1  諧波概述

1.1  諧波的概念 

    諧波是指頻率為基波頻率整數(shù)倍的一種正弦波。由于電網(wǎng)有非線性元件和非線性負(fù)載的存在，使得電網(wǎng)的電壓或電流的波形不僅僅是頻率為50 Hz的正弦波（又稱基波），還含有與基波頻率(50 Hz)成整數(shù)倍和分?jǐn)?shù)倍頻率的其他正弦波。這些正弦波就稱為電網(wǎng)的諧波。諧波分為高次諧波和分?jǐn)?shù)諧波，高次諧波的頻率高于基波頻率，分次諧波頻率為基波頻率的分?jǐn)?shù)倍。電力系統(tǒng)中的諧波主要是高次諧波。

1.2  產(chǎn)生來源

    電力系統(tǒng)中的諧波源主要有：

    （1）鐵磁飽和型：鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性的多種鐵芯設(shè)備,如變壓器、電抗器等其。

    （2）電子開關(guān)型：在系統(tǒng)外部常用的各種交直流換流裝置以及雙向晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域；在系統(tǒng)內(nèi)部,如直流輸電中的整流閥和逆變閥等。

    （3）電弧型：在熔煉電弧爐的熔化過程中以及在交流弧焊機(jī)的焊接過程中，電弧被點(diǎn)燃并且劇烈的波動(dòng)是高度非線性的，導(dǎo)致不規(guī)則的電流波動(dòng)。 非線性在電弧電壓和電弧電流之間表現(xiàn)出不規(guī)則、隨機(jī)變化的伏安特性。

2  諧波危害

2.1  危及供配電線路

    供電和配電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的電力線和電力變壓器通常由電磁繼電器，電感繼電器或晶體管繼電器檢測和保護(hù)，從而在發(fā)生故障時(shí)確保線路和設(shè)備的安全。由于繼電保護(hù)裝置受諧波影響，容易發(fā)生拒動(dòng)或誤動(dòng)，嚴(yán)重威脅電源和配電系統(tǒng)的穩(wěn)定安全運(yùn)行。

    諧波會(huì)使配電網(wǎng)的電壓和電流波形失真。 例如，民用配電系統(tǒng)中的中性線將由于諸如熒光燈，調(diào)光燈，計(jì)算機(jī)等的負(fù)載而產(chǎn)生大量的奇次諧波。在該相線上的三個(gè)整數(shù)倍疊加在中性線，導(dǎo)致中性線的電流值可能超過相線上的電流。此外，相同頻率諧波的有功功率和無功功率不斷產(chǎn)生，從而降低了電網(wǎng)電壓及大量消耗了電網(wǎng)的容量。

2.2  危及電力設(shè)備

    諧波增加了電容器的端電壓，大大增加了通過電容器的電流和功率損耗。當(dāng)諧波含量高時(shí)，電容會(huì)過流和過載，功率損耗增大，導(dǎo)致電容器發(fā)熱異常。特別是當(dāng)電容器被放入電壓失真的電網(wǎng)中時(shí)，電網(wǎng)的諧波會(huì)加劇。 此外，諧波的存在傾向于使電壓呈現(xiàn)尖點(diǎn)波形，從而在介質(zhì)中引起局部放電。這些現(xiàn)象都將加速絕緣介質(zhì)老化，縮短電容器的使用壽命。

    諧波會(huì)增加變壓器的銅損，包括電阻損耗、導(dǎo)體中的渦流損耗以及導(dǎo)體外部的雜散損耗。諧波也增大了變壓器的鐵損，增加了磁芯中的磁滯損耗，兩者成正比。此外，諧波還導(dǎo)致變壓器噪聲增大，甚至發(fā)出金屬聲。

    諧波會(huì)增大異步電動(dòng)機(jī)的額外損耗，并導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)在嚴(yán)重情況下過熱。特別當(dāng)負(fù)序諧波在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場并形成與電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向相反的扭矩時(shí)用作制動(dòng)器，從而減小電動(dòng)機(jī)的輸出。此外，當(dāng)頻率接近部件的固有頻率時(shí)，電動(dòng)機(jī)中的諧波電流使電動(dòng)機(jī)機(jī)械振動(dòng)，從而產(chǎn)生非常大的噪聲。

    諧波電流使全電磁型斷路器鐵耗增大并產(chǎn)生高熱，并且由于電磁鐵和渦流而難以跳閘；熱磁型斷路器因?yàn)榧w效應(yīng)與鐵耗產(chǎn)生大量熱，導(dǎo)致額定電流減小；對于電子型斷路器，諧波還必須降低其額定電流，特別是對于檢測峰值的電子斷路器，額定電流將減少更多。得出，所有類型的配電斷路器都可能由于諧波而故障。

