么 軍，張思聰

（國(guó)網(wǎng)天津市電力公司濱海供電分公司，天津 300450）

1 諧波簡(jiǎn)述

諧波是指周期性的正弦波分量，是一個(gè)數(shù)學(xué)和物理概念。電力系統(tǒng)中，往往由于正弦電壓施加壓力于非線性負(fù)載，導(dǎo)致基波電流發(fā)生畸變形成諧波。在正常運(yùn)行的電力系統(tǒng)中，流經(jīng)的電流和電壓成正比且都是正弦波，而當(dāng)流經(jīng)的電流與所增加的電壓不呈線性關(guān)系時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)諧波電流。每個(gè)諧波的頻率不同，根據(jù)諧波的不同頻率可以劃分為“奇次諧波”、“偶次諧波”、“分量諧波”。

一般情況下，非線性負(fù)荷供電設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生諧波電流，例如SMPS、UPS、調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)裝置以及家用電器等。無(wú)論是發(fā)電設(shè)備、輸電設(shè)備還是用電設(shè)備，都可能產(chǎn)生諧波電流，其中用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流最多。發(fā)電設(shè)備方面，一些發(fā)電機(jī)的鐵芯裝置質(zhì)地不均勻，往往會(huì)產(chǎn)生少量的諧波電流。在電力傳輸方面，變壓器是最常產(chǎn)生諧波的電力設(shè)備。用電設(shè)備方面，變頻裝置和整流裝置由于控制起來(lái)比較復(fù)雜，稍有差錯(cuò)就會(huì)產(chǎn)生諧波電流。家用電器的功率雖然小，但是數(shù)量巨大，電流的不平衡變換將會(huì)產(chǎn)生較深層次的奇次諧波電流，也是諧波電流的主要產(chǎn)生源之一。

2 諧波研究現(xiàn)狀與意義

2.1 研究現(xiàn)狀

人們對(duì)諧波問(wèn)題的研究已經(jīng)持續(xù)許久，諧波問(wèn)題最早發(fā)現(xiàn)于20 世紀(jì)20年代。在我國(guó)20 世紀(jì)70年代以來(lái)，伴隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和電子技術(shù)的進(jìn)步，電力裝置和設(shè)備應(yīng)用的范圍不斷擴(kuò)大，數(shù)量急劇增加。電力系統(tǒng)的安全性和高效性和人們的生活生產(chǎn)有著密切的聯(lián)系，因而近些年來(lái)，諧波研究領(lǐng)域一直比較活躍，并且形成了相對(duì)完整的理論體系、檢測(cè)和抑制方法。國(guó)內(nèi)的一些科研機(jī)構(gòu)、高校和生產(chǎn)企業(yè)也相繼進(jìn)行諧波研究，并積極參與國(guó)際上的研究項(xiàng)目會(huì)議。有源濾波裝置是目前最前沿的檢測(cè)抑制技術(shù)，分為并聯(lián)型、串聯(lián)型和混合型。

近年來(lái)，諧波問(wèn)題的研究不僅僅處于電力系統(tǒng)領(lǐng)域，和環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)等領(lǐng)域也有這密切的聯(lián)系。研究雖有進(jìn)展，仍存在許多問(wèn)題需要解決，相應(yīng)的法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步的制定和完善。

2.2 研究意義

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展，電力使用的范圍越來(lái)越廣泛，家用、生產(chǎn)、交通以及其他諸多領(lǐng)域，諧波造成的危害也更越來(lái)越嚴(yán)重。諧波的危害一方面體現(xiàn)在諧波的存在造成小部分電流流失，運(yùn)輸速度減慢，降低電能產(chǎn)生、傳輸和使用效率；另一方面，數(shù)量巨大的3 次諧波造成電力設(shè)備過(guò)熱、加速絕緣老化，設(shè)備壽命變短的同時(shí)有可能燃燒形成火災(zāi)等重大事故，進(jìn)而威脅人們生命財(cái)產(chǎn)安全。諧波還會(huì)造成繼電保護(hù)和移動(dòng)裝置發(fā)生失誤，使電量計(jì)算出錯(cuò)。諧波還會(huì)對(duì)附近的通信設(shè)備造成影響，擾亂通信信號(hào)，降低通信質(zhì)量，伴有導(dǎo)致通信信息丟失的可能性，打亂通信系統(tǒng)的正常工作。

我國(guó)的“十二五”電力規(guī)劃，對(duì)電力系統(tǒng)提出了更加精細(xì)的要求，綠色環(huán)保的發(fā)展觀念逐漸深入人心，對(duì)諧波的檢測(cè)和控制提出了更高的要求。

3 諧波的檢測(cè)和抑制方法

3.1 諧波檢測(cè)

鑒于諧波對(duì)電流本身和電氣設(shè)備的危害性，為了進(jìn)一步保證供電的質(zhì)量和使用安全，各個(gè)國(guó)家和地區(qū)基本上都會(huì)發(fā)布限制諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)根據(jù)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)《電力系統(tǒng)諧波暫行管理規(guī)定》并結(jié)合我國(guó)的實(shí)際國(guó)情以及其他國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究成果，頒布了我國(guó)的電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)（表1）。

