電力系統諧波治理的必要性和意義

一、電力系統諧波治理的必要性和意義隨著科學技術的發展，工業生產水平和人民生活水平的提高，非線性用電設備在電網中大量投運，造成了電網的諧波分量占的比重越來越大。諧波給電力系統帶來的危害十分嚴重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對于電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。因此，對諧波的研究以及如何抑制、治理已成為一個具有重要意義的課題。

二、電能質量的好壞，直接影響到工業產品的質量，評價電能質量有三方面標準：

1.電壓：它包含電壓的波動、電壓的偏移、電壓的閃變等;

2.頻率波動;

3.電壓的波形質量，即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率，也就是諧波所占的比重。

相關標準和規范《電能質量公用電網諧波》GB/T14549-1993《低壓電氣及電子設備發出的諧波電流限制標準》GB17625.1-1998國際電工學會標準：IEC61000

美國國家標準：IEEESTD519-1992

三、電力系統中的諧波

(一)諧波的定義：在電力系統中諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。電力諧波是頻率為50HZ整倍數的正弦波電壓或電流。發電廠或者發電機發出的電壓是頻率為50HZ的正弦波波型，稱為基波，50HZ稱為基波頻率。頻率為50HZ整倍數的正弦波稱為諧波。諧波用基波的倍數表示，例如頻率為150HZ的正弦波稱為3次諧波，頻率為250HZ的正弦波稱為5次諧波，頻率為350HZ的正弦波稱為7次諧波，以此類推。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。

諧波頻率的正弦波電壓或電流稱為諧波電壓或諧波電流當基波和諧波疊加時，形成形狀怪異的波形，這稱為波形畸變。例如，下圖是基波與5次、7次諧波疊加的結果，這是工業場合常見的電流波形。

在實際工程中，大多數諧波為奇次諧波，也就是3、5、7、11、13?????。

(二)諧波電流與諧波電壓

1.諧波電流：諧波電流諧波電流是非線性負載產生的，諧波電流是非線性負載產生的，這些非線性負載從電源吸取非正弦波的電流，源吸取非正弦波的電流，這些非正弦波電流中包含了諧波電流。

2.諧波電流流過線路時，在線路的兩端產生了諧波電壓，諧諧波電流流過線路時波電壓是由諧波電流產生的。波電壓是由諧波電流產生的。

3.如果特定的配電系統對于N次諧波電流的阻抗為Z3。如果特定的配電系統對于N次諧波電流的阻抗為ZN，諧波如果特定的配電系統對于電流IN在配電系統上產生的諧波電壓V電流IN在配電系統上產生的諧波電壓VN為：IN在配電系統上產生的諧波電壓VN=INXZN

(三)諧波的度量通常不用諧波電流或電壓的絕對數值表示諧波的嚴重程度，通常不用諧波電流或電壓的絕對數值表示諧波的嚴重程度，而用諧波在基波中所占的比例來衡量諧波的嚴重程度。用諧波在基波中所占的比例來衡量諧波的嚴重程度。

◆總諧波電流畸變率THID：THID

THID=總諧波電流的有效值/基波電流的有效值總諧波電流的有效值/

◆總諧波電壓畸變率THVD：總諧波電壓畸變率THVD：THVD

THVD=總諧波電壓的有效值/基波電壓的有效值總諧波電壓的有效值/

◆單次諧波電流畸變率：單次諧波電流畸變率：此量用于度量某一次諧波電流所占的比例，例如N此量用于度量某一次諧波電流所占的比例，例如N次諧波電流的有效值為I基波電流的有效值為I的有效值為IN，基波電流的有效值為I1，則N次諧波電流的畸變率為：N次諧波電流畸變率=IN/I1

◆單次諧波電壓畸變率：單次諧波電壓畸變率：此量用于度量某一次諧波電壓所占的比例，例如N次諧波電此量用于度量某一次諧波電壓所占的比例，例如N壓的有效值為V基波電壓的有效值為V壓的有效值為VN，基波電壓的有效值為V1，則N次諧波電壓的畸變率為：的畸變率為：N次諧波電壓畸變率=VN/V1

◆總需求電流畸變率：TDD總需求電流畸變率：總諧波電流的有效值/基波電流的有效值(總需量)TDD=總諧波電流的有效值/基波電流的有效值(總需量)

「注意」總需求電流畸變率TDD與總諧波電流畸變率THID十注意」總需求電流畸變率TDD與總諧波電流畸變率THID十TDD與總諧波電流畸變率THID分相近，TDD分母是用電戶需求的最大基波電流有效值分母是用電戶需求的最大基波電流有效值，分相近，但TDD分母是用電戶需求的最大基波電流有效值，而不是基波電流的有效值。而不是基波電流的有效值。

