弭 勇，郭 徽，曹 昱

（1.山西電力科學(xué)研究院，山西 太原 030001；2.福州電業(yè)局，福建 福州 350011；3.武鄉(xiāng)和信發(fā)電有限公司，山西 武鄉(xiāng) 046300）

1 諧波源

按照非線性特性，諧波源分為鐵磁飽和型、電子開(kāi)關(guān)型和電弧型[1]。鐵磁飽和型諧波源主要是指鐵磁飽和特性呈非線性的各種鐵芯設(shè)備，包括變壓器、電抗器等。電子開(kāi)關(guān)型諧波源主要是指電力電子設(shè)備，包括各種交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開(kāi)關(guān)設(shè)備以及PWM變頻器等。電弧型諧波源主要包括交流電弧爐和交流電焊機(jī)等。其中，傳統(tǒng)電力系統(tǒng)中的主要諧波源是電力變壓器，當(dāng)代電力系統(tǒng)中最主要的諧波源是電力電子裝置。諧波源的諧波電流含量與電力系統(tǒng)的參數(shù)、運(yùn)行狀態(tài)等關(guān)系不大，主要取決于它本身的特性和工作狀況。一般將產(chǎn)生諧波電流的非線性負(fù)荷看作理想的諧波電流源，這是由于非線性負(fù)荷的內(nèi)阻抗通常情況下比系統(tǒng)阻抗大很多。

1.1 變壓器

變壓器的非線性是因?yàn)殍F芯材料具有非線性磁化曲線。變壓器的鐵芯磁化曲線除了一般線性區(qū)域，還有飽和區(qū)、死區(qū)和滯后區(qū)這三類典型的非線性區(qū)域。磁化曲線以原點(diǎn)對(duì)稱，在正弦波作用下，勵(lì)磁電流為對(duì)稱奇函數(shù)。對(duì)三相對(duì)稱的變壓器來(lái)說(shuō)，其3的奇數(shù)倍（即3、9、15、21次等） 諧波均為零序，會(huì)受到變壓器接線方式的影響。故可以認(rèn)為變壓器是一種只產(chǎn)生奇數(shù)次諧波的電流源型的諧波源。它的諧波次數(shù)還受其一、二次側(cè)接線方式（△或Y）的影響，大小則與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵芯的飽和程度等有關(guān)。鐵芯的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性工作區(qū)越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的諧波電流就越大。

1.2 變流器

變流器為典型的電子開(kāi)關(guān)型諧波源。由于生產(chǎn)需要與科技的發(fā)展，企業(yè)經(jīng)常大量使用整流和變頻等變流設(shè)備，目前的電氣設(shè)備都采用開(kāi)關(guān)型電源，其電源側(cè)是大功率整流電路，其輸出側(cè)為使負(fù)載得到更好的控制與運(yùn)行特性，則使用變壓與變頻電路。此類設(shè)備所產(chǎn)生的諧波既有電流源型的，也有電壓源型的。其諧波分量也僅有奇數(shù)次諧波，以5、7、11、13次為主。有資料顯示，此類設(shè)備所產(chǎn)生的諧波分量有時(shí)可高達(dá)基波分量的30%。由于變流設(shè)備功率大（30 kW～20 MW）、數(shù)量多，因此它對(duì)企業(yè)的供配電系統(tǒng)的影響也極大。

1.3 電力機(jī)車

電氣化鐵路中的電力機(jī)車分交直型和交直交型兩種，交直型電力機(jī)車采用單相全波不控或半控整流，脈動(dòng)數(shù)為2，特征諧波為全部奇數(shù)次諧波，電力機(jī)車產(chǎn)生的非正弦電流通過(guò)牽引供電系統(tǒng)的接觸網(wǎng)注入牽引站，并通過(guò)牽引站注入到與之相連的供電系統(tǒng)變電站。電力機(jī)車為單相負(fù)荷，由于其運(yùn)行的隨機(jī)性，會(huì)在一定區(qū)段內(nèi)造成電網(wǎng)三相嚴(yán)重失衡且難以調(diào)節(jié)。電力機(jī)車牽引負(fù)荷對(duì)于供電系統(tǒng)來(lái)說(shuō)為三相不對(duì)稱負(fù)荷，將會(huì)產(chǎn)生負(fù)序電流分量。電鐵負(fù)荷是單相、移動(dòng)具有很大波動(dòng)性的特殊負(fù)荷，其產(chǎn)生的諧波與負(fù)序電流也具有波動(dòng)性。近年來(lái)得到應(yīng)用的交直交型機(jī)車與交直型機(jī)車的用電特性有明顯區(qū)別，交直交型機(jī)車的低次諧波電流得到了有效降低，但諧波頻譜變寬，高次諧波含量有所增加，為此應(yīng)對(duì)交直交型機(jī)車即高鐵運(yùn)行所產(chǎn)生的高次諧波加以關(guān)注。

