浅谈电力系统谐波及处理

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　　【摘要】笔者结合多年的工作经验，就目前电力系统谐波的危害，并根据电力系统谐波测量的基本方法，对近年来电系统谐波检测的新方法进行分析和评述,同时对电力系统的谐波问题提出相关相关处理建议，供同行借鉴分析。
　　【关键词】电力谐波；检测；治理
　　一、引言
　　 随着我国工业化进程的迅猛发展，电网装机容量不断加大，电网中电力电子元件的使用也越来越多，致使大量的谐波电流注入电网，造成正弦波畸变，电能质量下降，不但对电力系统的一些重要设备产生重大影响，对广大用户也产生了严重危害。目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害，因而了解谐波产生的机理，研究和清除供配电系统中的高次谐波，对改于供电质量、确保电力系统安全、经济运行都有着十分重要的意义。
　　二、电力系统谐波的产生及危害
　　1.产生
　　 1.1发电源质量不高产生的谐波。
　　 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。
　　 1.2电源本身以及输配电系统产生的谐波。
　　 由于发电机三相绕组在制作上很难做到绝对对称。铁心也很难做到绝对均匀一致等制造和结构上的原因。使得电源在发出基波电势的同时也会产生谐波电势，但由于其值很小，一般在分析电力系统谐波问题时可以忽略在输配电系统中则主要是变压器产生谐波。由于其铁芯饱和时。磁化曲线呈非线性，相当于非线性器件。饱和程度越深波形畸变也就越严重。再加上设计时出于经济性考虑。使磁性材料工作在磁化曲线的近饱和区段，从而产生谐波电流。电源和输配电系统虽然产生谐波，但这两方面产生的谐波所占的比例一般都很小。
　　 1.3用电设备产生的谐波
　　 (1)晶闸管理装置：晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下拨粉中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30％；接容性负
　　载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。
　　 (2)变频装置：变频装置由于采用了相位控制，谐波成份除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网早正的谐波也越来越多。
　　 (3)电弧炉、电石炉：由于三相负荷难以平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连续线圈而注入电网，其中主要是27次的谐波，平均可达基波的8％～2O％，最大可达45％。
　　 (4)气体放电类电光源：分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，他们会给电网造成奇次谐波
　　电流。
　　 (5)家用电器：具有调整流装置的家用电器，会产生较深的奇次谐波。在有绕组设备的电器中， 因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。
　　2. 危害
　　 (1)谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，严重的甚至可能引发火灾。
　　 (2)谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变
　　质，设备寿命缩减，直至最终损坏。
　　 (3)谐波会引起电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。
　　 (4)谐波会导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和损失。
　　 (5)谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来直接的经济损失。
　　 (6)谐波会对设备附近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
　　 (7)谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。
　　 (8)谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性。
　　三、电力系统谐波的检测
　　 电力系统的谐波产生受随机性、非平稳性、分布性等多方面因素影响，要进行实时准确的检测并不容易，因此，随着交流电力系统的发展，也逐渐形成了多种谐波检测方法，如模拟滤波、基于傅氏变换的频域分析法、基于瞬时无功功率理论的检测方法、小波变换、神经网络等。各种检测方法不一而足，在此仅对几种方法做简单介绍。
　　1.模拟滤波和基于傅氏变换的频域分析法
　　 模拟滤波器法有两种，一种是通过滤波器滤除基波电流分量从而得到谐波电流分量：另一种是用带通滤波器得出基波分量。再与被检测电流相减后得到谐波电流分量。这种方法实现简单。能有效滤除一些固有频率的谐波。但较为不理想的是误差大，实时性差，受外界环境影响较大，参数变化时检测效果明显变差。
