淺析電力系統諧波及其研究現狀

高瑜+郭天飛+郭天超+路靜+韓一帆

摘 要：近些年來，隨著人們對電力需求量的不斷增長以及電力系統的迅速發展，人們越來越關注所用電能的質量。由于電力電子技術具有能使設備響應速度快、控制性能好、效率高、體積小、重量輕等特點，其在各種設備上得以廣泛應用。然而，變壓器、電力電子裝置等非線性負荷，作為諧波源，其廣泛的使用給電力系統及電氣設備的正常運行造成了嚴重的危害，電力系統也因此面臨著嚴重的諧波污染。因此，諧波的分析及抑制已成為國內外電氣領域廣泛關注的課題。

關鍵詞：諧波；起因；危害；研究現狀

1諧波的起因

目前，國際上公認的諧波含意是：“諧波是一個周期電氣量的正弦波的分量，或者說諧波分量為周期量的傅里葉級數中大于1的h次分量其頻率為基波頻率的整數倍”[1]。

在電力系統中，諧波主要是由變壓器、旋轉電機和各種電力電子設備等非線性負載產生的。在一般情況下，電氣設備的非線性電特性使其組成了諧波源。通常，可將諧波源分為兩類，一類是以電力電子裝置為代表的現代非線性設備；另一類為傳統非線性設備包括變壓器、旋轉電機等。

（1）現代的非線性設備，主要包括各種電力電子變流裝置。這類設備廣泛使用于家用電器和大量工礦企業中，它們在開關投切或換向時產生的階躍電流中含有大量諧波成分。比如熒光燈，它的電流之所以是畸變的，主要是由于在點亮狀態下有感性的非線性鎮流器限制了電流的變化[2]。

（2）傳統的非線性設備，主要包括旋轉電機、變壓器等。這類設備產生的電流中之所以含有諧波成份是因為它們的鐵芯在產生磁飽和時具有非線性特性。例如，旋轉電機，旋轉電機的線圈通電，通過電磁感應原理，產生磁動勢。由于線圈是嵌入線槽內的，而線槽不會完全按照正弦分布，所以其產生的磁動勢的波形不會完全是正弦波，含有大量諧波。

這兩種諧波源都會向電網注入大量的諧波電流，而諧波電壓的產生則是電流流經電網阻抗的結果。電力電子裝置等大量現代非線性裝置的廣泛應用，致使其所產生的電力系統諧波比重超過了傳統非線性設備，因而已成為主要的諧波源。

2諧波產生的危害

電力系統中的電流諧波會影響電網和各種電氣設備的正常運行和使用，嚴重時會導致設備損壞，甚至會導致電力系統發生電事故。目前，電力系統的諧波危害主要有以下幾個方面[3]：

（1）諧波作用于電網元件時產生的附加損耗，不僅降低了電能的利用率，而且易引發事故。比如電力系統中性線在大量三次諧波流過時不僅會產生附加輸電損耗，還會使線路發熱，甚至會導致火災。

（2）受諧波影響的電氣設備無法正常工作。比如電動機工作時不僅會伴隨有較大的機械振動和噪聲，還會引起變壓器繞組損耗增加及外殼和固件的發熱。

（3）諧波可能會引起電力系統中的并諧或串諧。為了提高負載的功率因數，需要給負載補償無功功率，電網中大量使用補償無功功率的電容器，電網中的分布電容和電網中的感性部分組合，易發生串諧或并諧。電網產生諧振的后果是會放大諧波電流，損壞電容器等設備。

（4）諧波會造成繼電保護與自動裝置發生誤動作?，F在采用的電子繼電保護設備大都響應快，靈敏度高，價格低廉，但大都依賴于被測參數的瞬時值，因此，高次諧波極易引起繼電保護設備的誤動作，電網安全供電造成隱患。以整流電路出發，說明對自動化裝置的影響。諧波會引起同步電壓信號畸變，進而導致整流器產生諧波（包括特征諧波和非特征諧波），這些諧波反過來使電壓信號畸變更嚴重，影響裝置的穩定性。