1.4 電弧爐

電弧型諧波源屬于動(dòng)態(tài)性諧波源，其產(chǎn)生的高次諧波分量的大小、相位都是隨機(jī)的。電弧爐的工作周期可以分為三個(gè)階段：開(kāi)始熔化階段，固體爐料熔化，能量需求很大；初精煉及加熱階段；精煉期，此階段輸入能量只需平衡熱損耗。電弧爐所消耗的功率大而快速，且出現(xiàn)隨機(jī)變化，它由煉鋼周期的熔化過(guò)程和技術(shù)條件等因素決定。根據(jù)電弧爐的容量及冶煉要求，煉鋼周期約為3～8 h不等。在熔化期間電弧極不穩(wěn)定，因此電弧電流具有數(shù)值大且不平衡、畸變和不規(guī)則波動(dòng)的特點(diǎn)。特別是在熔化期的初期，畸變和波動(dòng)更為嚴(yán)重。在后一階段的精煉期，電弧電流比較穩(wěn)定，波動(dòng)大為減小，電流的數(shù)值相對(duì)較小且比較平衡，畸變也較小。根據(jù)對(duì)電弧爐實(shí)測(cè)電流的分析，電弧爐電流中主要含有2、3、4、5、7次諧波成分。

1.5 計(jì)算機(jī)等辦公設(shè)備

計(jì)算機(jī)及其他辦公設(shè)備產(chǎn)生的諧波近年來(lái)也引起了越來(lái)越多的關(guān)注。隨著社會(huì)的發(fā)展，科技的進(jìn)步，工廠自動(dòng)化程度越來(lái)越高，計(jì)算機(jī)及其他現(xiàn)代化辦公設(shè)備得以廣泛應(yīng)用，而這些設(shè)備的電源基本上都是開(kāi)關(guān)電源，因此都會(huì)產(chǎn)生諧波并且對(duì)電網(wǎng)造成十分嚴(yán)重的諧波干擾。

2 諧波的危害

目前，產(chǎn)生諧波的裝置數(shù)量多且應(yīng)用場(chǎng)合廣，許多企業(yè)的生產(chǎn)正面臨諧波的嚴(yán)重干擾與破壞，諧波對(duì)企業(yè)供配電的危害主要表現(xiàn)為以下幾個(gè)方面：電力變壓器、電力線路，諧波電流將增加銅損，諧波電壓將增加鐵損，綜合效果是使變壓器溫度上升，影響其絕緣水平，并造成容量裕度減小。諧波也可能引起變壓器繞組及線間電容之間的共振，引起鐵芯磁飽和進(jìn)而產(chǎn)生噪聲。因此，諧波的泛濫將會(huì)嚴(yán)重地威脅工礦企業(yè)的供配電系統(tǒng)安全可靠、穩(wěn)定地運(yùn)行。

諧波會(huì)引起電動(dòng)機(jī)附加發(fā)熱，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)的額外溫升，使得電動(dòng)機(jī)需要降額運(yùn)行。由于輸出波形失真，增加了電動(dòng)機(jī)的重復(fù)峰值電壓，影響電動(dòng)機(jī)的絕緣。諧波還會(huì)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)以及噪聲增加。

一般電容器的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范規(guī)定其最大電流允許35%的超載，但實(shí)際運(yùn)行時(shí)，由于諧波的影響，電容器常發(fā)生嚴(yán)重過(guò)載現(xiàn)象。電容器的阻抗隨頻率的增大而減少，故諧波產(chǎn)生時(shí)，電容器成為一個(gè)陷流點(diǎn)，流入大量電流，會(huì)導(dǎo)致過(guò)熱、增加介電質(zhì)的應(yīng)力，甚至損壞電容器。當(dāng)電容器與線路阻抗達(dá)到諧振條件時(shí)，會(huì)發(fā)生諧振短路、過(guò)電流及產(chǎn)生噪聲。

由于諧波電流的存在，開(kāi)關(guān)設(shè)備在起動(dòng)瞬間產(chǎn)生很高的電流變化率（di/dt），導(dǎo)致暫態(tài)恢復(fù)電壓峰值的增加，以致破壞絕緣。電流中含有諧波，必產(chǎn)生額外的轉(zhuǎn)矩，改變電器的動(dòng)作特性，以致引起誤保護(hù)裝置的動(dòng)作。

在很多場(chǎng)合，電子設(shè)備常會(huì)產(chǎn)生諧波電流，且很容易感受諧波失真而誤動(dòng)作。其他還有如照明設(shè)備、通信設(shè)備、電視及音響設(shè)備、電腦設(shè)備、載頻遙控設(shè)備等都容易受諧波的干擾而影響其正常的工作或減少其使用壽命。計(jì)量?jī)x表/電能表等計(jì)量?jī)x器因諧波會(huì)造成感應(yīng)轉(zhuǎn)盤(pán)產(chǎn)生額外的電磁轉(zhuǎn)矩，引起誤差，降低精確度。

