淺析電力系統(tǒng)中諧波的危害及其抑制措施

王江

(中韓(武漢)石油化工有限公司，湖北 武漢 430000)

摘要：電力系統(tǒng)中諧波的存在對供電安全及電能質(zhì)量有著很大的危害，抑制諧波對保證電力安全及電能質(zhì)量有著重要的意義。現(xiàn)簡要介紹電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的原因和危害，并總結(jié)抑制諧波危害的措施。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；諧波；抑制；無源濾波；有源濾波

收稿日期:2015-05-28

作者簡介：王江(1987—)，男，湖北黃岡人，助理工程師，電力調(diào)度，研究方向：電氣運行與調(diào)度。

0引言

諧波是指電流中所含有的頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量，一般指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是非線性負載的存在，當電流流過非線性負載時，電流與所加電壓不成線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中產(chǎn)生了諧波。諧波導致的壓降和波形畸變將導致供電質(zhì)量下降，還會對電力系統(tǒng)中各一、二次設(shè)備產(chǎn)生不利的影響。本文通過分析諧波產(chǎn)生的原因及造成的危害，提出一些抑制諧波的方法。

1諧波的危害

諧波對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定及經(jīng)濟運行有著巨大的危害，還會對電氣設(shè)備造成損害，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

1.1使電能質(zhì)量下降

諧波的存在會使系統(tǒng)電壓發(fā)生畸變，增加用電設(shè)備的功率消耗，降低電力系統(tǒng)功率因數(shù)。

1.2對電氣設(shè)備的影響

(1) 增加輸電線路損耗。諧波電流在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降，還會增加輸電線路的電流有效值，導致輸電線路的附加損耗。

(2) 增加變壓器損耗。諧波會使得變壓器的電阻損耗、渦流損耗及因漏磁而產(chǎn)生的雜散損耗增加，3的倍數(shù)次的諧波會在三角形接法的繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，使繞組發(fā)熱。

(3) 縮短電力電容器壽命。諧波的存在會使得電壓中含有尖頂波形，當諧波和基波電壓產(chǎn)生疊加時，峰值電壓的上升會使得電容器的介質(zhì)變得更容易導電，電壓升高10%會導致電容器壽命縮短一半。

(4) 增加感應(yīng)電動機的損耗和發(fā)熱，且當電動機的諧波電流頻率接近零配件的固有頻率時，會使電動機產(chǎn)生較大的震動及較大的噪音。

1.3對繼電保護的影響

諧波會影響繼電保護和自動化設(shè)備的正常工作，對于按照基波負序量整定的繼電保護來說，當系統(tǒng)發(fā)生諧波畸變時，數(shù)字式繼電保護的數(shù)據(jù)采樣和過零工作會產(chǎn)生誤差，導致繼電保護誤動/拒動、保護失靈或保護裝置動作不穩(wěn)定。諧波的存在還會導致電力計量上的誤差。

1.4干擾通訊網(wǎng)絡(luò)

在通訊線路和電力線路距離較近時，線路間的電磁感應(yīng)和靜電感應(yīng)會使周圍形成電場和磁場的耦合，從而降低通訊信號的強度，使信號質(zhì)量下降，通話質(zhì)量降低，嚴重的還會導致對人身有危害的過電壓。

2抑制諧波的方法

為了提高供電質(zhì)量，我們必須減少諧波的危害。抑制諧波主要可從以下兩個方面著手：一是改造用電設(shè)備使之不產(chǎn)生或少產(chǎn)生諧波；二是外加濾波器，過濾諧波源產(chǎn)生的諧波。

對于改造用電設(shè)備來說，主要方法就是采用脈寬調(diào)制、增加整流裝置的脈動數(shù)、多重化接線以及加入濾波裝置等。當整流相數(shù)增加一倍時，諧波電流可以下降3/4，整流設(shè)備產(chǎn)生的諧波得以有效減少。對于工廠用電還可考慮加裝無功補償裝置，在諧波源處安裝并聯(lián)無功補償裝置，可以有效減小諧波量，且起到穩(wěn)定電壓和提高系統(tǒng)功率因數(shù)的作用。

抑制諧波的另外一個方法就是加裝濾波器，濾波器分為無源濾波器和有源濾波器，目前國內(nèi)采用較多的是無源濾波器。

2.1無源電力濾波器

無源電力濾波器(PPF)又稱LC濾波器，它是由電容、電感和電阻串聯(lián)接地后再與負載線路并聯(lián)，并按照一定參數(shù)相互配置的一種濾波裝置。無源電力濾波器是目前采用比較廣泛的一種裝置，其原理是在諧波頻率時容抗和感抗相等而相互抵消，此時電感和電容工作在串聯(lián)諧振的狀態(tài)下，此過程稱為調(diào)諧。濾波電路的電阻為低阻值電阻，在調(diào)諧頻率上，濾波器對外表現(xiàn)為低阻抗，這樣高次諧波就會通過濾波器經(jīng)低阻進入大地，從而被消除。對于非調(diào)諧的基波，濾波器表現(xiàn)為高阻抗，基波無法通過濾波器，對其影響很小。

