趙 凱

（昆岳互聯(lián)環(huán)境技術(shù)（江蘇）有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引 言

在工業(yè)配電系統(tǒng)中，主要采用多種電力電子裝置，通過裝置的設(shè)定變換電路形態(tài)，從而為用戶提供更為高效用的電能，但隨著各種設(shè)備的接入，交直流傳動(dòng)等設(shè)備會(huì)增加整體電力系統(tǒng)的負(fù)荷，導(dǎo)致無法維持工業(yè)配電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，使得功率因數(shù)下降，產(chǎn)生諧波。諧波的產(chǎn)生會(huì)抑制系統(tǒng)電能的產(chǎn)量和質(zhì)量，增加損耗，從而無法對應(yīng)經(jīng)濟(jì)效益產(chǎn)出的要求，因此下文將重點(diǎn)分析諧波產(chǎn)生的原因，并結(jié)合其現(xiàn)實(shí)危害給出對應(yīng)的意識(shí)措施，以為后續(xù)研究提供可靠性資料。

1 諧波產(chǎn)生的原因

諧波指的是經(jīng)過傅立葉級數(shù)分解周期性交流分量，從而得出一個(gè)頻率大于基波頻率整數(shù)倍的數(shù)值。工業(yè)配電系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的源頭集中在熒光燈和變頻器上，在靜止拱弧變流器的作用下會(huì)產(chǎn)生畸變的電流波形和電壓波形，在后續(xù)電子電力設(shè)備的使用中運(yùn)用變頻技術(shù)也會(huì)導(dǎo)致生成諧波。變頻器作為為風(fēng)機(jī)、水泵以及鍋爐等提供能源的設(shè)備，其需要將各種頻率的工頻電轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣麟?，將直流電逆變成頻率能夠隨時(shí)調(diào)節(jié)的三相交流電，使用交直交變頻器完成以上工作[1]。熒光燈屬于嚴(yán)重非線性的伏安特性設(shè)備，能夠產(chǎn)生較為嚴(yán)重的諧波電流，并且其中含有含量最高的3次諧波，在接成三相四線制負(fù)載的環(huán)節(jié)中，較多個(gè)熒光燈上的中性線會(huì)經(jīng)過電流較大的3次諧波。

1.1 電力電子元件方面

以電力電子元件為基礎(chǔ)的開關(guān)電源設(shè)備廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活，冶金、礦山或者電器鐵道等企業(yè)使用的電器中都包含此種設(shè)備。此種設(shè)備的特點(diǎn)是從電網(wǎng)取用非正弦電流，在所施加的正弦波形電壓的作用下電器設(shè)備具有無法隨之同時(shí)變化的特性，呈現(xiàn)出非線性的電壓電流特征，無法保證通過電網(wǎng)的電流具備正常的正弦波形，主要以非正弦波形存在，由基波頻率和基波共同組成[2]。此外由于此種組成形態(tài)產(chǎn)生諧波會(huì)導(dǎo)致電壓失真，因此在諧波的作用下需要額外向電網(wǎng)提供電能，同時(shí)接入非線性設(shè)備。

1.2 磁飽和特性裝置

對于磁飽和特性裝置而言，其中產(chǎn)生諧波電流的位置是勵(lì)磁回路，由于其具有非線性的特征，在正常工作的前提下額定電壓被加入其中，整體工作的鐵芯維持在線性可控范圍內(nèi)，因此諧波電流含量相對較低。但隨著逐步進(jìn)入工作飽和區(qū)，輕載電壓升高會(huì)加大諧波電流含量，從而出現(xiàn)較為嚴(yán)重的負(fù)載和暫態(tài)擾動(dòng)現(xiàn)象，無法保證變壓器的正常工作[3]。

2 工業(yè)配電系統(tǒng)諧波危害

2.1 供電線路

在供電線路產(chǎn)生諧波的過程中，由于其具備線電流小和線徑細(xì)的特點(diǎn)，因此當(dāng)有大量的諧波電流涌入到中性線時(shí)，線體容易產(chǎn)生大量的熱能，從而破壞中性線的絕緣功能，會(huì)造成短路的情況，而且隨著熱量的不斷提升容易引發(fā)火災(zāi)等其他危害。此外，在臨近效應(yīng)和集膚效應(yīng)的作用下，頻率增加導(dǎo)致線阻率隨之增加，提升了整個(gè)供電線路的電能損耗，不符合經(jīng)濟(jì)效益控制的要求。

2.2 用電設(shè)備

就對用電設(shè)備影響方面來看，主要作用于電動(dòng)機(jī)上增加其附加損耗導(dǎo)致工作效率降低，有明顯的脈沖轉(zhuǎn)距問題，可能造成機(jī)器或設(shè)備轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的不良影響。此外由于負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場會(huì)作用于電動(dòng)機(jī)上，在負(fù)序諧波的抑制下會(huì)產(chǎn)生與其轉(zhuǎn)動(dòng)方向相反的轉(zhuǎn)距，因此不利于電動(dòng)機(jī)的處理作用，起到制約的效果[4]。

