電力系統諧波檢測和治理論文
電力系統諧波檢測和治理論文
摘要：目前電力系統諧波危害已經引起了各個部門的關注，為了整個供電系統的供電質量，必須對諧波進行有效的檢測和治理。
關鍵字：電力諧波檢測治理
前言
隨著我國工業化程序的迅猛發展，電網裝機容量不斷加大，電網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，造成正弦波畸變，電能質量下降，不但對電力系統的一些重要裝置產生重大影響，對廣大使用者也產生了嚴重危害。目前，諧波與電磁干擾、功率因數降低被列為電力系統的三大公害，因而瞭解諧波產生的機理，研究和清除供配電系統中的高次諧波，對改於供電質量、確保電力系統安全、經濟執行都有著十分重要的意義。
一、電力系統諧波危害
①諧波會使公用電網中的電力裝置產生附加的損耗，降低了發電、輸電及用電裝置的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，嚴重的甚至可能引發火災。
②諧波會影響電氣裝置的正常工作，使電機產生機械振動和噪聲等故障，變壓器區域性嚴重過熱，電容器、電纜等裝置過熱，絕緣部分老化、變質，裝置壽命縮減，直至最終損壞。
③諧波會引起電網諧振，可能將諧波電流放大幾倍甚至數十倍，會對系統構成重大威脅，特別是對電容器和與之串聯的電抗器，電網諧振常會使之燒燬。
④諧波會導致繼電保護和自動裝置誤動作，造成不必要的供電中斷和損失。
⑤諧波會使電氣測量儀表計量不準確，產生計量誤差，給供電部門或電力使用者帶來直接的經濟損失。
⑥諧波會對裝置附近的通訊系統產生干擾，輕則產生噪聲，降低通訊質量;重則導致資訊丟失，使通訊系統無法正常工作。
⑦諧波會干擾計算機系統等電子裝置的正常工作，造成資料丟失或宕機。
⑧諧波會影響無線電發射系統、雷達系統、核磁共振等裝置的工作效能，造成噪聲干擾和影象紊亂。
二、諧波檢測方法
1.類比電路
消除諧波的方法很多，即有主動型，又有被動型；既有無源的，也有有源的，還有混合型的，目前較為先進的`是採用有源電力濾波器。但由於其檢測環節多采用類比電路，因而造價較高，且由於模擬帶通濾波器對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，嚴重影響了有源濾波器的控制性能。近年來，人工神經網路的研究取得了較大進展，由於神經元有自適應和自學習能力，且結構簡單，輸入輸出關係明瞭，因此可用神經元替代自適應濾波器，再用一對與基波頻率相同，相位相差90度的正弦向量作為神經元的輸入。由神經元先得到基波電流，然後檢測出應補償的電流，從而完成諧波電流的檢測。但人工神經網路的硬體目前還是一個比較薄弱的環節，限制了其應用範圍。
2.傅立葉變換
利用傅立葉變換可在數字域進行諧波檢測，電力系統的諧波分析，目前大都是透過該方法實現的，離散傅立葉變換所需要處理的是經過取樣和A/D轉換得到的數字訊號，設待測訊號為x(t)，取樣間隔為t秒，取樣頻率=1/t滿足取樣定理，即大於訊號最高頻率分量的2倍，則取樣訊號為x(nt)，並且取樣訊號總是有限長度的，即n=0，1……N-1。這相當於對無限長的訊號做了截斷，因而造成了傅立葉變換的洩露現象，產生誤差。此外，對於離散傅立葉變換來說，如果不是整數週期取樣，那麼即使訊號只含有單一頻率，離散傅立葉變換也不可能求出訊號的準確引數，因而出現柵欄效應。透過加窗可以減小洩露現象的影響。
3.小波變換
小波變換已廣泛應用於訊號分析、語音識別與合成、自動控制、圖象處理與分析等領域。電力諧波是由各種頻率成分合成的、隨機的、出現和消失都非常突然的訊號，在應用離散傅立葉變換進行處理受到侷限的情況下，可充分發揮小波變換的優勢。即對諧波取樣離散後，利用小波變換對數字訊號進行處理，從而實現對諧波的精確測定。小波可以看作是一個雙窗函式，對一訊號進行小波變換相當於從這一時頻窗內的資訊提取訊號。對於檢測高頻資訊，時窗變窄，可對訊號的高頻分量做細緻的觀測；對於分析低頻資訊，這時時窗自動變寬，可對訊號的低頻分量做概貌分析。所以小波變換具有自動“調焦”性。其次，小波變換是按頻帶而不是按頻點的方式處理頻域資訊，因此訊號頻率的微小波動不會對處理產生很大的影響，並不要求對訊號進行整週期取樣。另外，由小波變換的時間區域性可知，在訊號的局部發生波動時，不會象傅立葉變換那樣把影響擴散到整個頻譜，而只改變當時一小段時間的頻譜分佈，因此，採用小波變換可以跟蹤時變和暫態訊號。