四、諧波的來源及危害

(一)電網諧波來自于三個方面：一是發電源質量不高產生諧波;二是輸配電系統產生諧波;三是用電設備產生的諧波，二是輸配電系統產生諧波;三是用電設備產生的諧波，其中用電設備產生的諧波最多。設備產生的諧波最多。

(A)發電設備：發電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，發電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致，難做到絕對均勻一致，發電機的轉子產生的磁場不可能是完善的正弦波。

(B)輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波。在系統運行中，當變壓器鐵心呈飽和狀態時，其磁化曲線則呈非線性，當變壓器鐵心呈飽和狀態時，其磁化曲線則呈非線性，如當變壓器電源側電壓超過額定電壓10%以上時，10%以上時器電源側電壓超過額定電壓10%以上時，會使二次側電壓的三次諧波明顯增加。波明顯增加。由于電網電壓偏移在±由于電網電壓偏移在±7%以下，所以發電、變電設備產生的以下，所以發電、諧波分量都比較小，比國家的考核標準低的多，因此發電、諧波分量都比較小，比國家的考核標準低的多，因此發電、變電設備不是影響電網電壓波形方面質量的主要矛盾。設備不是影響電網電壓波形方面質量的主要矛盾。影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備。影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備。

(C)用電設備：

非線性用電設備主要有以下四大類：

A.電弧加熱設備：如電弧爐、電焊機等。電弧加熱設備

B.交流整流的直流用電設備：如電力機車、電解、電鍍等。交流整流的直流用電設備

C.交流整流再逆變用電設備：如變頻調速、變頻空調等。交流整流再逆變用電設備

D.開關電源設備：如中頻爐、彩色電視機、電腦、開關電源設備器等。

◆電弧加熱設備：弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設備對電弧加熱設備：弧電流是非正弦波，電網的諧波污染比較大。

◆交流整流的直流用電設備：整流設備有一個閥電壓，在小于交流整流的直流用電設備：整流設備有一個閥電壓，閥電壓時，電流為零。閥電壓時，電流為零。這類用電設備為了提供平穩的直流電在整流設備中加入了儲能元件(電容和電感)，)，從而使源，在整流設備中加入了儲能元件(電容和電感)，從而使閥電壓提高，加激了諧波的產生量。閥電壓提高，加激了諧波的產生量。

◆交流整流再逆變用電設備：在交流變直流過程中產生的諧波交流整流再逆變用電設備：與上述的交流整流直流用電設備一樣，與上述的交流整流直流用電設備一樣，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流。時又有逆變波形反射到交流電流。

◆開關電源設備：這類用電設備同樣是單臺容量不大，但它是開關電源設備：這類用電設備同樣是單臺容量不大，應用面最廣、量最大的非線性用電設備，應用面最廣、量最大的非線性用電設備，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，次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會通過配電變壓器污染到上級電網。會通過配電變壓器污染到上級電網。

在電力系統中，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。其中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，同時高次諧波在電網中所占的比重也不大，故在電力行業中不作為主要治理對象。

(二)諧波的危害諧波對于配電系統以及配電系統所供電的用電設備都是十分有害的，

現象電纜過熱變壓器過熱后果電纜早期老化、絕緣損壞原因

諧波電流產生的熱量

縮短變壓器壽命，降低變壓諧波電流產生更大的銅損和鐵損器的有效容量零線中電流過大電纜加速老化甚至誘發火災3次諧波在零線上疊加，電流有效值接近相線的1.7倍電網上的設備性PLC、UPS、變頻器等誤動作諧波電流流過電網阻抗時，產生了諧波電壓，或者壽命縮短能降低這些諧波電壓對電子設備形成干擾無功補償電容過電容過熱甚至損壞、諧波放諧波電流更容易流過電容，造成電容過載，諧大、電容不能投切等波電流還會誘發諧振，在電容上產生更大的諧流電機發熱、振動電機繞組或軸承損壞降低發電機或UPS的額定功率發電機和UPS達不到額定的輸出功率波電流，導致電容過熱。諧波電流施加在電機上導致高頻電流和負序電流發電機和UPS的內阻較大，諧波電流流過這些電源時，會產生更大的諧波電壓，導致輸出電壓畸變過大，不能滿足負載的要求保護設備誤動作意外跳閘、斷電，影響正常一般保護設備是按照正弦波電壓和電流進行設生產計和校準的，不適應諧波的場合，諧波電流導致的故障現象分為兩大類：為兩大類：

第一，導致電纜或變壓器過熱;

