时间：2013-11-29 分类：水力
摘要：在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。随着电力电子设备在电力系统中的广泛应用，谐波问题逐渐被人们认识和了解，因此对其产生的原因、危害与影响的机理以及综合治理的实施等方面的探索也在不断深入。本文在对电力系统谐波的特性和来源进行详细分析的基础上，提出了几点有利于控制电力系统谐波的对策，对于研究电力系统谐波控制的相关问题具有一定的指导价值。
关键词：电力系统;谐波;控制
引言
近年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。随着电力电子技术的迅速发展，特别是电气化铁路机车、电炉炼钢、多相可控硅整流、电机变频调速、空调设备等家电的广泛应用，系统谐波成份也越来越复杂，谐波对电力系统带来的危害十分严重，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。此外，由于电气设备越来越多地采用了高效节能新技术，同时出现的非线性负荷，也产生了大量的谐波电流。因此，对谐波的研究以及如何抑制、治理谐波成为了一个具有重要意义的社会课题。基于上述背景，本文就电力系统谐波的控制方法做一点初浅的探讨。
一、电力系统谐波的特性
近年来，全世界科技界普遍关注被称为世界性的两大问题，即能源和环境。电力工业是一个生产最佳能源产品的大系统。如何符合用电负载需求进行有效的能量转换，确已成为当今电力系统日益关注的焦点。而原有的传统的电能形态，在电能的合理有效使用上，受到了很大的约束和限制。采用电力电子装置等高技术，在高效使用电能上已越来越多地被人们所认识。然而，电力电子装置的使用，出现的谐波问题反过来又使得换流电路的功率因数下降，造成效率降低，与合理有效使用能源相悖。目前，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。
在传统电力系统中，正弦波形被畸变的现象早已存在，由于其功率相对不大，因而危害并不明显。可是现代电力系统对电能形态提出了新的要求，具体表现为借助电力电子装置引入功率变换技术，对功率电子的流动进行通断控制，以满足用户对频率、电压、电流及波形的要求。国内有专家统计，我国目前电能的30是经过各类功率变换后供用户使用的。但是，供电电源与用电设备间的非线性接口电路，在实现功率控制和处理的同时，所有电力电子装置都不可避免地会产生非正弦波形，向电网注入谐波电流，使公共连接点的电压波形严重畸变，产生很强的电磁干扰。并且随着功率变换装置容量的不断增大、使用数量的迅速上升和控制方式的多样性等，电力电子装置的潜在负作用日益突出。
谐波问题是随电力电子技术的出现而相伴产生的。谐波会使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。同时，谐波的负作用带来了电气环境的一大公害，即谐波污染。这与世界性的自然环境问题相类同，而且其影响面更大，距离更远。谐波的污染与危害主要表现在对电力与信号的干扰和影响上：在电力危害方面，影响旋转电机等的附加谐波损耗，使其发热，缩短使用寿命;谐波谐振过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏;使原来的电能测量定义和方法不适应。在信号干扰方面，信系统产生电磁干扰，使电话通讯质量下降;造成重要的敏感的自动控制与保护装置工作紊乱;影响功率处理器的正常运行。
二、电力系统谐波产生的来源
在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。当电力系统向非线性设备及负荷供电时，这些设备或负荷在传递、变换、吸收系统所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量向系统倒送，使系统的正弦波形畸变，由于负载与整个网络相连接，这样畸变电流就可以流人到电网中，这样的负载就成了电力系统中的谐波源。
从类别上看，电力系统的谐波源主要有三大类，主要包括：(1)铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性。(2)电子开关型：主要为各种交直流换流装置以及双向晶闸管可控开关设备等。(3)电弧型：各种冶炼电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的波动。其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性。#p#分页标题#e#
从来源上看，电力网中的谐波有多种来源，在电力的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。具体来说，主要有以下几种：
(1)用电设备产生的谐波。系统中的各种非线性用电设备如：换流设备、调压装置、电气化铁道、电弧炉、荧光灯、家用电器以及各种电子节能控制设备等是电力系统谐波的主要来源。这些设备的谐波含量决定于它本身的特性和工作状况，基本上与电力系统参数无关，可视为谐波恒流源。如变频装置：变频装置常用于风机、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，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，对电网造成的谐波也越来越多。
