前言
隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的迅猛發(fā)展，電網(wǎng)裝機(jī)容量不斷加大，電網(wǎng)中電力電子元件的使用也越來越多，致使大量的諧波電流注入電網(wǎng)，造成正弦波畸變，電能質(zhì)量下降，不但對(duì)電力系統(tǒng)的一些重要設(shè)備產(chǎn)生重大影響，對(duì)廣大用戶也產(chǎn)生了嚴(yán)重危害。目前，諧波與電磁干擾、功率因數(shù)降低被列為電力系統(tǒng)的三大公害，因而了解諧波產(chǎn)生的機(jī)理，研究和清除供配電系統(tǒng)中的高次諧波，對(duì)改于供電質(zhì)量、確保電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有著十分重要的意義。
一、電力系統(tǒng)諧波危害
�、僦C波會(huì)使公用電網(wǎng)中的電力設(shè)備產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率。大量三次諧波流過中線會(huì)使線路過熱，嚴(yán)重的甚至可能引發(fā)火災(zāi)。
�、谥C波會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和噪聲等故障，變壓器局部嚴(yán)重過熱，電容器、電纜等設(shè)備過熱，絕緣部分老化、變質(zhì)，設(shè)備壽命縮減，直至最終損壞。
�、壑C波會(huì)引起電網(wǎng)諧振，可能將諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，會(huì)對(duì)系統(tǒng)構(gòu)成重大威脅，特別是對(duì)電容器和與之串聯(lián)的電抗器，電網(wǎng)諧振常會(huì)使之燒毀。
�、苤C波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，造成不必要的供電中斷和損失。
�、葜C波會(huì)使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確，產(chǎn)生計(jì)量誤差，給供電部門或電力用戶帶來直接的經(jīng)濟(jì)損失。
�、拗C波會(huì)對(duì)設(shè)備附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量;重則導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。
⑦諧波會(huì)干擾計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等電子設(shè)備的正常工作，造成數(shù)據(jù)丟失或死機(jī)。
⑧諧波會(huì)影響無線電發(fā)射系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、核磁共振等設(shè)備的工作性能，造成噪聲干擾和圖像紊亂。
二、諧波檢測(cè)方法
1.模擬電路
消除諧波的方法很多，即有主動(dòng)型，又有被動(dòng)型；既有無源的，也有有源的，還有混合型的，目前較為先進(jìn)的是采用有源電力濾波器。但由于其檢測(cè)環(huán)節(jié)多采用模擬電路，因而造價(jià)較高，且由于模擬帶通濾波器對(duì)頻率和溫度的變化非常敏感，故使其基波幅值誤差很難控制在10%以內(nèi)，嚴(yán)重影響了有源濾波器的控制性能。近年來，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的研究取得了較大進(jìn)展，由于神經(jīng)元有自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)能力，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，輸入輸出關(guān)系明了，因此可用神經(jīng)元替代自適應(yīng)濾波器，再用一對(duì)與基波頻率相同，相位相差90度的正弦向量作為神經(jīng)元的輸入。由神經(jīng)元先得到基波電流，然后檢測(cè)出應(yīng)補(bǔ)償?shù)碾娏鳎瑥亩瓿芍C波電流的檢測(cè)。但人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的硬件目前還是一個(gè)比較薄弱的環(huán)節(jié)，限制了其應(yīng)用范圍。
2.傅立葉變換
利用傅立葉變換可在數(shù)字域進(jìn)行諧波檢測(cè)，電力系統(tǒng)的諧波分析，目前大都是通過該方法實(shí)現(xiàn)的，離散傅立葉變換所需要處理的是經(jīng)過采樣和A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號(hào)，設(shè)待測(cè)信號(hào)為x(t)，采樣間隔為 t秒，采樣頻率 =1/ t滿足采樣定理，即 大于信號(hào)最高頻率分量的2倍，則采樣信號(hào)為x(n t)，并且采樣信號(hào)總是有限長(zhǎng)度的，即n=0，1……N-1。這相當(dāng)于對(duì)無限長(zhǎng)的信號(hào)做了截?cái)啵蚨斐闪烁盗⑷~變換的泄露現(xiàn)象，產(chǎn)生誤差。此外，對(duì)于離散傅立葉變換來說，如果不是整數(shù)周期采樣，那么即使信號(hào)只含有單一頻率，離散傅立葉變換也不可能求出信號(hào)的準(zhǔn)確參數(shù)，因而出現(xiàn)柵欄效應(yīng)。通過加窗可以減小泄露現(xiàn)象的影響。
3.小波變換
