黃妤群 艾秀娟

（1.福建水利電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 永安 366000； 2.渤海石油裝備制造有限公司第一機械廠，河北 滄州 062658）

1 引言

諧波電壓對供配電系統(tǒng)、電氣設(shè)備的穩(wěn)定和安全運行，以及通信的安全等都具有較大影響。正確識別諧波電壓、電流以及阻抗，并運用正確的方法對諧波進行測量，然后采取相應(yīng)措施積極控制或抑制諧波電壓具有重大意義。

2 諧波的產(chǎn)生及其危害

對于一個穩(wěn)定的供配電系統(tǒng)，三相交流發(fā)電機發(fā)出的電壓，其波形是是正弦波。在實際的供配電系統(tǒng)中，有大量晶閘管整流電源、變頻調(diào)速裝置、單相整流供電裝置、高壓直流輸電換流站、以及電弧和接觸焊接設(shè)備、硅鐵爐、高頻爐以及電力變壓器等非線性電力負荷的存在，而且這些負荷吸收的電流與施加的電壓波形不同，他們從電網(wǎng)吸收或注入諧波電流和無功電流，并產(chǎn)生大量的零序、負序和諧波電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，而畸變電壓會對所有負荷產(chǎn)生影響[1]?？梢哉f供配電系統(tǒng)中的諧波的產(chǎn)生是必然的物理現(xiàn)象，它對電網(wǎng)有很大的影響：①發(fā)電機、電網(wǎng)、變壓器、電動機等產(chǎn)生諧波源會降低發(fā)電、輸電、用電的效率。而且，在三相四線制供配電系統(tǒng)中，三次及其倍數(shù)次的諧波電流流過中線，會導(dǎo)致中線過熱進而引起火災(zāi)；②影響各種電氣設(shè)備的正常工作。如額外的熱效應(yīng)會引起用電設(shè)備發(fā)熱，絕緣老化，降低設(shè)備使用壽命；導(dǎo)致一些保護設(shè)備如繼電器、熔斷器等誤動作；增大變壓器的銅損耗和鐵損耗，降低其使用率；因諧波電流放大造成電容器過負荷或過電壓而損壞；③影響計量和通信。電力測量儀表通常是按工頻正弦波形設(shè)計的，而諧波電壓的存在會產(chǎn)生測量誤差，另外諧波電流的存在會產(chǎn)生電磁波，進而對鄰近的通信線路造成干擾，甚至導(dǎo)致丟失信息，使通信系統(tǒng)無法工作。

3 諧波相關(guān)參數(shù)的識別

3.1 諧波電壓的近似求解

假設(shè)PCC（連接點或諧波源）相鄰兩側(cè)兩時刻間諧波電壓基本平穩(wěn)，并且系統(tǒng)諧波阻抗變化不大，那么可根據(jù)電力系統(tǒng)的基本原理近似求解諧波電壓[2]，如圖1所示。

圖1 等值電路圖

由此得到

以上是諧波電壓的近似求解值，在復(fù)雜的配電系統(tǒng)中，還可以借助二元回歸分析對其準確性進行判斷。

3.2 諧波電流方向識別

諧波電流方向判斷實質(zhì)就是判斷系統(tǒng)和用戶對諧波畸變的影響大小，正確辨識諧波電流方向，是諧波潮流計算、濾波器配置以及采用經(jīng)濟手段懲罰諧波發(fā)射用戶等問題的基礎(chǔ)，因此諧波電流方向的辨識對電力系統(tǒng)諧波污染的治理有重要意義。目前的諧波電流方向辨識方法主要有兩種方案：

（1）基于有功功率潮流的諧波電流方向辨識方法。該方法是最傳統(tǒng)的諧波電流方向辨識方法，功率正方向定義為從系統(tǒng)到用戶，則h次諧波的有功功率為：

（2）和基于諧波阻抗的諧波電流方向辨識方法。假設(shè) hR是系統(tǒng)h次諧波阻抗的實部，hX是系統(tǒng)h次諧波阻抗的虛部，那么，其判斷依據(jù)仍然是 hR，即其值小于0，說明諧波電流方向為用戶注入系統(tǒng)，否則系統(tǒng)本身是主要的諧波電流源。顯然前者用戶收到處罰，后者則需要對用戶給予補償。