    諧波通過電磁感應(yīng)干擾通信，引起通訊噪聲或回路信號誤動(dòng)等。引起諧波干擾的因素很多，比如諧波電壓、電流、頻率及線路長度等。

    在諧波和負(fù)序的共同作用下，許多具有負(fù)序?yàn)V波器的保護(hù)和自動(dòng)裝置可能發(fā)生故障，甚至因?yàn)轭l繁誤動(dòng)而退出運(yùn)行。同時(shí)電力系統(tǒng)的故障記錄儀也會(huì)發(fā)生誤動(dòng)，并影響實(shí)際故障的記錄。

    綜上所述，配電網(wǎng)中變流設(shè)備產(chǎn)生的諧波在對電網(wǎng)及設(shè)備造成諧波污染的同時(shí)，存在電網(wǎng)運(yùn)行的安全隱患，不利影響甚至威脅電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

3  配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中的諧波抑制方法

    通過分析諧波對配電網(wǎng)以及電力設(shè)備的危害，電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行受到超標(biāo)諧波的極大威脅，因此進(jìn)行諧波治理非常重要。在配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，綜合考慮抑制諧波不僅能提高設(shè)備運(yùn)行的可靠性，提高電能質(zhì)量并減少經(jīng)濟(jì)損失；再者，降低設(shè)備因諧波電流產(chǎn)生的損耗及發(fā)熱，降低設(shè)備維護(hù)費(fèi)用并延長設(shè)備使用壽命。另外，諧振概率能通過諧波治理適當(dāng)減少，避免影響信息傳輸。

3.1  諧波源改造

3.1.1  調(diào)增整流變壓器的相數(shù)

    調(diào)增帶有整流元件設(shè)備的整流相或者脈動(dòng)數(shù)，這樣可以更好地消除低階特征諧波。通常在規(guī)劃和設(shè)計(jì)中，考慮調(diào)增相數(shù)的措施可以減少諧波源產(chǎn)生的諧波含量。由于供電系統(tǒng)中的主要諧波源是整流器，交流側(cè)產(chǎn)生的高次諧波為tk±1次諧波，隨著脈動(dòng)諧波次數(shù)的增加，可消除5、7等次諧波。因此該方法對消除低次諧波非常有效。但是因?yàn)槠湓趯?shí)際使用中的投資成本較大，并且性價(jià)比不高，所以僅對于大容量的整流器裝置負(fù)載適用。

3.1.2  整流器功率因素改造

    高功率因數(shù)整流器是通過改造整流器本身以使諧波最小化而同相的電流和電壓的組合裝置。該整流器可以稱為單位功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器。在設(shè)備設(shè)計(jì)過程中盡量考慮提高整流器功率因素，可有效抑制諧波。

3.2  加裝諧波補(bǔ)償裝置

    諧波補(bǔ)償裝置作為改造諧波源本身抑制諧波方法的有效補(bǔ)充，它的效果也非常顯著。諧波補(bǔ)償裝置包括無源濾波器、有源濾波器和混合有源濾波器等等。

    （1）無源濾波器

    無源濾波是指由電容器、電抗器和電阻器組合為濾波裝置進(jìn)行濾波。這樣的濾波裝置，一般就近吸收諧波電流，對抑制諧波污染效果明顯。無源濾波器的工作原理為：和它呈現(xiàn)低阻抗的某一頻率的諧波被無源濾波器吸收。其有結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低、高效可靠及安裝維護(hù)便捷等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于抑制諧波及無功補(bǔ)償。

    但是，由于無源濾波特性受系統(tǒng)影響較大、只能消除特定的幾次諧波、和無功補(bǔ)償及調(diào)壓協(xié)調(diào)困難、諧波電流增大時(shí)可能造成濾波器過載、消耗大等缺點(diǎn)。這些缺點(diǎn)使得無源濾波使用受到局限。

    （2）有源濾波器

    隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，考慮無源濾波器的優(yōu)缺點(diǎn)，有源濾波器應(yīng)運(yùn)而生。區(qū)別于無源濾波，有源濾波更可靠和響應(yīng)速度快，對諧波的補(bǔ)償次數(shù)范圍也較廣，還能實(shí)現(xiàn)抑制閃變和無功補(bǔ)償?shù)裙δ堋Ｓ性礊V波更改進(jìn)了不受系統(tǒng)參數(shù)的影響，可消除諧振，并且具有自適應(yīng)功能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化諧波等優(yōu)勢。

