諧波抑制電力系統(tǒng)諧波

諧波抑制諧波的概念

諧波是一系列的正弦波，其頻率是基波的整數(shù)倍這一系列的正弦波中，存在無數(shù)種頻率不同、幅值不同的頻率波，這些正弦波會(huì)造成電力系統(tǒng)中的正弦電流以及電力系統(tǒng)電壓不對稱，對系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的危害

諧波抑制諸波的產(chǎn)生

電力系統(tǒng)向非線性設(shè)備以及負(fù)荷設(shè)備供電時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次諧波電力系統(tǒng)向這些設(shè)備傳遞和供給基波能量的同時(shí)，也將一部分的基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量，進(jìn)而產(chǎn)生高次諧波，這一系列高次諧波導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的電壓和電流波嚴(yán)重畸變，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性造成巨大的影響、

電力系統(tǒng)中大量諧波的存在造成了電力系統(tǒng)中電壓與電流的不對稱，大大降低了電能的質(zhì)量，給電力系統(tǒng)帶來了巨大的危害根據(jù)其危害的不同范圍，可以分為兩個(gè)方面:一是對電力系統(tǒng)設(shè)備的危害;二是對電力運(yùn)行系統(tǒng)的危害 。

對電力系統(tǒng)設(shè)備的危害

電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的高次諧波可能引起電力系統(tǒng)中多種不良的效應(yīng)，如串聯(lián)或者并聯(lián)諧振會(huì)造成電壓和電流持續(xù)過高，以及機(jī)械諧振等后果，進(jìn)而導(dǎo)致電線過熱，絕緣性減弱以及軸扭振等主要危害有以下幾種 :

(1)燒毀電容器和電抗器

在電力系統(tǒng)中，為了使負(fù)載的無功功率達(dá)到額定系數(shù)，提高功率因數(shù)，電力企業(yè)在安裝過程中，經(jīng)常會(huì)在變電所安裝并聯(lián)的電抗器另外，為了降低或抑制諧波，經(jīng)常會(huì)同時(shí)裝備電抗器和電容器，組合在一起成為過濾諧波的濾波器，在工頻頻率下，能夠成功地抑制諧振的產(chǎn)生但是，這也會(huì)造成諧波頻率的系統(tǒng)感抗增加，容抗降低，就可能導(dǎo)致產(chǎn)生串并聯(lián)諧振而這種諧振會(huì)造成諧波電流大大增加，對電力系統(tǒng)設(shè)備造成很大的危害，甚至?xí)龤щ娙萜骱碗娍蛊?，在以往的由諧波引發(fā)的電力事故中，燒毀電容器和電抗器的比例非常高、

(})縮短電機(jī)壽命 電力系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波可能引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器的損耗和過熱，另外，還可能產(chǎn)生機(jī)械共振、噪音以及電壓持續(xù)過高，這會(huì)造成電機(jī)壽命大大縮短，嚴(yán)重時(shí)甚至直接損壞電機(jī)當(dāng)諧波電流通過變壓器時(shí)，會(huì)導(dǎo)致鐵損耗和銅損耗增加隨著諧波頻率的不斷增加，鐵損耗也逐步擴(kuò)大，同時(shí)，也會(huì)引起變壓器外部設(shè)備、硅鋼片以及緊固件的發(fā)熱，就可能引起局部過熱，從而影響電機(jī)使用壽命，甚至燒毀電機(jī)

(3)引起控制系統(tǒng)失控

目前，電力電子元件以及硅整流器在電力系統(tǒng)中得到了普遍的應(yīng)用，幾乎存在于系統(tǒng)中的各個(gè)裝置之中這些電力電子元件在運(yùn)行的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，隨著電流融入電網(wǎng)另一方面，外部畸變會(huì)對換流器和整流裝置的運(yùn)行產(chǎn)生巨大的影響，可能導(dǎo)致整個(gè)電力系統(tǒng)失控，造成晶閘管損壞，進(jìn)而嚴(yán)重影響換流裝置的性能，產(chǎn)生不良后果

(4)引起程序錯(cuò)亂

在數(shù)字電路中，所有的邏輯組件都有相應(yīng)的干擾信號容限，一旦諧波的干擾超過了部件的干擾信號容限，就會(huì)對觸發(fā)器和儲(chǔ)存器造成嚴(yán)重的影響，可能會(huì)破壞其儲(chǔ)存的信息，即使排除諧波干擾，也會(huì)留下相應(yīng)的痕跡，系統(tǒng)仍不會(huì)恢復(fù)到以前的工作狀態(tài)同時(shí)，諧波干擾也會(huì)破壞微處理器中的系統(tǒng)程序，造成程序錯(cuò)亂甚至停機(jī)、