小波變換已廣泛應(yīng)用于信號(hào)分析、語音識(shí)別與合成、自動(dòng)控制、圖象處理與分析等領(lǐng)域。電力諧波是由各種頻率成分合成的、隨機(jī)的、出現(xiàn)和消失都非常突然的信號(hào)，在應(yīng)用離散傅立葉變換進(jìn)行處理受到局限的情況下，可充分發(fā)揮小波變換的優(yōu)勢(shì)。即對(duì)諧波采樣離散后，利用小波變換對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波的精確測(cè)定。小波可以看作是一個(gè)雙窗函數(shù)，對(duì)一信號(hào)進(jìn)行小波變換相當(dāng)于從這一時(shí)頻窗內(nèi)的信息提取信號(hào)。對(duì)于檢測(cè)高頻信息，時(shí)窗變窄，可對(duì)信號(hào)的高頻分量做細(xì)致的觀測(cè)；對(duì)于分析低頻信息，這時(shí)時(shí)窗自動(dòng)變寬，可對(duì)信號(hào)的低頻分量做概貌分析。所以小波變換具有自動(dòng)“調(diào)焦”性。其次，小波變換是按頻帶而不是按頻點(diǎn)的方式處理頻域信息，因此信號(hào)頻率的微小波動(dòng)不會(huì)對(duì)處理產(chǎn)生很大的影響，并不要求對(duì)信號(hào)進(jìn)行整周期采樣。另外，由小波變換的時(shí)間局部可知，在信號(hào)的局部發(fā)生波動(dòng)時(shí)，不會(huì)象傅立葉變換那樣把影響擴(kuò)散到整個(gè)頻譜，而只改變當(dāng)時(shí)一小段時(shí)間的頻譜分布，因此，采用小波變換可以跟蹤時(shí)變和暫態(tài)信號(hào)。
三、電力系統(tǒng)諧波治理
限于篇幅問題，本文在此只介紹基于改造諧波源本身的諧波抑制方法，基于改造諧波源本身的諧波抑制方法一般有以下幾種。
(1)增加整流變壓器二次側(cè)整流的相數(shù)
對(duì)于帶有整流元件的設(shè)備，盡量增加整流的相數(shù)或脈動(dòng)數(shù)，可以較好地消除低次特征諧波，該措施可減少諧波源產(chǎn)生的諧波含量，一般在工程設(shè)計(jì)中予以考慮。因?yàn)檎髌魇枪╇娤到y(tǒng)中的主要諧波源之一，其在交流側(cè)所產(chǎn)生的高次諧波為tK 1次諧波，即整流裝置從6脈動(dòng)諧波次數(shù)為n=6K 1，如果增加到12脈動(dòng)時(shí)，其諧波次數(shù)為n=12K 1(其中K為正整數(shù))，這樣就可以消除5、7等次諧波，因此增加整流的相數(shù)或脈動(dòng)數(shù)，可有效地抑制低次諧波。不過，這種方法雖然在理論上可以實(shí)現(xiàn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中的投資過大，在技術(shù)上對(duì)消除諧波并不十分有效，該方法多用于大容量的整流裝置負(fù)載。
(2)整流變壓器采用Y/ 或 /Y接線
該方法可抑制3的倍數(shù)次的高次諧波，以整流變壓器采用 /Y接線形式為例說明其原理，當(dāng)高次諧波電流從晶閘管反串到變壓器副邊繞組內(nèi)時(shí)，其中3的倍數(shù)次高次諧波電流無路可通，所以自然就被抑制而不存在。但將導(dǎo)致鐵心內(nèi)出現(xiàn)3的倍數(shù)次高次諧波磁通(三相相位一致)，而該磁通將在變壓器原邊繞組內(nèi)產(chǎn)生3的倍數(shù)次高次諧波電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生3的倍數(shù)次的高次諧波電流。因?yàn)樗鼈兿辔灰恢拢荒茉?形繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，將能量消耗在繞組的電阻中，故原邊繞組端子上不會(huì)出現(xiàn)3的倍數(shù)次的高次諧波電動(dòng)勢(shì)。從以上分析可以看出，三相晶閘管整流裝置的整流變壓器采用這種接線形式時(shí)，諧波源產(chǎn)生的3n(n是正整數(shù))次諧波激磁電流在接線繞組內(nèi)形成環(huán)流，不致使諧波注入公共電網(wǎng)。這種接線形式的優(yōu)點(diǎn)是可以自然消除3的整數(shù)倍次的諧波，是抑制高次諧波的最基本方法，該方法也多用于大容量的整流裝置負(fù)載。
(3)盡量選用高功率因數(shù)的整流器
采用整流器的多重化來減少諧波是一種傳統(tǒng)方法，用該方法構(gòu)成的整流器還不足以稱之為高功率因數(shù)整流器。高功率因數(shù)整流器是一種通過對(duì)整流器本身進(jìn)行改造，使其盡量不產(chǎn)生諧波，其電流和電壓同相位的組合裝置，這種整流器可以被稱為單位功率因數(shù)變流器(UPFC)。該方法只能在設(shè)備設(shè)計(jì)過程中加以注意，從而得到實(shí)踐中的諧波抑制效果。
(4)整流電路的多重化
整流電路的多重化，即將多個(gè)方波疊加，以消除次數(shù)較低的諧波，從而得到接近正弦波的階梯波。重?cái)?shù)越多，波形越接近正弦波，但其電路也越復(fù)雜，因此該方法一般只用于大容量場(chǎng)合。另外，該方法不僅可以減少交流輸入電流的諧波，同時(shí)也可以減少直流輸出電壓中的諧波幅值，并提高紋波頻率。如果把上述方法與PWM技術(shù)配合使用，則會(huì)產(chǎn)生很好的諧波抑制效果。該方法用于橋式整流電路中，以減少輸入電流的諧波。
當(dāng)然，除了基于改造諧波源本身的諧波抑制方法，還有基于諧波補(bǔ)償裝置功能的諧波抑制方法，它包括加裝無源濾波器、加裝有源濾波器、裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC)等等，在此就不再詳細(xì)論述。
隨著現(xiàn)代信息技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，電能質(zhì)量問題已越來越引起用戶和供電部門的重視。應(yīng)用先進(jìn)的電能質(zhì)量測(cè)試儀器不僅能大大提高電能質(zhì)量的監(jiān)測(cè)與治理水平，同時(shí)還可建立先進(jìn)可靠的電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)分析和反映電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，找出電網(wǎng)中造成電能質(zhì)量諧波及故障的原因，采取相應(yīng)的措施，為保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供重要的保障。
參考文獻(xiàn)：
電能質(zhì)量－公用電網(wǎng)諧波 GB／T14549-1993[J]
呂潤馀．電力系統(tǒng)高次諧波．[M]．北京：中國電力出版社，1998
陳偉華． 電磁兼容實(shí)用手冊(cè)．北京： 機(jī)械工業(yè)出版社，1998
