電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生及抑制方法探討

劉金寶

摘 要：當(dāng)前電網(wǎng)運(yùn)行過程中，諧波、功率因數(shù)下降及電磁干擾作為三大公害對(duì)電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行產(chǎn)生了較大的影響，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)對(duì)電氣設(shè)備的正常運(yùn)行帶來較大的威脅。這三大公害的存在嚴(yán)重影響著電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。特別是近年來諧波的影響在不斷加劇，因此需要對(duì)諧波及其來源進(jìn)行分析，明確諧波可能對(duì)電力系統(tǒng)帶來的危害，從而提出切實(shí)可行的措施來抑制諧波的產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)；諧波；來源；危害；抑制方法

前言

近年來電力電子技術(shù)得以廣泛的應(yīng)用，無論是家用電器還是變流裝置在應(yīng)用過程中都會(huì)導(dǎo)致供電系統(tǒng)非線性負(fù)載大幅度增加，從而導(dǎo)致電網(wǎng)產(chǎn)生大量的高次諧波。這些諧波在電力系統(tǒng)中存在，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，則會(huì)導(dǎo)致能量損耗、變壓器過熱及絕緣老化等現(xiàn)象發(fā)生，從而使電力系統(tǒng)處于不安全的運(yùn)行狀態(tài)，因此需要針對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中諧波的來源及危害，從而對(duì)諧波采取有效的抑制方法，確保電網(wǎng)能夠安全、穩(wěn)定的運(yùn)行。

1 諧波定義及特征

1.1 供電系統(tǒng)諧波的定義

當(dāng)對(duì)供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中的周期性非正弦電量進(jìn)行分解時(shí)，所得到的分量一部分與電網(wǎng)基波頻率相同，另一部分分量大于電網(wǎng)基波頻率，因此將這部分電量稱為諧波。諧波次數(shù)則是諧波頻率與基波頻率的比值。在電網(wǎng)運(yùn)行過程中，也存在著一些非整數(shù)倍諧波，即非諧波或是分?jǐn)?shù)諧波。諧波對(duì)于電網(wǎng)運(yùn)行過程中的干擾因素，會(huì)對(duì)正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)帶來一定的干擾，影響電力系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和穩(wěn)定性。

1.2 電力諧波的特征

在電力系統(tǒng)運(yùn)行過程中，在理想狀態(tài)下，三相交流發(fā)電機(jī)所發(fā)出來的電壓波形為正弦波形，即在只有線性元件的簡(jiǎn)單電路里其電流和電壓則會(huì)呈現(xiàn)為正比例的關(guān)系，而所流運(yùn)的電流也是正弦波。但在供電系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中，非線性負(fù)荷的存在具有不可避免性，這也就導(dǎo)致電流和電壓無法呈現(xiàn)出線性關(guān)系，從而導(dǎo)致非正弦電流產(chǎn)生，而負(fù)荷圖形也都屬于非對(duì)稱性。在負(fù)荷不斷變化下，負(fù)荷圖形的斜率也會(huì)隨之而發(fā)生改變。而且對(duì)于任何壩基性的波形來講，都可以將其進(jìn)行分解，會(huì)得到一個(gè)基頻正弦和許多諧波頻率的正弦。通常情況下，諧波頻率為基頻的整倍數(shù)，而且當(dāng)電流波形出現(xiàn)畸變時(shí)，還會(huì)有多次諧波產(chǎn)生。對(duì)于所產(chǎn)生的諧波，其電流量與電網(wǎng)的參數(shù)并不存在什么關(guān)系，主要由諧波源設(shè)備本身的特性及工作狀況決定，可將其視為恒流源。各種晶閘管電路上所產(chǎn)生的諧波稱為該電流的特征諧波，主要取決于電路的形式。

2 電力系統(tǒng)中諧波的來源

2.1 發(fā)電環(huán)節(jié)

長(zhǎng)期以來各國(guó)根據(jù)自身的能源資源構(gòu)成多采用火力、炎力及核能等形式來進(jìn)行發(fā)電。但近年來化石資源短缺的現(xiàn)象日益嚴(yán)重，能源危機(jī)不斷加劇，在這種情況下，人們對(duì)綠色新能源更加青睞，一些清潔、無污染及可再生的綠色能源開始在發(fā)電系統(tǒng)中進(jìn)行就用，多以風(fēng)能、太陽能及燃料電池等為主。利用這些種類能源進(jìn)行發(fā)電時(shí)其發(fā)電形式多以非正弦及非工頻的形式為主，這就需要在將其接入電網(wǎng)過程中需要毛毛蟲用電力電子電能轉(zhuǎn)換裝置，將這些電源進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以正弦及工頻的交流電源形式從而使不同頻率的電源及電網(wǎng)能夠處于同步運(yùn)行。但在這種過程中，如由變頻裝置來將風(fēng)能接入電網(wǎng)時(shí)，則需要由變頻裝置裝一定數(shù)量的諧波注入到電網(wǎng)中，這則會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中諧波來源越來越復(fù)雜化。另外，發(fā)電機(jī)三相繞組及鐵芯等在運(yùn)行過程中也不可處于完全一致性，不可避免的會(huì)有諧波產(chǎn)生。

2.2 輸配電環(huán)節(jié)

