諧波分析與治理措施探討

余海霞

[摘 ?要]電力用戶對(duì)電能質(zhì)量的要求不斷提高，電力用戶已不僅僅關(guān)注供電系統(tǒng)電壓和頻率，對(duì)供電系統(tǒng)諧波的關(guān)注也越來越明顯。因此，研究諧波問題十分必要，供電系統(tǒng)對(duì)諧波的管理和監(jiān)督也日益重視和規(guī)范，本文通過電能計(jì)量中諧波影響因素的分析，不斷提高電能計(jì)量的準(zhǔn)確性。

[關(guān)鍵詞]電能質(zhì)量;諧波;治理

中圖分類號(hào)：TM711 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）22-0077-01

引言

電能質(zhì)量是指首先是合理地反映同電壓關(guān)聯(lián)緊密的電流改變狀況，除了給用戶供應(yīng)單一頻率的正弦波之外，還進(jìn)一步要求該電流的波形同供電電壓的相位一致，供應(yīng)電能的質(zhì)量，其技術(shù)內(nèi)涵主要表現(xiàn)為供電的可靠性、穩(wěn)定性及電壓實(shí)際的質(zhì)量。隨著電力電子技術(shù)在各工業(yè)部門和用電設(shè)備上的廣泛應(yīng)用，非線性負(fù)荷數(shù)量越來越多，在電網(wǎng)中產(chǎn)生了大量的諧波污染，降低了電能質(zhì)量，進(jìn)而降低機(jī)器的使用效率，甚至引起嚴(yán)重事故。

1、諧波源

在用電設(shè)備中有多種非線性負(fù)荷，非線性負(fù)荷從電網(wǎng)吸收非正弦電流，引起電網(wǎng)電壓畸變，即所有電壓與電流的關(guān)系為非線性的用電設(shè)備都是諧波源。諧波即對(duì)周期性變流量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，得到頻率大于1的整數(shù)倍極薄頻率的分量。它是由電網(wǎng)中非線性負(fù)荷產(chǎn)生，例如可硅控整流裝置，電弧設(shè)備、電氣化機(jī)車、變壓器等都是高次諧波的電流源，它們接入電網(wǎng)后將使系統(tǒng)母線電壓畸變。間諧波是指非整數(shù)倍基波頻率的諧波，這類諧波可以是離散頻譜的或連續(xù)頻譜的，但其危害等同于整數(shù)次諧波電壓，其抑制與消除卻比整數(shù)次諧波困難得多，間諧波電壓是由較大的波動(dòng)或沖擊性非線性負(fù)荷引起的。

2、諧波產(chǎn)生的原因

諧波是存在于電力系統(tǒng)中的一個(gè)周期性電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。從大量文獻(xiàn)資料和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)可知，供配電系統(tǒng)中的諧波主要有2個(gè)方面的來源：一是供配電網(wǎng)系統(tǒng)中大量使用的電力電子設(shè)備、變頻調(diào)速設(shè)備如TCSC、SVC、高壓變頻器、變頻調(diào)速控制裝置等，其在運(yùn)行過程中會(huì)產(chǎn)生大量諧波注入到供配電系統(tǒng)污染供電網(wǎng)絡(luò);二是非線性電力用戶在電能消耗過程中會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)諧波分量反饋如供配電系統(tǒng)中，對(duì)供配電網(wǎng)絡(luò)造成污染。據(jù)大量統(tǒng)計(jì)資料表明，非線性電力用戶在用電過程中產(chǎn)生的諧波分量是供配電網(wǎng)絡(luò)中最為主要的諧波源。

3 電能質(zhì)量的改善措施

3·1 有源電力濾波器

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器（APF）。雖然無源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)（廣泛用于配電網(wǎng)中），但由于濾波器特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大，只能消除特定的幾次諧波，而對(duì)某些次諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用，甚至發(fā)生諧振。APF利用功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為0，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的（如圖1）。APF具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化的諧波，具有高度可控和快速響應(yīng)等特點(diǎn)。有源濾波器分為兩種： 并聯(lián)型有源電力濾波器及串聯(lián)型電力濾波器。其中并聯(lián)型電力濾波器主要解決諧波電流問題; 串聯(lián)型電力濾波器主要解決諧波電壓?jiǎn)栴}。兩種濾波器工作原理基本相同，并聯(lián)型有源濾波器檢測(cè)負(fù)載電流，通過相應(yīng)算法計(jì)算出其諧波電流，然后發(fā)出與負(fù)載諧波電流大小相等、方向相反的電流，與負(fù)載諧波電流相互抵消，以達(dá)到減小電網(wǎng)側(cè)諧波電流的目的。

