摘要：近年來，隨著各種電力電子設(shè)備的迅速普及以及大量非線性負(fù)載的廣泛使用，使得電力系統(tǒng)諧波對公用電網(wǎng)造成的污染日趨嚴(yán)重。電力諧波不僅引起了電能質(zhì)量的下降，而且嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全運(yùn)行，因此對電網(wǎng)諧波的檢測與分析具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

　　關(guān)鍵詞：電力諧波;電力電子設(shè)備;數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

　　一、 電網(wǎng)諧波來源

　　1、電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波：發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，電源多少也會產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。

　　2、輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波：輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設(shè)計變壓器時考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達(dá)額定電流0.5%。

　　二、諧波研究的意義

　　諧波的危害十分嚴(yán)重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

　　三、電力系統(tǒng)中諧波的來源

　　電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設(shè)備，也就是說來自發(fā)電設(shè)備和用電設(shè)備。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的電壓波形不可能是一點(diǎn)不失真的正弦波。目前我國應(yīng)用的發(fā)電機(jī)有兩大類：隱極機(jī)和凸極機(jī)。隱極機(jī)多用于汽輪發(fā)電機(jī)，凸極機(jī)多用于水輪發(fā)電機(jī)。

　　對于諧波分量而言，隱極機(jī)優(yōu)于凸極機(jī)，但隨著科技進(jìn)步，可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入，使發(fā)電機(jī)的諧波分量有所上升。當(dāng)發(fā)電機(jī)的端電壓高于額定電壓的10%以上時，由于電機(jī)的磁飽和，會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側(cè)電壓超過額定電壓10%以上時，也會使二次側(cè)電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在±7%以下，所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量都比較小，比國家的考核標(biāo)準(zhǔn)低的多，因此發(fā)電、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質(zhì)量的主要矛盾。

　　為此，影響電網(wǎng)電壓波形質(zhì)量的主要矛盾是非線性用電設(shè)備，也就是說非線性用電設(shè)備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類：

　　1、電弧加熱設(shè)備：如電弧爐、電焊機(jī)等。

　　2、交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車、電解、電鍍等。

　　3、交流整流再逆變用電設(shè)備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。

　　4、開關(guān)電源設(shè)備：如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子整流器等。

　　這些用電設(shè)備都是非線性用電設(shè)備，但它們產(chǎn)生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：

　　電弧加熱設(shè)備是由于電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性。

　　此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設(shè)備對電網(wǎng)的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實(shí)電焊機(jī)在上世紀(jì)四、五十年代已廣泛應(yīng)用。由于當(dāng)時電弧加熱設(shè)備量少，電焊機(jī)應(yīng)用的同時率就更小了，對整個電網(wǎng)的影響比較小，但在當(dāng)時已發(fā)現(xiàn)在燒電焊時，局部低壓電網(wǎng)的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。

　　交流整流直流用電設(shè)備的諧波產(chǎn)生的原因是由于整流設(shè)備有一個閥電壓，在小于閥電壓時，電流為零。這類用電設(shè)備為了提供平穩(wěn)的直流電源，在整流設(shè)備中加入了儲能元件(濾波電容和濾波電感)，從而使閥電壓提高，加激了諧波的產(chǎn)生量。為了控制直流用電設(shè)備的電壓和電流，在整流設(shè)備中應(yīng)用了可控硅，這使得該類設(shè)備的諧波污染更嚴(yán)重，而且諧波的次數(shù)比較低。

　　四、諧波現(xiàn)狀淺析

　　通過對市場的常用電器的諧波狀況的測試，我們了解到目前我國內(nèi)工業(yè)企業(yè)的諧波污染十分嚴(yán)重，尤其是早些年為了節(jié)能，引入的變頻電源和直流用電器的投入，其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%，這對于小功率的用戶而言，還不怎樣，但對于大功率的用戶來說，危害就很大了，對于中頻爐用戶，它用常規(guī)的無功補(bǔ)償就無法進(jìn)行，有的用戶用常規(guī)的電容器無功補(bǔ)償，無法投入電容器，有的即便投入了，也對5次諧波電流放大了1.8~3.8倍以上，使得電動機(jī)、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加，縮短了設(shè)備的使用壽命，多交了電費(fèi)。

　　五、目前國內(nèi)對諧波污染的治理

　　(一)諧波的治理主要采用無源濾波裝置和有源濾波器。

　　1、無源濾波裝置。主要采用LC回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的設(shè)定，只能針對于某一次諧波，即針對于某一個頻率為低阻抗，使得該頻率流經(jīng)為其設(shè)定的LC回路，達(dá)到消除(濾除)某一頻率的諧波的目的。LC回路在濾除諧波的同時，在基波對系統(tǒng)進(jìn)行無功補(bǔ)償。這種濾波裝置簡單，成本低，但不能濾除干凈。其主要元件為投切開關(guān)、電容器、電抗器以及保護(hù)和控制回路。

　　2、有源電力濾波器。這種濾波器是用電力電子元件產(chǎn)生一個大小相等，但方向相反的諧波電流，用以抵銷網(wǎng)絡(luò)中的諧波電流，這種裝置的主要元件是大功率電力電子器件，成本高，在其額定功率范圍內(nèi)，原則上能全部濾除干凈。

　　(二)諧波治理的方法

　　前常用的諧波治理的方法無外乎有二種，無源濾波和有源濾波。下面就談?wù)勥@二種方法的優(yōu)缺點(diǎn)以及市場前景及其經(jīng)濟(jì)效益的分析。

　　1、無源諧波濾除裝置。無源濾波的主要結(jié)構(gòu)是用電抗器與電容器串聯(lián)起來，組成LC串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的諧振頻率設(shè)定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點(diǎn)上，達(dá)到濾除這3次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，如果諧振頻率設(shè)定得不好，會與系統(tǒng)產(chǎn)生諧振。現(xiàn)在，市場上流通較多的采取的濾波方法就是這一種，主要是因?yàn)榈统杀荆脩羧菀捉邮堋ｋm濾波的效果較差，只要滿足國家對諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)和電力部門對無功的要求就行了。由于其低成本，市場的需求也就大，一般而言，低壓0.4KV系統(tǒng)大多數(shù)采用無源濾波方式，高壓10KV幾乎都是采用這種方式對諧波進(jìn)行治理。由于我國的中小企業(yè)大多數(shù)是私有的，業(yè)主對諧波的危害認(rèn)識不足，一般不愿意拿出大量的經(jīng)費(fèi)來治理諧波，而有的企業(yè)由于諧波的含量太大，常規(guī)的無功補(bǔ)償不能湊效，供電部門對無功的要求又是十分嚴(yán)格的，達(dá)不到就要罰款。因此，業(yè)主不得不要求濾波。因而，其市場的前景可觀，經(jīng)濟(jì)效益也就可觀了。

　　2、有源諧波濾除裝置。有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率范圍內(nèi)，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產(chǎn)生一個和系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發(fā)展限制，成本極高，其制作也較之無源濾波裝置復(fù)雜得多，成本也就高得多了。其主要的應(yīng)用范圍是計算機(jī)控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，尤其是寫字樓的供電系統(tǒng)，工廠的計算機(jī)控制供電系統(tǒng)。對單臺的裝置而言，其利潤是可觀的，但用戶一般不愿意用有源濾波，對于諧波的含量，不必濾得太干凈，只要不危害其他用電器也就可以了。

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