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倍的一種正弦波。由于電網有非線性元件和非線性負載的存在，使得電網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)成整數倍和分數倍頻率的其他正弦波。這些正弦波就稱為電網的諧波。諧波分為高次諧波和分數諧波，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數倍。電力系統中的諧波主要是高次諧波。

1.2  產生來源

    電力系統中的諧波源主要有：

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

    （2）電子開關型：在系統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設備等，廣泛應用于多個領域；在系統內部,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的焊接過程中，電弧被點燃并且劇烈的波動是高度非線性的，導致不規則的電流波動。 非線性在電弧電壓和電弧電流之間表現出不規則、隨機變化的伏安特性。

2  諧波危害

2.1  危及供配電線路

    供電和配電網絡系統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，從而在發生故障時確保線路和設備的安全。由于繼電保護裝置受諧波影響，容易發生拒動或誤動，嚴重威脅電源和配電系統的穩定安全運行。

    諧波會使配電網的電壓和電流波形失真。 例如，民用配電系統中的中性線將由于諸如熒光燈，調光燈，計算機等的負載而產生大量的奇次諧波。在該相線上的三個整數倍疊加在中性線，導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生，從而降低了電網電壓及大量消耗了電網的容量。

2.2  危及電力設備

    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。當諧波含量高時，電容會過流和過載，功率損耗增大，導致電容器發熱異常。特別是當電容器被放入電壓失真的電網中時，電網的諧波會加劇。 此外，諧波的存在傾向于使電壓呈現尖點波形，從而在介質中引起局部放電。這些現象都將加速絕緣介質老化，縮短電容器的使用壽命。

    諧波會增加變壓器的銅損，包括電阻損耗、導體中的渦流損耗以及導體外部的雜散損耗。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，諧波還導致變壓器噪聲增大，甚至發出金屬聲。

    諧波會增大異步電動機的額外損耗，并導致電動機在嚴重情況下過熱。特別當負序諧波在電動機中產生負序旋轉磁場并形成與電動機的旋轉方向相反的扭矩時用作制動器，從而減小電動機的輸出。此外，當頻率接近部件的固有頻率時，電動機中的諧波電流使電動機機械振動，從而產生非常大的噪聲。

    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；熱磁型斷路器因為集膚效應與鐵耗產生大量熱，導致額定電流減小；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。

    諧波通過電磁感應干擾通信，引起通訊噪聲或回路信號誤動等。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。

    在諧波和負序的共同作用下，許多具有負序濾波器的保護和自動裝置可能發生故障，甚至因為頻繁誤動而退出運行。同時電力系統的故障記錄儀也會發生誤動，并影響實際故障的記錄。

    綜上所述，配電網中變流設備產生的諧波在對電網及設備造成諧波污染的同時，存在電網運行的安全隱患，不利影響甚至威脅電網的穩定運行。

3  配電網規劃設計中的諧波抑制方法

    通過分析諧波對配電網以及電力設備的危害，電力系統的穩定運行受到超標諧波的極大威脅，因此進行諧波治理非常重要。在配電網規劃設計中，綜合考慮抑制諧波不僅能提高設備運行的可靠性，提高電能質量并減少經濟損失；再者，降低設備因諧波電流產生的損耗及發熱，降低設備維護費用并延長設備使用壽命。另外，諧振概率能通過諧波治理適當減少，避免影響信息傳輸。

3.1  諧波源改造

3.1.1  調增整流變壓器的相數

    調增帶有整流元件設備的整流相或者脈動數，這樣可以更好地消除低階特征諧波。通常在規劃和設計中，考慮調增相數的措施可以減少諧波源產生的諧波含量。由于供電系統中的主要諧波源是整流器，交流側產生的高次諧波為tk±1次諧波，隨著脈動諧波次數的增加，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。但是因為其在實際使用中的投資成本較大，并且性價比不高，所以僅對于大容量的整流器裝置負載適用。

3.1.2  整流器功率因素改造

    高功率因數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轉換器。在設備設計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  加裝諧波補償裝置

    諧波補償裝置作為改造諧波源本身抑制諧波方法的有效補充，它的效果也非常顯著。諧波補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：和它呈現低阻抗的某一頻率的諧波被無源濾波器吸收。其有結構簡單、造價低、高效可靠及安裝維護便捷等優點，因此被廣泛應用于抑制諧波及無功補償。

    但是，由于無源濾波特性受系統影響較大、只能消除特定的幾次諧波、和無功補償及調壓協調困難、諧波電流增大時可能造成濾波器過載、消耗大等缺點。這些缺點使得無源濾波使用受到局限。

    （2）有源濾波器

    隨著電力電子技術的發展，考慮無源濾波器的優缺點，有源濾波器應運而生。區別于無源濾波，有源濾波更可靠和響應速度快，對諧波的補償次數范圍也較廣，還能實現抑制閃變和無功補償等功能。有源濾波更改進了不受系統參數的影響，可消除諧振，并且具有自適應功能實現自動跟蹤補償變化諧波等優勢。

    （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，形成混合互補的濾波組合。

4  實例

    通過配電網規劃設計中可考慮的諧波抑制方法討論，本文以一臺110/6 kV變壓器（容量40 MW）接入電網，主要負荷為6 kV高壓電機以及部分0.4 kV電機這樣的網絡為例，詳述設計加裝濾波器進行諧波抑制的案例實現。在保證系統無功滿足要求的基礎上，就地加裝電抗器進行無功補償。考慮到變壓器、電動機及電抗器均為主要的諧波源，為滿足諧波要求，計劃加裝濾波器進行諧波補償。電力網絡結構如圖1所示：

    現有網絡未進行補償時，利用電力系統分析軟件NEPLAN進行諧波計算，如圖2所示。

    經NEPLAN諧波計算，主要母線與主要元件的諧波數據見圖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%。

    根據上述計算結果，發現主要的諧波源為電抗器SHUNT_A。為減少系統諧波分量，投入濾波器FILTER_A抑制其諧波,濾波器的參數如圖5所示：

    經NEPLAN再次進行補償后的諧波計算，其結果如圖6所示：

    比較發現，將濾波器FILTER_A投入電網后，系統諧波明顯減小：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，系統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  結論

    近年來，低壓配電網諧波分析與治理技術的研究已經成為電力系統領域的重要課題。由于非線性設備的廣泛使用，給配電網帶來大量的諧波污染，在引起事故的同時嚴重降低了電能質量。在配電網規劃設計時，根據配電網絡的現狀和未來發展需要，合理規劃諧波治理方式，實時分析與測量電力系統及非線性設備的諧波含量，減輕其帶來的危害十分必要。

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作者信息:

楊滿天，陶丁濤，李婷婷，李新強，凌永祥，楊  熙

（南寧供電局，廣西 南寧 530029）