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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(lì)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(shí)，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(shí)，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：

電弧加熱設(shè)備：如電弧爐、電焊機(jī)等。

交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車、電解、電鍍等。

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

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：

1、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，由于電弧加熱設(shè)備量少，電焊機(jī)應(yīng)用的同時(shí)率就更小了，對整個(gè)電網(wǎng)的影響比較小，但發(fā)現(xiàn)當(dāng)在燒電焊時(shí)，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。

2、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(gè)閥電壓，在小于閥電壓時(shí)，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。

3、交流整流再逆變用電設(shè)備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設(shè)備一樣，它在直流逆變成交流時(shí)又有逆變波形反射到交流電流，這類設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。

雖然這類設(shè)備單臺容量比上述兩類設(shè)備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是推廣使用的技術(shù)手段，因此它的諧波污染應(yīng)引起足夠關(guān)注。

4、開關(guān)電源設(shè)備應(yīng)用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關(guān)管控制變壓器初級電流的開通和關(guān)閉，從而在變壓器二次側(cè)感應(yīng)出電流，供給用電設(shè)備。此外，開關(guān)電源的頻率比較高一般在40kHz左右，不僅在整流時(shí)產(chǎn)生諧波，而且在開關(guān)管開閉時(shí)，反射40kHz左右的波至電源。這類用電設(shè)備同樣是單臺容量不大，但它是應(yīng)用面廣、量大的非線性用電設(shè)備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會通過配變污染到10kV電網(wǎng)。

高次諧波的產(chǎn)生原因？

隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種新型用電設(shè)備越來越多地問世和使用，高次諧波的影響越來越嚴(yán)重。電力系統(tǒng)受到諧波污染后，輕則影響系統(tǒng)的運(yùn)行效率；重則損壞設(shè)備以至危害電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

諧波產(chǎn)生的主要由以下兩大因素造成：

1. 可控硅整流裝置和調(diào)壓裝置等的廣泛使用，晶閘管在大量家用電器中的普通采用，以及各種非線性負(fù)荷的增加導(dǎo)致波形畸變。

2. 設(shè)備設(shè)計(jì)思想的改變。過去傾向于采用在額定情況以下工作或余量較大的設(shè)計(jì)?，F(xiàn)在為了競爭，對電工設(shè)備傾向于采用在臨界情況下的設(shè)計(jì)。例如，有些設(shè)計(jì)為了節(jié)省材料使磁性材料工作在磁化曲線的深飽和區(qū)段，而在這些區(qū)段內(nèi)運(yùn)行會導(dǎo)致激磁材料波形嚴(yán)重畸變。

高次諧波的抑制？

高次諧波的抑制，主要是減少或消除注入電網(wǎng)的諧波電流，控制諧波電壓和電流在允許范圍內(nèi)，抑制諧波電流的主要措施為：改善供電環(huán)境、降低諧波源的諧波含量，吸收諧波電流。其中吸收諧波電流是目前使用廣泛，且是有效的抑制諧波的方法。常見的方法如下：

1、無源濾波器（FC）

無源濾波器屬于被動的吸收式濾波，在諧波比較簡單的系統(tǒng)中，結(jié)合功率因數(shù)補(bǔ)償，選用高性能的濾波電容器，串聯(lián)高線性的濾波電抗器，組合成濾波補(bǔ)償器，在吸收系統(tǒng)中主要的諧波分量時(shí)，補(bǔ)償無功功率。

無源濾波又分為調(diào)諧和非調(diào)諧的兩種濾波技術(shù)，調(diào)諧式無源濾波技術(shù)主要為濾波，其效率可達(dá)70%，但配置的容量很大，投入時(shí)會造成電壓波動，且易造成過補(bǔ)償。其計(jì)算和配置復(fù)雜，存在諧振的危險(xiǎn)，無法滿足要求。目前已不使用。

非調(diào)諧式無源濾波技術(shù)是抑制諧波進(jìn)入電容器，避免諧振。其配置簡單，但濾波效果差。

2、有源濾波器（APF）

有源濾波器屬于動態(tài)消除濾波，一般用于重要負(fù)荷場所，根據(jù)用電設(shè)備對諧波的敏感程度，為達(dá)到較好的濾波效果，配置動態(tài)有源濾波器。有源濾波器是采用開關(guān)元件，通過數(shù)字信號處理和脈寬調(diào)制技術(shù)，根據(jù)檢測到的諧波分量，產(chǎn)生一個(gè)幅值相等、相位相反的電流，在諧波源出注入系統(tǒng)，使電源的總諧波為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。與無源濾波器相比，該技術(shù)對清除諧波效果大，可濾除97%以上的諧波電流，其濾波特性不受系統(tǒng)阻抗影響，可清除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)，不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變、補(bǔ)償無功。有一機(jī)多能的特點(diǎn)。該技術(shù)不存在導(dǎo)致過補(bǔ)償和引起電壓波動的問題，具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化中的諧波。

【高次諧波的產(chǎn)生原因和抑制 引用摘錄 諧波的危害與抑制 馬訓(xùn)福 張群】

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