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电网中高次谐波的危害及抑制措施

（2005-11-22 10:52:19 阅读数：137 ）

摘要：

　　电力电子技术的应用推动了近代电力系统的发展，但同时也给电力系统带来了严重的谐波污染问题。高次谐波已成为电力系统的一大“公害”，必须采取有效的措施来加以抑制。本文介绍了电网中谐波污染的原因及对系统设备造成的危害，并探讨了其有效的抑制方法。

关键词：

　　高次谐波; 电网; 谐波抑制

Abstract:

　　The application of power electronics promotes neoteric power system; however, it also brings serious harmonic pollution. The high frequency harmonic has been a harmful effect of power electronics, we must adopt the valid measure to take in to repress. This paper describes the cause for the harmonic contamination of electric power system and the damage of harmonic contamination to the equipment in the power networks, and discusses in details the actions taken effetely.

Key words:

　　high frequency harmonic; power networks; harmonic　restraining

引言

　　随着电力电子器件及微电子技术的迅速发展，大量的非线性用电设备广泛应用于冶金、钢铁、能源、交通、化工等工业领域，如电解装置、电气机车、轧钢机械和高频设备等接入电力网，是电网的谐波污染状况日益严重，降低了系统的电能质量。

1. 谐波产生的原因

　　电力网中的谐波有多种来源，在电力的生产，传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。

　　在其它几个环节中，谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备：(1)具有铁磁饱和特性的铁芯没备，如：变压器、电抗器等；(2)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；(3)以电力电子元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等，它们大量的用于化工、电气铁道，冶金，矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。以上这些非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们只有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压、电流特性，使得流过电网的电流是非正弦波形的，这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，即产生了谐波，使电网电压严重失真，此外电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。

　　接入低压电力系统的非线性设备产生的谐波电流可分为稳定的谐波和变化的谐波两大类。稳定的谐波电流是指由这种谐波的幅度不随时间变化，如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波，这类设备对电网来说表现为恒定的负载。由激光打印机、复印机、微波炉等产生的各次谐波的幅值随时间变化，称之为波动的谐波，这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。

　　随着电力电子设备使用的不断增加，同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅，所以目前它们是供电系统中的主要谐波源。

2. 谐波的危害

　　大量谐波电流流入电网后，由电网阻抗产生谐波压降，叠加在电网基波上，引起电网的电压畸变，致使电能质量变差。当注入公用电网的谐波超过一定值时，会对电网自身及用电设备的正常运行造成损害：在某些时段会使注入到电网的谐波电流对公用电网造成的谐波问题特别突出，这不但使接入该电网的设备无法正常工作，甚至造成故障，而且还会使供电系统中性线承受的电流超载，影响供电系统的电力输送。因此谐波问题得到各有关方面的高度重视。

　　电网中的谐波危害主要表现在以下几个方面。

　　ⅰ 增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。

(1) 对旋转电机的影响

　　谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此，谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。试验表明，在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少一半。因此，国际上一般建议在持续工作的条件下，电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。

　　谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大，但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题。这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振，并使汽轮机叶片产生疲劳循环。

(2) 对变压器的影响

　　谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对星形连接的变压器，当绕组中性点按地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。

(3) 对输电线路的影响

　　由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动，以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。

(4) 对电力电容器的影响

　　随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。

　　ⅱ 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性

　　谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧陆等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。

　　ⅲ 使测量和计量仪器的指示和计量不准确

　　由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。
ⅳ 干扰通信系统的工作

　　电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3-10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。

　　ⅴ 对用电设备的影响

　　谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。

　　3. 谐波的抑制措施

　　3.1 传统的抑制方法

　　① 增加换流装置的相数

　　换流装置是电力系统的主要谐波源之一。理论分析表明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk±1和pk(p为整流相数或脉动数，k为正整数)。当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效的消除幅值较大的低频项，(其特征谐波次数分别为12k±1和12k)，从而大大地降低了谐波电流的有效值。

　　② 增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力

　　在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置：静止无功补偿装置(SVC-Static Var Compensator)或更先进的静止同步补偿装置(STATCOM Static SynchroncusCompensator)，以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力。

　　③ 加装交流滤波装置

　　采用交流滤波装置在谐波源附近吸收谐波电流，降低连结点的谐波电压，是一支谐波污染的一种有效措施。滤波装置由R、L、C等元件组成串联谐振电路，利用其串联谐振时阻抗最小的特性，这样就消除5、7、11等高次谐波。

　　④ 防止并联电容器组对谐波的放大

　　在电网中并联电容器组能起到改善无功功率因数的作用。当谐波存在时，在一定的参数下，它会对谐波有放大作用危及电容器本身和附近电气设备的安全。可以采取改变电容器的串联电抗器，避免电容器对谐波的放大。

　　3.2 新型的谐波抑制措施

　　有源电力滤波器（APF），是一种新型谐波抑制和无功补偿装置，它不同于传统的LC无源滤波器（只吸收固定频率的谐波），它能对电流和频率都在变化的无功进行补偿，可以实现动态补偿。

　　图1为最基本的有源电力滤波器，图中，es表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分构成，即谐波和无功电流检测电路以及补偿电流发生电路。其基本工作原理时，检测补偿对象的电流和电压，经谐波和无功电流检测电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最总得到期望的电源电流，达到了抑制谐波的目的。

　　有源滤波器按其接入电网的方式，可分为串联有源滤波器和并联有源滤波器两大类。目前实际应用的AFP装置中，90％以上是采用电压逆变器的并联型结构。近年来，为了发挥有源滤波器的优势，提高性能，减少容量，降低成本，增强适用性，又设计出了串、并联混合型的有源滤波器。即有源滤波器APF和无源滤波器PPF构成混合滤波系统HPFS，用PPF滤除谐波电流，再用APF来改善滤波效果，并抑制串联谐振的发生。为了适应有源滤波器多功能复杂控制的需要，一些变结构控制、模糊控制和人工神经网络等现代的新型控制方法的应用，使其获得了更好的控制性能和效果。目前常用的PWM生成方式有：三角波比较法，滞环控制法，预测控制法，特定消谐法和空间矢量法。因此，通过PWM调制和开关频率的多重化技术的提高，能够实现对高次谐波的有效补偿。当有源滤波器的容量不大时，通常采用IGBT和PWM技术进行谐波补偿；当容量很大时，采用GTO以及多重化技术进行谐波补偿，效果比较显著。

　　4．结束语

　　谐波污染是伴随电力工业的诞生就存在的。近年随着电子工业的飞速发展，大量非线性负荷在电力系统的出现，致使谐波污染愈加严重。常规的抑制措施并没有有效地减少电网谐波。有源滤波器APF的广泛应用，尤其是与无源滤波器构成混合滤波系统，使电网电能质量有了相当大的提高，值得继续推广和应用。

　　参考文献：

1. 苑舜，韩水．配电网无功优化及无功补偿装置[M]．中国电力出版社 2003年10月
2. 陆安定．功率因素与无功补偿[M]．上海科学普及出版社 2004年 2月
3. 石新春，霍利民电力电子技术与谐波抑制[D]．保定：华北电力大学 2002年 1月

作者单位：河北理工大学研究生学院科研处　
地址：河北理工大学研究生学院控制工程　063000　
Email：615263@sina.com.cn

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