華北電力大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院 趙

現(xiàn)代電力系統(tǒng)諧波危害與檢測

隨著工業(yè)生產(chǎn)和電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的應(yīng)用越來越廣泛。一方面，電力電子裝置的應(yīng)用使生產(chǎn)、生活更加方便、智能化；另一方面，由于電力電子裝置的非線性，給電力系統(tǒng)注入了大量的諧波，會危及電網(wǎng)設(shè)備的安全運行和壽命。因此，限制注入系統(tǒng)的諧波，對于提高電能質(zhì)量具有重要意義。

一、電力系統(tǒng)諧波的概念

電力系統(tǒng)的理想電壓波形是頻率為50 Hz的正弦波，但是由于電力系統(tǒng)大量非線性負(fù)荷的存在，使得電壓波形產(chǎn)生畸變，對產(chǎn)生畸變的非正弦電壓波形進(jìn)行傅里葉分解，除了得到基頻分量，還會得到一系列基頻倍數(shù)次的波形，這些波被稱為諧波。國際電工標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為，頻率為基波頻率整數(shù)倍的正弦波即為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值稱為諧波次數(shù)。諧波實際上是一種干擾量，影響電網(wǎng)的正常運行。諧波一般分偶次諧波和奇次諧波，電力系統(tǒng)中由于三相系統(tǒng)的對稱性，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在，而奇次諧波的危害要高于偶次諧波。

二、電力系統(tǒng)諧波的危害

20世紀(jì)60年代以后，電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用不斷加深，諧波的危害也引起了人們的重視。諧波對系統(tǒng)的危害具體表現(xiàn)在以下幾個方面。

1.系統(tǒng)損耗增大。諧波電流使發(fā)電、輸電和配電過程產(chǎn)生附加損耗，使得電力系統(tǒng)的一些重要設(shè)備溫度升高，運行效率降低。在中性點直接接地系統(tǒng)中，若大量未經(jīng)濾除的三次諧波流過中性點，就可能導(dǎo)致線路過熱，甚至?xí)l(fā)火災(zāi)。

2.影響電氣設(shè)備正常工作。諧波會使輸電線路損耗增加，導(dǎo)致線路溫度過熱，絕緣老化，縮短了線路的運行壽命；諧波會增加變壓器的磁滯損耗、渦流損耗，使變壓器的局部發(fā)生過熱；對于電機，諧波不僅會產(chǎn)生附加的損耗，還會在電機上產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓；對電力電容器，在高頻諧波電壓下，流過電容器的電流會很大，使電容器產(chǎn)生一定的損耗。

3.引起諧振。電力電容器在電力系統(tǒng)中具有無功補償?shù)淖饔?，高壓輸電線路存在較大分布電容。由于線路和變壓器電抗的存在，在一定的諧波頻率下，就有可能引發(fā)串聯(lián)或并聯(lián)諧振，諧振會在元件內(nèi)部產(chǎn)生很大的過電壓或過電流，進(jìn)而危及設(shè)備安全，影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

4.繼電保護(hù)裝置誤動作。測量裝置的準(zhǔn)確度受到電能質(zhì)量的影響，在標(biāo)準(zhǔn)的工頻電壓下，測量裝置準(zhǔn)確度較高，但在系統(tǒng)混入諧波后，測量裝置精確度會大大下降。測量裝置不準(zhǔn)確時，繼電保護(hù)裝置測量元件會因諧波影響而誤啟動或者拒動，造成電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置誤動作，造成停電事故。

5.干擾通信。諧波對通信系統(tǒng)的危害主要在于諧波產(chǎn)生的噪聲會對無線電的傳播產(chǎn)生干擾，使通信信道內(nèi)傳播的信號產(chǎn)生畸變，從而導(dǎo)致通信信號丟失或者畸變。

三、電力系統(tǒng)諧波檢測措施

1.采用模擬帶通或帶阻濾波器測量諧波。這是最早的一種諧波檢測方法，本文，筆者以模擬并行濾波式濾波測量裝置為例，對濾波器濾波方法進(jìn)行闡述。其原理如圖1所示。

先將信號輸入放大器，對信號進(jìn)行放大，再依次送入濾波器1、濾波器2、…、濾波器n進(jìn)行濾波，其中濾波器的中心頻率為工頻的整數(shù)倍，按1 ～ n依次增大，最后送入多路顯示器顯示。由于這種濾波方法電路結(jié)構(gòu)簡單，在早期的諧波檢測中得到了廣泛應(yīng)用，但由于受外界影響較大，檢測精度不高，現(xiàn)在已很少使用。

2.基于傅立葉變換的諧波測量。該方法檢測精度高、功能多，但計算量大，計算時間較長，實時性差。另外，在采樣過程中，當(dāng)信號頻率和采樣頻率不一致時，會產(chǎn)生頻譜泄漏效應(yīng)和柵欄效應(yīng)，使測量的信號參數(shù)不準(zhǔn)確，相位測量誤差會很大，通常無法滿足測量準(zhǔn)確度的要求。為減少泄漏誤差，常常采用加窗算法、插值算法、雙峰譜線修正算法來降低誤差。

3.基于瞬時無功功率的諧波測量。Ip – Iq法適用于電網(wǎng)電壓畸變和電網(wǎng)電壓不對稱的情況，而p – q 法則會產(chǎn)生較大誤差，不適用于電網(wǎng)電壓畸變。這種方法的優(yōu)點是實時性好、測量電路簡單，缺點是不夠經(jīng)濟。

4.基于小波變換的諧波檢測方法。小波變換相對于傅里葉變換在頻域和時域都能完全局部化，對波動諧波、快速變化諧波的檢測有很大優(yōu)越性，但在穩(wěn)態(tài)測量方面不具備優(yōu)勢。綜合來說，小波變換結(jié)合傅里葉變換而達(dá)到優(yōu)勢互補是一種行之有效的方法。

5.基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的測量方法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模仿動物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為特征，進(jìn)行分布式并行信息處理的數(shù)學(xué)算法模型。這種諧波測量方法需要構(gòu)建恰當(dāng)網(wǎng)絡(luò)，選擇合適算法。該方法目前也處于初級研究階段，對于樣本的依賴性過高，因此距實際工程應(yīng)用還很遠(yuǎn)，但由于其所表現(xiàn)出的檢測實時性高、精確度高、抗干擾能力強等優(yōu)點，發(fā)展前景廣闊。