3.3 諧波阻抗識別

電力系統(tǒng)中，各種非線性負荷的大量應(yīng)用是導(dǎo)致大量諧波電流注入電網(wǎng)的主要原因。電力系統(tǒng)的諧波阻抗的辨識對諧波的滲透分析、濾波裝置參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計和電力系統(tǒng)的安全運行設(shè)計等都具有重要意義。諧波阻抗辨識的基本原理比較簡單，運用歐姆定律可以對其進行分析，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)和諧波源用戶的連接示意圖

圖2 中，方框N2代表非線性負荷，方框Nl代表的是除了這個負荷之外的整個線路。當Nl中的阻抗元件是線性元件時，而且當N1只含工頻電源時，Nl對于各個高次諧波所呈現(xiàn)的阻抗是一個定值，因此可以定義系統(tǒng)諧波阻抗 hZ=hU/hI（h為諧波次數(shù)，hU和hI分別代表電壓u，電流i的h次諧波相量）。諧波阻抗識別基本可以上可以分為兩類[3]：①干預(yù)式。即通過外界因素干擾產(chǎn)生在正常情況下不會產(chǎn)生諧波電流。然后利用該次諧波電流和諧波電壓估計系統(tǒng)諧波阻抗。如“注入法”，通過注入諧波電流測量系統(tǒng)諧波阻抗，還有 “開關(guān)元件法”，即在要測量諧波阻抗的地點，通過網(wǎng)絡(luò)元件的開關(guān)動作而產(chǎn)生諧波電流注入，然后再研究其瞬態(tài)或是穩(wěn)態(tài)過程求出系統(tǒng)諧波阻抗的方法；②非干預(yù)式，如“波動量法”和“雙線性回歸法”等，他們是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的諧波潮流模型，利用諧波電流、諧波電壓本身的特點來估計系統(tǒng)諧波阻抗的一種方法。

4 諧波電壓的測量

諧波電壓對供配電系統(tǒng)的危害性較大，自然需要各種裝置對諧波電壓進行控制。但首先必須要對諧波電壓進行測量。傳統(tǒng)的諧波測量裝置多以單片機來實現(xiàn)，但其精度、速度都不滿足現(xiàn)代管理的需要。利用DSP（數(shù)字信號處理器）可以快速運算數(shù)字信號，達到對諧波的測量、監(jiān)視、控制和管理[4]。

本文以福建平和變電站配電系統(tǒng)為例，并采用瑞士萊姆制造的PQPT-1000電能質(zhì)量分析儀作為測試儀器進行網(wǎng)點測試，諧波分析至50次，基本精度0.01。在動、靜態(tài)無功補償裝置均運行的情況下，進行50分鐘測試：

（1）110kv母線諧波電壓總諧波畸變率。根據(jù)對6個測試點的測試數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，結(jié)果如表1所示。

表1 110kV母線諧波電壓總諧波畸變率

（2）110kV母線各次諧波電壓含有率。根據(jù)諧波電壓測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計95%概率大值、最大值、平均值，其中三相諧波電壓平均值還采用公式

進行求解，如表2所示。

表2 110kV母線各次諧波電壓含有率（單位：%）

根據(jù)上表，利用公式測量的平均值較利用PQPT-1000電能質(zhì)量分析儀所測結(jié)果略有降低。

（3）采用同樣的方法，可以測出該配電系統(tǒng)6個測試點中各次諧波電流最大值、平均值、95%概率大值，如基波上諧波電流最大值分別為281.65A、 284.01A、307.43A。

5 結(jié)論

對諧波電壓的識別、測量、控制不僅可以保證供配電系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，提高電器設(shè)備使用壽命，保證通信安全，還可以盡量促進用電市場的公平。本文介紹了諧波電壓的識別方法，并對濾波檢測以及LV濾波器的選擇進行了一定的分析。隨著電力電子技術(shù)的進一步發(fā)展，諧波電壓的控制技術(shù)也會日臻成熟，電力的使用效率會逐步提高，這對于建設(shè)低碳社會具有重要意義。

[1] 賀建閩,黃治清,李群湛.電網(wǎng)背景諧波電壓測量與研究[J].鐵道學(xué)報,2005,27(6)：28-33.

[2] 唐杰,羅安,范瑞祥等.無功補償和混合濾波綜合補償系統(tǒng)及其應(yīng)用[J].中國電機工程學(xué)報,2007(1).

[3] 王彥東,李群湛.電力系統(tǒng)諧波阻抗特性及其測量方法的探討[J].電工技術(shù)雜志,2004(3)：64-67.

[4] 潘發(fā)君．配電網(wǎng)無功與諧波綜合補償原理及方法研究[D].湖南大學(xué),2007.6.