在電力系統(tǒng)中采用電力電子裝置可靈活方便地變換電路形態(tài)，為用戶提供使用電能的手段。但是，電力電子裝置的廣泛應(yīng)用也使電網(wǎng)的諧波污染問題日趨嚴(yán)重，影響了供電質(zhì)量。目前諧波與電磁干擾、功率因數(shù)降低已并列為電力系統(tǒng)的三大公害。因而了解諧波產(chǎn)生的機(jī)理，研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常積極的意義。
1、諧波及其起源
所謂諧波是指一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。周期為T＝2π／ω的非正弦電壓u（ωt），在滿足狄里赫利條件下，可分解為如下形式的傅里葉級數(shù)：式中頻率為nω（n＝2，3…）的項(xiàng)即為諧波項(xiàng)，通常也稱之為高次諧波。
應(yīng)該注意，電力系統(tǒng)所指的諧波是穩(wěn)態(tài)的工頻整數(shù)倍數(shù)的波形，電網(wǎng)暫態(tài)變化諸如涌流、各種干擾或故障引起的過壓、欠壓均不屬諧波范疇；諧波與不是工頻整倍數(shù)的次諧波（頻率低于工頻基波頻率的分量）和分?jǐn)?shù)諧波（頻率非基波頻率整倍數(shù)的分?jǐn)?shù)）有定義上的區(qū)別。
諧波主要由諧波電流源產(chǎn)生：當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性設(shè)備時(shí)，設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因而發(fā)生了畸變，由于負(fù)荷與電網(wǎng)相連，故諧波電流注入到電網(wǎng)中，這些設(shè)備就成了電力系統(tǒng)的諧波源。系統(tǒng)中的主要諧波源可分為兩類：含半導(dǎo)體的非線性元件，如各種整流設(shè)備、變流器、交直流換流設(shè)備、PWM變頻器等節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備；含電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源，如日光燈、交流電弧爐、變壓器及鐵磁諧振設(shè)備等。
上對電力諧波問題的研究大約起源于五六十年代，當(dāng)時(shí)的研究主要是針對高壓直流輸電技術(shù)中變流器引起的電力系統(tǒng)諧波問題。進(jìn)入70年代后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)、交通及家庭中的廣泛應(yīng)用，諧波問題日趨嚴(yán)重，從而引起世界各國的高度重視。各種學(xué)術(shù)組織如電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）、電工委員會（IEC）和大電網(wǎng)會議（CIGRE）相繼各自制定了包括供電系統(tǒng)、各項(xiàng)電力和用電設(shè)備以及家用電器在內(nèi)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國國家技術(shù)監(jiān)督局于1993年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T14549－93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，標(biāo)準(zhǔn)給出了公用電網(wǎng)諧波電壓、諧波電流的限制值。
如國內(nèi)某軋鋼廠的4000kW交流變頻同步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，在某種工況下5次諧波含量達(dá)到15．88％，7次諧波含量達(dá)7．9％。另外，低于電網(wǎng)頻率的次諧波和大量的分?jǐn)?shù)次諧波，使電流總諧波畸變率gao時(shí)可達(dá)25．87％，電壓總諧波畸變率gao時(shí)可達(dá)6．19％。遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T14549－93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，可見，諧波對電網(wǎng)的污染是相當(dāng)嚴(yán)重的。
2、高次諧波的危害
諧波污染對電力系統(tǒng)的危害是嚴(yán)重的，主要表現(xiàn)在：
（1）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。對如發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱、機(jī)械振動和噪聲；對斷路器，當(dāng)電流波形過零點(diǎn)時(shí)，由于諧波的存在可能造成高的di／dt，這將使開斷困難，并且延長故障電流的切除時(shí)間。
（2）諧波對供電線路產(chǎn)生了附加損耗。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使線路電阻隨頻率增加而提高，造成電能的浪費(fèi)；由于中性線正常時(shí)流過電流很小，故其導(dǎo)線較細(xì)，當(dāng)大量的三次諧波流過中性線時(shí)，會使導(dǎo)線過熱，損害絕緣，引起短路甚至火災(zāi)。
（3）使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振。工頻下，系統(tǒng)裝設(shè)的各種用途的電容器比系統(tǒng)中的感抗要大得多，不會產(chǎn)生諧振，但諧波頻率時(shí)，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少，這就有可能出現(xiàn)諧振，諧振將放大諧波電流，導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。