    （3）混合有源濾波器

    將無源濾波裝置與有源濾波裝置組合在一起，形成混合有源濾波器濾波；或者針對諧波源，一部分采用無源濾波器濾波，一部分采用有源濾波器濾波，形成混合互補(bǔ)的濾波組合。

4  實(shí)例

    通過配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)中可考慮的諧波抑制方法討論，本文以一臺(tái)110/6 kV變壓器（容量40 MW）接入電網(wǎng)，主要負(fù)荷為6 kV高壓電機(jī)以及部分0.4 kV電機(jī)這樣的網(wǎng)絡(luò)為例，詳述設(shè)計(jì)加裝濾波器進(jìn)行諧波抑制的案例實(shí)現(xiàn)。在保證系統(tǒng)無功滿足要求的基礎(chǔ)上，就地加裝電抗器進(jìn)行無功補(bǔ)償。考慮到變壓器、電動(dòng)機(jī)及電抗器均為主要的諧波源，為滿足諧波要求，計(jì)劃加裝濾波器進(jìn)行諧波補(bǔ)償。電力網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

    現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)未進(jìn)行補(bǔ)償時(shí)，利用電力系統(tǒng)分析軟件NEPLAN進(jìn)行諧波計(jì)算，如圖2所示。

    經(jīng)NEPLAN諧波計(jì)算，主要母線與主要元件的諧波數(shù)據(jù)見圖3和圖4。

    6 kV母線BB_A的電壓諧波含量：36.96%,110 kV母線BB_110kV諧波含量：4.48%。

    根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，發(fā)現(xiàn)主要的諧波源為電抗器SHUNT_A。為減少系統(tǒng)諧波分量，投入濾波器FILTER_A抑制其諧波,濾波器的參數(shù)如圖5所示：

    經(jīng)NEPLAN再次進(jìn)行補(bǔ)償后的諧波計(jì)算，其結(jié)果如圖6所示：

    比較發(fā)現(xiàn)，將濾波器FILTER_A投入電網(wǎng)后，系統(tǒng)諧波明顯減小：母線BB_A的電壓諧波含量從36.96%下降為13.56%,110 kV母線BB_110kV諧波含量從4.48%下降為1.64%；同時(shí)，系統(tǒng)電流諧波也大幅降低，NET_110kV從15.37%下降為5.75%，SHUNT_A從15.71%下降為5.82%。

5  結(jié)論

    近年來，低壓配電網(wǎng)諧波分析與治理技術(shù)的研究已經(jīng)成為電力系統(tǒng)領(lǐng)域的重要課題。由于非線性設(shè)備的廣泛使用，給配電網(wǎng)帶來大量的諧波污染，在引起事故的同時(shí)嚴(yán)重降低了電能質(zhì)量。在配電網(wǎng)規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)配電網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀和未來發(fā)展需要，合理規(guī)劃諧波治理方式，實(shí)時(shí)分析與測量電力系統(tǒng)及非線性設(shè)備的諧波含量，減輕其帶來的危害十分必要。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 14549-93, 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[S].北京：電力工業(yè)部，2016.

[2] 宋文南,劉寶仁．電力系統(tǒng)諧波分析[M].北京：水利電力出版社，1995.

[3] 肖湘寧.電能質(zhì)量分析與控制[M].北京：中國電力出版社，2004.

[4] 肖峻，高海霞，葛少云，等.城市中壓配電網(wǎng)評估方法與實(shí)例研究[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005,29（20）：77-81.

[5] 肖峻，羅鳳章，王成山，等.電網(wǎng)規(guī)劃綜合評判決策系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2005,29（2）：9-13.

[6] 張榮榮.智能配電網(wǎng)技術(shù)在配電網(wǎng)規(guī)劃中的應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2015（36）：209.

[7] 許國瑞，李金香，吳國棟，等.電網(wǎng)諧波電壓對同步調(diào)相機(jī)轉(zhuǎn)子損耗的影響[J].大電機(jī)技術(shù)，2018（1）：28-33.

[8] 樊道慶，郭賢朝，劉靜佳.模塊化多電平的諧波補(bǔ)償控制策略[J].自動(dòng)化與儀表，2018,33（2）：73-76,81.

作者信息:

楊滿天，陶丁濤，李婷婷，李新強(qiáng)，凌永祥，楊  熙

（南寧供電局，廣西 南寧 530029）