諧波問(wèn)題分析中，還應(yīng)特別關(guān)注電氣化鐵路系統(tǒng)所產(chǎn)生諧波的危害。由于電力機(jī)車的非線性、單相、沖擊特性，在電力機(jī)車運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生大量的諧波和負(fù)序。電力機(jī)車沿鐵路移動(dòng)用電，其產(chǎn)生的危害遠(yuǎn)比其他諧波源和負(fù)序源更為嚴(yán)重和廣泛，如不能得到及時(shí)有效治理，將影響電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。電氣化鐵路諧波和負(fù)序?qū)﹄娏ο到y(tǒng)的不利影響體現(xiàn)在多個(gè)方面，電力機(jī)車運(yùn)行產(chǎn)生的諧波和負(fù)序會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)二次設(shè)備（繼電保護(hù)、安全自動(dòng)裝置）產(chǎn)生影響，可能引起保護(hù)裝置的誤動(dòng)作等。

3 抑制諧波干擾的措施

1993年國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局頒發(fā)了限制電力系統(tǒng)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549-1993），該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值、諧波電流限值。諧波超標(biāo)的用戶，應(yīng)采取必要的措施，以限制注入公用電網(wǎng)的諧波。

目前對(duì)變電所側(cè)和用戶側(cè)諧波治理的方法，多采用安裝濾波器的方法。濾波器分為無(wú)源電力濾波器和有源電力濾波器兩種[2]。

3.1 無(wú)源電力濾波器

無(wú)源電力濾波器通過(guò)電感與電容串聯(lián)，使其在某次諧波的頻率處產(chǎn)生諧振，相應(yīng)的諧振阻抗很小，從而使該次諧波注入濾波器，達(dá)到濾除諧波的目的。

工程上實(shí)用的無(wú)源濾波器一般由一組或數(shù)組單調(diào)諧濾波器組成，每組單調(diào)諧濾波器調(diào)諧于需要濾除的諧波頻次上或者諧波頻次附近，當(dāng)需要濾除更高頻次的諧波電流而幅值較小時(shí)可以再加一組高通濾波器。

無(wú)源濾波裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便，在工程上得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于無(wú)源濾波器同時(shí)也是無(wú)功補(bǔ)償電容器，因此有其自身不可避免的缺點(diǎn)，如體積較大，難以協(xié)調(diào)調(diào)壓和濾波要求，濾波效果易受濾波元件或系統(tǒng)參數(shù)以及電網(wǎng)頻次變化的影響。當(dāng)諧波源容量增大時(shí)，濾波器的負(fù)擔(dān)加重，難以保證安全運(yùn)行。

因此在無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合實(shí)際中出現(xiàn)的問(wèn)題，采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案和校驗(yàn)措施，充分考慮諸如頻次偏移、系統(tǒng)與濾波器諧振、環(huán)境變化對(duì)濾波器的影響等可能出現(xiàn)的問(wèn)題，盡力完善優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的前提下，盡可能減小投資，減小諧波危害，提高系統(tǒng)電能質(zhì)量。

3.2 有源電力濾波器（APF）

APF是一種能有效抑制諧波污染的主動(dòng)式補(bǔ)償裝置，APF可以按系統(tǒng)構(gòu)成分為并聯(lián)型有源濾波器、串聯(lián)型有源濾波器。

圖1 并聯(lián)型有源濾波器

a）并聯(lián)型有源濾波器主接線方式如圖1所示。這種裝置相當(dāng)于諧波電流發(fā)生器，通過(guò)不同的控制方式還可以對(duì)無(wú)功以及負(fù)序分量進(jìn)行補(bǔ)償，可直接并聯(lián)安裝在公共連接母線，方便對(duì)分散諧波源的集中補(bǔ)償。但由于逆變橋直接承受基波電源電壓，因此并聯(lián)型APF對(duì)開(kāi)關(guān)器件的電壓等級(jí)要求比較高。

b）串聯(lián)型有源濾波器的主接線方式如圖2所示。這種裝置相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源，通過(guò)產(chǎn)生與負(fù)荷諧波電流成線性關(guān)系的電壓來(lái)模擬一個(gè)對(duì)基波電流呈現(xiàn)零阻值、對(duì)諧波電流呈現(xiàn)高阻值的可控阻抗。這種結(jié)構(gòu)中逆變橋不必承受基波電源電壓，但是其不能實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償，功能比較單一。由于其必須串聯(lián)在母線與諧波負(fù)荷之間，所以其安裝比較復(fù)雜，一般用于對(duì)大容量的諧波負(fù)荷進(jìn)行單獨(dú)補(bǔ)償。如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)諧波負(fù)荷的集中補(bǔ)償，則串聯(lián)APF必須串聯(lián)于公共連接點(diǎn)之前，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的可靠性有比較大的影響。

圖2 串聯(lián)型有源濾波器

在實(shí)際工程中，并聯(lián)型APF應(yīng)用較多。并聯(lián)型APF通過(guò)向電網(wǎng)注入與負(fù)載中諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，從而將電源側(cè)電流補(bǔ)償為正弦波。與無(wú)源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性，可對(duì)頻率和大小都變化的諧波及無(wú)功電流進(jìn)行補(bǔ)償；受電網(wǎng)阻抗的影響較小，不易和電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振；可以跟蹤電網(wǎng)頻率的變化，補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響。

［1］ 吳競(jìng)昌，孫樹(shù)勤.供電系統(tǒng)諧波［M］.北京：中國(guó)電力出版社，1998.

［2］ 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ)償［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.