淺析電力系統(tǒng)諧波及其研究現(xiàn)狀

高瑜+郭天飛+郭天超+路靜+韓一帆

摘 要：近些年來，隨著人們對電力需求量的不斷增長以及電力系統(tǒng)的迅速發(fā)展，人們越來越關(guān)注所用電能的質(zhì)量。由于電力電子技術(shù)具有能使設(shè)備響應(yīng)速度快、控制性能好、效率高、體積小、重量輕等特點，其在各種設(shè)備上得以廣泛應(yīng)用。然而，變壓器、電力電子裝置等非線性負荷，作為諧波源，其廣泛的使用給電力系統(tǒng)及電氣設(shè)備的正常運行造成了嚴(yán)重的危害，電力系統(tǒng)也因此面臨著嚴(yán)重的諧波污染。因此，諧波的分析及抑制已成為國內(nèi)外電氣領(lǐng)域廣泛關(guān)注的課題。

關(guān)鍵詞：諧波；起因；危害；研究現(xiàn)狀

1諧波的起因

目前，國際上公認(rèn)的諧波含意是：“諧波是一個周期電氣量的正弦波的分量，或者說諧波分量為周期量的傅里葉級數(shù)中大于1的h次分量其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”[1]。

在電力系統(tǒng)中，諧波主要是由變壓器、旋轉(zhuǎn)電機和各種電力電子設(shè)備等非線性負載產(chǎn)生的。在一般情況下，電氣設(shè)備的非線性電特性使其組成了諧波源。通常，可將諧波源分為兩類，一類是以電力電子裝置為代表的現(xiàn)代非線性設(shè)備；另一類為傳統(tǒng)非線性設(shè)備包括變壓器、旋轉(zhuǎn)電機等。

（1）現(xiàn)代的非線性設(shè)備，主要包括各種電力電子變流裝置。這類設(shè)備廣泛使用于家用電器和大量工礦企業(yè)中，它們在開關(guān)投切或換向時產(chǎn)生的階躍電流中含有大量諧波成分。比如熒光燈，它的電流之所以是畸變的，主要是由于在點亮狀態(tài)下有感性的非線性鎮(zhèn)流器限制了電流的變化[2]。

（2）傳統(tǒng)的非線性設(shè)備，主要包括旋轉(zhuǎn)電機、變壓器等。這類設(shè)備產(chǎn)生的電流中之所以含有諧波成份是因為它們的鐵芯在產(chǎn)生磁飽和時具有非線性特性。例如，旋轉(zhuǎn)電機，旋轉(zhuǎn)電機的線圈通電，通過電磁感應(yīng)原理，產(chǎn)生磁動勢。由于線圈是嵌入線槽內(nèi)的，而線槽不會完全按照正弦分布，所以其產(chǎn)生的磁動勢的波形不會完全是正弦波，含有大量諧波。

這兩種諧波源都會向電網(wǎng)注入大量的諧波電流，而諧波電壓的產(chǎn)生則是電流流經(jīng)電網(wǎng)阻抗的結(jié)果。電力電子裝置等大量現(xiàn)代非線性裝置的廣泛應(yīng)用，致使其所產(chǎn)生的電力系統(tǒng)諧波比重超過了傳統(tǒng)非線性設(shè)備，因而已成為主要的諧波源。

2諧波產(chǎn)生的危害

電力系統(tǒng)中的電流諧波會影響電網(wǎng)和各種電氣設(shè)備的正常運行和使用，嚴(yán)重時會導(dǎo)致設(shè)備損壞，甚至?xí)?dǎo)致電力系統(tǒng)發(fā)生電事故。目前，電力系統(tǒng)的諧波危害主要有以下幾個方面[3]：

（1）諧波作用于電網(wǎng)元件時產(chǎn)生的附加損耗，不僅降低了電能的利用率，而且易引發(fā)事故。比如電力系統(tǒng)中性線在大量三次諧波流過時不僅會產(chǎn)生附加輸電損耗，還會使線路發(fā)熱，甚至?xí)?dǎo)致火災(zāi)。

（2）受諧波影響的電氣設(shè)備無法正常工作。比如電動機工作時不僅會伴隨有較大的機械振動和噪聲，還會引起變壓器繞組損耗增加及外殼和固件的發(fā)熱。

（3）諧波可能會引起電力系統(tǒng)中的并諧或串諧。為了提高負載的功率因數(shù)，需要給負載補償無功功率，電網(wǎng)中大量使用補償無功功率的電容器，電網(wǎng)中的分布電容和電網(wǎng)中的感性部分組合，易發(fā)生串諧或并諧。電網(wǎng)產(chǎn)生諧振的后果是會放大諧波電流，損壞電容器等設(shè)備。

（4）諧波會造成繼電保護與自動裝置發(fā)生誤動作?，F(xiàn)在采用的電子繼電保護設(shè)備大都響應(yīng)快，靈敏度高，價格低廉，但大都依賴于被測參數(shù)的瞬時值，因此，高次諧波極易引起繼電保護設(shè)備的誤動作，電網(wǎng)安全供電造成隱患。以整流電路出發(fā)，說明對自動化裝置的影響。諧波會引起同步電壓信號畸變，進而導(dǎo)致整流器產(chǎn)生諧波（包括特征諧波和非特征諧波），這些諧波反過來使電壓信號畸變更嚴(yán)重，影響裝置的穩(wěn)定性。

