李桂丹

【摘 要】目前，電網(wǎng)污染日益嚴(yán)重，給人們帶來(lái)了極大的危害，因此電網(wǎng)諧波分析已經(jīng)成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。近二、三十年來(lái)，各種電力電子裝置的迅速普及使得公用電網(wǎng)的諧波污染日趨嚴(yán)重，已成為影響電能質(zhì)量的公害，對(duì)電力系統(tǒng)的安全，經(jīng)濟(jì)造成極大的影響。因此，對(duì)電網(wǎng)中的諧波含量進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，確切掌握電網(wǎng)中諧波的實(shí)際狀況，對(duì)于防止諧波危害、提高供電質(zhì)量是十分必要的。

【關(guān)鍵詞】電能質(zhì)量；諧波；諧波危害

【中圖分類(lèi)號(hào)】TM727【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）02-0284-02

1、諧波

國(guó)際上公認(rèn)的諧波含義是：“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波的分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。

2、諧波的產(chǎn)生

目前，在現(xiàn)代工業(yè)中，電力系統(tǒng)的波形畸變主要來(lái)源于兩大因素。第一，R，L，C元件的非線性。當(dāng)正弦電壓加在非線性電路上時(shí)，電流就變成非正弦波，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使電壓波形也變成非正弦波。當(dāng)然，非正弦電壓加在線性電路上時(shí)電流亦是非正弦波。第二，大量使用的電力電子裝置會(huì)帶來(lái)波形的畸變。配電網(wǎng)中整流器，變頻調(diào)速裝置，電弧爐，電氣化鐵路及各種電子設(shè)備不斷增加，這些負(fù)荷的非線性，沖擊性與不平衡性等用電特性對(duì)用電質(zhì)量造成了嚴(yán)重的危害；隨著非線性用電設(shè)備越來(lái)越多，所產(chǎn)生的告訴諧波電流大量注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)電壓正弦波形發(fā)生畸變，電能質(zhì)量下降。諧波源一般有一下幾類(lèi)：

（1） 發(fā)電機(jī)等旋轉(zhuǎn)設(shè)備

主要是旋轉(zhuǎn)設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上的問(wèn)題產(chǎn)生諧波，如鋸齒波，包括鐵心飽和造成的低次諧波。但由于這類(lèi)設(shè)備產(chǎn)生的諧波量少以及技術(shù)水平在不斷提高，已逐步有所改變。

（2） 變壓器

變壓器與飽和電抗器產(chǎn)生的高次諧波是鐵心飽和造成的，一般產(chǎn)生的是三次與五次諧波電壓畸變，數(shù)量最多的是三次諧波。

（3） 各種可控硅整流負(fù)荷以電動(dòng)機(jī)為代表的單相整流裝置，要產(chǎn)生大量的三次諧波。

（4） 鋼鐵工業(yè)用的電弧爐，化學(xué)工業(yè)用的電石爐等各種電爐負(fù)荷。（5） 電視機(jī)，除塵器，空調(diào)等低壓負(fù)荷。

（6） 隨著其操作而出現(xiàn)的瞬變現(xiàn)象。諧波源雖然是供給諧波電流的能量源，但它的能量卻是工頻基波提供的。非線性設(shè)備產(chǎn)生諧波的過(guò)程，實(shí)際上是一個(gè)消耗工頻能，并將其中一部分工頻能轉(zhuǎn)換為各次諧波能量向系統(tǒng)回送的過(guò)程。高次諧波是電力系統(tǒng)的一種“污染”，目前，它日益成為電力系統(tǒng)運(yùn)行中的嚴(yán)重問(wèn)題。

3、諧波的危害

諧波對(duì)電力網(wǎng)絡(luò)的污染日益嚴(yán)重，其產(chǎn)生的危害主要有：

（1）對(duì)發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩噪聲，附加功率損耗和發(fā)熱，此外由整流器供電的電機(jī)可引起明顯的電壓畸變。

（2）對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容器引起諧振或諧波電流放大，從而導(dǎo)致電熱器因過(guò)負(fù)荷或過(guò)電壓而損壞；對(duì)電力電纜也會(huì)造成電纜過(guò)負(fù)荷或過(guò)電壓擊穿。

（3）對(duì)供電網(wǎng)和導(dǎo)線產(chǎn)生的而言，會(huì)增加供電網(wǎng)的損耗。當(dāng)發(fā)生諧振現(xiàn)象時(shí)，損耗更加嚴(yán)重。

（4）對(duì)斷路器和熔斷器而言，電流波形畸變明顯影響斷路器容量，當(dāng)存在電流畸變時(shí)，開(kāi)斷更為困難，而且由于開(kāi)斷時(shí)間延長(zhǎng)而延長(zhǎng)了故障電流的切除時(shí)間，因而造成了快速重合閘后的再燃。熔斷器是由于發(fā)熱而熔斷的，它們對(duì)諧波過(guò)流集膚效應(yīng)引起的發(fā)熱效應(yīng)很敏感。

（5）對(duì)變壓器而言，諧波在變壓器中造成的損耗產(chǎn)生附加發(fā)熱，降低了其帶負(fù)載的能力。

（6）對(duì)電子設(shè)備而言，主要影響表現(xiàn)在三個(gè)方面：

第一，諧波畸變得結(jié)果產(chǎn)生多個(gè)過(guò)零問(wèn)題，這種多個(gè)過(guò)零會(huì)破壞設(shè)備的運(yùn)行，最明顯的是數(shù)字時(shí)鐘，任何應(yīng)用過(guò)零原理同步元件都應(yīng)考慮這種影響。半導(dǎo)體器件經(jīng)常在電壓過(guò)零時(shí)投入，以降低電磁干擾和涌流，多次過(guò)零會(huì)改變器件投入時(shí)間，破壞設(shè)備運(yùn)行。

