趙紀(jì)威

摘 要：諧波會降低電能質(zhì)量，影響電力系統(tǒng)安全運(yùn)行，因此諧波的治理一直成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。文章對諧波的危害、形成原因及分析方法進(jìn)行了闡述，并對治理和消除諧波的措施進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：變電站；諧波；原因；消除方法

中圖分類號：TN912.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8937（2015）24-0069-02

1 諧波成分對電力系統(tǒng)的危害

正常交流電為工頻正弦波形，除此以外的雜波成分皆可歸為諧波。由于電力系統(tǒng)中設(shè)備眾多，當(dāng)存在使波形畸變因素時(shí)就可能形成諧波，例如變壓器、電抗器、非線性用電設(shè)備都是諧波源。變電站除了變壓器以外，還有大量的電氣設(shè)備，其中不乏非線性電氣設(shè)備，因此變電站中存在著多種諧波源。諧波成分對電力系統(tǒng)的危害主要表現(xiàn)在：

①增加電能損耗，如增加變壓器銅損與渦流損耗，增加輸電線路附加損耗等；

②加速設(shè)備損壞，如促使變壓器過熱而損壞，電容器鼓肚或支路上熔絲群爆等；

③使繼電保護(hù)誤動或測量失準(zhǔn)，如使互感器、電能表測量誤差增大，繼保及自動裝置出現(xiàn)誤動作；

④對電子設(shè)備和通信產(chǎn)生干擾。由于諧波形成的原因和特性都非常復(fù)雜，因此分析諧波形成原因和治理方法具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 諧波分析方法與形成原因

2.1 諧波分析方法

分析和研究諧波都是從傅里葉級數(shù)開始的。對于任一滿足狄里赫利條件的周期波形都可展開成一個(gè)收斂的傅里葉級數(shù)，如下式所示：

f（t）=A0+[Ahcos（hω0t）+Bhsin（hω0t）] （1）

式（1）還可表示為：

f（t）=A0+Chsin（hω0t+ψh） （2）

式（1）、（2）中，f（t）是周期為T=2π/ω0的函數(shù)，Chsin（hω0t+ψh）表示幅值為Ch、周期為T=2π/（hω0）、相位為ψh的第h次諧波。其他符號意義如下：

A0=f（t）dt=f（t）dx（x=ω0t） （3）

A0=f（t）cos（hω0t）dt=f（t）cos（hx）dx （4）

A0=f（t）sin（hω0t）dt=f（t）sin（hx）dx （5）

其中

Ch=，ψh=arctan（Ah/Bh），C1sin（ω0t+ψ1）

稱為基波分量。通過式（1）、（2）可知，諧波頻率為基波頻率的整數(shù)倍，當(dāng)諧波頻率等于3倍基波頻率時(shí)稱為三次諧波，如果諧波頻率等于5倍基波頻率時(shí)則稱為五次諧波?；诟道锶~級數(shù)原理的諧波分解圖，如圖1所示。

2.2 諧波形成原因分析

2.2.1 正弦供電電壓加在非線性負(fù)荷上

諧波產(chǎn)生的根本原因是在正弦供電電壓加在非線性負(fù)荷上，它產(chǎn)生的電流不再是完全的正弦波形。同時(shí)因系統(tǒng)阻抗的存在，該電流產(chǎn)生的電壓降也是非正弦的，這樣就會引起負(fù)荷端的電壓畸變。

2.2.2 變壓器的影響

在變電站中，變壓器是一個(gè)諧波源，由于變壓器的磁性材料大都工作在非線性或接近非線性的區(qū)域，這種情況下即使加入正弦電壓，勵(lì)磁電流也是非正弦的，因而電流中不可避免含有諧波成分，并以3次諧波為主。同樣的道理，假如變壓器勵(lì)磁電流波形是正弦的，但電壓也是非正弦的。類似的情況還包括電抗器等感性設(shè)備。

2.2.3 其他非線設(shè)備的影響

變電站負(fù)載中若含有電弧爐、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、晶閘管控制設(shè)備等大量的非線性設(shè)備，則會引入諧波成分。旋轉(zhuǎn)電機(jī)的線圈是嵌入線槽內(nèi)的，由于線槽不可能做成完全正弦分布，所以產(chǎn)生的磁動勢必然畸變。家用電器、水銀燈、熒光燈等也是諧波源，雖然就單體來說諧波量不大，但數(shù)量大，分布廣，也會對電力系統(tǒng)產(chǎn)生較明顯的影響。隨著整流器、開關(guān)電源、晶閘管控制系統(tǒng)等電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用，它們產(chǎn)生的諧波成分同樣不容小視。

