諧波抑制危害

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，可以分為兩個方面:一是對電力系統(tǒng)設(shè)備的危害;二是對電力運行系統(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)諧振會造成電壓和電流持續(xù)過高，以及機械諧振等后果，進而導(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，為了使負載的無功功率達到額定系數(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)常會同時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、

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

(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)中的各個裝置之中這些電力電子元件在運行的過程中會產(chǎn)生大量的諧波，隨著電流融入電網(wǎng)另一方面，外部畸變會對換流器和整流裝置的運行產(chǎn)生巨大的影響，可能導(dǎo)致整個電力系統(tǒng)失控，造成晶閘管損壞，進而嚴重影響換流裝置的性能，產(chǎn)生不良后果

(4)引起程序錯亂

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，就會對觸發(fā)器和儲存器造成嚴重的影響，可能會破壞其儲存的信息，即使排除諧波干擾，也會留下相應(yīng)的痕跡，系統(tǒng)仍不會恢復(fù)到以前的工作狀態(tài)同時，諧波干擾也會破壞微處理器中的系統(tǒng)程序，造成程序錯亂甚至停機、

對電力系統(tǒng)運行的危害

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

(1)對電網(wǎng)的危害

電力系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波會通過電流進入電網(wǎng)，進而在線路上產(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)生的電阻遠遠大于基波電阻，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)生嚴重的影響和危害、

(2)對繼電保護裝置的危害

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

(3)對計量系統(tǒng)的危害

高次諧波會造成電能表向負方向的誤差增大，導(dǎo)致實際計量的電能低于實際消耗的電能在線性負荷中，基波功率與諧波功率方向一致，所以，電能表的計量結(jié)果大于基波電能，但是卻小于基波與諧波電能的總和;而在非線性負荷中，基波功率與諧波功率方向相反，所以，電能表的計量結(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)中計量系統(tǒng)產(chǎn)生誤差、

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)備以及負荷設(shè)備供電時會產(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，也將一部分的基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量，進而產(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、

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，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，諧波電流是基波電流，而當(dāng)整流相數(shù)達到12相時，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)提供無功補償、

裝設(shè)無功補償裝置

電力系統(tǒng)中存在許多變化極快的諧波源，t匕如機車、電弧爐、軋鋼機等，這些設(shè)備不但會產(chǎn)生大量的諧波，而且會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，也能對處于動態(tài)變化的諧波以及無功進行補償有源電力濾波器在工作時，可以從補償對象中檢測出諧波電流，并產(chǎn)生一個與之相等但極性相反的補償電流，兩者互補之后，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態(tài)變化的諧波進行補償，而且在補償時不會受到電網(wǎng)阻抗的影響，因此，在實際應(yīng)用中得到高度重視，被廣泛使用 。

被動式治理

即通過一些諧波吸收裝置吸收各個用戶負載產(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。這種方式的特點是先檢測出負載產(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)的諧波電流達到最小 。

主動式治理

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

從20世紀60, 70年代以來，諧波治理技術(shù)發(fā)展得到長足的進步。但是出于經(jīng)濟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)手段進行深入地分析，改進和突破，開發(fā)出更加可靠和更具優(yōu)良性價比的裝置和技術(shù)是目前諧波治理技術(shù)發(fā)展的重點之一。 以山東省一家冶金行業(yè)的企業(yè)為例，某鋼鐵集團所屬的軋鋼廠在20世紀90年代初安裝的軋鋼供電設(shè)備的原設(shè)計的月平均功率因數(shù)是0. 930 90年代末開始，因電網(wǎng)諧波原因無法按設(shè)計的功率因數(shù)運行，實際的月平均功率因數(shù)只能達到0. 86，從而造成每個月10多萬元的罰款損失。目前這種現(xiàn)狀為被動式諧波治理技術(shù)的推廣應(yīng)用提供了一次難得的機遇。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)，最佳的無功補償點是在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:①相對于簡單的低壓無功設(shè)備，有源方案價格顯得過于昂貴，投資的回報周期長;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，提高裝置的性價比。大力減低有源濾波器本身的功率損耗，減少裝置的運行費用。對用戶負載的工作特性和諧波補償裝置自身的工作特性進行深入地分析與研究，特別是對裝置運行的可靠性進行充分地論證。

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)通損耗與電機的損耗下降;這樣的能耗成本也許對單個用戶來說是微不足道的，但是家電特點是數(shù)量龐大，即使是1%的損耗對整個社會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)用戶基本采用被動式方案來治理電網(wǎng)諧波。按照被動式諧波治理技術(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)的運行工況變化而隨時改變，因而LC網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計較為困難。

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

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

2．方法

傳統(tǒng)的諧波補償裝置多采用設(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，又可以補償無功功率。不足之處是其補償特性易受電網(wǎng)阻抗與運行狀態(tài)的影響，容易與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，進而造成諧波放大，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)諧濾波器僅能補償固定頻率的諧波且補償效果不甚理想。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)、電氣自動化技術(shù)和電力系統(tǒng)的一個重大課題。隨著電力電子技術(shù)的不斷進步，新型有源諧波抑制技術(shù)和無功功率補償技術(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、靜止無功補償裝置、靜止無功發(fā)生器等諧波抑制和無功補償新技術(shù)。本書敘述力求簡潔，強調(diào)物理概念，注重理論聯(lián)系實際。

第3版主要增加了基于時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償和有源電力濾波裝置等內(nèi)容，也對其他主要章節(jié)進行了數(shù)據(jù)（實例）更新和文字修訂。

本書可作為電力電子技術(shù)、電氣自動化技術(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。