電力系統(tǒng)諧波分析及抑制技術(shù)研究

1、    電力系統(tǒng)諧波分析及抑制技術(shù)研究    郭萬芳【摘 要】諧波的存在會(huì)增加電網(wǎng)的供電損耗。并影響電網(wǎng)的安全運(yùn)行。因此，如何抑制電網(wǎng)諧波引起了廣泛的討論。本文論述了當(dāng)前電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生的主要原因，并分析了電力諧波的危害，提出了幾種電力諧波的抑制技術(shù)，為電力系統(tǒng)諧波問題提供幫助。【關(guān)鍵詞】電力系統(tǒng)；諧波；危害；濾波器；抑制0.引言在電力系統(tǒng)用電，輸電，發(fā)電等過程中，諧波已成為不可避免的問題，其已危及電力產(chǎn)生和輸送以及用電方的安全運(yùn)行。鑒此，分析諧波并最大限度地抑制諧波成為電力系統(tǒng)工作的重要課題。下面，就電力系統(tǒng)諧波及其危害進(jìn)行詳細(xì)分析，并提出有效的抑制

2、諧波措施。1.電力系統(tǒng)的諧波（1）用電技術(shù)方面。在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，隨著人們節(jié)能意識(shí)的加強(qiáng)以及電力電子技術(shù)的發(fā)展，眾多通過電力電子開關(guān)、以非正弦電流方式高效用電的新型非線性負(fù)載得到了廣泛的應(yīng)用。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。1992年，日本電氣學(xué)會(huì)對(duì)其國(guó)內(nèi)產(chǎn)生諧波的行業(yè)按比例進(jìn)行了一個(gè)統(tǒng)計(jì)，其結(jié)果如表1所示。表中，除樓宇中的部分照明電源、冶金行業(yè)的電弧爐外，其他行業(yè)的諧波源大多來自電力電子裝置，根據(jù)日本電氣學(xué)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，其比例高達(dá)90%。從表中還可以看出，來自樓宇的諧波源所占比例高達(dá)40.6%，其諧波主要由辦公及家用電器等產(chǎn)生?？梢?，諧波畸變不再是工

3、業(yè)設(shè)備所特有的現(xiàn)象，如今諧波現(xiàn)象已經(jīng)蔓延到電力升降機(jī)、不間斷電源、電視機(jī)、個(gè)人計(jì)算機(jī)等商業(yè)和居民用電設(shè)施中的電子設(shè)備。（2）發(fā)電技術(shù)方面。由于當(dāng)今社會(huì)對(duì)常規(guī)化石能源的需求日益增加，能源耗盡的危機(jī)日益嚴(yán)重，人們開始追求對(duì)清潔、無污染的新能源的開發(fā)利用。在電力生產(chǎn)中，許多利用清潔無污染的可再生能源發(fā)電的發(fā)電方式，如風(fēng)能發(fā)電、太陽能發(fā)電、燃料電池發(fā)電等發(fā)電方式得到了越來越廣泛的應(yīng)用。這些新型電源大多以非正弦、非工頻的方式供電，而傳統(tǒng)公用電網(wǎng)是以三相電壓、電流的對(duì)稱正弦要求為發(fā)電與用電的品質(zhì)指標(biāo)。傳統(tǒng)公用電網(wǎng)為了接納非正弦、非工頻的新型電源，一般通過電力電子電能轉(zhuǎn)換裝置將非正弦、非工頻的電源轉(zhuǎn)換為正弦

4、、工頻的交流電源，從而實(shí)現(xiàn)不同頻率的電源或電網(wǎng)的同步運(yùn)行。比如在輸送風(fēng)電的過程中，一般采用變頻裝置將風(fēng)電接入電網(wǎng)，在此過程中，變頻裝置將會(huì)向電網(wǎng)注入一定數(shù)量的諧波，使得電網(wǎng)諧波來源更加復(fù)雜。（3）輸電技術(shù)方面。為了提高電壓質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及解決大容量遠(yuǎn)距離輸電等問題，柔性交流輸電技術(shù)和高壓直流輸電技術(shù)得到極大的發(fā)展和應(yīng)用。柔性交流輸電技術(shù)和高壓直流輸電技術(shù)以電力電子技術(shù)為支撐，通過電力電子裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)電網(wǎng)運(yùn)行方式的靈活控制、調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電能的安全、高效、經(jīng)濟(jì)輸送。這些電力電子裝置主要包括：用于提供無功功率補(bǔ)償以改進(jìn)電網(wǎng)電壓控制和系統(tǒng)穩(wěn)定性的靜態(tài)無功補(bǔ)償器（svc）；用于提高輸電線路輸電容量

