隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和電力電子技術(shù)的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)供電電壓越來越大，電力諧波就是危害電力系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的主要危害之一，本文分析了電力諧波產(chǎn)生的原因，提出了一些治理諧波的方法。

　　《湖北電業(yè)》Hubei Electric Power(雙月刊)曾用刊名：湖北電力管理，1972年創(chuàng)刊，是一份電業(yè)行業(yè)企業(yè)管理性質(zhì)的期刊。辦刊宗旨是凝聚產(chǎn)業(yè)智慧，啟迪管理思維、提升全省電力企業(yè)現(xiàn)代化管理水平，以促進(jìn)湖北電業(yè)改革與發(fā)展。

　　一、電力系統(tǒng)中諧波的來源

　　電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設(shè)備，也就是說來自發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓波形不可能是一點(diǎn)不失真的正弦波。目前我國應(yīng)用的發(fā)電機(jī)有兩大類：隱極機(jī)和凸極機(jī)。隱極機(jī)多用于汽輪發(fā)電機(jī)，凸極機(jī)多用于水輪發(fā)電機(jī)。

　　對于諧波分量而言，隱極機(jī)優(yōu)于凸極機(jī)，但隨著科技進(jìn)步，可控硅、IGBT等電子勵(lì)磁裝置的投入，使發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流有交流分量，造成發(fā)電機(jī)的諧波分量有所上升。可控硅勵(lì)磁它的勵(lì)磁電流有交流分量是和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速是同步的，而IGBT電子勵(lì)磁裝置的勵(lì)磁電流有交流分量是固定頻率的，和發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速不能同步。當(dāng)發(fā)電機(jī)的端電壓高于額定電壓的10%以上時(shí)，由于電機(jī)的鐵磁飽和，會(huì)使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10%以上時(shí)，也會(huì)使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在±7%以下，所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都比較小，比國家的考核標(biāo)準(zhǔn)低的多，因此發(fā)電、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。供電行業(yè)要調(diào)整好配變的三相員荷基本平衡，否則會(huì)產(chǎn)生配變鐵磁飽和，產(chǎn)生諧波電流。

　　為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備，也就是說非線性用電設(shè)備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類：

　　1、電弧加熱設(shè)備:如電弧爐、電焊機(jī)等。

　　2、交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車、電解、電鍍等。

　　3、交流整流再逆變用電設(shè)備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。

　　4、開關(guān)電源設(shè)備:如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子整流器等。

　　這些用電設(shè)備都是非線性用電設(shè)備，但它們產(chǎn)生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：

　　電弧加熱設(shè)備是由于電弧在70伏以上才會(huì)起弧，才會(huì)有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性(如左圖)。此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設(shè)備對電網(wǎng)的諧波污染比較大。

　　交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因時(shí)由于整流設(shè)備有一個(gè)閥電壓，在小于閥電壓時(shí)，電流為零(如左圖)。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設(shè)備中加入了儲(chǔ)能元件(濾波電容和濾波電感)，從而使閥電壓提高，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設(shè)備的電壓和電流，在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅，這使得該類設(shè)備的諧波污染更嚴(yán)重，而且諧波的次數(shù)比較低。

　　交流整流再逆變用電設(shè)備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣，它在直流逆變成交流時(shí)又有逆變波形反射到交流電流，這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有 高次諧波(如左圖)。雖然這類設(shè)備單臺(tái)容量比上述兩類設(shè)備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是目前推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應(yīng)引起足夠關(guān)注。

　　開關(guān)電源設(shè)備目前應(yīng)用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關(guān)管控制變壓器初級電流的開通和關(guān)閉，從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流，供給用電設(shè)備。此外，開關(guān)電源的頻率比較高一般在40kHz左右，不僅在整流時(shí)產(chǎn)生諧波，而且在開關(guān)管開閉時(shí)，反射40kHz左右的波至電源。這類用電設(shè)備同樣是單臺(tái)容量不大，但它是面最廣、量最大的非線性用電設(shè)備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會(huì)通過配變污染到10kV電網(wǎng)。

　　二、諧波治理的基本方法

　　目前諧波治理的基本方法有以下三種，在治理過程中又可以采用變電所集中治理和非線性用電設(shè)備處分散治理兩種方法。按誰污染誰治理的原則，應(yīng)該采用非線性用電設(shè)備處分散治理。但對于電腦，彩電，節(jié)能燈等民用設(shè)備，則只能進(jìn)行集中治理。