第二，導致電網上的其他設備出現誤動作或性能降低。無論那類故障現象，元兇都是諧波電流，過熱是由于電流直接導致的，是由于電流直接導致的，干擾其它設備是由諧波電流產生諧波電壓后導致的。流產生諧波電壓后導致的。

五、諧波的治理

在諧波治理過程中一般采用在變電所集中治理和在非線性用電設備處分散治理兩種方法。按誰污染誰治理的原則，應該在非線性用電設備處分散治理。諧波治理主要有三方面的措施：

(一)降低諧波源的諧波含量：也就是在諧波源上采取措施，最大限度地避免諧波的產生。

◆整流設備：增加整流器的脈動數：整流器是電網中的

主要諧波源，其特征頻譜為：N=KP±1，則可知脈沖數P增加，N也相應增大，而IN≈I1/N，故諧波電流將減少。

◆變頻器：變頻器和諧波治理設備配套使用，目前有些用戶，往往只安裝變頻器，不安裝配套的諧波治理設備。隨著變頻技術的推廣，會使電網中的諧波影響加劇。

◆用戶側選用同步電動機，它一方面可以進行無功補償，減少電壓波動及電壓閃變，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。

◆防止并聯電容器組對諧波的放大：在電網中并聯電容器組起改善功率因數和調節電壓的作用。當諧波存在時，在一定的參數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備的安全。可采取串聯電抗器，或將電容器組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。

(二)改善供電環境：選擇合理的供電電壓并盡可能保改善供電環境：持三相電壓平衡，可以有效地減小諧波對電網的影響。諧波源由較大容量的供電點或高一級電壓的電網供承受諧波的能力將會增大。承受諧波的能力將會增大。對諧波源負荷由專門的線路供電，減少諧波對其它負荷的影響，線路供電，減少諧波對其它負荷的影響，也有助于集中抑制和消除高次諧波。

(三)安裝濾波器目前對變電所側和用戶側諧波治理的方法，多采用安裝濾波器來減少諧波分量。用安裝濾波器來減少諧波分量。濾波器分為KYYLB有源濾波器和KYLB無源濾波器兩大類：

1. KYYLB有源濾波器是通過對電流中高次諧波進行檢測并根據檢測結果輸入與高次諧波成分具有相反相位的電流，從而達到實時補償諧波電流的目的。KYYLB有源濾波器不僅具有高度可控性和快速響應性，而且可以消除與系統阻抗發生諧振的危險，同時也能自動跟蹤補償變化的諧波。由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發展限制，其制作也較之無源濾波裝置復雜得多，成本也就高得多。

2.KYLB無源濾波器：無源濾波器元件構成慮波回路，無源濾波器由L、C元件構成慮波回路，設計L、C回路在某一諧振頻率呈現低阻抗(與系統阻抗相比)回路在某一諧振頻率呈現低阻抗(與系統阻抗相比)而吸收諧波電流。吸收諧波電流。這類濾波器往往接在變壓器的二次側出口處，這類濾波器往往接在變壓器的二次側出口處，從而使變壓器的一次側該次諧波的分量也很小，達到對該次使變壓器的一次側該次諧波的分量也很小，諧波治理的目的。無源濾波器投資少、結構簡單、運行可靠、維護方便，無源濾波器投資少、結構簡單、運行可靠、維護方便，但也存在一定的缺點即濾波容易受系統參數影響對某些次諧波有放大的可能、體積大。

六、目前諧波治理存在的問題及對策在供電系統中進行諧波治理有不少困難，如非線性負荷不是24小時平穩運行的，因此諧波也是在變化的。不是24小時平穩運行的，因此諧波也是在變化的。所以采用24小時平穩運行的一個或幾個固定的KYLB無源濾波器的投切，一個或幾個固定的KYLB無源濾波器的投切，不可能和非線性負荷變動進行同步。KYYLB有源濾波是諧波治理的發展方向。但目前由于功率電子元件容量做不大、電壓做不高，而且成本很高，因此在現階段不可能大量推廣應用。在具體工程設計中，應根據用電負荷的特點制定合理可行的配置方案：可行的配置方案：

◆將KYYLB有源濾波器和KYLB無源濾波器配合使用。

◆對于大功率的諧波源，在諧波源處治理(可安裝性能對于大功率的諧波源，在諧波源處治理(較好的有源濾波器)，對于小功率的非線性負載安裝性較好的有源濾波器)，對于小功率的非線性負載安裝性)，能一般的無源濾波器。

◆根據需要，在母線上安裝諧波濾波器，消除母線上的根據需要，在母線上安裝諧波濾波器，諧波電流。

◆當變頻器數量較多、功率不大，且集中時，通過適當當變頻器數量較多、功率不大，且集中時，組合，用一臺濾波器驅動多臺變頻器，以降低成本。