對電力系統(tǒng)運(yùn)行的危害

電力系統(tǒng)諧波對電力系統(tǒng)運(yùn)行的危害非常大，主要有以下幾個(gè)方面:

(1)對電網(wǎng)的危害

電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波會(huì)通過電流進(jìn)入電網(wǎng)，進(jìn)而在線路上產(chǎn)生有功功率損耗通常情況下，諧波電流所占的比例較小，但是其頻率非常高，而受到導(dǎo)線集膚效應(yīng)的影響，諧波產(chǎn)生的電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于基波電阻，所以，諧波造成的線路損耗就比基波產(chǎn)生的損耗高得多另外，如果流入電路中斷路器的諧波頻率過大，會(huì)造成斷路器的斷開能力減弱，甚至無法工作，對電網(wǎng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響和危害、

(2)對繼電保護(hù)裝置的危害

諧波的存在會(huì)造成繼電保護(hù)裝置性能發(fā)生很大的改變，可能導(dǎo)致各類保護(hù)裝置功能失靈，無法有效地保護(hù)系統(tǒng)比如對于發(fā)電機(jī)中的負(fù)序電流保護(hù)裝置，諧波的存在就會(huì)引起負(fù)序電流保護(hù)裝置誤動(dòng)或者不動(dòng)，對發(fā)電機(jī)以及整個(gè)電網(wǎng)的安全運(yùn)行造成巨大威脅、

(3)對計(jì)量系統(tǒng)的危害

高次諧波會(huì)造成電能表向負(fù)方向的誤差增大，導(dǎo)致實(shí)際計(jì)量的電能低于實(shí)際消耗的電能在線性負(fù)荷中，基波功率與諧波功率方向一致，所以，電能表的計(jì)量結(jié)果大于基波電能，但是卻小于基波與諧波電能的總和;而在非線性負(fù)荷中，基波功率與諧波功率方向相反，所以，電能表的計(jì)量結(jié)果小于基波電能，但大于基波與諧波電能的總和無論哪種情況，都造成電力系統(tǒng)中計(jì)量系統(tǒng)產(chǎn)生誤差、

從我國電力系統(tǒng)來看，諧波抑制工作已取得了顯著的效果，具體的方法如下

增加整流的相數(shù)

針對具有整流元件的設(shè)備，可以增加整流相數(shù)或者增加整流的脈動(dòng)數(shù) ，從而有效地抑制頻率稍低的諧波當(dāng)整流相數(shù)增加至一倍時(shí)，諧波電流將下降4-5倍，大大降低了諧波的數(shù)量比如，當(dāng)整流相數(shù)為6相時(shí)，諧波電流是基波電流，而當(dāng)整流相數(shù)達(dá)到12相時(shí)，諧波電流僅是基波電流。

安裝交流濾波器

在容易產(chǎn)生諧波的設(shè)備上，安裝交流濾波器，可以有效降低連接設(shè)備的諧波電壓，從而抑制電力諧波的產(chǎn)生交流濾波器由不同的元件串聯(lián)而成，形成一個(gè)串聯(lián)諧振電路，利用其阻抗最小的優(yōu)勢，有效消除高次諧波在運(yùn)行中，諧波器和濾波器之間是并聯(lián)關(guān)系，不但起到過濾諧波的作用，也為系統(tǒng)提供無功補(bǔ)償、

裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置

電力系統(tǒng)中存在許多變化極快的諧波源，t匕如機(jī)車、電弧爐、軋鋼機(jī)等，這些設(shè)備不但會(huì)產(chǎn)生大量的諧波，而且會(huì)引起供電電壓的不穩(wěn)定，甚至造成電力系統(tǒng)中電壓的不平衡，嚴(yán)重影響電能的質(zhì)量因此，在產(chǎn)生諧波的諧波源附近，裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置，可以有效減少其產(chǎn)生的諧波的數(shù)量，也可以保持系統(tǒng)電壓的穩(wěn)定和平衡目前，這種方法已取得較好的效益，得到了普遍的應(yīng)用、

