張晉文 韓潔民

摘 要：諧波抑制和無功補償是涉及電力電子技術、電力系統、電氣自動化技術等領域的重大課題。由于電力電子裝置的應用日益廣泛，使得諧波和無功補償問題引起人們越來越對的關注。

諧波會使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起供配電系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。對于供配電系統外部，諧波對通訊設備和電子設備會產生嚴重干擾。

（一）諧波的基本概念

在交流供電系統中，理想狀態(tài)下，交流電壓是按照正弦波的形式變化的，可用下面公式表示：

其中，U表示電壓有效值，α表示波形初相位，ω表示波形角頻率。

諧波是一個周期電氣量（如工頻交流電）中頻率大于整數倍基波頻率（工頻50Hz）的正弦波分量。

對稱三相電路：對于各相電壓來說，無論是三相三線電路還是三相四線電路，相電壓中都可以包含零序諧波，而線電壓中都不含有零序諧波。對于各相電流來說，在三相三線電路中，沒有零序電流通道，因而電流中沒有3、6、9次零序電流;而在三相四線電路中，這些零序電流可以從中性線中流過。

不對稱三相電路：其諧波通常也是不對稱的，3k次諧波、3k+1次諧波、3k-1次諧波，其中都可能含有正序分量、負序分量和零序分量。在不對稱三相電路中，各相電流可能包含3、6、9等次諧波，但不可能包含這些諧波電流的零序分量，也不可能包含其他次諧波電流的零序分量。不對稱三相三線或三相四線電壓中，各線電壓中也可能包含3、6、9等次諧波，但同時不可能包含這些諧波電壓的零序分量，也不可能包含其他次諧波的零序分量。

（二）供配電系統諧波的產生

在供配電系統中，諧波的產生主要有以下幾個方面：（1）電能的生產過程，如發(fā)電機。（2）電能的傳輸過程，如變壓器。（3）電能的轉換過程，如交直流轉換。（4）電能的使用過程，如非線性負載。

（三）無功功率對電網的影響

（1）使設備容量增大。無功功率的增加，會導致電流增加和實在功率增加，從而使發(fā)電機、變壓器及其電氣設備容量和導線容量增加。這樣大大增加了工程的成本投入。

（2）設備及線路損耗增加。無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路的損耗增加。

（3）使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會時電壓產生劇烈波動，影響供電電網質量。

在一般情況下，電網中的電阻比電抗小得多，所以，有功功率的波動對電網電壓的影響很小，而無功功率的波動對電網電壓的影響較大;有些沖擊性無功功率會使電網電壓產生劇烈波動，甚至使在同一電網上的其他用戶無法正常工作。

（四）諧波對電路系統的危害

理想的公用電網所提供的電壓應該是單一且固定的頻率的電壓幅值，諧波電壓和諧波電流的出現，是對公用電網的污染，其危害主要有以下幾方面：

（1）諧振，電網中使用無功補償的電容器，他們與系統的感性部分組合，在一定的頻率下，可能存在串聯或并聯的諧振條件。當諧波足夠大時，就會形成影響電網正常運行的諧波波電壓或過電流。

（1）增加了諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設備的效率。諧波電流會在線路中產生有功損耗：

高頻諧波會使電流在導線中的分布不均勻，降低了電能的傳輸效率;另外會使電流局部增大，導線溫度升高，加快絕緣老化，縮短電纜的使用壽命。

（2）諧波影響各類用電設備的正常工作。諧波對用電設備的影響主要是附加損耗和設備發(fā)熱。諧波電壓可以使變壓器的渦流損耗增加，使變壓器的銅耗增加。

（3）諧波可能會引起公用電網局部產生諧振，使諧波被放大，危害增大。

（4）諧波會導致電氣測量儀表測量誤差。在帶有整流電路的磁電式交流電表中，表針的旋轉角度決定于線圈電流整流后的直流平均值，表盤刻度為交流均方根值，這時可按正弦波的波形因數來確定刻度。當被測電路有諧波的時候，均方根值就有誤差，要進行修正。

（5）諧波會對通訊系統產生干擾。在多個中性點接地的電網中，如果有較大的零序諧波電流通過中性點流入大地，就會嚴重干擾附近的通信系統。

（五）諧波的治理

（1）無源濾波器（LC濾波器）

由電容器、電抗器、電阻器適當組合而成。濾波裝置通常由若干個無源濾波器并聯而成，并在某一個諧波頻率附近呈現低阻態(tài)，從而吸收該頻率的諧波，減小了流入配電系統的諧波電流。

一般LC濾波器包括一階高通濾波器、二階高通濾波器、三階高通濾波器、C型高通濾波器，其中二階高通濾波器最為常用，下圖二階高通濾波示意圖和其阻抗頻率特性曲線：

（2）有源濾波器

有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置。它可以抑制大小和頻率隨時都在變化的諧波，補償變化的無功功率。原理圖如下：

有緣濾波原理圖

當需要補償負載所產生的諧波電流時，有源濾波器檢測出負載電流的諧波分量，將其反極性后作用為補償電流的指令信號（調制信號），由補償電流發(fā)生電路產生補償電流，該電流與負載電流中的大小相等、方向相反，兩者相互抵消，達到補償的目的。

指令電流運算電路的作用是根據有源濾波器的補償目的得出補償電流的指令信號，即期望由有源濾波器產生的補償電流信號。

電流跟蹤控制電路是補償電流發(fā)生電路的第一個環(huán)節(jié)，其作用是根據補償電流的指令信號和實際補償電流之間的相互關系，得出控制補償電流發(fā)生電路中主電路各個器件通斷的電壓信號。

（六）總結

以上內容針對諧波的產生和治理做了簡單的介紹。近年來使用較多的是設置無功功率補償電容器和LC濾波器，這種無源補償裝置較為經濟，其補償性能較差。相比之下，有源濾波是較為先進的諧波處理裝置，它可以實現諧波的動態(tài)抑制。從電能產生初期開始，諧波伴隨著電能的始終，影響著電力系統的這個環(huán)節(jié)。隨著全球工業(yè)化進程的不斷加快，抑制諧波和提高功率因數已成為高效節(jié)能配電系統面臨的一個重大課題，正在受到越來越多的關注。