電力系統(tǒng)諧波污染與治理

王宇

摘要：進入21世紀，電力系統(tǒng)中的諧波污染問題日益嚴重，已經(jīng)嚴重影響到了電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。文章列舉了諧波對電子元件、輸電線路、變壓器等設備的危害，通過提高電力用戶對諧波危害的認識，積極采取加裝靜止無功補償裝置、有源濾波裝置（APF）等技術手段，最終實現(xiàn)諧波綜合治理、凈化電力系統(tǒng)的目的。

關鍵詞：電力系統(tǒng)；諧波污染；諧波治理；電子元件；輸電線路；變壓器 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM711 文章編號：1009-2374（2016）02-0089-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.02.044

隨著電力電子技術的發(fā)展，一些大型、高性能、新型的電力電子設備裝置在廣泛應用的同時，也向電網(wǎng)注入了大量諧波，這給電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定、經(jīng)濟運行造成了巨大威脅。諧波污染已成為當今電力系統(tǒng)一大公害，因此防治諧波成為當前廣大電力科研工作者和生產(chǎn)技術人員的一項重要任務。

1 諧波治理的意義

近十幾年來，隨著國家對電力這一國民經(jīng)濟基礎行業(yè)的重視，在電源和電網(wǎng)建設方面取得了長足進步，電能供需間矛盾正日趨緩解，但電能質量成為困擾電力供需雙方新的難題。如果電能質量達不到規(guī)定的要求，就會給工礦企業(yè)生產(chǎn)和人民群眾日常生活帶來很大的麻煩，造成無法挽回的損失。長久以來，諧波污染問題始終困擾著電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，這其中電力系統(tǒng)更是深受其害。諧波危害日常表現(xiàn)為電力電子設備壽命減少、電子元件誤動作、電網(wǎng)及設備功率損失加大、各種保護功能下降甚至失靈等。因此，有效降低和抑制電力系統(tǒng)中各次諧波，將諧波污染和危害控制在最低水平，對電網(wǎng)設備安全、經(jīng)濟和穩(wěn)定運行有著巨大實際意義。

2 諧波定義和國家標準

2.1 諧波的定義

自20世紀20年代和30年代，人們在電力生產(chǎn)、使用過程中就開始認知和關注諧波問題。當時，位于歐洲中部的德國最早發(fā)現(xiàn)電流、電壓的非正?；?。人們發(fā)現(xiàn)當正弦電壓通過非線性負載時基波電流發(fā)生了畸變。隨之產(chǎn)生諧波，而波形不再是人們常見的正弦形式。隨著人們對諧波認知程度的日益深入，將諧波概念分成狹義和廣義兩個概念。狹義概念，諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是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。廣義概念，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，任何與工頻頻率不同的元素都可以被叫作諧波。因此，“諧波”的意義發(fā)生了變化。因廣義諧波概念的出現(xiàn)，就有了“間諧波”“次諧波”等說法。

2.2 國家標準GB/T 14549-1993

隨著諧波危害問題的日益突出，人們在生產(chǎn)實踐中越發(fā)需要一個國家通用標準，用于電網(wǎng)諧波量進行有效規(guī)范和控制，以便提高電能質量。于是，1993年我國制定并頒布了諧波治理方面的國家標準《電能質量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549-1993）。

3 諧波的危害

3.1 對電力系統(tǒng)的影響

輸電線路的電阻由于受阻抗頻率特性的決定，電阻與頻率成正比的關系。電力系統(tǒng)中攜帶的大量諧波電流因線路集膚效應的放大和擴張，使線路導線線損增長、損失增多。在電力系統(tǒng)的損失中，線路損耗所占比例很高，因此諧波是導致電網(wǎng)損失增加的一個重要因素。配電線路中廣泛存在著對地電容與導線電感，二者在充斥著大量諧波的電力系統(tǒng)中，與諧波源用戶形成并聯(lián)回路或串聯(lián)回路，在一定條件下，輸電線路將發(fā)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振。電力系統(tǒng)中的相關設備，例如變壓器、輸電線路、繼電保護系統(tǒng)、電器元件等因諧波過電流和過電壓的原因而導致受損嚴重甚至損毀。諧波危害對電力電纜的影響比導線要嚴重得多，電力電纜對地電容是架空導線的15～20倍，而感抗僅為架空導線線路的0.3～0.6倍，因此發(fā)生諧波諧振的幾率就會增加，電力電纜發(fā)生絕緣擊穿較導線更為嚴重。

3.2 對變壓器的影響

變壓器在運行過程中，因受鐵芯材質、工作原理的影響和作用，會產(chǎn)生空載損耗（也叫鐵損）和短路損耗（也叫銅損），從而降低變壓器的有效出力。變壓器損耗受諧波電流影響明顯，二者成正比例關系。在眾多頻率的諧波中以3K形式的諧波（K為正整數(shù)）影響較為明顯。無論星形接線（“Y”或“y”），還是三角形接線（“D”或“d”），均會增加變壓器損耗，從而導致變壓器部件發(fā)熱，老化加速，使變壓器使用壽命減少。

3.3 對電力電容器的影響

只要電力系統(tǒng)中存在電感和電容，就可構成簡單的諧振回路。當系統(tǒng)頻率成為或接近某次諧波分量的頻率時系統(tǒng)將出現(xiàn)諧振，經(jīng)放大后的諧波電流將嚴重威脅電容的運行。主要危害為兩點：一是放大的諧波電流使電容器發(fā)熱或因過電壓無法正常運行；二是諧波電壓隨諧波電流放大而增加，增大電容器損耗，若在非正常狀態(tài)下長時間運行，電容器使用壽命將會縮短。