使用新型的有源電力濾波器

有源電力濾波器是最新研制出的一種諧波濾波器，與傳統(tǒng)的無源濾波器有本質(zhì)的區(qū)別、有源電力濾波器不僅能夠吸收固定頻率的諧波，也能對處于動(dòng)態(tài)變化的諧波以及無功進(jìn)行補(bǔ)償有源電力濾波器在工作時(shí)，可以從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，并產(chǎn)生一個(gè)與之相等但極性相反的補(bǔ)償電流，兩者互補(bǔ)之后，電網(wǎng)電流中僅剩下基波分量、有源電力濾波器不僅能對動(dòng)態(tài)變化的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，而且在補(bǔ)償時(shí)不會(huì)受到電網(wǎng)阻抗的影響，因此，在實(shí)際應(yīng)用中得到高度重視，被廣泛使用 。

被動(dòng)式治理

即通過一些諧波吸收裝置吸收各個(gè)用戶負(fù)載產(chǎn)生的諧波，以限制超過有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的過量諧波注入電網(wǎng)。這種諧波治理技術(shù)的應(yīng)用對象主要是工業(yè)電網(wǎng)負(fù)載，目前有兩種主要方式:①在電網(wǎng)上簡單并聯(lián)無源濾波器組;②在電網(wǎng)上串聯(lián)或并聯(lián)或混合聯(lián)上電力有源濾波器。這種方式的特點(diǎn)是先檢測出負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流或者諧波電壓，再利用電力電子器件產(chǎn)生與該電流成一定比例的諧波電流或諧波電壓抵消負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流或者諧波電壓的影響，使得流入電網(wǎng)的諧波電流達(dá)到最小 。

主動(dòng)式治理

即設(shè)計(jì)出不產(chǎn)生諧波的變流器，使得負(fù)載自身不產(chǎn)生電流或電壓諧波。主動(dòng)式諧波治理技術(shù)的應(yīng)用對象包括工業(yè)電網(wǎng)大功率負(fù)載。

從20世紀(jì)60, 70年代以來，諧波治理技術(shù)發(fā)展得到長足的進(jìn)步。但是出于經(jīng)濟(jì)性和可靠性等方而的考慮，目前它還難以為電力電子裝置的生產(chǎn)廠家以及諧波源電力用戶所自愿推廣應(yīng)用。從用戶需求角度出發(fā)，對已有諧波治理的技術(shù)手段進(jìn)行深入地分析，改進(jìn)和突破，開發(fā)出更加可靠和更具優(yōu)良性價(jià)比的裝置和技術(shù)是目前諧波治理技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)之一。 以山東省一家冶金行業(yè)的企業(yè)為例，某鋼鐵集團(tuán)所屬的軋鋼廠在20世紀(jì)90年代初安裝的軋鋼供電設(shè)備的原設(shè)計(jì)的月平均功率因數(shù)是0. 930 90年代末開始，因電網(wǎng)諧波原因無法按設(shè)計(jì)的功率因數(shù)運(yùn)行，實(shí)際的月平均功率因數(shù)只能達(dá)到0. 86，從而造成每個(gè)月10多萬元的罰款損失。目前這種現(xiàn)狀為被動(dòng)式諧波治理技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了一次難得的機(jī)遇。有政策方而的，有產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)方而的，也有諧波抑制技術(shù)成本方而的等等。目前有源電力諧波抑制技術(shù)的成本相對于傳統(tǒng)無源諧波治理方案以及企業(yè)對付諧波問題的其他策略方案的成本偏高，難以為普通電力用戶所接受。對于該廠供電系統(tǒng)，最佳的無功補(bǔ)償點(diǎn)是在6kV母線處。目前他們不愿意采用有源電力濾波方案，主要原因有兩個(gè):①相對于簡單的低壓無功設(shè)備，有源方案價(jià)格顯得過于昂貴，投資的回報(bào)周期長;②擔(dān)心有源方案的可靠性 。

這家企業(yè)基本反映了目前潛在市場為什么就有源電力濾波器技術(shù)采取“持幣觀望”的態(tài)度，也對被動(dòng)式諧波抑制技術(shù)的應(yīng)用研究提出了新的期望與挑戰(zhàn)，即在不失有源電力濾波器的濾波J哇能的前提下，如何大力降低逆變器的容量，提高裝置的性價(jià)比。大力減低有源濾波器本身的功率損耗，減少裝置的運(yùn)行費(fèi)用。對用戶負(fù)載的工作特性和諧波補(bǔ)償裝置自身的工作特性進(jìn)行深入地分析與研究，特別是對裝置運(yùn)行的可靠性進(jìn)行充分地論證。