（5）諧波會對通信系統的正常工作造成干擾。輸電線路產生的高頻諧波不僅會對電力系統本身的載波通信和遠動裝置信號產生干擾，也會干擾相鄰通訊線路的正常工作。

（6）諧波會降低電能計量的準確度。電網供電波形的畸變易導致電氣測量儀表準確的的降低，產生誤差。比如感應式儀表指針的偏轉力矩與偏轉線圈夾角及磁鏈有關，線圈中同次諧波產生的平均轉矩則不為零，致使感應式儀表受諧波影響。

世界各國都制定了國家標準以限制諧波危害公用電網或用電設備，各國標準都將限制諧波電流含有量、控制諧波電壓允許范圍，以致電氣設備免受諧波干擾而作為基本原則。

3諧波研究的現狀

近年來，電力網中變壓器、旋轉電機等傳統非線性設備，以及整流器、變頻器、穩壓器等現代的非線性設備得到了廣泛的應用，并且應用范圍不斷擴大。這些非線性負荷在使用時，對電網供電具有不平衡性，對電力系統具有強烈沖擊性，這對電力系統的電能質量形成了嚴重的影響。此外，隨著我國國民經濟的飛速發展，工廠、單位以及居民用戶對電力需求的不斷增長，電力系統的電能質量將面臨發展的機遇和挑戰。目前，“諧波源”電氣設備在用電負荷中所占的比重越來越大，而對電能質量要求高的的用電負荷所占的比重也越來越大，特別是現代數字信息要求供電可靠性更高和電能質量個性化更明顯。因此，諧波的分析和處理對電網的正常運行越來越重要，諧波抑制技術的發展更是刻不容緩。

過去，電網中更多采用的是無源濾波器，它具有結構簡單、成本低、維護方便、技術設計、制造經驗成熟等特點，但由于電能質量要求的普遍提高，無源濾波器的缺點也逐漸顯現出來。傳統的無源濾波器已經不能很好地抑制電網諧波，已經不及電能質量的要求。因此，研究和開發新技術以更好地抑制電網諧波并達到電能質量的要求，已成為近些年來國內外電力系統研究領域的熱點課題。

用戶電力（CustomPower）新技術主要是利用大功率電力電子器件（如GTO、IGBT、MOSFET等）組成控制裝置，以向用戶提供增值的、可靠的、高質量的電能，并提高系統的供電可靠性，保證功率流質量。有源電力濾波器APF（Active Power Filter）是電力電子在電力系統中應用的一類重要裝置[4] ， 它具有動態補償諧波，受電網阻抗影響小，可動態跟蹤負載電流變化等優點。和傳統的無源濾波器相比，APF在消弭或抑制電力系統諧波方面具有廣泛的發展前景和應用前景。因此，有源電力濾波器APF已經逐漸成為諧波抑制技術的主要研究方向。

雖然，我國的許多高校以及科研單位相繼展開了對電力系統諧波問題的研討工作，積極與國外研究機構合作交流并參與了一些相關技術探討。然而，我國的有源電力濾波器技術仍處于初級研究階段，研究最成熟的只是并聯型APF，還是主要以理論和試驗為主。雖然，我們在理論上取得了一定的成果，但是，由于許多因素的限制，目前我國的有源濾波技術還處于最初的研究實驗階段，工業上也僅僅有幾臺樣機投入運行，至今還沒有并聯型有源濾波器產品正式應用于實際。因而，我國有源濾波技術具有廣泛的發展前景。

參考文獻

[1] 羅安，章兢，付青.新型注入式并聯混合型有源電力濾波器[J].電工技術學報，2005，20（2）：52-55，68.

[2] 劉君.電網諧波危害與抑制[J].科技信息，2008（20），303.

[3] 姜齊榮，謝小榮，陳建業.電力系統并聯補償結構、原理、控制與應用 [M].北京：機械工業出版社，1998，40-45.

[4] 胡銘.電能質量及其分析方法綜述[J].電網技術，2000，24（2）：36-38.