張金鳳

（山東黃河勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院 山東 濟(jì)南 250013）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的日益進(jìn)步和電子技術(shù)的飛速發(fā)展,非線性設(shè)備在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用越來(lái)越廣,由此產(chǎn)生的大量高次諧波電流注入電網(wǎng),引起電網(wǎng)電壓正弦波形畸變,使電能質(zhì)量下降，干擾電網(wǎng)的保護(hù)裝置與自動(dòng)化裝置的正常運(yùn)行，造成了這些裝置的誤動(dòng)與拒動(dòng)，影響發(fā)電、供電和用電設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。所謂非線性設(shè)備就是指在正弦供電電壓下產(chǎn)生非正弦電流或者在正弦供電電流下產(chǎn)生非正弦電壓的設(shè)備。例如，變壓器、發(fā)電機(jī)、電機(jī)、電弧爐、電子式照明設(shè)備、變頻調(diào)速裝置、開關(guān)電源、電視機(jī)、計(jì)算機(jī)、復(fù)印機(jī)、等用電負(fù)載大都是非線性負(fù)載，都是諧波源，如將這些諧波電流注入公用電網(wǎng)，必然污染公用電網(wǎng)，使公用電網(wǎng)電源的波形畸變，增加諧波成份。

1 諧波的產(chǎn)生

諧波是一個(gè)周期電氣量中頻率為大于1整數(shù)倍基波頻率的正弦波分量。由于諧波頻率高于基波頻率，人們就把諧波也稱為高次諧波。

通常諧波源可以被分為以下三類：

（1）飽和設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、變壓器和電動(dòng)機(jī)等。

（2）電弧裝置，如電弧爐、熒光燈等。

（3）電力電子裝置，如變速傳動(dòng)裝置、不間斷電源、整流器、逆變器、開關(guān)電源和晶閘管控制系統(tǒng)等。

電力變壓器作為諧波源，源于電力變壓器使用的磁性材料通常運(yùn)行在接近非線性或者可以說(shuō)就在非線性區(qū)域。在此種情況下，即使所加的電壓是正弦的，變壓器的勵(lì)磁電流也是非正弦的，因此包含諧波，而且主要是3次諧波。在我們通常使用的熒光燈中，每隔半個(gè)周波電壓被建立起來(lái)直到熒光燈被點(diǎn)亮，點(diǎn)亮狀態(tài)下熒光燈呈負(fù)電阻特性，其電流由感性的非線性鎮(zhèn)流器來(lái)限制，因此電流是畸變的。靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置（簡(jiǎn)稱SVC）是指凡是能夠以無(wú)機(jī)械傳動(dòng)部件而達(dá)到提供無(wú)功出力的裝置。由靜電電容器和晶閘管等部件組合而成。靜止無(wú)功補(bǔ)償器是一種平衡的三相設(shè)備，它用晶閘管控制并聯(lián)電容器或并聯(lián)電抗器每半個(gè)周波中的導(dǎo)通時(shí)間，以便將終端電壓維持在一個(gè)給定值。因此，它會(huì)產(chǎn)生非正弦的斬波電流。

2 諧波的危害

向電網(wǎng)注入高次諧波電流是電力電子裝置以及其它非線性設(shè)備在使用過(guò)程中造成的重要危害，其危害范圍涉及到工礦企業(yè)電網(wǎng)的各個(gè)部分，并通過(guò)電力系統(tǒng)影響到其它用電部門，諧波電流及電網(wǎng)電壓畸變的危害可以概括為以下幾個(gè)方面：

（1）電容器組、變壓器和電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱和故障。電容器的電抗隨著頻率的升高而減小，這使得電容器成為諧波的吸收點(diǎn)，致使電容器由于諧波電流而過(guò)載。同時(shí)，諧波電壓產(chǎn)生大電流會(huì)引起電容器熔絲熔斷。諧波對(duì)變壓器和旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響主要是引起附加損耗和過(guò)熱，其次是產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪音和諧波過(guò)電壓。這些將縮短電機(jī)的壽命，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)p壞電機(jī)。

（2）發(fā)電機(jī)的銅耗和鐵耗增加。諧波會(huì)增加設(shè)備的銅耗和鐵耗導(dǎo)致發(fā)熱，在這種情況下降低了發(fā)電機(jī)的額定出力。

（3）增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗。國(guó)際上一般認(rèn)為電動(dòng)機(jī)在正常持續(xù)運(yùn)行條件下，電網(wǎng)中負(fù)序電壓不超過(guò)額定電壓的2%，如果電網(wǎng)中諧波電壓折算成等值基波負(fù)序電壓大于這個(gè)數(shù)值，則附加功耗明顯增加。

（4）增加輸電線路功耗。如果電網(wǎng)中含有高次諧波電流，那么，高次諧波電流會(huì)使輸電線路功耗增加。如果輸電線是電纜線路，與架空線路相比，電纜線路對(duì)地電容要大10～20倍，而感抗僅為其1／3～1／2，所以很容易形成諧波諧振，造成絕緣擊穿。

（5）繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的拒動(dòng)或誤動(dòng)作。電力系統(tǒng)中的諧波會(huì)改變保護(hù)繼電器的性能，引起誤動(dòng)作或拒絕動(dòng)作。