在民用電網(wǎng)方而，隨著家用電器的普及特別是變頻家電市場的不斷擴(kuò)張，諧波的消極影響也日益顯現(xiàn)。但是該標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行將帶來新的問題，以典型的變頻家電一變頻空調(diào)為例，全國目前空調(diào)年銷量在1000萬臺以上，其中變頻空調(diào)所占的比例日益上升，用無源方案來限制入網(wǎng)諧波電流。最常見的方案是在AC/DC環(huán)節(jié)上采用BOOST電路方式的PFC技術(shù)。

逆變環(huán)節(jié)的輸出電壓可以提高，線電流減少，逆變器器件導(dǎo)通損耗與電機(jī)的損耗下降;這樣的能耗成本也許對單個(gè)用戶來說是微不足道的，但是家電特點(diǎn)是數(shù)量龐大，即使是1%的損耗對整個(gè)社會(huì)的能源成本的提高也是不可忽略。工業(yè)電網(wǎng)有源電力濾波器方案及其應(yīng)用研究中幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。

工業(yè)電網(wǎng)用戶一般功率等級比較大，目前國內(nèi)用戶基本采用被動(dòng)式方案來治理電網(wǎng)諧波。按照被動(dòng)式諧波治理技術(shù)采用的電路結(jié)構(gòu)可以分為:無源濾波器方案和有源濾波器方案兩大類。

無源濾波器方案成本低、技術(shù)成熟，但存在以下缺陷

1）諧振頻率依賴于元件參數(shù)，因此只能對主要諧波進(jìn)行濾波，LC參數(shù)的漂移將導(dǎo)致濾波特性改變，使濾波性能不穩(wěn)定。

2)濾波特性依賴于電網(wǎng)參數(shù)，而電網(wǎng)的阻抗和諧波頻率隨著電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況變化而隨時(shí)改變，因而LC網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)較為困難。

3)電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗可能與LC網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生串并聯(lián)諧振，從而產(chǎn)生諧波過電壓或者諧波電流放大的現(xiàn)象，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行和供電質(zhì)量。

4)臨近諧波源的諧波電流注入本地濾波器，致使本地濾波器過載。

1．抑制諧波的基本原則

抑制變頻器在運(yùn)行中產(chǎn)生諧波的方法是進(jìn)行諧波補(bǔ)償，也就是增加諧波補(bǔ)償裝置，使輸入的電流成為正弦波。

2．方法

傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置多采用設(shè)置LC調(diào)諧濾波器的方法來抑制諧波，這種抑制方法既可以抑制諧波，又可以補(bǔ)償無功功率。不足之處是其補(bǔ)償特性易受電網(wǎng)阻抗與運(yùn)行狀態(tài)的影響，容易與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，進(jìn)而造成諧波放大，容易導(dǎo)致LC調(diào)諧濾波器過載，甚至燒壞。

另一方面，LC調(diào)諧濾波器僅能補(bǔ)償固定頻率的諧波且補(bǔ)償效果不甚理想。不過，由于LC調(diào)諧濾波器的結(jié)構(gòu)簡單、成本較低、設(shè)置容易，故仍然被廣泛應(yīng)用。 2100433B

抑制諧波和提高功率因數(shù)是涉及電力電子技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)和電力系統(tǒng)的一個(gè)重大課題。隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，新型有源諧波抑制技術(shù)和無功功率補(bǔ)償技術(shù)得到了迅速的發(fā)展。本書主要介紹有源電力濾波器、混合型電力濾波器、靜止無功補(bǔ)償裝置、靜止無功發(fā)生器等諧波抑制和無功補(bǔ)償新技術(shù)。本書敘述力求簡潔，強(qiáng)調(diào)物理概念，注重理論聯(lián)系實(shí)際。

第3版主要增加了基于時(shí)域變換的諧波和無功電流檢測方法、并聯(lián)注入式混合型電力濾波器以及基于多電平變流器的無功功率補(bǔ)償和有源電力濾波裝置等內(nèi)容，也對其他主要章節(jié)進(jìn)行了數(shù)據(jù)（實(shí)例）更新和文字修訂。

本書可作為電力電子技術(shù)、電氣自動(dòng)化技術(shù)及電力系統(tǒng)領(lǐng)域的工程技術(shù)人員和研究人員的參考書，也可供上述專業(yè)范圍的教師和研究生閱讀。