高次諧波的危害和治理辦法

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻器在電力電子系統(tǒng)、工業(yè)等諸多領(lǐng)域中的應(yīng)用日益廣泛，變頻器產(chǎn)生的高次諧波對公用電網(wǎng)產(chǎn)生的危害也日益嚴(yán)重。

　　高次諧波的危害

　　1）使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線會使線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)；

　　2）影響各種電器設(shè)備的正常工作，使電機發(fā)生機械振動、噪聲和過熱，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱，使絕緣老化，壽命縮短以至損壞；

　　3）引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，引起嚴(yán)重事故；

　　4）對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作；

　　5）導(dǎo)致繼電保護和自動裝置的誤動作，并使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確。

　　由于公用電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流對用電設(shè)備和電網(wǎng)本身都造成很大的危害，世界許多國家多發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，由權(quán)威機構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。世界各國制定的諧波標(biāo)準(zhǔn)大都比較接近。我國由技術(shù)監(jiān)督局于1993年發(fā)布了國家標(biāo)準(zhǔn)（GB/T14549-93）《《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》》，并從1994年3月1日起開始實施。

　　變頻器的諧波

　　變頻器是工業(yè)調(diào)速傳動領(lǐng)域中應(yīng)用較為廣泛的設(shè)備之一。變頻器是把工頻（50HZ）變換成各種頻率的交流電源，以實現(xiàn)電機的變速運行的設(shè)備。其中控制電路完成對主電路的控制，整流電路將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，直流中間電路對整流電路的輸出進行平滑濾波，逆變電路將直流電再逆變成交流電。

　　由于變頻器逆變電路的開關(guān)特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載，因此，以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網(wǎng)中最主要的諧波源之一。

　　諧波是指對周期性非正弦交流量進行傅里葉級數(shù)分解所得到的大于基波頻率整數(shù)倍的各次分量，通常也稱為高次諧波，而基波是指其頻率與工頻相同的分量。

　　就電力系統(tǒng)中的三相交流發(fā)電機發(fā)出的電壓來說，可以認為其波形基本上是正弦量，即電壓波形基本上無直流和諧波分量。但由于電力系統(tǒng)中存在著各種各樣的諧波源（諧波源是指向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)中產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備），特別是變流裝置等設(shè)備。

　　其中，變頻器的輸入側(cè)產(chǎn)生諧波的機理是：凡是在電源側(cè)有整流回路的都產(chǎn)生因其非線性引起的諧波。而變頻器輸出側(cè)產(chǎn)生諧波的機理是：在逆變電路中，對于電壓型電路來說，輸出電壓是矩形波。對電流型電路來說，輸出電流是矩形波。矩形波中含有較多的諧波，對負載會產(chǎn)生不利影響，因此即使電力系統(tǒng)中電源的電壓是正弦波，也會由于非線性元件的存在使得電網(wǎng)中總有諧波電流或電壓的存在。因此，電網(wǎng)諧波的存在主要在于電力系統(tǒng)中存在各種非線性元件。

　　治理方法

　　目前諧波的治理可采用以下方法：

　?。?）變頻器的隔離、屏蔽、接地

　　變頻器系統(tǒng)的供電電源與其它設(shè)備的供電電源相互獨立；或在變頻器和其它用電設(shè)備的輸入側(cè)安裝隔離變壓器；或者將變頻器放入鐵箱內(nèi)，鐵箱外殼接地。同時變頻器輸出電源應(yīng)盡量遠離控制電纜敷設(shè)（不小于50mm間距），必須靠近敷設(shè)時盡量以正交角度跨越，必須平行敷設(shè)時盡量縮短平行段長度（不超過1mm），輸出電纜應(yīng)穿鋼管并將鋼管作電氣連通并可靠接地。

　　（2）加裝交流電抗器和直流電抗器

　　當(dāng)變頻器使用在配電變壓器容量大于500KVA，且變壓器容量大于變頻器容量的10倍以上，則在變頻器輸入側(cè)加裝交流電抗器。而當(dāng)配電變壓器輸出電壓三相不平衡，且不平衡率大于3%時，變頻器輸入電流峰值很大，會造成導(dǎo)線過熱，則此時需加裝交流電抗器。嚴(yán)重時則需加裝直流電抗器。