2.3 電力設(shè)備

對于電力設(shè)備方面的影響來說，主要考量電容器和變電器兩大方面。當(dāng)諧波電流經(jīng)過變壓器時(shí)會(huì)出現(xiàn)效率降低、運(yùn)行發(fā)熱以及鐵芯損耗提升的情況，抑制了變壓器的使用時(shí)間，縮短了使用壽命，部分變壓器還會(huì)因?yàn)橹C波電流的增加產(chǎn)生更大的噪聲[5]。對電力電容器而言，當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波時(shí)端電壓逐步增加，電容器中流過的電流也隨之增大，結(jié)合功率和損耗公式計(jì)算求得的電容器損耗也逐漸增大，在諧波含量提升的環(huán)境下，若其超過電容器允許條件則很容易導(dǎo)致發(fā)生異常發(fā)熱的情況，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成電氣過負(fù)荷甚至出現(xiàn)爆炸的不良影響。

2.4 繼電保護(hù)裝置

電力配電系統(tǒng)中主要采用自動(dòng)裝置和繼電保護(hù)裝置完成檢測保護(hù)，從而保證電力線路和電力設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)，維持整體設(shè)備與線路的安全。但由于諧波的參與會(huì)導(dǎo)致在故障情況下，檢測裝置的能動(dòng)性降低，其給出的具體報(bào)告和信息不存在可靠的依據(jù)，從而導(dǎo)致自動(dòng)裝置或繼電保護(hù)裝置的誤動(dòng)作，影響了系統(tǒng)故障的控制，導(dǎo)致故障作用范圍逐漸擴(kuò)大。

3 工業(yè)配電系統(tǒng)諧波抑制措施

正常配電系統(tǒng)工作狀態(tài)下，其按照規(guī)定的電壓幅值和標(biāo)準(zhǔn)頻率運(yùn)行，但隨著諧波電流和電壓的產(chǎn)生，會(huì)對通信和用電設(shè)備造成相應(yīng)的損害，出現(xiàn)設(shè)備故障的問題。為解決以上問題，我國電網(wǎng)針對限制電網(wǎng)諧波給出了具體的標(biāo)準(zhǔn)。結(jié)合電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，要確定好整個(gè)系統(tǒng)中公共連接點(diǎn)的最小短路容量、第N次諧波電流允許值、公共基準(zhǔn)短路容量以及短路容量為SK1時(shí)的電磁諧波電流允許值等。為解決目前整個(gè)系統(tǒng)存在諧波危害的問題應(yīng)該集中關(guān)心以下兩個(gè)方面，一是應(yīng)當(dāng)具備補(bǔ)償諧波的裝置，二是要能夠過濾掉諧波，基于以上要求逐步開展有關(guān)諧波抑制措施方法制定的工作。

3.1 加裝串聯(lián)電抗器

加裝串聯(lián)電抗器需要各工業(yè)配電系統(tǒng)有關(guān)部門和電力部門同時(shí)作用，明晰其中可能產(chǎn)生的諧波，放大并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振情況，分析在電力電容器組中是否存在以上情況，避免因諧波產(chǎn)生的過電流和過電壓等損壞相應(yīng)的電力設(shè)備。相關(guān)單位和部門要基于實(shí)際存在的諧波情況，配置相應(yīng)的電力電容器組，從而解決諧波產(chǎn)生的具體危害，提升電力電容器組的工作效率。而在實(shí)際工作過程中，有些部門或單位人員沒能準(zhǔn)確重視這一行為，導(dǎo)致所分析研究的情況不符合現(xiàn)階段運(yùn)行的基本狀態(tài)，因此在后續(xù)的管理過程中，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)化各部門的責(zé)任意識(shí)，通過培養(yǎng)其形成日常診斷的工作活動(dòng)，從而保證加裝串聯(lián)電抗器措施應(yīng)用的效果[6]。

3.2 改良用電環(huán)境

電力部門除了在以上工作中強(qiáng)化對電力電網(wǎng)檢驗(yàn)的責(zé)任意識(shí)外，還需要考量符合三相平衡的狀態(tài)，使用高一級電壓或者較大容量的供電點(diǎn)為工業(yè)配電系統(tǒng)提供電能，從而降低諧波對電力設(shè)備及其系統(tǒng)的作用效用。準(zhǔn)確分析3次諧波產(chǎn)生的原因及其危害，利用改善供電環(huán)境的方式選擇使用更為合理的供電辦法有效減少3次諧波。此外，電力系統(tǒng)或電網(wǎng)規(guī)劃人員需要分析專門的線路，調(diào)研所使用的諧波源負(fù)荷，避免因諧波影響其他負(fù)荷，充分抑制和消除諧波的作用，降低影響效果。

3.3 增加整流相數(shù)

通過分析晶閘管三相橋式整流電路可以得到網(wǎng)測電流諧波波形接近于正弦波，而且諧波成分隨著整流相數(shù)的增加而降低，因此需要管控諧波產(chǎn)生的機(jī)理，適當(dāng)提升整流相數(shù)。在整流電路中，只含有N次奇次諧波，對于高次諧波的振幅值而言，只為基波振幅值的1/N，說明諧波次數(shù)與振幅值間存在反向關(guān)系，即諧波次數(shù)越低振幅值越大。