（6）測(cè)量?jī)x表的不精確。有功和無(wú)功電度表是用于工礦企業(yè)所消耗的有功和無(wú)功電能的計(jì)量，既要正確記錄線性負(fù)荷所消耗的電能，也要記錄非線性負(fù)荷或者混合負(fù)荷所消耗的電能，不論供電部門還是用電單位都非常關(guān)心這些計(jì)量?jī)x表的準(zhǔn)確性。這些計(jì)量裝置都是按50Hz標(biāo)準(zhǔn)正弦波設(shè)計(jì)的，當(dāng)供電電壓中有高次諧波或者負(fù)荷電流中有高次諧波時(shí)都會(huì)影響常用感應(yīng)式電度表的正常工作，通過(guò)感應(yīng)式電度表的相對(duì)誤差與頻率的關(guān)系，我們知道，在不同的電壓和電流相位差的情況下，頻率越高，誤差越大，電流和電壓之間的相位差越小，誤差越大。在非正弦電壓和電流，附加的總的頻率誤差與諧波電壓、諧波電流以及它們之間的相位差有關(guān)系。

（7）損壞電子設(shè)備。諧波干擾用戶負(fù)載，尤其是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，諧波縮短白熾燈的使用壽命。

（8）干擾通訊系統(tǒng)。諧波對(duì)通訊系統(tǒng)的干擾是一個(gè)在國(guó)際上都被十分重視的問(wèn)題，諧波干擾會(huì)引起通訊系統(tǒng)的噪音，降低通話的清晰度。干擾嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起信號(hào)的丟失，在諧波和基波的共同作用下引起電話鈴響，甚至還會(huì)發(fā)生危及設(shè)備和人身安全的事故。

3 諧波的抑制

諧波的干擾已成為當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的一大“公害”，其危害雖然很大，但還是可以抑制的。為解決電力電子裝置和其它諧波源的諧波污染問(wèn)題，在電力系統(tǒng)中抑制諧波的方法基本就是“限”和“制”兩種，所謂的“限”就是減少諧波源產(chǎn)生的諧波含量，所謂的“制”就是在諧波源附近安裝濾波器。

首先是減少諧波的技術(shù)，主要有：

（1）電力變流器中的相位抵消。

（2）改變電容器組的安裝位置或調(diào)整電容器組的無(wú)功出力。

（3）三角形聯(lián)結(jié)被用來(lái)隔斷由發(fā)電機(jī)和變壓器產(chǎn)生的諧波進(jìn)入電力系統(tǒng)。

（4）同步發(fā)電機(jī)中的短距線圈和分布繞組可以減小諧波。選擇線圈節(jié)距以使節(jié)距系數(shù)在某次諧波下為零可以完全消除此次諧波。

其次是抑制諧波的技術(shù)，諧波抑制的傳統(tǒng)方法就是采用LC濾波器，LC濾波器也稱為無(wú)源濾波器，是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成、并調(diào)諧在某個(gè)特定諧波頻率的濾波裝置，與諧波源并聯(lián)，除起到濾波的作用外，又可以補(bǔ)償無(wú)功功率，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所以在電力系統(tǒng)中一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過(guò)載甚至燒毀。此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果不好。

當(dāng)前，諧波抑制的發(fā)展趨勢(shì)是采用有源電力濾波器，有源電力濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的電力電子裝置。其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性恰好相反的補(bǔ)償電流，從而使注入電網(wǎng)的電流只含有基波分量，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，其應(yīng)用克服了LC濾波器等傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法中的缺點(diǎn)。圖1為并聯(lián)型電力有源濾波器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。電力有源濾波器并聯(lián)連接在負(fù)載上，通過(guò)檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流電流運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無(wú)功等電流抵消，最終得到預(yù)期的電源電流。

圖1 電力有源濾波器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

在有源濾波系統(tǒng)中，電網(wǎng)輸出的基波有功電流、無(wú)功電流以及高次諧波電流混合在一起。在此提出一種可適用于抑制任何頻率的輸電網(wǎng)中的諧波電流和補(bǔ)償無(wú)功電流的方法。在檢測(cè)方案中，作者根據(jù)負(fù)載電流要求產(chǎn)生與有害電流分量大小相等、相位相反的電流，即電源無(wú)功電流和高次諧波電流，利用自適應(yīng)信號(hào)預(yù)測(cè)功能對(duì)該電流進(jìn)行檢測(cè)，并將產(chǎn)生的與檢測(cè)到的相同電流注入到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)的實(shí)時(shí)電流補(bǔ)償，從而輸出基波有功電流分量至負(fù)載。其檢測(cè)方案原理圖如圖2所示：

圖2 有源濾波電流補(bǔ)償方案

4 結(jié)束語(yǔ)

諧波問(wèn)題涉及供電部門、電力用戶和設(shè)備制造商，諧波問(wèn)題已引起人們的高度重視。應(yīng)合理規(guī)劃電網(wǎng)，正確選用用電設(shè)備，生產(chǎn)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的用電設(shè)備。隨著電力電子技術(shù)及自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，針對(duì)電力系統(tǒng)諧波的危害，致力于諧波治理的研究人員一定會(huì)加緊諧波抑制技術(shù)方面的研究工作，而且不久的將來(lái)必定會(huì)取得快速的進(jìn)展，21世紀(jì)的電力系統(tǒng)將發(fā)展成為復(fù)雜、高度安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效、高度可控的，能為人類提供優(yōu)質(zhì)電能的現(xiàn)代化電力系統(tǒng)。

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