（5）諧波會對通信系統(tǒng)的正常工作造成干擾。輸電線路產(chǎn)生的高頻諧波不僅會對電力系統(tǒng)本身的載波通信和遠動裝置信號產(chǎn)生干擾，也會干擾相鄰?fù)ㄓ嵕€路的正常工作。

（6）諧波會降低電能計量的準(zhǔn)確度。電網(wǎng)供電波形的畸變易導(dǎo)致電氣測量儀表準(zhǔn)確的的降低，產(chǎn)生誤差。比如感應(yīng)式儀表指針的偏轉(zhuǎn)力矩與偏轉(zhuǎn)線圈夾角及磁鏈有關(guān)，線圈中同次諧波產(chǎn)生的平均轉(zhuǎn)矩則不為零，致使感應(yīng)式儀表受諧波影響。

世界各國都制定了國家標(biāo)準(zhǔn)以限制諧波危害公用電網(wǎng)或用電設(shè)備，各國標(biāo)準(zhǔn)都將限制諧波電流含有量、控制諧波電壓允許范圍，以致電氣設(shè)備免受諧波干擾而作為基本原則。

3諧波研究的現(xiàn)狀

近年來，電力網(wǎng)中變壓器、旋轉(zhuǎn)電機等傳統(tǒng)非線性設(shè)備，以及整流器、變頻器、穩(wěn)壓器等現(xiàn)代的非線性設(shè)備得到了廣泛的應(yīng)用，并且應(yīng)用范圍不斷擴大。這些非線性負荷在使用時，對電網(wǎng)供電具有不平衡性，對電力系統(tǒng)具有強烈沖擊性，這對電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量形成了嚴(yán)重的影響。此外，隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，工廠、單位以及居民用戶對電力需求的不斷增長，電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量將面臨發(fā)展的機遇和挑戰(zhàn)。目前，“諧波源”電氣設(shè)備在用電負荷中所占的比重越來越大，而對電能質(zhì)量要求高的的用電負荷所占的比重也越來越大，特別是現(xiàn)代數(shù)字信息要求供電可靠性更高和電能質(zhì)量個性化更明顯。因此，諧波的分析和處理對電網(wǎng)的正常運行越來越重要，諧波抑制技術(shù)的發(fā)展更是刻不容緩。

過去，電網(wǎng)中更多采用的是無源濾波器，它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、維護方便、技術(shù)設(shè)計、制造經(jīng)驗成熟等特點，但由于電能質(zhì)量要求的普遍提高，無源濾波器的缺點也逐漸顯現(xiàn)出來。傳統(tǒng)的無源濾波器已經(jīng)不能很好地抑制電網(wǎng)諧波，已經(jīng)不及電能質(zhì)量的要求。因此，研究和開發(fā)新技術(shù)以更好地抑制電網(wǎng)諧波并達到電能質(zhì)量的要求，已成為近些年來國內(nèi)外電力系統(tǒng)研究領(lǐng)域的熱點課題。

用戶電力（CustomPower）新技術(shù)主要是利用大功率電力電子器件（如GTO、IGBT、MOSFET等）組成控制裝置，以向用戶提供增值的、可靠的、高質(zhì)量的電能，并提高系統(tǒng)的供電可靠性，保證功率流質(zhì)量。有源電力濾波器APF（Active Power Filter）是電力電子在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的一類重要裝置[4] ， 它具有動態(tài)補償諧波，受電網(wǎng)阻抗影響小，可動態(tài)跟蹤負載電流變化等優(yōu)點。和傳統(tǒng)的無源濾波器相比，APF在消弭或抑制電力系統(tǒng)諧波方面具有廣泛的發(fā)展前景和應(yīng)用前景。因此，有源電力濾波器APF已經(jīng)逐漸成為諧波抑制技術(shù)的主要研究方向。

雖然，我國的許多高校以及科研單位相繼展開了對電力系統(tǒng)諧波問題的研討工作，積極與國外研究機構(gòu)合作交流并參與了一些相關(guān)技術(shù)探討。然而，我國的有源電力濾波器技術(shù)仍處于初級研究階段，研究最成熟的只是并聯(lián)型APF，還是主要以理論和試驗為主。雖然，我們在理論上取得了一定的成果，但是，由于許多因素的限制，目前我國的有源濾波技術(shù)還處于最初的研究實驗階段，工業(yè)上也僅僅有幾臺樣機投入運行，至今還沒有并聯(lián)型有源濾波器產(chǎn)品正式應(yīng)用于實際。因而，我國有源濾波技術(shù)具有廣泛的發(fā)展前景。

參考文獻

[1] 羅安，章兢，付青.新型注入式并聯(lián)混合型有源電力濾波器[J].電工技術(shù)學(xué)報，2005，20（2）：52-55，68.

[2] 劉君.電網(wǎng)諧波危害與抑制[J].科技信息，2008（20），303.

[3] 姜齊榮，謝小榮，陳建業(yè).電力系統(tǒng)并聯(lián)補償結(jié)構(gòu)、原理、控制與應(yīng)用 [M].北京：機械工業(yè)出版社，1998，40-45.

[4] 胡銘.電能質(zhì)量及其分析方法綜述[J].電網(wǎng)技術(shù)，2000，24（2）：36-38.