2.2.4 其他原因

另外，如果發(fā)電質(zhì)量不高，即發(fā)電設(shè)備的諧波成分未受到有效抑制，注入電網(wǎng)后也是不可忽視的諧波源。

3 治理和消除諧波的方法

3.1 諧波治理策略

治理諧波主要從三個(gè)方向入手，即受端治理、主動治理和被動治理[4]。

受端治理是從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)角度進(jìn)行治理，例如改變供電方式，對諧波源和系統(tǒng)其他設(shè)備采取分別供電的方式，以避免系統(tǒng)其他設(shè)備受到諧波影響；將電容器組一些支路的串聯(lián)電抗器改為濾波器，或減少電容器組的投入容量等。

主動治理是直接針對諧波源進(jìn)行治理，例如改變諧波源工作方式、增加變流裝置、諧波疊加技術(shù)等。

被動治理是通過外加濾波器方式減少或消除電力系統(tǒng)中諧波成分流入負(fù)載端，例如設(shè)置無功濾波器PF、在諧波源附近的公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)配置有源濾波器（串聯(lián)或并聯(lián)）等。

主動治理和受端治理更傾向于主動預(yù)防，而被動治理則是一種補(bǔ)救性的措施。這三種策略各有優(yōu)劣，應(yīng)結(jié)合實(shí)際情況采用。

3.2 諧波濾波器的選用

3.2.1 諧波濾波器的分類

諧波濾波器是用于消除諧波的裝置，主要包括無源濾波器（LC）和有源濾波器（APF）兩大類。LC濾波器主要以電感、電容串聯(lián)或并聯(lián)方式，調(diào)諧到某個(gè)特定的諧波頻率，以此抵消掉該頻率的諧波。

LC濾波器按照電感、電容的配置方法，又分為串聯(lián)調(diào)諧濾波器、雙帶通濾波器、阻尼濾波器、解諧濾波器等類型。APF通過加入電源來補(bǔ)償主電路的諧波，它克服了LC濾波器受電網(wǎng)阻抗制約的特性，適用于動態(tài)濾波，其接入電網(wǎng)的方式有串聯(lián)型、并聯(lián)型及混合型三種方式。串聯(lián)方式可阻止諧波電流傳送，并聯(lián)方式可減少電網(wǎng)中的諧波分量，但一般以并聯(lián)為主。

3.2.2 諧波濾波器的選用

選擇濾波器的一個(gè)重要參數(shù)是品質(zhì)因數(shù)（Q），它決定了調(diào)諧的尖銳程度，可按計(jì)算

Q=X0/R

式中，

X0為電感或電容的電抗；

R為電阻。

Q=30～60的濾波器主要用于治理低次諧波（如5次），而Q=0.5～5的濾波器專用于消除高次諧波（17次以上）。另一個(gè)參數(shù)是失諧因素（δ），可按計(jì)算

δ=（ω-ωn）/ωn

也常用：

δ=（Δf/fn）+[（ΔL/Ln）+（ΔC/Cn）]

來表示。

3.3 有源濾波器的應(yīng)用

并聯(lián)型APF主要由主電路、指令電流檢測、電流跟蹤控制三部分組成，首檢測負(fù)載電壓、電流參數(shù)和諧波分量，然后根據(jù)檢測出的諧波分量和補(bǔ)償電流數(shù)據(jù)對畸變的電流波形進(jìn)行補(bǔ)償。諧波檢測采用雙閉環(huán)控制，要求對電網(wǎng)側(cè)的電流與電壓、補(bǔ)償側(cè)的電流、直流側(cè)電壓等參數(shù)進(jìn)行精確采樣。

為了確保APF平穩(wěn)投入，在初始階段就要對直流側(cè)電容進(jìn)行預(yù)充電。采用Matlab進(jìn)行了仿真測試，未補(bǔ)償前諧波含量接近30%，波形畸變得很厲害，無法滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。經(jīng)APF補(bǔ)償后諧波含量下降到不足3%，而且波形平穩(wěn)圓滑，趨近正弦波，已達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對諧波的要求。APF與LC濾波器相比，后者超調(diào)量很大，而前者幾乎沒有超調(diào)，可見APF在變電站諧波消除方面很有優(yōu)勢。

4 結(jié) 語

變電站是電力系統(tǒng)的樞紐，除了發(fā)電端的諧波源、自身諧波源以外，還是眾多小型諧波源匯聚之處，因此為了改善電能質(zhì)量，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，需要對變電站諧波污染進(jìn)行有效的治理。目前，諧波治理方法有多種，應(yīng)結(jié)合各變電站的諧波特征，并綜合經(jīng)濟(jì)性、適應(yīng)性、安全性和兼容性，這樣才能選出最佳方案。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李秋華.淺析諧波治理技術(shù)及在變電站中的應(yīng)用[J].信息系統(tǒng)工程，2014，（1）.

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[3] 牛聰.針對某變電站的諧波分析與治理[J].燈與照明，2014，（1）.

[4] 黃萍，晏遠(yuǎn)進(jìn)，李翠珍，等.基于RTDS的某110 kV變電站諧波治理措施的研究與仿真分析[J].通訊世界，2014，（8）.