(2)供电系统本身存在的非线性元件是谐波的又一来源。这些非线性元件主要有变压器激磁支路、交直流换流站的可控硅控制元件、可控硅控制的电容器、电抗器组等。如荧光灯、家用电器等的单个容量不大，但数量很大且散布于各处，电力部门又难以管理的用电设备。如果这些设备的电流谐波含量过大，则会对电力系统造成严重影响，对该类设备的电流谐波含量，在制造时即应限制在一定的数量范围之内。如各种铁芯设备，如变压器、电抗器等，其铁芯饱和特性呈非线性。如电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。
以上这些电气设备的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们只有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压、电流特性，使得流过电网的电流是非正弦波形的，这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，即产生的谐波，使电网电压严重失真。谐波对电网的影响主要体现在：
(1)谐波对旋转设备和变压器的主要危害是引起附加损耗和发热增加，还会引起旋转设备和变压器振动并发出噪声，长时间的振动会造成机械损坏。
(2)谐波可引起系统的电感、电容发生谐振，使谐波放大。当谐波引起系统谐振时，谐波电压升高，谐波电流增大，引起继电保护及自动装置误动，损坏系统设备，威胁电力系统的安全运行。
(3)谐波可干扰通信设备，增加电力系统的功率损耗，使无功补偿设备不能正常运行等，给系统和用户带来危害。
三、电力系统谐波的控制对策
谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题。它不但与供电部门有关而且还关系到广大用户和电器设备制造厂的切身利益。鉴于谐波存在多方面的危害，根据国家对谐波污染的治理要求，采取必要而有效措施，避免或补偿已产生的谐波尤为重要。笔者认为，在电力系统中，为减少供电系统的谐波问题，可以采取以下方式消除或抑制谐波：
(一)通过测量和计算谐波源进行控制
对电力系统的谐波进行管理与治理时，首先应弄清电力系统中的谐波源和谐波的分布状态。对于已知的谐波源，通过测量和计算，如在谐波标准允许的范围内，才能接入电网，接入电网后还要继续监控;对没有达到允许谐波标准的谐波源要采取治理措施，防治谐波在系统的扩散分布。如果系统中某些谐波源是未知的，需要在系统中的某些点测量谐波，这涉及到谐波状态估计与谐波潮流分布计算问题。谐波计算的目的是估计谐波源接入电网后的影响，以及谐波源接入电网时需要采取的措施。在有多个谐波源的情况下，应采用计算机来计算谐波潮流，才能算出电力系统各结点的电压波形畸变值及相关支路的谐波分布。对简单局部的配电网，可估算，特别要注意校验是否会产生谐波放大和谐振。
(二)对电力系统谐波进行综合性治理
如果谐波源注入电网的谐波电流或系统的谐波电压波形畸变率超过标准的规定值，应采取综合性的管理和治理措施，主要包括：(1)考虑减少谐波源的谐波含量。如对各种大型换流装置，应根据具体情况增加换流装置的相数或脉冲数，减少谐波电流的产生。(2)在一些大型谐波源附近，采用交流滤波装置，吸收谐波电流。(3)增大谐波源母线处的相对短路容量，降低系统的谐波阻抗，减少母线谐波电压。(4)加强对电力系统运行的实时控制，避免轻负荷、高电压的运行状态，减少谐波电压过高，对系统电气设备的影响。(5)在设计和运行中，应注意避开并联电容器与系统感抗的谐振。(6)设置谐波监测点，测量电网中的谐波潮流。(7)在电网及电气设备出现异常情况时，要进行谐波检测分析，如属谐波造成的，则应采取措施，予以消除。
(三)加强对电力系统用户端谐波的管理
毋庸置疑，用电用户产生的谐波对电网影响也最大，因此必须加强对用户的管理：首先，要加大对谐波的危害性和治理方面的宣传，使用户深刻认识谐波治理的重要性，谐波治理是是保证电网和设备安全稳定运行的举措。同时要制定一些制度，明确各个部门在谐波管理中的职责、相应的操作规程、规范对谐波的管理。其次，要加大用电检查力度，对于已运行的电能质量污染源用户进行补立档案，本着\"谁干扰，谁污染，谁治理\"的原则，进行谐波源当地治理。同时安装电能质量在线监测仪，并定期进行监测，保证电网电能质量和电网安全运行。最后，当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。#p#分页标题#e#
(四)进一步改善电力系统的供电环境
对于供电系统来说，谐波的产生不可避免，但通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施都可以提高电网抗谐波的能力。选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。同时，加大供电系统短路容量、提高供电电压等级、增大供电设备容量、尽可能保持三相电压平衡能提高电网承受能力。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。
四、总结
综上所述，随着现代信息技术，计算机技术和电子技术的发展，谐波问题已越来越引起用户和供电部门的重视。谐波问题是复杂的，要解决供电系统中的谐波问题，必须要多方面共同努力，通过制定相关政策、健全相关制度和技术创新，一定可以把谐波控制在较微小的范围内，从而保证电网和电力设备的安全运行，杜绝因谐波造成的电力安全事故。此外，要消除谐波污染，除了大力发展高效的滤波措施外，还必须在设计、制造和使用非线性负载时，采取有力的抑制谐波的措施，减少谐波侵入电网，从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失。随着谐波抑制技术的进一步发展和对高效利用能源要求的增强，谐波治理问题最终将会得到妥善的解决。
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