摘?要：近年來(lái)電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，加之大量非線性負(fù)荷的使用，大量諧波流入系統(tǒng)，造成危害，對(duì)諧波的治理非常緊迫。本文探究了諧波的生成的根源、其給系統(tǒng)和用戶(hù)帶來(lái)的各種影響，以及諧波檢測(cè)技術(shù)，這是進(jìn)行諧波治理的前提。最后從主動(dòng)與被動(dòng)兩個(gè)思路給出了一些治理諧波的方法。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);諧波治理;檢測(cè)與抑制

1?緒論

波形畸變程度是衡量電能質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波就是波形畸變的重要表現(xiàn)形式。特別是近年來(lái)工業(yè)化快速發(fā)展，各種電力電子設(shè)備、大容量變壓器的大量使用，大量非線性負(fù)荷的投入，使得電網(wǎng)中電壓、電流的諧波含量越來(lái)越高，對(duì)系統(tǒng)及用戶(hù)帶來(lái)的危害不容小覷。

了解諧波的危害，分析諧波產(chǎn)生的根源是治理諧波的前提。本文在此基礎(chǔ)上研究了一系列檢測(cè)系統(tǒng)諧波的技術(shù)原理及特點(diǎn)。然后從主動(dòng)與被動(dòng)兩個(gè)角度給出了抑制諧波的一些方法、特性與適用場(chǎng)合。

2?諧波的產(chǎn)生及危害

電力系統(tǒng)的諧波可以分為兩大類(lèi)：一是暫態(tài)諧波，主要是由于電氣開(kāi)關(guān)設(shè)備在通斷過(guò)程中產(chǎn)生的諧波;二是穩(wěn)態(tài)諧波，它是系統(tǒng)中存在的大量的非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波。

諧波對(duì)電力系統(tǒng)及用戶(hù)的危害主要體現(xiàn)在：

（1）增加電氣設(shè)備及輸電線路的損耗，使設(shè)備和線路發(fā)熱[1]。

（2）影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)等設(shè)備發(fā)出異響、長(zhǎng)期過(guò)熱，影響壽命。

（3）使電力系統(tǒng)發(fā)生諧振，嚴(yán)重時(shí)會(huì)燒毀系統(tǒng)中的電容器、電抗器。

（4）產(chǎn)生的干擾波對(duì)臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響正常的信息傳輸與數(shù)據(jù)交換。

3?電力系統(tǒng)諧波的檢測(cè)技術(shù)

3.1?基于模擬濾波器的諧波檢測(cè)

該檢測(cè)方法的理論依據(jù)是帶通/帶阻具有很好的選頻特性，抓住這一特性就能夠檢測(cè)出某一頻段內(nèi)的諧波。使原電流經(jīng)過(guò)濾波后獲得基波分量和降低的諧波電流分量、把基波電流分量通過(guò)濾波器濾除后得到處理后的諧波分量[1]是基于該理論衍生出來(lái)的使用較為方便的檢測(cè)方法。固有優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易操作且可行性高，經(jīng)濟(jì)性好，輸出阻抗小。它的缺點(diǎn)也很明顯，它能夠分析出來(lái)的諧波的頻次相對(duì)有限，另一方面的不足則是由其中使用的模擬電路的故有缺陷帶來(lái)的，模擬電路中的元器件受諧波頻率及溫度等影響很大，使得檢測(cè)系統(tǒng)的抗干擾能力降低，誤差增大。

3.2?基于傅里葉變換法的諧波檢測(cè)

相對(duì)于其他類(lèi)型的檢測(cè)方法，傅里葉變換法可以說(shuō)是最為經(jīng)典的一種方法了。該方法的思路也非常簡(jiǎn)單，對(duì)采樣所得的一個(gè)周期的非正弦波信號(hào)進(jìn)行分解處理，得到該信號(hào)中含有的一系列諧波信號(hào)的幅值及相位，進(jìn)而相應(yīng)的得出所應(yīng)該補(bǔ)償?shù)男盘?hào)情況。由于這種方法是以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)財(cái)?shù)學(xué)計(jì)算為基礎(chǔ)，所以就決定了它具有很好地檢測(cè)精度與穩(wěn)定性，抗擾動(dòng)能力強(qiáng)。但是它的計(jì)算量很大，計(jì)算時(shí)間加上采樣時(shí)間導(dǎo)致它分析結(jié)果有較長(zhǎng)的時(shí)間延時(shí)，實(shí)時(shí)性較差，在諧波的離線分析上應(yīng)用較為方便、廣泛。文獻(xiàn)[2]中對(duì)如何提高檢測(cè)的實(shí)時(shí)性給出了相應(yīng)的方法。該檢測(cè)方法還有一個(gè)特點(diǎn)就是它在檢測(cè)整數(shù)次諧波上非常精確，但在檢測(cè)非整數(shù)次諧波時(shí)易出現(xiàn)頻譜泄露和柵欄效應(yīng)。針對(duì)解決頻譜泄露問(wèn)題，文獻(xiàn)[3]中給出了幾種性能相對(duì)不錯(cuò)的算法，比如說(shuō)同步采樣法和準(zhǔn)同步采樣法、修正理想采樣頻率法、基于加窗插值法的修正算法、雙峰譜線修正算法。