3·2 靜止無功發(fā)生器

所謂靜止無功發(fā)生器（SVG），是指用自換相的電力半導(dǎo)體橋式變流器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置，它與靜止無功補(bǔ)償（SVC）裝置相比，具有調(diào)節(jié)速度更快，運(yùn)行范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，并且在采取多重化、多電平或脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)等措施后可大大減少補(bǔ)償電流中諧波的含量，因此在靜止無功發(fā)生器進(jìn)行研究對(duì)電能質(zhì)量的提高具有一定的指導(dǎo)意義。靜止無功發(fā)生器的基本原理：就是將自換相橋式電路通過電抗器或者直接并聯(lián)在電網(wǎng)上，通過控制開關(guān)器件的通斷，來調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或發(fā)出所需無功電流，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

與普通無源設(shè)備相比，SVG 具有以下優(yōu)勢(shì)：SVG 不會(huì)過補(bǔ)也不會(huì)欠補(bǔ)，保證 供電 系統(tǒng) 的 用電安全; SVG 實(shí)際補(bǔ)償容量和設(shè)備容量一致，占地面積不到同容量無源設(shè)備的一半; SVG 不會(huì)和系統(tǒng)發(fā)生諧振，本身諧波含量極低; 響應(yīng)速度快，全響應(yīng)時(shí)間不到 10ms。無源設(shè)備存在后期維護(hù)費(fèi)用高，分級(jí)投切容易過補(bǔ)或欠補(bǔ)，易和系統(tǒng)發(fā)生諧振，影響配電系統(tǒng)的供電安全，而 SVG 可以很好地解決這些問題。SVG 保證功率因數(shù)可以達(dá)到 0. 99，平均功率因數(shù)達(dá)到 0. 97 以上，優(yōu)于無源設(shè)備的補(bǔ)償效果。

3·3諧波發(fā)生器的控制

在主電路與控制對(duì)象均已確定的情況下，電流控制手段會(huì)影響裝置的整體性能。由于電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器的容量相對(duì)較大，對(duì)其所用的電力電子器件的安全性和效率要求較高，因此，控制器設(shè)計(jì)在提高電流跟蹤精度的同時(shí)，還應(yīng)盡量保持逆變器的開關(guān)頻率恒定、提高裝置的安全性、提高直流電壓利用率以減小整個(gè)裝置的容量和損耗。在UPFC實(shí)際應(yīng)用中一般采用基于PWM的電壓源逆變器作為發(fā)生器。現(xiàn)使用較多的控制方法有三角載波線性控制和滯環(huán)比較控制、前者是最簡(jiǎn)單的控制方法，開關(guān)頻率恒定，裝置安全性較高，但響應(yīng)較慢，精度較低。后者精度較高且響應(yīng)快，但開關(guān)頻率可能波動(dòng)很大。隨著微機(jī)控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的迅速發(fā)展，控制披術(shù)的數(shù)字化必將在UPQC中得到進(jìn)一步的應(yīng)用、如無差拍控制就是在電流滯環(huán)控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的全數(shù)字化控制技術(shù)的范例。

3·4 PWM整流器

以上方法是從補(bǔ)償?shù)慕嵌葋砀纳齐娔苜|(zhì)量。還有一種方法是改進(jìn)電網(wǎng)中的污染源，使其不對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生污染。要對(duì)污染源進(jìn)行改進(jìn)，首先應(yīng)考慮對(duì)整流器的改進(jìn)，即所謂的功率因數(shù)矯正技術(shù)PFC。PFC技術(shù)利用一定的控制策略，控制整流器交流側(cè)的電流和電壓同相，從而消除整流器對(duì)電網(wǎng)的諧波和無功污染。目前，單相PFC技術(shù)比較成熟，而三相PFC技術(shù)仍處于研究階段。越來越多的應(yīng)用場(chǎng)合要求能量雙向流動(dòng)，及時(shí)將能量返回電網(wǎng)以節(jié)約能源。在各種PFC電路結(jié)構(gòu)中， PWM整流器因其能實(shí)現(xiàn)雙向流動(dòng)而備受關(guān)注。

4 結(jié)語

諧波已是目前電力系統(tǒng)中不可回避的現(xiàn)象，只要能夠認(rèn)真對(duì)待諧波問題，將會(huì)避免諧波產(chǎn)生的危害，為保證電網(wǎng)和用電設(shè)備安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，凈化電源，提供質(zhì)量合格的電能。如何不斷的完善電能質(zhì)量控制技術(shù)，使電網(wǎng)能夠更好的服務(wù)用戶，提供更加堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，將是我們不斷研究和努力探索的方向。

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