5、和改善線路運(yùn)行情況的可控串聯(lián)補(bǔ)償裝置（tcsc）；用于電網(wǎng)潮流控制的統(tǒng)一潮流控制器（upfc）以及用于高壓直流輸電技術(shù)的高壓直流換流器等。上述電力電子裝置大多數(shù)具有一個(gè)共同特性，就是產(chǎn)生諧波。因此，在使用這些裝置對(duì)輸電技術(shù)進(jìn)行改造時(shí)，對(duì)其產(chǎn)生的諧波不得不進(jìn)行一個(gè)詳細(xì)的評(píng)估。2.諧波的危害諧波注入電力系統(tǒng)將會(huì)嚴(yán)重惡化電網(wǎng)的電氣運(yùn)行環(huán)境，危害電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行，同時(shí)，還會(huì)對(duì)電網(wǎng)電氣設(shè)備以及用戶用電設(shè)備的安全造成危害。首先，對(duì)整個(gè)電網(wǎng)來說，諧波的產(chǎn)生與輸送，將在輸電網(wǎng)中增大網(wǎng)損，降低電能傳輸?shù)男?；諧波電流在線路中引起畸變壓降，降低了電網(wǎng)的電壓質(zhì)量；新型非線性負(fù)載的間斷性用電方式降低了電源電壓

6、的工作效能；諧波電流惡化交流電能傳輸中的電氣環(huán)境，易引發(fā)系統(tǒng)崩潰。其次，對(duì)電網(wǎng)中的電氣設(shè)備而言，因?yàn)殡娋W(wǎng)中的電氣設(shè)備是按工頻、正弦電流工作方式設(shè)計(jì)的，諧波電流流過將會(huì)影響其最佳工作狀態(tài)。例如：諧波電流會(huì)對(duì)電機(jī)、變壓器等電磁設(shè)備的繞組及鐵芯引起額外發(fā)熱，使損耗增加，降低電磁設(shè)備的使用壽命；諧波電流會(huì)影響功率處理器、互感器的測(cè)量精度，引起電力測(cè)量的誤差；諧波電流有可能造成繼電保護(hù)裝置、自動(dòng)控制裝置的工作紊亂；諧波電流的存在還可能會(huì)降低斷路器、熔斷器等設(shè)備的開斷能力。此外，隨著工業(yè)控制技術(shù)的發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中許多精密儀器、復(fù)雜的控制系統(tǒng)等對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高。諧波電流對(duì)其造成的影響，有可能會(huì)使工

7、業(yè)生產(chǎn)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。3.電力系統(tǒng)的諧波抑制技術(shù)如前文所述，電力系統(tǒng)諧波造成低劣的供電電能質(zhì)量，嚴(yán)重危害電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行和電網(wǎng)電氣設(shè)備、用戶用電設(shè)備的安全。在現(xiàn)有的技術(shù)水平下，為避免諧波的危害，保障電網(wǎng)及用戶的利益，對(duì)電力系統(tǒng)的諧波抑制，已經(jīng)成為電氣工程學(xué)科的一個(gè)熱門研究領(lǐng)域。目前對(duì)電力系統(tǒng)諧波抑制的方法主要可以分為預(yù)防性電力諧波抑制技術(shù)和補(bǔ)救性電力諧波抑制技術(shù)兩種方法。3.1預(yù)防性電力諧波抑制技術(shù)預(yù)防性電力諧波抑制技術(shù)是指在設(shè)計(jì)構(gòu)建系統(tǒng)或設(shè)備的過程中，通過選取合理的線路結(jié)構(gòu)及元件參數(shù)，避免產(chǎn)生諧波或減少諧波。常見的預(yù)防性電力諧波抑制技術(shù)有如下幾種：（1）利用設(shè)備的電氣特性。該方法主