（4）諧波將使繼電保護(hù)和自動裝置出現(xiàn)誤動作，并使儀表和電能計(jì)量出現(xiàn)較大誤差。諧波對其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大：如對附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者出現(xiàn)噪聲，降低通信質(zhì)量，重者丟失信息，使通信系統(tǒng)無法正常工作，影響電子設(shè)備工作精度，使精密機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低；設(shè)備壽命縮短，家用電器工況變壞等。
3、諧波的檢測和分析方法
為了有效補(bǔ)償和抑制負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流，首先必須對含有的諧波成分有的認(rèn)識，因而需要實(shí)時(shí)檢測負(fù)載電流中的諧波分量。現(xiàn)有的諧波電流檢測和分析方法主要基于以下幾種原理：
（1）帶阻濾波法
這是一種為簡單的諧波電流檢測方法，其基本原理是設(shè)計(jì)一個低阻濾波器，將基波分量濾除，從而獲得總的諧波電流量。這種方法過于簡單，精度很低，不能滿足諧波分析的需要，一般不用。
（2）帶通選頻法和FFT變換法
帶通選頻方法采用多個窄帶濾波器，逐次選出各次諧波分量，利用FFT變換來檢測電力諧波是一種以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的測量方法，其基本過程是對待測信號（電壓或電流）進(jìn)行采樣，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)。
這兩種方法都可以檢測到各次諧波的含量，但以模擬濾波器為基礎(chǔ)的帶通選頻法裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，元件多，測量精度受元件參數(shù)、環(huán)境溫度和濕度變化的影響大，且沒有自適應(yīng)能力；后一種檢測方法其優(yōu)點(diǎn)是可同時(shí)測量多個回路，能自動定時(shí)測量。缺點(diǎn)是采樣點(diǎn)的個數(shù)限制諧波測量的gao次數(shù)，具有較長的時(shí)間延遲，實(shí)時(shí)性較差。
（3）瞬時(shí)空間矢量法
1983年日本學(xué)者赤木泰文提出的瞬時(shí)無功功率理論，即“p－q”理論，對電力諧波量的檢測做出了極大的貢獻(xiàn)，由于解決了諧波和無功功率的瞬時(shí)檢測和不用儲能元件就能實(shí)現(xiàn)抑制諧波和無功補(bǔ)償?shù)葐栴}，使得電力有源濾波理論由實(shí)驗(yàn)室的理論研究走向工作應(yīng)用。根據(jù)該理論，可以得到瞬時(shí)有功功率p和瞬時(shí)無功功率q，p和q中都含有直流分量和交流分量，式中分別為p、q的直流分量，即為對應(yīng)的交流分量。由可得被檢測電流的基波分量，將基波分量與總電流相減即得相應(yīng)的諧波電流。因?yàn)樵摲椒ê雎粤肆阈蚍至浚覍τ诓粚ΨQ系統(tǒng)，瞬時(shí)無功的平均分量不等于三相的平均無功。所以，該方法只適用于三相電壓正弦、對稱情況下的三相電路諧波和基波無功電流的檢測。
90年代提出的“d－q”理論進(jìn)一步發(fā)展和完善了“p－q”理論，該理論提出的檢測方法解決了三相電壓非正弦、非對稱情況下三相電路諧波和基波負(fù)序電流的檢測。
（4）自適應(yīng)檢測法
該方法基于自適應(yīng)干擾抵消原理，將電壓作為參考輸入，負(fù)載電流作為原始輸入，從負(fù)載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，得到需要補(bǔ)償?shù)闹C波與無功分量。該自適應(yīng)檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)是在電壓波形畸變情況下也具有較好的自適應(yīng)能力，缺點(diǎn)是動態(tài)響應(yīng)速度較慢。在此基礎(chǔ)上，又有學(xué)者提出一種基于神經(jīng)元的自適應(yīng)諧波的電流檢測法。
（5）小波變換檢測法
對于一般的諧波檢測，如電力部門出于管理而檢測，需要獲得的是各次諧波的含量，而對于諧波的時(shí)間則不關(guān)心，因此，傅里葉變換就滿足要求。然而在對諧波電流進(jìn)行動態(tài)抑制時(shí)，不必分解出各次諧波分量，只需檢測出除基波電流外的總畸變電流，但對出現(xiàn)諧波的時(shí)間感興趣，對于這一點(diǎn)，傅里葉變換無能為力。小波變換由于克服了傅里葉變換在頻域*局部化而在時(shí)域*無局部性的缺點(diǎn)，即它在時(shí)域和頻域同時(shí)具有局部性，因此通過小波變換對諧波信號進(jìn)行分析可獲得所對應(yīng)的時(shí)間信息。
從以上檢測方法看，基于瞬時(shí)無功功率理論的瞬時(shí)空間矢量法簡單易行，性能良好，并已趨于完善和成熟，今后仍將占主導(dǎo)地位?；谏窠?jīng)元的自適應(yīng)諧波電流檢測法和小波變換檢測法等新型諧波檢測方法能否應(yīng)用于工程實(shí)際，還有待進(jìn)一步驗(yàn)證。
4、諧波抑制方法
在電力系統(tǒng)中對諧波的抑制就是如何減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流，以便把諧波電壓控制在限定值之內(nèi)，抑制諧波電流主要有三方面的措施：
（1）降低諧波源的諧波含量
也就是在諧波源上采取措施，大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這種方法比較積極，能夠提高電網(wǎng)質(zhì)量，可大大節(jié)省因消除諧波影響而支出的費(fèi)用。具體方法有：