三、電力系統諧波治理
限於篇幅問題，本文在此只介紹基於改造諧波源本身的諧波抑制方法，基於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整流的相數
對於帶有整流元件的裝置，儘量增加整流的相數或脈動數，可以較好地消除低次特徵諧波，該措施可減少諧波源產生的諧波含量，一般在工程設計中予以考慮。因為整流器是供電系統中的主要諧波源之一，其在交流側所產生的高次諧波為tK1次諧波，即整流裝置從6脈動諧波次數為n=6K1，如果增加到12脈動時，其諧波次數為n=12K1(其中K為正整數)，這樣就可以消除5、7等次諧波，因此增加整流的相數或脈動數，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現，但是在實際應用中的投資過大，在技術上對消除諧波並不十分有效，該方法多用於大容量的整流裝置負載。
(2)整流變壓器採用Y/或/Y接線
該方法可抑制3的倍數次的高次諧波，以整流變壓器採用/Y接線形式為例說明其原理，當高次諧波電流從閘流體反串到變壓器副邊繞組內時，其中3的倍數次高次諧波電流無路可通，所以自然就被抑制而不存在。但將導致鐵心內出現3的倍數次高次諧波磁通(三相相位一致)，而該磁通將在變壓器原邊繞組內產生3的倍數次高次諧波電動勢，從而產生3的倍數次的高次諧波電流。因為它們相位一致，只能在形繞組內產生環流，將能量消耗在繞組的電阻中，故原邊繞組端子上不會出現3的倍數次的高次諧波電動勢。從以上分析可以看出，三相閘流體整流裝置的整流變壓器採用這種接線形式時，諧波源產生的3n(n是正整數)次諧波激磁電流在接線繞組內形成環流，不致使諧波注入公共電網。這種接線形式的優點是可以自然消除3的整數倍次的諧波，是抑制高次諧波的最基本方法，該方法也多用於大容量的整流裝置負載。
(3)儘量選用高功率因數的整流器
採用整流器的多重化來減少諧波是一種傳統方法，用該方法構成的整流器還不足以稱之為高功率因數整流器。高功率因數整流器是一種透過對整流器本身進行改造，使其儘量不產生諧波，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變流器(UPFC)。該方法只能在裝置設計過程中加以注意，從而得到實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，即將多個方波疊加，以消除次數較低的諧波，從而得到接近正弦波的階梯波。重數越多，波形越接近正弦波，但其電路也越複雜，因此該方法一般只用於大容量場合。另外，該方法不僅可以減少交流輸入電流的諧波，同時也可以減少直流輸出電壓中的諧波幅值，並提高紋波頻率。如果把上述方法與PWM技術配合使用，則會產生很好的諧波抑制效果。該方法用於橋式整流電路中，以減少輸入電流的諧波。
當然，除了基於改造諧波源本身的諧波抑制方法，還有基於諧波補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、裝設靜止無功補償裝置(SVC)等等，在此就不再詳細論述。
隨著現代資訊科技，計算機技術和電子技術的發展，電能質量問題已越來越引起使用者和供電部門的重視。應用先進的電能質量測試儀器不僅能大大提高電能質量的監測
與治理水平，同時還可建立先進可靠的電能質量監測網路，及時分析和反映電網的電能質量水平，找出電網中造成電能質量諧波及故障的原因，採取相應的措施，為保證電網的安全、穩定、經濟執行提供重要的保障。
參考文獻：
電能質量－公用電網諧波 GB／T14549-1993[J]
呂潤餘．電力系統高次諧波．[M]．北京：中國電力出版社，1998
陳偉華．電磁相容實用手冊．北京：機械工業出版社，1998