電力系統(tǒng)的諧波分析及其抑制措施

1、    電力系統(tǒng)的諧波分析及其抑制措施    金海榮摘 要： 本文論述了電力諧波的的定義、特征等概念，敘述了諧波的危害性及方法。關(guān)鍵詞： 諧波；諧波的危害；諧波抑制1. 引言在能源、交通、化工等行業(yè)，隨著大量電力電子器件及微電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，這類非線性用電設(shè)備的使用帶來大量諧波電流流入電網(wǎng)，造成電壓波形畸變，電能質(zhì)量下降，給用電設(shè)備帶來嚴(yán)重?fù)p害。2.諧波的產(chǎn)生原因?qū)τ谥芷谛苑钦医涣髁窟M行傅里葉級數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，稱為高次諧波。隨著電力電子器件及微電子技術(shù)的發(fā)展，非線性負(fù)載的比例不斷提高，導(dǎo)致電流和電壓波形會產(chǎn)生畸變。諧波的來

2、源有很多，尤其是在用電設(shè)備的使用環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的最多，此類諧波是由各種非線性特性的電氣設(shè)備負(fù)載產(chǎn)生的。這些設(shè)備如：氣體放電燈、交流弧焊機、電弧爐，電力變流設(shè)備（整流器、逆變器、變頻器），相控調(diào)速和調(diào)壓裝置，大容量的電力晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等。這些設(shè)備大量的用于化工、冶金、礦山等企業(yè)以及各類家用電器中。由于這些非線性電氣設(shè)備的電流不隨著電壓同步變化，使得流過電網(wǎng)的電流是非正弦波形的，產(chǎn)生的諧波會使電網(wǎng)電壓質(zhì)量嚴(yán)重下降，并且電網(wǎng)還必須向這類負(fù)荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能，因此此類非線性電氣設(shè)備是供電系統(tǒng)中的主要諧波源。3. 諧波的危害大量的諧波進入電網(wǎng)，造成電網(wǎng)的電壓畸變，當(dāng)諧波超過規(guī)定值時，會對用電設(shè)備

3、和電網(wǎng)造成損害，使用電設(shè)備無法正常運轉(zhuǎn)，電網(wǎng)產(chǎn)生故障，危及電力輸送。因此我們必須高度重視諧波造成的損害。諧波危害主要表現(xiàn)有以下幾個方面。（1）對電力電容器的危害諧波電壓畸變，會使電容器的老化加快，電容器的損耗系數(shù)增大。因為電容器的容抗與頻率成反比，故在諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形畸變比諧波電壓的波形畸變大得多，很小的諧波電壓就可引起很大的諧波電流，導(dǎo)致電容器因過流而損壞。（2） 對變壓器的危害在諧波電壓作用下，變壓器繞組銅耗增加，鐵耗相應(yīng)增加。另外3次及其倍數(shù)次諧波對三角形接法的變壓器，會在其繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，使繞組過熱，可能會使繞組電流超過額定值；

4、對星形連接的變壓器，當(dāng)繞組裝有中性點接地的并聯(lián)電容器時，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。（3） 對旋轉(zhuǎn)電機的危害諧波在電機的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中會引起附加損耗。由于集膚效應(yīng)和渦流的關(guān)系， 旋轉(zhuǎn)電機的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗會增加。諧波電流還會增大電機的噪音和產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，還有可能出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)軸扭曲振動的問題。在所有用電設(shè)備中，電動機負(fù)荷約占整個負(fù)荷的80%左右。因此，諧波使工業(yè)電動機總的附加損耗增加的影響尤為顯著。（4）對輸電線路的危害諧波電流在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降。由于集膚效應(yīng)，諧波電流引起輸電線路的附加損耗增加，使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。使用電纜輸電，諧波電壓以正比于