3.4 對電機的影響

在用電負荷中75%的設備是電動機。旋轉中的電動機因諧波而產(chǎn)生大量附加損耗，是諧波危害的主要體現(xiàn)。磁帶、渦流和集膚效應等隨著頻率的增高而使在旋轉電機產(chǎn)生附加損耗增加，發(fā)熱效應明顯，從而降低電機運行效率、縮短電機壽命。

3.5 對計量儀器的影響

我國目前使用的電能計量儀表都是按照標準正弦波50Hz參考設計并生產(chǎn)的。當電能計量儀表處于大量諧波的非正常工作狀態(tài)時，表計的計量準確度將大幅下降，從而出現(xiàn)較大誤差，嚴重時將導致計量錯誤。在諧波的干擾下，諧波用戶雖產(chǎn)生了大量諧波，劣化了電能質量，卻因為表計的錯誤反倒少交了電費；而那些無辜的線性負荷用戶，在大量諧波的干擾下用電設備性能下降，卻多交電費。

4 諧波治理措施

4.1 強化宣傳，提高認識

供電企業(yè)自身應提高諧波污染對電力系統(tǒng)以及電能質量危害的認識，加強對諧波源用戶的宣傳和教育力度，積極引導諧波源用戶的諧波危害意識，使其能夠積極貫徹落實《電能質量公用電網(wǎng)諧波管理辦法》（GB/T 14549-1993），減少諧波輸出。諧波治理的好與壞直接關系企業(yè)生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質量及經(jīng)營成本等諸多方面。諧波源用戶應該明白，治理諧波不僅是供電企業(yè)的事情，同時還關系到用戶自身利益。只有廣大電力用戶對于諧波危害的認識水平上去了，電力系統(tǒng)中諧波污染問題才能得到控制。

4.2 增加換流裝置的相數(shù)

換流裝置是電力系統(tǒng)中主要的諧波源之一，對整換流裝置實施必要的改造，可以明顯減少較大的低次諧波輸出。換流裝置交流側輸出PK±1形式的諧波（P為整流相數(shù)或脈動數(shù)，K為正整數(shù)），直流側輸出PK形式的諧波。通過改造增加整流相數(shù)（或脈動數(shù)），將整流相數(shù)6相增加到12時，可有效消除12K±1和12K次較大低頻的特征諧波。在實際應用中可將換流相數(shù)較少的換流變壓器聯(lián)結成多相形式以達到增加換流器相數(shù)的目的或使換流變壓器相互間保持一定移相角的設置模式等抑制諧波的危害。

4.3 加裝靜止無功補償裝置

現(xiàn)代工礦企業(yè)中大量使用電弧爐、變壓器、電動機、軋機等非線性設備，只要處于運行狀態(tài)，就會向電網(wǎng)中輸送大量諧波。一方面隨著頻率快速變化產(chǎn)生高次諧波；另一方面引起電壓發(fā)生波動和閃變，嚴重時造成電網(wǎng)三相間電壓出現(xiàn)不平衡現(xiàn)象，影響電網(wǎng)安全穩(wěn)定，劣化電能質量，給電力用戶生產(chǎn)用電帶來了隱患。在諧波源處并聯(lián)加裝靜止無功補償裝置，可以明顯抑制諧波分量，有效降低電壓波動、閃變、三相不平衡，提高系統(tǒng)功率因數(shù)，提升電網(wǎng)電能質量。

4.4 加裝有源濾波裝置（APF）

有源濾波裝置可以動態(tài)跟蹤補償，既可以對諧波進行補償，又可以對無功進行補償，具有無源濾波裝置所無法比擬的優(yōu)勢。有源濾波裝置是一種主動抵消諧波電流的設備，其原理是產(chǎn)生與現(xiàn)行電網(wǎng)中的諧波電流極性相反、幅值一樣的電流，用以抵消原有諧波電流對電網(wǎng)的危害。有源濾波裝置主要由電力電子元件構成，隨著電力電子技術的飛速進步，未來有源濾波技術的發(fā)展空間將十分巨大。通過以下三種加裝有源濾波器的設計方案，可以達到治理諧波的目的：

4.4.1 串聯(lián)有源電力濾波器。串聯(lián)有源電力濾波器，產(chǎn)生相反的諧波電壓，使負載端交流側電壓變?yōu)檎也ā?/p>

4.4.2 并聯(lián)有源電力濾波器。并聯(lián)有源電力濾波器產(chǎn)生相反的諧波電流，抵消原電線路中的諧波電流。

4.4.3 同時串、并聯(lián)有源電力濾波器。并聯(lián)APF與串聯(lián)APF的混合型方案中的APF1阻止電源諧波電壓串入負載端和負載諧波電流進入電網(wǎng)，APF2吸收負載的諧波電流，在電網(wǎng)與連接點間同步實現(xiàn)凈化電壓和電流的目的。

5 結語

隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，在現(xiàn)有諧波源的基礎上還將會出現(xiàn)更多新的諧波源，這就需要我們在諧波治理工作中更為積極主動。因此，今后有源濾波技術和有源濾波裝置的開發(fā)與利用將成為諧波治理領域的發(fā)展重點。諧波治理是一項漫長的工作，需要我們長期

關注。

參考文獻

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（責任編輯：秦遜玉）