無源濾波器又分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器。

2.1.1　單調(diào)諧濾波器

單調(diào)諧濾波器只能濾除單一頻率的諧波，單調(diào)諧濾波器對n次諧波的阻抗為：

單調(diào)諧濾波器發(fā)生諧振時，諧振頻率為：

在諧振的時候，感抗和容抗相互抵消，Zfn=Rfn，n次諧波流入濾波器被消除。而對于其他頻率的諧波，Zfn?Rfn，基波和其他頻率的諧波無法流入濾波器，不會被濾波器濾除。從以上分析可知，將濾波器的諧振頻率和需要濾除的諧波頻率設(shè)置相同，就可以將該諧波濾除，而對于基波和其他頻率的諧波幾乎沒有影響。

2.1.2　雙調(diào)諧濾波器

雙調(diào)諧濾波器原理圖如圖1所示，雙調(diào)諧濾波器有兩個諧振頻率，可以同時吸收兩個頻率的諧波。雙調(diào)諧濾波器的阻抗可以看作由C1、L1、R1組成的串聯(lián)阻抗Z1和由C2、R2與L2、R3組成的并聯(lián)阻抗Z2的疊加，總的阻抗為Z=Z1+Z2。雙調(diào)諧濾波器并聯(lián)支路的基波阻抗遠小于串聯(lián)支路的基波阻抗，并聯(lián)支路所承受的基波電壓也遠小于串聯(lián)支路的基波電壓，此類濾波器在高壓直流輸電中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖1　雙調(diào)諧濾波器原理圖

2.1.3　高通濾波器

高通濾波器在無限大至截止頻率范圍內(nèi)，其阻抗是一個與它的電阻同數(shù)量級的較低阻抗，所以高通濾波器對截止頻率以上的高次諧波有很好的濾除作用。高通濾波器分為一階高通濾波器、二階高通濾波器、三階高通濾波器和C型高通濾波器，實踐中二階高通濾波器應(yīng)用最為廣泛。在實際應(yīng)用中通常采用若干組單調(diào)諧濾波器與一組高通濾波器相互配合來濾除諧波，減小母線電壓畸變率。

無源濾波器具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，在濾除諧波的同時，還能補償無功，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，實際應(yīng)用最為廣泛。但是其諧振頻率對元件參數(shù)依賴程度很高，只能濾除主要諧波，電容、電感參數(shù)發(fā)生漂移時會極大地影響濾波性能，性能不夠穩(wěn)定。

2.2有源電力濾波器

有源電力濾波器(APF)是一種可以實時監(jiān)測系統(tǒng)中的諧波并進行實時補償?shù)闹鲃有椭C波濾除裝置。有源電力濾波器能對頻率和幅值都在變化的諧波進行動態(tài)的跟蹤補償，而且其補償特性和系統(tǒng)阻抗無關(guān)，和傳統(tǒng)的無源電力濾波器相比，是一種更加先進的濾波方法。

有源電力濾波器原理圖如圖2所示，其原理為：對補償對象進行實時電流監(jiān)測，提取出諧波電流，之后控制單元控制補償裝置產(chǎn)生一個補償電流，這一電流和諧波電流極性相反、幅值相等，剛好可以將諧波完全抵消。這種濾波方式能夠跟蹤補償頻率和幅值實時變化的諧波，而且其補償特性不受電網(wǎng)的影響，未來應(yīng)用前景廣闊。

圖2　有源電力濾波器原理圖

2.3混合型電力濾波器

由于高頻變流器容量有限，而且其造價隨容量增加而急劇增加，于是便有了PPF和APF結(jié)合的混合型電力濾波器(HAPF)。在使用中，PPF和APF按照頻率分段各自完成濾波功能。由PPF濾除低次諧波，APF濾除高次諧波，或者反過來，由APF濾除低次諧波，PPF濾除高次諧波。這種方法結(jié)合了無源濾波器和有源濾波器各自的優(yōu)點，補償容量可以做到很大，且成本較低。

3結(jié)語

諧波會造成電力系統(tǒng)的污染，影響電能質(zhì)量，威脅電力系統(tǒng)安全平穩(wěn)運行。制定綜合動態(tài)的諧波防治措施并同時解決無功補償問題，是電力系統(tǒng)當前面臨的一大難題。在設(shè)計和制造非線性負載時采用較好的諧波抑制措施，能夠改善整個電網(wǎng)的電能質(zhì)量，也能減少諧波對用戶電氣設(shè)備的損害。而混合型電力濾波器的使用能大范圍消除諧波的影響，對提高電網(wǎng)電能質(zhì)量效果顯著。

[參考文獻]

[1]Wakileh George J.電力系統(tǒng)諧波——基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計[M].徐政，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2003.

[2] 童先立，鄔輝.電力系統(tǒng)諧波及濾波技術(shù)[J].江西電力職業(yè)技術(shù)學院學報，2013(4) .

[3] 羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術(shù)及裝備[M].北京：中國電力出版社，2006.