3.4 設(shè)置濾波回路

上文提到抑制諧波影響效能的措施之一為選擇適當(dāng)?shù)淖饔醚b置，吸收諧波回路中產(chǎn)生的諧波。傳統(tǒng)方式使用LC和LR濾波器，但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，相應(yīng)的設(shè)備已逐漸革新，目前主要采用有源電力濾波器，將其并聯(lián)或串聯(lián)在主電路上，實(shí)時(shí)檢測電流中高次諧波。根據(jù)檢測所給出的報(bào)告信息確定在整個(gè)電流作用下是否具有相反的相位電流，分析高次諧波的成分和其輸入結(jié)果保證能夠檢驗(yàn)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目標(biāo)，使得整個(gè)配電系統(tǒng)中僅含有基波電流。有源濾波器相較于無源濾波器而言，具備快速響應(yīng)和高度可控的優(yōu)勢，能夠準(zhǔn)確消除系統(tǒng)阻抗產(chǎn)生的諧振危險(xiǎn)，但在使用中所耗費(fèi)的成本較高，容量也比無源濾波器大。

在實(shí)際工作中，需要確保用電的安全可靠性能，提升工業(yè)生產(chǎn)的連續(xù)程度，因此實(shí)際抑制措施施行過程中需要引入兩臺(tái)變壓器，在某個(gè)變壓器出現(xiàn)故障時(shí)，另一臺(tái)能夠獨(dú)立發(fā)揮無功補(bǔ)償?shù)幕拘?，起到過濾諧波的作用。同時(shí)由于變壓器屬于大容量的節(jié)能電動(dòng)機(jī)，分析其運(yùn)行工況發(fā)現(xiàn)在整個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生較大的發(fā)熱量，而發(fā)熱量會(huì)影響電抗器及其他周圍電子設(shè)備的工作運(yùn)行效果，所以在實(shí)際使用中要單獨(dú)串聯(lián)在負(fù)荷側(cè)，并在電源側(cè)加裝隔離變壓器，起到降低運(yùn)行電流和發(fā)熱功率的效用，從而提升整個(gè)電氣元件的運(yùn)行可靠程度。對于工業(yè)配電系統(tǒng)中的小容量變頻裝置而言，需要獨(dú)立加設(shè)濾波設(shè)備，但由于此種設(shè)備需要大量的資金，因此一般采用在低壓側(cè)母線上加設(shè)有源濾波器的方式，通過提升其電源電壓的等級，使交流器負(fù)載能夠達(dá)到單獨(dú)供電的效用，從而降低對諧波的影響范圍，確定注入電網(wǎng)的諧波能夠滿足相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。

3.5 引入檢測新技術(shù)

為保證后續(xù)所選用的抑制措施能夠起到相應(yīng)的效果，需要準(zhǔn)確測定諧波值，就目前常用的諧波檢測技術(shù)而言，主要使用FPGA、FFT以及小波交換結(jié)合的方式達(dá)到對應(yīng)的效用。對于基于FPGA的諧波檢測法而言，其主要構(gòu)造為FFT運(yùn)算處理單元、A/D采樣單元、電壓電流互感器以及鎖相環(huán)同步采樣控制單元，將Nios嵌入式處理器作為主控器，整個(gè)系統(tǒng)使用FPGA內(nèi)部的控制單元，通過其所具備的采樣和數(shù)據(jù)輸出功能處理6路工頻輸入信號。積極運(yùn)用FFT運(yùn)算處理技術(shù)，保證使用A/D采樣單元能夠達(dá)到同步采樣和掃描采樣的作用效果。利用FFT系數(shù)傅立葉變換的幅值進(jìn)行相關(guān)算法的處理，會(huì)出現(xiàn)頻率較為相近的整數(shù)和非整數(shù)次諧波，單獨(dú)使用連續(xù)小波變換不能夠達(dá)到對應(yīng)的分析目標(biāo)，無法準(zhǔn)確判斷諧波的具體個(gè)數(shù)，因此需要將FFT和小波交換結(jié)合諧波同時(shí)運(yùn)用。依據(jù)兩種算法的具體操作方式，使得仿真模式能夠準(zhǔn)確驗(yàn)證頻率相近的諧波，并分離相似諧波，真實(shí)反映出諧波情況，保證了檢驗(yàn)的精準(zhǔn)程度。

4 結(jié) 論

通過安裝有源電力濾波器和裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的方式能夠起到抑制諧波影響作用效果的實(shí)際效用，在整個(gè)過程中應(yīng)當(dāng)用多種先進(jìn)的檢測技術(shù)確定諧波產(chǎn)生的原因及其對應(yīng)的波值和個(gè)數(shù)，從而保證后續(xù)所設(shè)定的措施能夠準(zhǔn)確對應(yīng)。因此，在后續(xù)的研究中應(yīng)當(dāng)逐步完善檢測技術(shù)，并積極運(yùn)用多種方式達(dá)到相應(yīng)的效果。