　?。?）加裝無源濾波器

　　將無源濾波器安裝在變頻器的交流側(cè)，無源濾波器由L、C、R元件構(gòu)成諧波共振回路，當(dāng)LC回路的諧波頻率和某一次高次諧波電流頻率相同時，即可阻止高次諧波流入電網(wǎng)。無源濾波器特點是投資少、頻率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便。無源濾波器缺點是濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響，對某些次諧波有放大的可能、耗費多、體積大。

　?。?）加裝有源濾波器

　　早在70年代初，日本學(xué)者就提出有源濾波器的概念，由源濾波器通過對電流中高次諧波進行檢測，根據(jù)檢測結(jié)果輸入與高次諧波成分具有相反相位電流，達到實時補償諧波電流的目的。與無源濾波器相比具有高度可控性和快速響應(yīng)性，有一機多能特點。且可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振危險。也可自動跟蹤補償變化的諧波。但存在容量大，價格高等特點。

　?。?）加裝無功功率靜止型無功補償裝置

　　對于大型沖擊性負荷，可裝設(shè)無功功率的靜止型無功補償裝置，以或得補償負荷快速變動的無功需求，改善功率因數(shù)，濾除系統(tǒng)諧波，減少向系統(tǒng)注入諧波電流，穩(wěn)定母線電壓，降低三相電壓不平衡度，提高供電系統(tǒng)承受諧波能力。而其中以自飽和電抗型（SR型）的效果最好，其電子元件少，可靠性高，反應(yīng)速度快，維護方便經(jīng)濟，且我國一般變壓器廠均能制造。

　?。?）線路分開

　　因電源系統(tǒng)內(nèi)有阻抗，所以諧波負荷電流將造成電壓波形的諧波電壓畸形。把產(chǎn)生諧波的負荷的供電線路和對諧波敏感的負荷供電線路分開，線性負荷和非線性負荷從同一電源接口點PCC開始由不同的電路饋電，使非線性負荷產(chǎn)生的畸變電壓不會傳導(dǎo)到線性負荷上去。

　?。?）電路的多重化、多元化

　　逆變單元的并聯(lián)多元化是采用2個或多個逆變單元并聯(lián)，通過波形移位疊加，抵消諧波分量；整流電路的多重化是采用12脈波、18脈波、24脈波整流，可降低諧波成分；功率單元的串聯(lián)多重化是采用多脈波（如30脈波的串聯(lián)），功率單元多重化線路也可降低諧波成分。此外還有新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的變形調(diào)制。

　?。?）變頻器的控制方式的完善

　　隨著電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò)等高新技術(shù)發(fā)展，變頻器控制方式有了以下發(fā)展：數(shù)字控制變頻器，變頻器數(shù)字化采用單片機MCS51或80C196MC等，輔助以SLE4520或EPLD液晶顯示器等來實現(xiàn)更加完善的控制性能；多種控制方式結(jié)合，單一的控制方式有著各自的缺點，如果將這些單一控制方式結(jié)合起來，可以取長補短，從而達到降低諧波提高效率的功效。

　　（9）使用理想化的無諧波污染的綠色變頻器

　　綠色變頻器的品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數(shù)可控，帶任何負載使都能使功率因數(shù)為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出功率。

　　綜上所述，可以了解變頻器以及變頻器諧波產(chǎn)生的機理，變頻器諧波以及其危害性，以及采用變頻器隔離、接地或采用無源濾波器、有源濾波器、加設(shè)無功補償裝置以及綠色變頻器等方法。

　　隨著電力電子技術(shù)以及微電子技術(shù)等技術(shù)的飛速發(fā)展，在治理諧波問題上將會邁上一個新的臺階，將變頻器產(chǎn)生的諧波控制在最小范圍之內(nèi)以達到抑制電網(wǎng)污染，提高電能質(zhì)量。