　　1、減少非線性用電設(shè)備與電源間的電氣距離。也就是減少系統(tǒng)阻抗，換句話說就是提高供電電壓等級。例如，在麗水電業(yè)局的遂昌鋼廠就取得了不錯(cuò)效果，該鋼廠原是用35kV供電，由兩個(gè)110kV變電所各架設(shè)一回35kV專線供電，而它的主要用電設(shè)備是電弧爐，雖然進(jìn)行了五次、七次諧波治理，但在110kV的35kV母線上測得諧波分量仍接近或稍超國家標(biāo)準(zhǔn)。但在麗水局在遂昌新建了一個(gè)220kV變電所而且離該鋼廠僅4km左右，用5回35kV專線供電，使35kV母線的諧波分量控制在國家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)，此外該廠還使用了較大容量的同步發(fā)電機(jī)，使這些非線性負(fù)荷的電氣距離大大下降，使該廠生產(chǎn)的諧波對電網(wǎng)的危害性下降，這種方法投資是最大的，往往需要和電網(wǎng)發(fā)展規(guī)劃相協(xié)調(diào)。

　　2、諧波的隔離。非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波，它不僅直接影響到本級電網(wǎng)，而且經(jīng)過變壓器后，還會(huì)影響到上幾級電網(wǎng)。如何把這些非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波不影響或少影響其他幾級電網(wǎng)，這也是諧波治理的一個(gè)基本方法。這一方法在電網(wǎng)中廣泛采用，發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過Y/D、Yn/D、Yn/Y等接線組別的變壓器，把發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的三次、六次、九次等零序分量的諧波與上級電網(wǎng)隔離開來，因此在110kV以上高壓電網(wǎng)上，三、六、九次諧波分量很小，幾乎是零。而10kV由于在2005年前大多數(shù)配變?yōu)閅/Yn接線，35kV也有少量Y/Yn接線的直配變，因此在10kV和35kV中三、九次諧波分量會(huì)比高壓電網(wǎng)大。為了減少10kV和35kV中三、九次諧波分量我國從2005年后10kV采用D/Yn配變，35kV有少量直配變，改用D/Yn接線組別。

　　3、安裝濾波器。目前對變電所側(cè)和用戶側(cè)諧波治理的方法，多采用安裝濾波器來減少諧波分量。濾波器分為有源濾波器和無源濾波器兩大類。

　　有源濾波器的基本工作原理是把用戶電源側(cè)的電流波型與正弦波相比較，差額部分由有源濾波器進(jìn)行補(bǔ)償，這是諧波治理的發(fā)展方向。

　　無源濾波器是通過L、C串聯(lián)或并聯(lián)，使其在某次諧波產(chǎn)生諧振，當(dāng)發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，使濾波器兩端該次諧波的電壓很小，幾乎接近零，這類濾波器往往接在變壓器的二次側(cè)出口處，從而使變壓器的一次側(cè)該次諧波的分量也很小，達(dá)到對該次諧波治理的目的。

　　一般在電容器無串聯(lián)電感時(shí)，電網(wǎng)額定電壓為10kV，變壓所母線電壓在10.5kV以上，電容器額定電壓多選用11kV/ 。因此，用整治五次諧波的濾波器電容額定電壓就常選取11.5kV/ 或12kV/ ，用來整治七次諧波的濾波器電容額定電壓就常選取11kV/ 。

　　但是由于計(jì)算精度和電容器、電感器的制造精度等的原因，若按計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)來配備，在標(biāo)準(zhǔn)化審查時(shí)就通不過，為了保證串聯(lián)濾波器能在五、七次諧波頻率時(shí)諧振，我們要求電感有一定的調(diào)節(jié)范圍，從而確保濾波器能正常工作。具體調(diào)試方法如下圖，調(diào)節(jié)電感,在諧波分析儀中該次諧波值最小時(shí)，則認(rèn)為濾波器已調(diào)試成功。

　　三、諧波治理方法的總結(jié)和發(fā)展

　　在電力系統(tǒng)中，供電電壓波型是中心對稱的，因此基本上不含有偶次諧波，主要存在在奇次諧波，而三、九次諧波可以通過Y0/Δ、Y/Δ接線組別進(jìn)行隔離。而11、13次以上諧波由于其頻率比較高，而且輸電線路有一定電感量，對地又有一定電容量，相間及線間也有一定電容量。因此，高次諧波在線路傳輸過程中衰減比較快，同時(shí)高次諧波在電網(wǎng)中所占的比重也不大，故在電力行業(yè)中不作為主要整治對象。

　　對于電力行業(yè)的諧波治理方法有以下五種基本方法：

　　1、采用Yn/D、Yn/Y、Y/D、D/Yn接線組別的變壓器，隔離三、九次諧波。

　　2、采用L、C串聯(lián)無源濾波器，對五、七次諧波進(jìn)行治理。

　　3、采用L、C并聯(lián)無源濾波器，對三、六、九次諧波電流進(jìn)行阻塞。

　　4、加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)，擴(kuò)大電網(wǎng)容量，增加旋轉(zhuǎn)備用容量。

　　5、用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)對特殊諧波用電設(shè)備供電，使諧波源與電網(wǎng)完全隔離。

