供電系統(tǒng)中諧波的處理

張驍軍

（邯鄲市城郊水電管理處，河北 邯鄲 056000）

1 諧波的產生

在理想的干凈供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。在只含線性元件(電阻、電感及電容)的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。

在實際的供電系統(tǒng)中，由于有非線性負荷的存在，當電流流過與所加電壓不呈線性關系的負荷時，就形成非正弦電流。任何周期性波形均可分解為一個基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。諧波頻率是基頻的整倍數(shù)，例如基頻為50HZ，二次諧波為100HZ，三次諧波則為150HZ。因此畸變的電流波形可能由二次諧波、三次諧波……可能直到第三十次諧波組成。

2 產生諧波的設備類型

所有的非線性負荷都能產生諧波電流，產生諧波的設備類型有：開關模式電源(SMPS)、電子熒火燈鎮(zhèn)流器、調速傳動裝置、不間斷電源(UPS)、磁性鐵芯設備及某些家用電器，如電視機等。

2.1 開關模式電源(SMPS)：

大多數(shù)的現(xiàn)代電子設備都使用開關模式電源(SMPS)。它們和老式的設備不同，它們已將傳統(tǒng)的降壓器和整流器替換成由電源直接經可控制的整流器件去給存貯電容器充電，然后用一種和所需的輸出電壓及電流相適合的方法輸出所需的直流電流。這對于設備制造廠的好處是使用器件的尺寸、價格及重量均可大幅度地降低，它的缺點是不管它是哪一種型號，它都不能從電源汲取連續(xù)的電流，而只能汲取脈沖電流。此脈沖電流含有大量的三次及高次諧波的分量。

2.2 電子熒光燈鎮(zhèn)流器：

電子熒光燈鎮(zhèn)流器近年被大量采用。它的優(yōu)點是在工作于高頻時可顯著提高燈管的效率，而其缺點是其逆變器在電源電流中產生諧波和電氣噪聲。使用帶有功率因數(shù)校正的型號產品可減少諧波，但成本昂貴。

2.3 直流調速傳動裝置：

直流電動機的調速控制器通常采用三相橋式整流電路，它也稱作六脈沖橋式整流電路，因為在直流輸出側每周波內有六個脈沖(在每相的半波上有一個)。直流電動機的電感是有限的，故在直流電流中有300HZ的脈動波 (即為供電頻率的6倍)，這就改變了供電電流的波形。

2.4 不間斷電源(UPS)：

根據(jù)電能變換方式和由外部供電到內部供電所用轉換方式的不同，UPS有許多不同的類型。主要的類型有：在線的UPS、離線的UPS和線路交互作用的UPS。由UPS供電的負荷總是電子信息設備，它們是非線性的并且含有大量的低次諧波。

3 諧波引發(fā)的問題及解決措施

諧波電流在電源系統(tǒng)內以及裝置內均會造成問題。但其影響和解決措施非常不一樣，需要分別處理；適用于消除諧波在裝置內不良影響的辦法并不能減少諧波在電源系統(tǒng)內造成的畸變，反之亦然。

3.1 裝置內的諧波問題及解決措施：

有幾個常見多發(fā)的問題是由諧波引起的：電壓畸變、過零噪聲、中性線過熱、變壓器過熱、斷路器的誤動作等。

3.1.1 電壓畸變：因為電源系統(tǒng)有內阻抗，所以諧波負荷電流將造成電壓波形的諧波電壓畸變(這是產生“平頂”波的根源)。此阻抗有兩個組成部分：電源接口(PCC)以后的電氣裝置內部電纜線路的阻抗和PCC以前電源系統(tǒng)內的阻抗，用戶處的供電變壓器即是PCC的一例。

由非線性負荷引起的畸變負荷電流在電纜的阻抗上產生一個畸變的電壓降。合成的畸變電壓波形加到與此同一電路上所接的全部其他負荷上，引起諧波電流的流過，即使這些負荷是線性的負荷也是如此。

解決的辦法是把產生諧波的負荷的供電線路和對諧波敏感的負荷的供電線路分開，線性負荷和非線性負荷從同一電源接口點開始由不同的電路饋電，使非線性負荷產生的畸變電壓不會傳導到線性負荷上去。