5、其幅值電壓的形式增強了介質(zhì)的電場強度，會減少電纜的使用壽命。據(jù)不完全統(tǒng)計，諧波的影響可以使電纜的使用壽命平均下降約60%。（5）對繼電保護和自動裝置危害諧波能夠改變保護繼電器的動作特性，造成繼電保護、自動裝置工作紊亂。諧波對電力系統(tǒng)中以負(fù)序（基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴(yán)重，會引起發(fā)電機負(fù)序電流保護誤動，變電站主變的復(fù)合電壓啟動過電流保護裝置負(fù)序電壓元件誤動，母線差動保護的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動，嚴(yán)重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。（6）對電力計量的危害。計量儀表是在50hz標(biāo)準(zhǔn)的正弦波設(shè)計校驗的，一旦供電有諧波時

6、，會影響感應(yīng)式電能表的正常工作。感應(yīng)式電能表對設(shè)計參數(shù)以外的頻率的響應(yīng)不靈敏，頻率越高，誤差越大，表現(xiàn)為負(fù)誤差。（7）對其它用電設(shè)備的危害諧波會使功率開關(guān)器件控制裝置誤動作，導(dǎo)致功率開關(guān)器件故障而損壞。損害熒光燈，使鎮(zhèn)流器或補償用電容器因過熱而損壞，因而電視機的圖形質(zhì)量變差。也會干擾計算機，使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。4.常見的諧波抑制措施（1） 無源功率濾波器無源功率濾波器（passive power filters簡稱pf），其濾波原理是使負(fù)載諧波電流在電網(wǎng)支路和濾波器支路分流，通常是利用lc電路進行濾波，用電容器為高次諧波提供低阻抗的分流電路。無源功率濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠性高

7、、運行費用低、電壓可以做的較高，容量可以做的較大等優(yōu)點。其在吸收高次諧波的同時，可以補償無功功率，改善功率因數(shù)。 缺點是無源功率濾波器濾波性能受系統(tǒng)阻抗的影響較大，由大容量的電抗器和電容器組成，整機體積龐大等。電網(wǎng)頻率偏移，電容器件老化，或溫度特性變化等因素可以導(dǎo)致濾波器諧振頻率與待抑制諧波頻率偏移，影響抑制效果；如果因擴容等原因所產(chǎn)生的諧波超過濾波器設(shè)計時的參數(shù)，可能造成濾波器因為過載而損壞。（2） 有源功率濾波器有源電力濾波器（active power filter簡稱apf），是一種能對電力系統(tǒng)中幅值和頻率都變化的諧波和無功分量進行實施動態(tài)補償?shù)男滦碗娮与娐费b置，主電路一般由脈沖寬度調(diào)制

8、逆變器構(gòu)成。其基本原理是先從補償對象中檢測出諧波電流，再利用補償裝置向電網(wǎng)注入與該諧波源諧波分量（電流或電壓）大小相等而極性相反的補償分量（電流或電壓），使電源的總諧波為零，電網(wǎng)電流只含基波分量，從而達到實時補償諧波的目的。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。有源功率濾波器還具有相應(yīng)速度快，很好的動態(tài)實時補償功能等優(yōu)點，還具有可進行無功補償，抑制電壓閃變等多種功能。有源功率濾波器的缺點有：損耗較大，當(dāng)功率增加時，有源功率濾波器裝置損耗百分比有望下降；受電力電子器件功率容量的限制，其價格相對較高。結(jié)束語隨著更多的非線性大功率電子裝置的應(yīng)用，電力系統(tǒng)中的諧波問題日益突出。諧波作為反映電能質(zhì)量的一個重要標(biāo)志，將會日益受到廣泛關(guān)注。我們必須進一步提高對于電力諧波危害性的重視程度，積極采用新產(chǎn)品新技術(shù)，抑制諧波，以確保電網(wǎng)安全經(jīng)濟運行。參考文獻1羅安 電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術(shù)及裝備 中國電力出版社 2006.2錢照明 葉忠明 董伯藩等 諧波抑制技術(shù) 電力系統(tǒng)自動化 1997 .（10）.3中國國家標(biāo)準(zhǔn)gb/t14549-93 電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社 1994.