　　對于非線性用電設(shè)備的諧波治理方法有以下五種方法：

　　1、對電弧加熱用電設(shè)備，采用多相(六相、十二相等)電弧爐變壓器，從而使低次諧波分量下降，高次諧波分量上升。目前最常用的是Y/Yn、D/Yn兩變壓器分別接兩臺(tái)相同容量的電弧爐，并使兩爐同步作業(yè)，通過LC串聯(lián)無源濾波裝置進(jìn)行局部治理，達(dá)到用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波不超標(biāo)。

　　電弧加熱用電設(shè)備為了控制弧電流，會(huì)在電爐變壓器中加入一個(gè)勵(lì)磁繞組，通入勵(lì)磁電流變成可控電壓的磁飽和變壓器，造成電弧側(cè)的電壓波型不對稱，出現(xiàn)偶次諧波。當(dāng)通入勵(lì)磁電流用單相整流，用可控硅控制時(shí)，偶次諧波的分量會(huì)加劇。為了減少偶次諧波的分量又能控制弧電流，可以在高壓側(cè)采用18級有載調(diào)壓開關(guān)，調(diào)節(jié)電孤側(cè)電壓，從而達(dá)到不產(chǎn)生偶次諧波，又達(dá)到控制弧電流的目的。

　　2、對于交流整流直流用電設(shè)備采用多相整流。多相整流產(chǎn)生的諧波多為整流相數(shù)±1次，對12相整流設(shè)備，諧波分量最大是11次和13次，而對24相整流設(shè)備，則是23次和25次。諧波頻率越高，L、C串聯(lián)濾波器的投資越小，諧波在輸電線路中傳輸衰減越快。

　　3、開關(guān)電源設(shè)備諧波治理。工業(yè)用的典型設(shè)備是中頻爐，目前廣泛采用Y/Yn、D/Yn兩臺(tái)變壓器初級并聯(lián)，帶兩臺(tái)相同容量中頻爐同步運(yùn)行，以提高整流時(shí)產(chǎn)生諧波的次數(shù)，在中頻變換中進(jìn)行L、C串聯(lián)吸收,以減少中頻諧波反射到電源側(cè)。

　　4、變頻器的諧波治理。在發(fā)達(dá)國家中是變頻器和變頻器諧波治理設(shè)備配套供應(yīng)的，由于變頻器的設(shè)備價(jià)格和配套的變頻器諧波治理設(shè)備的價(jià)格相差不多，我國的好多用戶，往往只安裝變頻器，不安裝配套的諧波治理設(shè)備。隨著變頻技術(shù)的推廣，會(huì)使電網(wǎng)中的諧波影響加激，因此希望用電管理部門做好用戶工作，做到變頻器與配套的諧波裝置二者同時(shí)設(shè)計(jì)，一起投運(yùn)。

　　5、用戶側(cè)多投一些同步電動(dòng)機(jī)，它一方面可以進(jìn)行無功補(bǔ)償，減少電壓波動(dòng)及電壓閃變，另一方面它又能吸收一部分諧波電流，對諧波治理也有很大好處。例如，遂昌鋼廠，在同步電動(dòng)機(jī)全開時(shí)，110kV古市變和金溪變35kV母線的電壓，諧波分量基本能在允許范圍內(nèi)，如果同步機(jī)停運(yùn)，則這兩點(diǎn)的電壓諧波分量會(huì)超標(biāo)，因此用戶投入同步機(jī)對電網(wǎng)是有利的。

　　在供電系統(tǒng)中進(jìn)行諧波治理有不少困難，非線性負(fù)荷不是24小時(shí)平穩(wěn)運(yùn)行的，如電弧爐、中頻爐在出爐時(shí)會(huì)停運(yùn)，在熔化和冶煉過程中，出力又有變化，因此諧波是在變化的。所以采用一個(gè)或幾個(gè)固定的無源濾波器的投切，不可能和非線性負(fù)荷變動(dòng)進(jìn)行同步，而目前有源濾波器價(jià)高，不可能大力推廣。從技術(shù)上說，目前對諧波治理有一定難度，而且雖然串聯(lián)L、C無源濾波器對五、七次諧波起了治理作用，但是對某次諧波在某個(gè)條件下會(huì)起放大作用，從這一點(diǎn)來看，希望加強(qiáng)用電設(shè)備的治理工作。

　　在變電所補(bǔ)償設(shè)備中串入一定電感，可以使之成為五、七次諧波治理設(shè)備，同時(shí)還可以起到補(bǔ)償作用，以達(dá)到一物二用。但在設(shè)計(jì)方面則要請有豐富經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)單位設(shè)計(jì)，在浙江省可以請浙江省電力試驗(yàn)研究所，他們在五、七次諧波治理中已取得了很好的成果，在他們的指導(dǎo)下，各供電企業(yè)可以自己動(dòng)手，從小到大做一些諧波治理工作，解決一些諧波污染問題，這對各供電企業(yè)的自身提高是有幫助的。

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