3.3?基于小波變換法的諧波檢測(cè)

基于小波分析的檢測(cè)方法是通過(guò)劃分諧波信號(hào)的頻帶并分解提取各次諧波的時(shí)頻信息進(jìn)行分析。該檢測(cè)方法是一種有效的時(shí)頻分析法，對(duì)于檢測(cè)波動(dòng)的信號(hào)或是具有快速變化的諧波信號(hào)效果較好，適合于突變信號(hào)的分析與處理[4]。小波變換具有時(shí)頻特性，其多分辨率分析法可以分析非穩(wěn)態(tài)信號(hào)[5]，這是它相對(duì)于傅里葉變換的一大優(yōu)點(diǎn)。即便如此，小波檢測(cè)法還是不能取代傅里葉變換法，它的分析結(jié)果受小波基函數(shù)影響，基函數(shù)不同，分析結(jié)果也會(huì)隨之發(fā)生變化，要想獲得最優(yōu)小波基就只能通過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)，所以實(shí)用性不是太好。

3.4?基于三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)

此種方法應(yīng)用廣泛，技術(shù)水平已較為成熟。pq法和ipiq法是其發(fā)展出來(lái)的兩種主要方法。由于pq法忽略了電網(wǎng)諧波中的零序分量，因此它不能夠用于三相系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變或是不平衡時(shí)的諧波檢測(cè)。而ipiq法解決了這一問(wèn)題，適用性更好，其檢測(cè)原理如圖1所示。

該諧波檢測(cè)方法的特點(diǎn)是測(cè)量電路簡(jiǎn)單且檢測(cè)周期短、實(shí)時(shí)性好，它的檢測(cè)算法中采用的是系統(tǒng)三相電壓同步的正、余弦信號(hào)，不會(huì)出現(xiàn)畸變的電壓分量，檢測(cè)結(jié)果不會(huì)受電壓波形畸變的干擾，檢測(cè)結(jié)果準(zhǔn)確。缺點(diǎn)是硬件多、成本高。在一些特殊的場(chǎng)合還需要使用基于三維坐標(biāo)變換的pqr諧波檢測(cè)法，文獻(xiàn)[6]對(duì)其進(jìn)行介紹了詳細(xì)的研究。

4?電力系統(tǒng)諧波的抑制技術(shù)

對(duì)于諧波的抑制主要有兩種思路：主動(dòng)型抑制和被動(dòng)型抑制。前者是從源頭治理，后者則是通過(guò)各種補(bǔ)償、濾波裝置來(lái)消除系統(tǒng)中的諧波。

4.1?被動(dòng)性諧波抑制技術(shù)

4.1.1?使用無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器（PPF）是一種常見(jiàn)的濾波裝置，主要是利用電感L的低通作用、電容C的高通作用以及L、C的諧振原理。比如說(shuō)普遍使用的一種方式就是通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)L、C電路中電感、電容的參數(shù)使其在特定頻率下發(fā)生諧振，對(duì)系統(tǒng)中相應(yīng)頻率的諧波呈現(xiàn)出低阻抗，使諧波流入濾波裝置，避免污染電網(wǎng)。無(wú)源濾波器有以下幾種：調(diào)諧濾波器（分為單調(diào)諧濾波器和雙調(diào)諧濾波器）、高通濾波器（一階、二階、三階及C型高通濾波器），它們各自的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

單調(diào)諧濾波器主要是針對(duì)某次特定諧波;雙調(diào)諧濾波器能夠同時(shí)濾除兩種頻率的諧波，成本低且對(duì)基波損耗小。高通濾波器對(duì)高于某個(gè)頻率的諧波呈現(xiàn)的阻抗較小，能夠?qū)Υ蟛糠指哂谠摯蔚闹C波進(jìn)行吸收，阻抗頻率特性好，應(yīng)用廣泛。

無(wú)源濾波器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、可靠性高。但缺點(diǎn)也很明顯，體積大、損耗大，只能濾除少量幾種頻次的諧波。

4.1.2?使用有源濾波器

有源電力濾波器（APF）是兼?zhèn)渲C波治理與無(wú)功補(bǔ)償功能的綜合設(shè)備。按照接入方式不同，APF可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串并聯(lián)混合型結(jié)構(gòu)[7]。其中應(yīng)用較為廣泛的是并聯(lián)型有源濾波器，主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中檢測(cè)電流為補(bǔ)償電流提供依據(jù)，以此實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。補(bǔ)償電流是與系統(tǒng)諧波電流等幅相反的，使其流入系統(tǒng)中可以抵消掉系統(tǒng)中的諧波，達(dá)到消除諧波的目的。