3.1.2 過零噪聲：許多電子控制器要檢測電壓的過零點，以確定負荷的接通時刻。這樣做是為了在電壓過零時接通感性負荷不致產生瞬態(tài)過電壓，從而可減少電磁干擾(EMI)和半導體開關器件上的電壓沖擊。當在電源上有高次諧波或瞬態(tài)過電壓時，在過零處電壓的變化率就很高且難于判定從而導致誤動作。實際上在每個半波里可有多個過零點。

3.1.3 中性線過熱：在中性點直接接地的三相四線式供電系統(tǒng)中，當負荷產生3N次諧波電流時，中性線上將流過各相3N次諧波電流的和。如當時三相負荷不平衡時，中性線上流經的電流會更大。最近研究實驗發(fā)現(xiàn)中性線電流可能會大于任何一相的相電流，造成中性線導線發(fā)熱過高，增加了線路損耗，甚至會燒斷導線。

現(xiàn)行的解決措施是增大三相四線式供電系統(tǒng)中中性線的導線截面積，最低要求要使用與相線等截面的導線。國際電工委員會(IEC)曾提議中性線導線的截面應為相線導線截面的200%。

3.1.4 變壓器溫升過高：接線為Yyn的變壓器，其二次側負荷產生3N次諧波電流時，其中性線上除有三相負荷不平衡電流總和外，還將流過3N次諧波電流的代數(shù)和，并將諧波電流通過變壓器一次側流入電網(wǎng)。解決上述問題最簡單的辦法是采用Dyn接線的變壓器，使負荷產生的諧波電流在變壓器△形繞組中循環(huán)，而不致流入電網(wǎng)。

無論諧波電流流入電網(wǎng)與否，所有的諧波電流都會增加變壓器的電能損耗，并增加了變壓器的溫升。

3.2 影響供電電源的諧波問題及解決措施：

由畸變電流造成的電壓畸變取決于電源阻抗。阻抗愈大則由同一電流畸變所造成的電壓畸變就愈大。對于10次以下的諧波而言，供電網(wǎng)絡通常是感性的，所以電源阻抗就和頻率成正比，諧波次數(shù)越高，所造成的畸變就越大。通常不可能減小供電系統(tǒng)的阻抗，所以需要采用別的步驟來保證電壓畸變不超過限度?？赡艿慕鉀Q方法有：裝用諧波濾波器、裝用隔離變壓器和裝用有源的諧波調節(jié)器。

3.2.1 裝用諧波濾波器：對于電動機控制器產生的諧波，諧波的形狀很分明，可以用濾波器來降低諧波電流。對于六脈沖的控制器，濾波器可去掉20%的五次諧波以及全部的高次諧波，對基波影響甚微。為了避免增益頂峰靠近諧波，必須用解諧的濾波器，而且可能需裝多個濾波器。在12脈沖橋路中最低次的諧波是11次的，此時情況比較簡單。

3.2.2 裝用隔離變壓器：均衡的三次諧波電流傳回到電源去的問題可以用一臺Dyn接法的隔離變壓器來削弱。使用這種變壓器時，通常裝設一個旁路的電路以避免在進行變壓器的維護工作時長時期地對負荷停止供電。在這種情況下，應采用中性線有足夠大的通用四芯饋線。在重要的配電系統(tǒng)中，有時把隔離變壓器就地裝在每一配電盤上，使3N次諧波電流與配電系統(tǒng)相隔離。隔離變壓器要適當提高額定值，否則也會產生電壓畸變和過熱。

3.2.3 裝用有源的諧波調節(jié)器：由變流器/逆變器產生的邊頻帶和諧波不能很好地用普通的濾波器來濾除，這是因為邊頻帶上的頻率是隨傳動裝置的速度而變化的，并且時常很接近于基波頻率。目前有源濾波器日益推廣應用，它在工作時主動地注入一個電流來精確地補償由負荷產生的諧波電流，就會獲得一個純粹的正弦波。這種濾波設備的工作靠數(shù)字信號處理(DSP)技術來控制快速絕緣柵雙極晶體管(IGBT)。由于設備是與供電系統(tǒng)并聯(lián)工作的，它只控制諧波電流，基波電流并不流過該濾波器。如果所需過濾的諧波電流比濾波器的容量大的話，它只是簡單地起限制作用而使波形得到部分的糾正。

[1]郎維川.供電系統(tǒng)中諧波的產生、危害及其防護對策[J].《高電壓技術》，2006（2）.

[2]吳競昌.《供電系統(tǒng)諧波》[M]，中國電力出版社，1998（5）.