諧波檢測(cè)和分析是電力系統(tǒng)控制和分析中的重要部分，及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)數(shù)據(jù)是電力系統(tǒng)中繼電保護(hù)和故障分析的重要前提。諧波檢測(cè)致力于電流網(wǎng)中發(fā)生畸變的電流和電壓，根據(jù)檢測(cè)原理的不同可以分為：模擬濾波器檢測(cè)法、基于傅立葉變化換的諧波檢測(cè)法以及基于小波變換的諧波檢測(cè)法。

表1 電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)

模擬濾波器檢測(cè)法是通過(guò)模擬濾波器得到諧波數(shù)量，主要有兩種形式：①通過(guò)模擬濾波器濾除基波電流量，從而得到諧波電流量；②通過(guò)通帶濾波器得到基波分量，與檢測(cè)到的電流相減后得到諧波數(shù)量。這種檢測(cè)方法原理和操作簡(jiǎn)單，可行性大，能有效濾除部分固有頻率的諧波。但當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變化或電路元件參數(shù)發(fā)生變化時(shí)，模擬濾波器難以達(dá)到及時(shí)檢測(cè)，且誤差較大，檢測(cè)質(zhì)量降低。

基于傅立葉變換的諧波檢測(cè)法是獲得各次諧波信號(hào)的頻率和位置。該方法適用于測(cè)量時(shí)間是信號(hào)周期的整數(shù)倍時(shí)，操作簡(jiǎn)單并且測(cè)量精度高，在諧波檢測(cè)方面得到廣泛應(yīng)用。但該種方法對(duì)取樣信號(hào)有著嚴(yán)格要求：取樣信號(hào)必須是周期性的，且是周期的整數(shù)倍，并且要高于信號(hào)最高頻率2 倍以上。

基于小波變換的諧波檢測(cè)法是用小波變換的奇異性對(duì)諧波信號(hào)進(jìn)行定位，并與附近正常信號(hào)進(jìn)行比較，從而判斷諧波信號(hào)的干擾類(lèi)型。小波變化是時(shí)域領(lǐng)域檢測(cè)的重要工具，克服了傅立葉領(lǐng)域局部化而時(shí)域無(wú)局部化的特點(diǎn)，更加適合信號(hào)突變時(shí)的檢測(cè)和分析。這種方法克服了傳統(tǒng)檢測(cè)方法中周期性暫態(tài)現(xiàn)象，精確性高。傅立葉變換和小波變換是現(xiàn)在最常用的檢測(cè)和分析方法。

3.2 諧波抑制

在對(duì)諧波信號(hào)進(jìn)行及時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)和分析后，進(jìn)行諧波抑制可減少和消除電網(wǎng)中的諧波電流，把諧波電壓控制在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，提高供電質(zhì)量保證供電安全。常用的諧波抑制方法：降低諧波源的諧波含量、在諧波源處吸收諧波電流以及改善供電環(huán)境。

降低諧波源的諧波含量是在諧波源處采取措施避免諧波的產(chǎn)生。整流器是電網(wǎng)中的一個(gè)主要諧波源，整流器的脈動(dòng)數(shù)和諧波量呈負(fù)相關(guān)，因此，適當(dāng)增加整流器的脈動(dòng)數(shù)，有利于減少諧波量。采用PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制技術(shù)），在頻率周期內(nèi)調(diào)制直壓電流脈寬使其不等以抑制諧波。

在諧波源處吸收諧波電流是在諧波已經(jīng)產(chǎn)生后進(jìn)行抑制的方法。通過(guò)無(wú)源濾波器和有源濾波器吸收諧波。相比于無(wú)源濾波器，有源濾波器的各項(xiàng)性能更高。通過(guò)可控功率的半導(dǎo)體向原電流網(wǎng)注入諧波電流幅相等、相位相反的電流，相互抵消使總諧波為零，達(dá)到及時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的?？刹捎么?lián)抗電器或者限定電容器組的電容容量來(lái)減少對(duì)諧波的放大。

改善供電環(huán)境是指選用合理的供電電壓，使三相電壓盡可能保持平衡，以減少諧波對(duì)電網(wǎng)的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

諧波的危害性毋庸置疑，及時(shí)準(zhǔn)確的諧波檢測(cè)和分析是前提，諧波抑制是目的。從國(guó)內(nèi)外對(duì)諧波的研究可以看出，有源濾波器和無(wú)源濾波器的混合使用是切實(shí)有效的抑制方式，性?xún)r(jià)比較高，可行性較強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)勢(shì)明顯。將有源濾波器和無(wú)源濾波器的混合使用應(yīng)用到電力系統(tǒng)的諧波抑制，仍有許多技術(shù)性問(wèn)題需要解決。諧波問(wèn)題的研究不僅應(yīng)用于電力系統(tǒng)，對(duì)于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域也有重要的意義。隨著人們綠色發(fā)展、環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)以及企業(yè)對(duì)經(jīng)濟(jì)效益的追求，人們必將探索出更有效的諧波檢測(cè)和抑制方法。