電力系統(tǒng)中的諧波分析及消除方法

陳曉鵬

摘要：本文針對電力系統(tǒng)中普遍存在的諧波問題進行了分析研究，首先概述了諧波的危害，然后介紹了三種諧波檢測的方法，最后從改造諧波源的角度提出了幾種諧波抑制方法。

關(guān)鍵詞：電力諧波檢測治理

0引言

目前，諧波與電磁干擾、功率因數(shù)降低被列為電力系統(tǒng)的三大公害，因而了解諧波產(chǎn)生的機理，研究和清除供配電系統(tǒng)中的高次諧波，對改于供電質(zhì)量、確保電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟運行都有著十分重要的意義。

1電力系統(tǒng)諧波危害

1.1諧波會使公用電網(wǎng)中的電力設(shè)備產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，嚴(yán)重的甚至可能引發(fā)火災(zāi)。

1.2諧波會影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機產(chǎn)生機械振動和噪聲等故障，變壓器局部嚴(yán)重過熱，電容器、電纜等設(shè)備過熱，絕緣部分老化、變質(zhì)，設(shè)備壽命縮減，直至最終損壞。

1.3諧波會引起電網(wǎng)諧振，可能將諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，會對系統(tǒng)構(gòu)成重大威脅，特別是對電容器和與之串聯(lián)的電抗器，電網(wǎng)諧振常會使之燒毀。

1.4諧波會導(dǎo)致繼電保護和自動裝置誤動作，造成不必耍的供電中斷和損失。

1.5諧波會使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確，產(chǎn)生計量誤差，給供電部門或電力用戶帶來直接的經(jīng)濟損失。

1.6諧波會對設(shè)備附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量：重則導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

1.7諧波會干擾計算機系統(tǒng)等電子設(shè)備的正常工作，造成數(shù)據(jù)丟失或死機。

1.8諧波會影響無線電發(fā)射系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、核磁共振等設(shè)備的工作性能，造成噪聲干擾和圖像紊亂。

2諧波檢測方法

2.1模擬電路消除諧波的方法很多，即有主動型，又有被動型；既有無源的，也有有源的，還有混合型的，目前較為先進的是采用有源電力濾波器。但由于其檢測環(huán)節(jié)多采用模擬電路，因而造價較高，且由于模擬帶通濾波器對頻率和溫度的變化非常敏感，故使其基波幅值誤差很難控制在10％以內(nèi)，嚴(yán)重影響了有源濾波器的控制性能。

2.2傅立葉變換利用傅立葉變換可在數(shù)字域進行諧波檢測，電力系統(tǒng)的諧波分析，目前大都是通過該方法實現(xiàn)的，離散傅立葉變換所需要處理的是經(jīng)過采樣和A／D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號，設(shè)待測信號為x(t)，采樣間隔為At秒，采樣頻率f=l／At滿足采樣定理，即f大于信號最高頻率分量的2倍，則采樣信號為x(nAt)，并且采樣信號總是有限長度的，即n=0，1.1…N-1。這相當(dāng)于對無限長的信號做了截斷，因而造成了傅立葉變換的泄露現(xiàn)象，產(chǎn)生誤差。此外，對于離散傅立葉變換來說，如果不是整數(shù)周期采樣，那么即使信號只含有單一頻率，離散傅立葉變換也不可能求出信號的準(zhǔn)確參數(shù)，因而出現(xiàn)柵欄效應(yīng)。通過加窗可以減小泄露現(xiàn)象的影響。

2.3小波變換電力諧波是由各種頻率成分合成的、隨機的、出現(xiàn)和消失都非常突然的信號，在應(yīng)用離散傅立葉變換進行處理受到局限的情況下，可充分發(fā)揮小波變換的優(yōu)勢。即對諧波采樣離散后，利用小波變換對數(shù)字信號進行處理，從而實現(xiàn)對諧波的精確測定。小波可以看作是一個雙窗函數(shù)，對一信號進行小波變換相當(dāng)于從這一時頻窗內(nèi)的信息提取信號。對于檢測高頻信息，時窗變窄，可對信號的高頻分量做細致的觀測；對于分析低頻信息，這時時窗自動變寬，可對信號的低頻分量做概貌分析。所以小波變換具有自動“調(diào)焦”性。其次，小波變換是按頻帶而不是按頻點的方式處理頻域信息，因此信號頻率的微小波動不會對處理產(chǎn)生很大的影響，并不要求對信號進行整周期采樣。