①增加整流器的脈動數(shù)
整流器是電網(wǎng)中的主要諧波源，其特征頻譜為：n＝Kp±1，則可知脈沖數(shù)p增加，n也相應(yīng)增大，而In≈I1／n，故諧波電流將減少。因此，增加整流脈動數(shù)，可平滑波形，減少諧波。如：整流相數(shù)為6相時(shí)，5次諧波電流為基波電流的18．5％，7次諧波電流為基波電流的12％，如果將整流相數(shù)增加到12相，則5次諧波電流可下降到基波電流的4．5％，7次諧波電流下降到基波電流的3％。
②脈寬調(diào)制法
采用PWM，在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達(dá)到抑制諧波的目的。在PWM逆變器中，輸出波形是周期性的，且每半波和1／4波都是對稱的，幅值為±1，令第yi個1／4周期中開關(guān)角為γi（i＝1，2，3……m），且0≤γ1≤γ2≤……≤γm≤π／2。假定γ0＝0，γm＋1＝π／2，在（0，π）內(nèi)開關(guān)角α＝0，γ1，γ2，……，γm，π－γm，……，π－γ2，π－γ1。PWM波形按傅里葉級數(shù)展開，由式可知，若要消除n次諧波，只需令bn＝0，得到的解即為消除n次諧波的開關(guān)角α值。
③三相整流變壓器采用Y－d（Y／Δ）或D、Y（Δ／Y）的接線
這種接線可消除3的倍數(shù)次的高次諧波，這是抑制高次諧波的基本的方法。
（2）在諧波源處吸收諧波電流
這類方法是對已有的諧波進(jìn)行有效抑制的方法，這是目前電力系統(tǒng)使用廣泛的抑制諧波方法。主要方法有以下幾種：
①無源濾波器
無源濾波器安裝在電力電子設(shè)備的交流側(cè)，由L、C、R元件構(gòu)成諧振回路，當(dāng)LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。由于具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補(bǔ)償?shù)闹饕侄?。但無源濾波器存在著許多缺點(diǎn)，如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響；對某些次諧波有放大的可能；耗費(fèi)多、體積大等。因而隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器。
②有源濾波器
早在70年代初期，日本學(xué)者就提出了有源濾波器APF（Active Power Filter）的概念，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)；在性價(jià)比上較為合理；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。目前在國外高低壓有源濾波技術(shù)已應(yīng)用到實(shí)踐，而我國還僅應(yīng)用到低壓有源濾波技術(shù)。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術(shù)作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用范圍也將從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展。
③防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大
在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當(dāng)諧波存在時(shí)，在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全。可采取串聯(lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對諧波的放大。
④加裝靜止無功補(bǔ)償裝置
快速變化的諧波源，如：電弧爐、電力機(jī)車和卷揚(yáng)機(jī)等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置，可有效減小波動的諧波量，同時(shí)，可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡，還可補(bǔ)償功率因數(shù)。
（3）改善供電環(huán)境
選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡，可以有效地減小諧波對電網(wǎng)的影響。諧波源由較大容量的供電點(diǎn)或高一級電壓的電網(wǎng)供電，承受諧波的能力將會增大。對諧波源負(fù)荷由專門的線路供電，減少諧波對其它負(fù)荷的影響，也有助于集中抑制和消除高次諧波。
隨著我國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，基于瞬時(shí)無功功率理論的有源濾波器進(jìn)行諧波治理將會有巨大的市場潛力。綜合動態(tài)的諧波治理措施并同時(shí)考慮電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償問題，是電力企業(yè)當(dāng)前面臨的一大課題。但是要消除諧波污染，除在電力系統(tǒng)中大力發(fā)展的濾波措施外，還必須依靠全社會的努力，在設(shè)計(jì)、制造和使用非線性負(fù)載時(shí)，采取有力的抑制諧波的措施，減小諧波侵入電網(wǎng)，從而真正減少由于諧波污染帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失。
上一篇 環(huán)形變壓器的結(jié)構(gòu)性能與應(yīng)用指南 下一篇 高壓電氣設(shè)備試驗(yàn)內(nèi)容與原理