其中，is是電源電流;ic是補(bǔ)償電路實(shí)際補(bǔ)償電流;iL、iLf和iLh分別是負(fù)載電流、負(fù)載電流中的基波分量與諧波分量[8]。

有源電力濾波器具有響應(yīng)速度快，補(bǔ)償頻帶寬的特點(diǎn)，能夠?qū)Ω鞔沃C波進(jìn)行消除，對(duì)頻率及幅值變化的諧波進(jìn)行自動(dòng)跟蹤式補(bǔ)償。此外，它還具有補(bǔ)償無(wú)功電流的能力。圖4、圖5分別是接入APF前后通過(guò)Matlab/Simulink仿真得到的微電網(wǎng)負(fù)載電流的FFT分析波形，可以明顯看出未接入APF時(shí)系統(tǒng)電流的THD為24.72%，接入后則降為3.62%，諧波抑制效果非常明顯。

APF的缺點(diǎn)是自身?yè)p耗大，且損耗和裝置的功率成正比[8]。裝置控制復(fù)雜，造價(jià)昂貴。受電力電子器件的功率限制，現(xiàn)階段也很難造出功率很大的有源濾波器。

4.1.3?使用混合型有源濾波器

有源電力濾波器雖然在某些方面能夠彌補(bǔ)無(wú)源濾波器在抑制諧波中的不足，但因其缺點(diǎn)與技術(shù)限制，APF并不能完全取代PPF。為了解決這些問(wèn)題，將APF與PPF結(jié)合起來(lái)的新型裝置HPPF應(yīng)運(yùn)而生?；旌闲陀性礊V波器的組合形式有多種，文獻(xiàn)[2]對(duì)幾種常用的形式做了較為詳細(xì)的介紹，包括并聯(lián)型APF+并聯(lián)型PPF、串聯(lián)型APF+并聯(lián)型PPF、APF與PPF并聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng)?；旌闲陀性礊V波器發(fā)展前景廣闊，值得深入研究。

4.2?主動(dòng)性諧波抑制技術(shù)

主動(dòng)性諧波抑制技術(shù)是從改造諧波源本身出發(fā)，從源頭上抑制諧波產(chǎn)生。整流器就是電力系統(tǒng)中一個(gè)重要的諧波源，諧波產(chǎn)生原理認(rèn)為當(dāng)整流相數(shù)增加時(shí)，網(wǎng)側(cè)電流諧波成分會(huì)減少，此時(shí)電流波與正弦波接近[9]。因此對(duì)于帶有整流功能的裝置要盡量增加整流器整流的相數(shù)或是二次側(cè)輸出波形的脈動(dòng)數(shù)。整流器所產(chǎn)生的諧波頻譜為n=kp±1，其中p為輸出脈波數(shù)，k為正整數(shù)，分析可知諧波源產(chǎn)生的最低諧波次數(shù)與輸出脈波數(shù)成正比，增加輸出脈波數(shù)，可以更多地消除低次諧波，并且一般諧波次數(shù)越高諧波幅值越小，所以一個(gè)周期內(nèi)輸出脈波數(shù)越多波形也就更加平穩(wěn)。需要說(shuō)明的是此種方法目前仍處于理論階段，投資大且效果不甚理想，多用于大容量整流裝置。

多重化技術(shù)也是減少諧波常用的方法。采用多重化整流不但能夠減少交流輸入諧波，還可以抑制直流輸出電壓中的諧波幅值。而多重化逆變技術(shù)則能將多個(gè)逆變電路輸出的方波進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)對(duì)低次諧波的消除，使輸出波形更接近于正弦波，當(dāng)然它所要付出的代價(jià)就是電路拓?fù)渑c控制策略更加復(fù)雜了。多重化技術(shù)也多應(yīng)用于大容量的場(chǎng)合。

5?結(jié)語(yǔ)

電力電子裝置與非線性設(shè)備的使用日益增加，電力系統(tǒng)面臨的諧波問(wèn)題愈加嚴(yán)峻，安全穩(wěn)定運(yùn)行受到了嚴(yán)重的威脅，對(duì)于諧波的治理刻不容緩。諧波檢測(cè)是諧波治理的前提，目前的諧波檢測(cè)技術(shù)各有特點(diǎn)，未有集大成者，所以還需進(jìn)一步深入研究。治理諧波是一個(gè)綜合的過(guò)程，一是要從源頭抓起，減少諧波產(chǎn)生，在設(shè)計(jì)、制造非線性設(shè)備時(shí)必須要采取一定的措施抑制諧波產(chǎn)生;二是要通過(guò)各種濾波裝置消除已產(chǎn)生的諧波。將高速發(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)和先進(jìn)的智能化技術(shù)應(yīng)用到諧波檢測(cè)和治理中是一個(gè)很好的研究方向[10]。

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作者簡(jiǎn)介：張登義（1970—?），男，漢族，山西朔州人，碩士研究生，高級(jí)工程師，研究方向：電氣自動(dòng)化。