3電力系統(tǒng)諧波治理

限于篇幅問題，本文在此只介紹基于改造諧波源本身的諧波抑制方法，基于改造諧波源本身的諧波抑制方法一般有以下幾種。

3.1增加整流變壓器二次側(cè)整流的相數(shù)對于帶有整流元件的設(shè)備，盡量增加整流的相數(shù)或脈動數(shù)，可以較好地消除低次特征諧波，該措施可減少諧波源產(chǎn)生的諧波含量，一般在工程設(shè)計中予以考慮。因為整流器是供電系統(tǒng)中的主要諧波源之一，其在交流側(cè)所產(chǎn)生的高次諧波為tK±1次諧波，即整流裝置從6脈動諧波次數(shù)為n=6K±1，如果增加到12脈動時，其諧波次數(shù)為n12K±1《其中K為正整數(shù))，這樣就可以消除5、7等次諧波，因此增加整流的相數(shù)或脈動數(shù)，可有效地抑制低次諧波。不過，這種方法雖然在理論上可以實現(xiàn)，但是在實際應(yīng)用中的投資過大，在技術(shù)上對消除諧波并不十分有效，該方法多用于太容量的整流裝置負載。

3.2整流變壓器采用Y／△或△，Y接線該方法可抑制3的倍數(shù)次的高次諧波，以整流變壓器采用△／Y接線形式為例說明其原理，當(dāng)高次諧波電流從晶閘管反串到變壓器副邊繞組內(nèi)時，其中3的倍數(shù)次高次諧波電流無路可通，所以自然就被糯制而不存在。但將導(dǎo)致鐵心內(nèi)出現(xiàn)3的倍數(shù)次高次諧渡磁通《三相相位一致》，而該磁通將在變壓器原邊繞組內(nèi)產(chǎn)生3的倍數(shù)次高次諧波電動勢，從而產(chǎn)生3的倍數(shù)次的高次諧波電流。因為它們相位一致，只能在△形繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，將能量消耗在繞綴的電阻中，故原邊繞組端子上不會出現(xiàn)3的倍數(shù)次的高次諧波電動勢。從以上分析可以看出，三相晶閘管整流裝置的整流變壓器采用這種接線形式時，諧波源產(chǎn)生的3nfn是正整數(shù))次諧波激磁電流在接線繞組內(nèi)形成環(huán)流，不致使諧波注入公共電網(wǎng)。這種接線形式的優(yōu)點是可以自然消除3的整數(shù)倍次的諧波，是抑制高次諧波的最基本方法，該方法也多用于大容量的整流裝置負載。

3.3盡量選用高功率因數(shù)的整流器采用整流器的多重化來減少諧波是一種傳統(tǒng)方法，用該方法構(gòu)威的整流器還不足以稱之為高功率因數(shù)整流器。高功率因數(shù)整流器是一種通過對整流器本身進行改造，使其盡量不產(chǎn)生諧波，其電流和電壓同相位的組合裝置，這種整流器可以被稱為單位功率因數(shù)變流器(UPFC)。該方法只能在設(shè)備設(shè)計過程中加以注意，從而得到實踐中的諧波抑制效果。

當(dāng)然，除了基于改造諧波源本身的諧波抑制方法，還有基于諧波補償裝置功能的諧波抑制方法，它包括加裝無源濾波器、加裝有源濾波器、裝設(shè)靜止無功補償裝置(SVC)等等，在此就不再詳細論述。

4總結(jié)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)，計算機技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，電能質(zhì)量問題已越來越引起用戶和供電部門的重視。應(yīng)用先進的電能質(zhì)量測試儀器不僅能大大提高電能質(zhì)量的監(jiān)測與治理水平，同時還可建立先進可靠的電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，及時分析和反映電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，找出電網(wǎng)中造成電能質(zhì)量諧波及故障的原因，采取相應(yīng)的措施，為保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行提供重要的保障。