隨著柔性交流輸電技術(shù)和高壓直流輸電技術(shù)的快速發(fā)展，大量的電力電子裝置被引入電力系統(tǒng)中，比如用于提供無功功率補(bǔ)償功能的靜態(tài)無功補(bǔ)償器、用于提高輸電線路輸電容量和改善線路運(yùn)行情況的可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置以及用于高壓直流輸電技術(shù)的高壓直流換流器等，這些電力電子裝置雖然靈活的控制了電網(wǎng)的運(yùn)行，保證電能安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效的輸送，但由其產(chǎn)生的諧波給電力系統(tǒng)帶來了不小的副作用。

2.3 用電環(huán)節(jié)

隨著電力電子技術(shù)的長(zhǎng)足發(fā)展，一些大功率的開關(guān)器件構(gòu)成的新型電器產(chǎn)品越來越被廣泛應(yīng)用，它們大多采用非正弦的電流方式用電，對(duì)于電力系統(tǒng)來講屬于非線性負(fù)載，其在節(jié)能方面確實(shí)產(chǎn)生了一定的作用，但是，這些以非正弦電流方式用電的新型非線性負(fù)載已經(jīng)成為當(dāng)今電力負(fù)載中最主要的諧波源。

3 電力系統(tǒng)中諧波的危害

電力系統(tǒng)中諧波的存在對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性帶來了較為嚴(yán)重的影響，直接威脅電力系統(tǒng)發(fā)供電設(shè)備正常的運(yùn)行。在電力系統(tǒng)輸電線路中，諧波的產(chǎn)生會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)損產(chǎn)生，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致電能傳輸效率降低，嚴(yán)重影響電網(wǎng)中電壓質(zhì)量。而且在輸電線路運(yùn)行過程中，由于存在畸變的諧波，則會(huì)導(dǎo)致各種不同種類的繼電器有誤動(dòng)作及不動(dòng)作的現(xiàn)象發(fā)生，不利于供配電系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。當(dāng)諧波存時(shí)，變壓器和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中繞組及鐵芯線圈會(huì)存在額外發(fā)熱的情況，導(dǎo)致?lián)p耗增加，對(duì)其使用壽命具有較大的影響。而且諧波存時(shí)，還會(huì)對(duì)計(jì)算機(jī)和通訊系統(tǒng)的正常運(yùn)行帶來不同程度的干擾，使其工作的精度受到影響，甚至導(dǎo)致畫面出現(xiàn)畸變，使畫面質(zhì)量下降。而且隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，儀器開始向更高精度的方向發(fā)展，控制系統(tǒng)越來越復(fù)雜化，人們對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的要求不斷提升，這也會(huì)導(dǎo)致諧波的危害更加明顯，諧波會(huì)成為當(dāng)前我國(guó)工業(yè)快速發(fā)展的重要阻力，使工業(yè)發(fā)生過程中會(huì)有巨大的經(jīng)濟(jì)損失產(chǎn)生。

4 電力系統(tǒng)中諧波的抑制方法

當(dāng)前電力系統(tǒng)中為了能夠有效的對(duì)諧波進(jìn)行抑制，通常會(huì)通過二種方法來進(jìn)行，即安裝諧波補(bǔ)償裝置和對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行改造。

首先，安裝諧波補(bǔ)償裝置。這是一種補(bǔ)救性措施，通常是將諧波補(bǔ)償裝置安裝在已經(jīng)產(chǎn)生諧波的設(shè)備和系統(tǒng)中，補(bǔ)償裝置以無源濾波器、有源濾波器及混合型有源濾波器為主。當(dāng)前應(yīng)用最廣的當(dāng)屬于無源濾波器，其不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且費(fèi)用較低。近年來隨著濾波技術(shù)的快速發(fā)展，有源濾波器得到產(chǎn)生，其主要是通過對(duì)諧波電流進(jìn)行檢測(cè)，然后將與檢測(cè)諧波大小電波相同及相位相反的諧振波電流注入到系統(tǒng)中，兩個(gè)諧波電流在相互抵銷過程中確保了系統(tǒng)能夠安全、正常的運(yùn)行。將無源濾波器和有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)有效的綜合在一起，從而形成混合型有源濾波器，不僅可以實(shí)現(xiàn)諧波的快速補(bǔ)償，而且可以實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波進(jìn)行過濾及無功補(bǔ)償，確保了濾波補(bǔ)償效率的提升。

其次，改造電力設(shè)備。這是一種防御性措施，在電氣工程設(shè)計(jì)時(shí)就對(duì)諧波因素進(jìn)行充分考慮，從而采取有效措施來實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振波進(jìn)行控制，盡管這種對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行改造的方法無法完全消除諧波，但對(duì)于諧波的產(chǎn)生能夠產(chǎn)生一定的抑制作用，減輕諧波所帶來的危害。

5 結(jié)束語

就目前的電力系統(tǒng)而言，諧波源存在于發(fā)供用電的各個(gè)環(huán)節(jié)，諧波源的存在嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的質(zhì)量以及運(yùn)行的穩(wěn)定，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各種大功率整流設(shè)備的廣泛應(yīng)用，諧波的危害作用將會(huì)愈加凸顯，其表現(xiàn)形式會(huì)更加復(fù)雜，造成的經(jīng)濟(jì)損失會(huì)更加巨大，這是我們的電力系統(tǒng)的必然挑戰(zhàn)，也是我們輸電技術(shù)發(fā)展的重要契機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]劉利宏.治理諧波污染、提高電能質(zhì)量[J].電氣時(shí)代，2002（8）：41-42.

[2]楊斌文.電力系統(tǒng)中諧波的抑制方法[J].電氣時(shí)代，2002（3）：55-56.

[3]朱桂萍，王樹民.電能質(zhì)量控制技術(shù)綜述[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，26（19）：28-31.