高次諧波危害及一種有效的諧波抑制方案分析

在電力電網(wǎng)中，存在大量非線性負(fù)載,引起電網(wǎng)電流波形不再是正弦波。這一非正弦波可用傅里葉級(jí)數(shù)分解成為一個(gè)直流量，基波正弦量和一系列頻率為基波頻率整數(shù)倍的高次諧波正弦分量之和。對(duì)目前三相交流發(fā)電機(jī)組發(fā)出的電壓而言，認(rèn)為基波為正弦波，即波形中基本無直流量和高次諧波分量。但由于電力系統(tǒng)中存在著各式各樣的諧波源，使得高次諧波的干擾成了當(dāng)前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的一大“公害”，各國(guó)對(duì)電力電網(wǎng)電壓正弦波形畸變的極限值都有明確的規(guī)定，要求用戶對(duì)接入電網(wǎng)的設(shè)備產(chǎn)生的諧波應(yīng)采取一定措施，進(jìn)行抑制。

1高次諧波產(chǎn)生的原因及其對(duì)電網(wǎng)的危害

高次諧波產(chǎn)生的原因主要是由于電力系統(tǒng)中存在非性線元件及負(fù)載產(chǎn)生的。如：電容性負(fù)載、感性負(fù)載及開關(guān)變流設(shè)備，諸如計(jì)算機(jī)及外設(shè)、電動(dòng)機(jī)、整流裝置等。由于其為儲(chǔ)能元件或變流裝置，故使電壓、電流波形發(fā)生畸變，見圖1。

圖1帶有非線性負(fù)載時(shí)的電流波形

高次諧波電流通過變壓器，可使變壓器的鐵芯損耗明顯增加，從而變壓器出現(xiàn)過熱，效率降低，縮短變壓器的壽命。高次諧波對(duì)電網(wǎng)的影響也是如此，電纜內(nèi)耗加大，電纜發(fā)熱，縮短電纜的使用壽命；對(duì)電動(dòng)機(jī)影響更大，不僅損耗增加，還會(huì)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子振動(dòng)；而高次諧波對(duì)電容的影響更為突出，含有高次諧波的電壓加至電容兩端時(shí)，由于電容器對(duì)高次諧波的阻抗很小，所以電容器很容易發(fā)生過負(fù)荷導(dǎo)致?lián)p壞。高次諧波的干擾，往往還會(huì)導(dǎo)致供電空氣開關(guān)誤動(dòng)作，造成電網(wǎng)停電，嚴(yán)重影響用電設(shè)備的正常工作。同時(shí)，高次諧波對(duì)通訊設(shè)備也產(chǎn)生干擾信號(hào)。

對(duì)于電容負(fù)載：ZC=1/2πfC

當(dāng)f=n×50（n=2、3……）中n很大時(shí)，由上式可見ZC很小。

2高次諧波的抑制方式

（1）三相整流變壓器采用Y?△或△?Y，這樣聯(lián)接可以消除3的整數(shù)倍的高次諧波，電網(wǎng)中的諧波電流只有5、7、11、13等奇次諧波。

（2）增加整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)。整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)越多，整流波形的脈波數(shù)越多，奇數(shù)低的諧波被消去的也越多。

（3）裝設(shè)分流濾波器，分流濾波器是由R、C、L等元件組成的。串聯(lián)諧振電路一般采取三相星形聯(lián)接，它往往接在大型整流設(shè)備與電網(wǎng)的聯(lián)接處，見圖2。

圖2分流濾波器接線圖

（4）裝靜止無功補(bǔ)償裝置

上述四種抑制方式盡管對(duì)電網(wǎng)的凈化起了一定的作用，但它都有很大的局限性，不能對(duì)諧波全面管理或僅僅局限在很小的范圍之內(nèi)。這些方式都是被動(dòng)的，不能隨諧波變化而變化。

3一種新的諧波抑制方案

　　隨著科技的發(fā)展對(duì)諧波的抑制提出了新的設(shè)想，

它克服了以往濾波器僅固定在某些諧波頻段,它采用如圖3的拓?fù)漕愋?。它?duì)非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行采樣、分析、建立頻譜圖，以此頻譜圖為依據(jù)向電網(wǎng)側(cè)送一個(gè)與非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波相反的諧波，從而達(dá)到諧波抑制的效果。

圖3有源諧波調(diào)節(jié)器的基本工作原理

據(jù)此原理推出了有源諧波調(diào)節(jié)器（ACTIVEHARMONICCONDITIONER）它能將2～25次諧波有效地抑制。可根據(jù)電網(wǎng)的情況調(diào)整電壓與電流波形的相位角，修正電流波形，提高功率因數(shù)，有效地抑制諧波干擾。它的工作原理見圖4。

圖4有源諧波調(diào)節(jié)器工作原理框圖

有源諧波調(diào)節(jié)器具有友好的用戶界面，通過對(duì)話窗進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置，真實(shí)地將用戶現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀態(tài)反饋至有源諧波調(diào)節(jié)器中，讓其通過采樣拾取器實(shí)時(shí)捕捉諧波，全面有效地抑制電網(wǎng)中的諧波。該調(diào)節(jié)器還具有標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，可方便地將諧波信息與實(shí)時(shí)計(jì)算機(jī)通訊。

（a）無有源諧波調(diào)節(jié)器

（b）有有源諧波調(diào)節(jié)器

圖5帶有非線性負(fù)載（計(jì)算機(jī)等）的輸入電流波形

圖5為非線性負(fù)載經(jīng)有源諧波調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)前(a)與調(diào)節(jié)后(b)的輸入電流波形比較?？梢钥闯?，這種有源諧波調(diào)節(jié)器將大大抑制諧波，提高了功率因數(shù)，同時(shí)大大地減小損耗，大大地節(jié)約了能源，保障了電網(wǎng)線路的安全。利用該諧波調(diào)節(jié)器可全面解決電網(wǎng)造成的損失。