8、要是對(duì)電氣設(shè)備采用有效的接線方法或結(jié)構(gòu)形式來減少或消除接入電力系統(tǒng)的設(shè)備所產(chǎn)生的諧波。比如對(duì)于變壓器來說，其繞組采用三角形的接線方式能隔斷3倍頻諧波電流的流通。（2）配電網(wǎng)重構(gòu)。對(duì)多個(gè)諧波源同時(shí)接入電網(wǎng)的情況，可通過對(duì)配電網(wǎng)重構(gòu)的方法，實(shí)現(xiàn)降低公共連接點(diǎn)總的諧波限值。這種方法是通過對(duì)配電網(wǎng)中的負(fù)荷進(jìn)行再分配，限制負(fù)荷中非線性負(fù)荷的比例，控制非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流在一定的范圍內(nèi)，使公用母線上的諧波電流限值不超過電力部門制定的標(biāo)準(zhǔn)。該方法只是達(dá)到降低諧波限值的目的，并沒有達(dá)到諧波隔離的效果，諧波電流仍會(huì)注入電網(wǎng)中，有可能對(duì)電網(wǎng)及其他用戶造成損害。顯然，這并不是一種合理的諧波抑制的方法。（3）多脈

9、波整流技術(shù)和高功率因數(shù)pwm整流技術(shù)。多脈波整流技術(shù)是將兩個(gè)或更多個(gè)相同結(jié)構(gòu)的整流電路按一定的規(guī)律組合，將整流電路進(jìn)行移相多重聯(lián)結(jié)，利用各整流負(fù)載的諧波電流相位差，使其相互疊加后可削弱或抵消電源輸入端的部分諧波電流。例如12脈波整流技術(shù)可以有效削弱5次和7次諧波，24脈波整流技術(shù)可以有效消除11次和13次諧波。隨著技術(shù)的發(fā)展，多脈波整流技術(shù)的脈波數(shù)可以達(dá)到一個(gè)很高的值，但同時(shí)也使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，需要對(duì)其可靠性、經(jīng)濟(jì)性等因素進(jìn)行全面衡量。3.2補(bǔ)救性電力諧波抑制技術(shù)補(bǔ)救性電力諧波抑制技術(shù)是指為了解決已經(jīng)存在的諧波問題而采取的技術(shù)手段，主要是在電網(wǎng)諧波源處加裝濾波裝置。常見的濾波裝置有如下幾種：

10、（1）無源濾波器。無源濾波器也稱為lc調(diào)諧濾波器，是由濾波電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成的無源濾波裝置。無源濾波器的基本工作原理為：由電感，電容和電阻組成的無源電路網(wǎng)絡(luò)，通過將電容和電感調(diào)諧到對(duì)某一次諧波電流頻率發(fā)生諧振，對(duì)該次諧波電流形成低阻抗支路以分流該諧波電流，從而達(dá)到在電網(wǎng)中濾除諧波電流的目的。無源濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)、設(shè)備投資較少、運(yùn)行費(fèi)用較低，是迄今為止應(yīng)用范圍最廣的一種濾波手段。然而，由于無源濾波器只工作于特定頻率，所以實(shí)際應(yīng)用中通常用幾組單調(diào)諧濾波器和一組高通濾波器相互配合組成濾波裝置，以達(dá)到濾除主要的各次諧波分量的目的，但是這樣容易造成各組調(diào)諧濾波器之間的相互影響，使

11、調(diào)諧變得困難；而且無源濾波器受其電容電氣特性的影響，容易和系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振，損害電容器件，嚴(yán)重時(shí)，甚至?xí)瓜到y(tǒng)崩潰。（2）有源濾波器。如圖1所示，有源濾波器是通過檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的諧波電流，然后通過控制電路注入一個(gè)與諧波電流相位相反的補(bǔ)償電流，抵消諧波電流的影響，實(shí)現(xiàn)電源電流波形的正弦化。隨著材料科學(xué)的發(fā)展以及大功率電力電子器件的開發(fā)應(yīng)用，有源濾波器在耐壓以及容量等問題上還有很大的發(fā)展空間。（3）混合型有源濾波器?；旌闲陀性礊V波器是由有源濾波器和無源濾波器相結(jié)合組成的混合型濾波裝置。裝置的有源濾波器可以快速地補(bǔ)償諧波，而無源濾波器可以同時(shí)進(jìn)行諧波過濾和無功補(bǔ)償，提高了濾波補(bǔ)償?shù)男省．?dāng)前混合型有源濾波器主要有串聯(lián)式混合型有源濾波器和并聯(lián)式混合型有源濾波器，其中并聯(lián)式混合型有源濾波器的應(yīng)用空間更廣，已在多個(gè)直流輸電工程中得到應(yīng)用。4.結(jié)語綜上所述，電力諧波給電網(wǎng)帶來的危害是明顯的，因此，我們有必要針對(duì)電力系統(tǒng)的諧波問