　　 基于傅氏变换的频域分析法根据采集到的一个周期的电流值或电压值进行计算并得到该电流所包含的谐波次数以及各次谐波的幅值和相位系数，将需要抵消的谐波分量通过傅里叶变换器得出所需的误差信号，再将该误差进行傅里叶反变换，即可得补偿信号。
　　2.基于瞬时无功功率理论的检测方法
　　 瞬时无功功率理论是日本学者赤木泰文等人于1983年最先提出的基于时域的一种理论，以瞬时有功功率p和瞬时无功功率q为基础，即p-q理论。该理论是在瞬时值的基础上定义的不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波的情况它的基本原理是将三相瞬时电压电流经旋转、正交坐标变换，转换到两相坐标中，根据两相瞬时电压电流合成为旋转电压矢量和电流矢量并经投影得到三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流，进而得到瞬时有功功率和无功功率，再经过高次谐波分离和反变换，从而得到谐波电流分量。但这种计算方法对于产生畸变的三相电压将存在较大误差，不能准确地检测出各次谐波此种方法在现代科技形式下利用较少，偏于模拟计算。
　　3．基于小波变换的检测方法
　　 作为调和分析的工作结晶，小波分析正成为近年来研究的热门领域，广泛应用于信号处理、语音识别与合成、机器视觉、机械故障诊断与监控等科技领域。它可以用来替换传统使用傅里叶分析的地方。在时域和频域同时具有良好的局部化性质。克服了傅里叶变换在非稳态信号分析方面的缺点，尤其适合突变信号的分析与处理。由于小波分析能计算出某一特定时间的频率分布并把各种不同频率组成的频谱信号分解为不同频率的信号块，因此可以通过小波变换来较准确地求出基波电流，最终得到谐波分量。
　　4．基于神经网络的检测方法
　　 人工神经网络技术自从面世后发展非常迅速，并且随着神经网络的发展，在电力系统中的应用也日益深入，如负荷预测、优化调度、谐波检测与预测等，并在工程应用上取得一些较好成效。基于神经网络的检测方法主要涉及模型的构建、样本的确定和算法的选择，利用神经网络实现谐波和无功电流的检测对周期性及非周期性电流都具有良好的快速跟踪能力，对高频随机干扰也有较好的识别能力。
　　 和傅里叶变换、小波变换相比，基于神经网络的检测方法对数据流长度的敏感性较低，而检测精度较高，对各次谐波的检测精度一般不低于这两种变换，能得到较满意结果。另外，基于神经网络的检测方法实时性强，可以同时实时检测任意整数次谐波；而且可以使用随机模型的处理方法对信号源中的非有效成份当作噪声处理，克服噪声等非有效成份的影响，抗干扰性好。

　　四、电力谐波的处理
　　1．增加整流变压器二次侧整流的相数
　　 对于带有整流元件的设备，尽量增加整流的相数或脉动数，可以较好地消除低次特征谐波，该措施可减少谐波源产生的谐波含量。一般在工程设计中予以考虑，因为整流器是供电系统中的主要谐波源之一， 其在交流侧所产生的高次谐波为tK 1次谐波。即整流装置从6脉动谐波次数为n=6K 1，如果增加到12脉动时，其谐波次数为n=12K 1(其中K为正整数)，这样就可以消除5、7等次谐波，因此增加整流的相数或脉动数，可有效地抑制低次谐波。不过，这种方法虽然在理论上可以实现，但是在实际应用中的投资过大，在技术上对消除谐波并不十分有效，该方法多用于大容量的整流装置负载。
　　2．谐波的隔离
　　 非线性用电设备产生的谐波，它不仅直接影响到本级电网，而且经过变压器后，还会影响到上几级电网。如何把这些非线性用电设备产生的谐波不影响或少影响其他几级电网。这也是谐波治理的一个基本方法。这一方法在电网中广泛采用，发电机发出的电能经过Y/△、Y0/△、Y0/Y等接线组别的变压器，把发电机产生的三次、九次等零序分量的谐波与上级电网隔离开来，因此在110kV以上高压电网上，三、九次谐波分量很小。几乎是零。而10kV由于大多数配变为Y/Y0接线，35kV也有少量Y/YO接线的直配变，因此在10kV和35kV系统中三、九次谐波分量会比高压电网大.为了减少低压对10kV电网的影响，我局现在10kV配电系统中推广使用了D,ynl1接线组别的配电变压器，有效的减少了三、九次谐波的影响。
　　3.安装滤波器
　　 目前对变电所侧和用户侧谐波治理的方法,多采用安装滤波器来减少谐波分量。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类,有源滤波器的基本工作原理是把电源侧的电流波型与正弦波相比较,差额部分由有源滤波器进行补偿，这是谐波治理的发展方向,目前由于功率电子元件容量做不大、电压做不高，而且成本很高，因此在现阶段不可能大量推广应用。随着科学技术的发展，功率电子元件的成本下降,这一技术一定会在谐波治理上占主导地位的。
　　五、结语
　　 电力谐波问题是一种电网污染和公害，已引起人们的高度关注。在节能减排呼声日益增高的形势下，采取正确技术措施对电力谐波进行治理更加必要。采用电抗器等无源器件实现电力谐波抑制和谐波滤除，具有简单有效的突出优点，仍然是目前治理电力谐波问题的主要技术手段。治理好谐波，不仅能够改善整个网络的电力品质，也能延长设备使用寿命、提高产品质量、降低电磁污染环境、减少能耗、提高电能利用率。正确掌握这一技术手段，有效治理电力谐波，具有重要意义。推广、应用电力谐波治理技术是有关专业技术人员义不容辞的责任，治理好谐波，才能还电网一个干净的环境。
　　
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