第二， 電力電子電源使用波形的峰值以維持濾波電容器的充電。該波畸變可提高或削平波峰的峰值，其結(jié)果是即使均方根的輸入電壓是正常的，電力電源將運(yùn)行在高或低的輸入電壓下，嚴(yán)重時(shí)設(shè)備可能遭到破壞。

第三，電壓陷波也會(huì)破壞電子設(shè)備的運(yùn)行，電壓陷波不過(guò)零但影響過(guò)零敏感的設(shè)備。

4、諧波的抑制

對(duì)諧波抑制的方法主要是在諧波源上采取措施，是從改進(jìn)電力電子裝置入手，最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這類(lèi)方法可以防止諧波影響波及眾多的供電設(shè)備。電網(wǎng)質(zhì)量的提高可節(jié)省消除諧波影響的大量人力和物力。將高水平的技術(shù)和相對(duì)集中的財(cái)力用到控制諧波源上，則對(duì)電力電子裝置改進(jìn)技術(shù)的突破十分有利，這樣的方法有：

（1）增加整流相數(shù)法

由諧波產(chǎn)生的原理知，隨著整流

相數(shù)的增加，網(wǎng)側(cè)電流諧波成分減少，波形接近于正弦波。在晶閘管三相橋式整流電路中，電流只有n次奇次諧波，但高次諧波的振幅只有基波振幅值的1/n，這說(shuō)明諧波次數(shù)越高，其振幅值越小。

（2）脈寬調(diào)制法

采用PWM在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達(dá)到抑制諧波的目的。

抑制和消除諧波的另一大類(lèi)方法是在電力電子裝置的交流側(cè)利用LC無(wú)源濾波器和電力有源濾波器對(duì)諧波電流分別提供品域諧波補(bǔ)償和時(shí)域諧波補(bǔ)償。

（3）波形疊加法

逆變器輸出端的電壓諧波嚴(yán)重地

影響了DA-AC變換器的應(yīng)用。但如果用兩臺(tái)你便輸出的電壓在副邊疊加，是兩臺(tái)逆變器的輸出波形每周期內(nèi)都保持60°間隙，然后第二臺(tái)逆變器輸出波形相對(duì)第一臺(tái)逆變器輸出波形相移36°，這樣第一臺(tái)逆變器的輸出波形中的五次諧波和第二臺(tái)波形中的五次諧波的相位差為180°，五次諧波在變壓副邊相互抵消，達(dá)到了同時(shí)消除三次和五次諧波的目的，逆變輸出電壓波形接近于正弦波。

（4）LC無(wú)源濾波法

LC無(wú)源濾波器是一種常用的諧波補(bǔ)償裝置。它的基本工作原理是利用LC諧振回路的特點(diǎn)抑制向電網(wǎng)注入的諧波電流，使其不會(huì)進(jìn)入電網(wǎng)，多個(gè)不同諧振頻率的諧振回路可濾除多個(gè)高次諧波電流，這種方法簡(jiǎn)單易行。

（5）電力有源濾波器補(bǔ)償法

早在七十年代初，日本學(xué)者就提出了有源電力濾波器（所寫(xiě)為APF）的概念。八十年以來(lái)，瞬時(shí)無(wú)功功率理論和諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出，才使得APF技術(shù)迅速發(fā)展起來(lái)。隨著開(kāi)關(guān)頻率較高的自關(guān)斷器件的實(shí)用化和瞬時(shí)無(wú)功功率理論和控制手段的成熟，有源濾波已從補(bǔ)償自身諧波向改善電網(wǎng)供電質(zhì)量發(fā)展。

（6）靜止無(wú)功補(bǔ)償法

在網(wǎng)側(cè)投入無(wú)功補(bǔ)償裝置（SVC）是用來(lái)補(bǔ)償由諧波造成的無(wú)功功率，提高功率因素。另外，無(wú)功補(bǔ)償裝置中電感和電容的合理設(shè)置，可在某次頻率產(chǎn)生諧振，即可對(duì)該頻率的諧波實(shí)現(xiàn)濾波。傳統(tǒng)的固定電容器和晶閘管控制電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置已經(jīng)落后，近年來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)是采用GTO構(gòu)成的換向變流器，通常稱(chēng)為靜止無(wú)功發(fā)生器（SVG），它既可提供滯后的無(wú)功功率，又可提供超前的無(wú)功功率。

5、國(guó)內(nèi)外諧波分析研究存在的主要問(wèn)題

雖然諧波問(wèn)題在我國(guó)已提到日程上來(lái)，但通過(guò)對(duì)前面國(guó)內(nèi)外這方面文獻(xiàn)中算法的總結(jié)我們可以看出，要實(shí)時(shí)估測(cè)電網(wǎng)質(zhì)量，在線地監(jiān)測(cè)用戶(hù)負(fù)載諧波的情況，現(xiàn)有的算法還存在如下問(wèn)題：

（1）有的算法速度和準(zhǔn)確度不能兼顧。因?yàn)闇?zhǔn)確度的提高一般是以犧牲速度為代價(jià)的；

（2）采用鎖相環(huán)節(jié)跟蹤，往往會(huì)給硬件的設(shè)計(jì)、調(diào)試帶來(lái)困難；

（3）部分算法還只停留在計(jì)算機(jī)仿真階段，這往往是由于算法過(guò)于復(fù)雜，實(shí)用性有待進(jìn)一步改進(jìn)。

（4）在線測(cè)量實(shí)時(shí)性差.有的算法涉及的公式復(fù)雜，運(yùn)算量大，這樣勢(shì)必會(huì)影響計(jì)算速度，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的實(shí)時(shí)性就很難保證。

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