高次諧波危害及一種有效的諧波抑制方案分析

　　在電力電網中，存在大量非線性負載,引起電網電流波形不再是正弦波。這一非正弦波可用傅里葉級數分解成為一個直流量，基波正弦量和一系列頻率為基波頻率整數倍的高次諧波正弦分量之和。對目前三相交流發電機組發出的電壓而言，認為基波為正弦波，即波形中基本無直流量和高次諧波分量。但由于電力系統中存在著各式各樣的諧波源，使得高次諧波的干擾成了當前電力系統中影響電能質量的一大“公害”，各國對電力電網電壓正弦波形畸變的極限值都有明確的規定，要求用戶對接入電網的設備產生的諧波應采取一定措施，進行抑制。
　　
　　1、高次諧波產生的原因及其對電網的危害
　　
　　高次諧波產生的原因主要是由于電力系統中存在非性線元件及負載產生的。如：電容性負載、感性負載及開關變流設備，諸如計算機及外設、電動機、整流裝置等。由于其為儲能元件或變流裝置，故使電壓、電流波形發生畸變，見圖1。　　　　
　　高次諧波電流通過變壓器，可使變壓器的鐵芯損耗明顯增加，從而變壓器出現過熱，效率降低，縮短變壓器的壽命。高次諧波對電網的影響也是如此，電纜內耗加大，電纜發熱，縮短電纜的使用壽命；對電動機影響更大，不僅損耗增加，還會使電動機轉子振動；而高次諧波對電容的影響更為突出，含有高次諧波的電壓加至電容兩端時，由于電容器對高次諧波的阻抗很小，所以電容器很容易發生過負荷導致損壞。高次諧波的干擾，往往還會導致供電空氣開關誤動作，造成電網停電，嚴重影響用電設備的正常工作。同時，高次諧波對通訊設備也產生干擾信號。
　　
　　對于電容負載：ZC=1/2πfC
　　
　　當f=n×50（n=2、3……）中n很大時，由上式可見ZC很小。
　　
　　2、高次諧波的抑制方式
　　
　　（1）三相整流變壓器采用Y△或△Y，這樣聯接可以消除3的整數倍的高次諧波，電網中的諧波電流只有5、7、11、13等奇次諧波。
　　
　　（2）增加整流變壓器二次側的相數。整流變壓器二次側的相數越多，整流波形的脈波數越多，奇數低的諧波被消去的也越多。
　　
　　（3）裝設分流濾波器，分流濾波器是由R、C、L等元件組成的。串聯諧振電路一般采取三相星形聯接，它往往接在大型整流設備與電網的聯接處，見圖2。　　　　
　　（4）裝靜止無功補償裝置
　　
　　上述四種抑制方式盡管對電網的凈化起了一定的作用，但它都有很大的局限性，不能對諧波全面管理或僅僅局限在很小的范圍之內。這些方式都是被動的，不能隨諧波變化而變化。
　　
　　3、一種新的諧波抑制方案
　　
　　隨著科技的發展對諧波的抑制提出了新的設想，
　　
　　它克服了以往濾波器僅固定在某些諧波頻段,它采用如圖3的拓撲類型。它對非線性負載產生的諧波進行采樣、分析、建立頻譜圖，以此頻譜圖為依據向電網側送一個與非線性負載產生的諧波相反的諧波，從而達到諧波抑制的效果。　　　　
　　據此原理推出了有源諧波調節器（ACTIVEHARMONICCONDITIONER）它能將2～25次諧波有效地抑制。可根據電網的情況調整電壓與電流波形的相位角，修正電流波形，提高功率因數，有效地抑制諧波干擾。它的工作原理見圖4。　　　　
　　有源諧波調節器具有友好的用戶界面，通過對話窗進行現場設置，真實地將用戶現場實際狀態反饋至有源諧波調節器中，讓其通過采樣拾取器實時捕捉諧波，全面有效地抑制電網中的諧波。該調節器還具有標準的RS232接口，可方便地將諧波信息與實時計算機通訊。　　　　圖5帶有非線性負載（計算機等）的輸入電流波形
　　
　　圖5為非線性負載經有源諧波調節器調節前（a）與調節后（b）的輸入電流波形比較。可以看出，這種有源諧波調節器將大大抑制諧波，提高了功率因數，同時大大地減小損耗，大大地節約了能源，保障了電網線路的安全。利用該諧波調節器可全面解決電網造成的損失。