电网高次谐波问题分析

电网高次谐波问题分析

梁晓红1，李贞2

（1．平顶山工业职业技术学院电力工程系，河南 平顶山；2．平顶山工业职业技术学院电力工程系，河南

平顶山）

摘要：文中对电网高次谐波的产生及危害进行了阐述，介绍了电网谐波分析的一种常用数学基础——小波分析法，并通过装设滤波器等抑制方法阻止高频谐波进入电网，保证电网供电质量。

关键词：电网；高次谐波；小波分析；无源滤波器

在电力系统中，供电波形畸变是影响电能质量的重要因素之一。近年来，各工矿企业大量采用各种晶闸管整流装置、变频装置以及交流电力调整装置，增大了电网的非线性负载，再加上电网本身存在的非线性元件，均向电网注入了大量的高次谐波。高次谐波是一个周期电气量的正弦波分量，周期性的非正弦交流电进行傅里叶级数分解可得基波（其频率与工频相同）以及频率为基波频率整数倍的各次谐波，基波以外的各次谐波通常称为“高次谐波”。电网中高次谐波的出现是造成波形畸变的主要原因。

一、高次谐波危害

电网高次谐波的危害主要有以下方面：

1、引起电网中局部并联谐振或串联谐振，放大谐波电压或谐波电流；

2、加速电容器介质老化，还可导致电容器成倍地过负荷，出现异常声响、熔丝熔断、“鼓肚”等现象，严重时导致其他设备无法正常运行，不得不将电容器组断开，电网被迫在低的功率因数下运行；

3、增加附加损耗，降低发电、输电及用户设备的效率；

4、使继电保护及其自动装置误动作，导致电气测量仪表计算误差增加。谐波电流能影响甚至破坏利用电力线路作为联系通道的远动装置的动作。母线电压的畸变，还能引起整流设备触发脉冲控制装置的触发周期不稳定，使晶闸管阀的触发角或触发时间间隔不相等，影响整流设备的正常运行；

5、谐波对邻近的电话线路产生了静电感应和电磁感应，造成其对通信系统产生严重干扰，轻则降低信号的传输质量，重则导致信息丢失。

由于这些非线性负载的增加，引起高次谐波这一电网公害，导致电网电压正弦波形严重畸变。我国于1993年颁布了谐波管理的国家标准《电能质量公用电网谐波》，明确规定了用户注入电网的谐波电流的允许值和在电网公共连接点处产生的电压畸变值。当超过标准时，必须采取相应的抑制措施，从根本上解决谐波污染问题。

二、高次谐波数学分析方法

电力电子装置所产生的高次谐波污染，已日渐成为阻碍电力电子技术发展的重大问题。实时谐波检测，对谐波问题进行研究，前提是研究谐波测量的数学分析方法。

电网中的电流和电压等物理量，无论其是否为正弦量，都可作为信号（非正弦周期函数）进行分析处理，其数学基础方法是傅里叶级数展开和傅里叶变换。在实际系统中，波形大都可以用解析式表示，有些波形则不能用解析式表示，此时，均可以采用将此周期函数离散化的处理方法，转化为时间函数，采用离散傅里叶变换（DFT ）和快速傅里叶变换（FFT ）计算出各次谐波值。在此基础上，小波分析是近年来数学研究成果之一，因其在理论上的完美性和应用上的广泛性，使小波分析在信号处理、图像分析、模式识别等领域中得到了广泛应用。

小波分析可以根据波形不同的频率成分，在时域和空间域自动调节取样的疏密；频率高时，则密；频率低时，则疏。基于小波分析这些优秀特性，研究人员可以观察波形的任意细节并加以分析。小波变换及性质可定义为函数()R L x h 2

)(∈如果满足以下的容许条件：

⎰∞+∞-∞<ωωωd h 2

)(ˆ （1-1）

则称h (x)是一个基本小波或小波母函数，而称

)0,,(,)(21

,≠∈⎪⎭

⎫ ⎝⎛-=-a R b a a b x h a x h b a （1-2） 式（1-2）为由小波母函数Φ(x)生成的依赖于参数a 和b 的小波。)(,x h b a 也可以看成是由h (x)经伸缩平移后得到的一个函数簇。小波变换中参数a 、b 有明确的物理意义，a 是频率参数，b 是时间参数。

小波变换的主要性能是其“变焦”性能，该特性能将高次谐波信号中各种不同频率成分分解在相应的时空域，并给出不同频率正弦波的相位。在有源滤波器的检测电路中，需要检测的只是除去基波外的所有畸变波形的含量，不需要分析出各次畸变波形的大小，但是实时性要求很高，而傅里叶变换能分析出各次畸变波形的分量，但实时性较差。小波变换是一种调和，不仅能实现实时，而且变换本身对波形的奇异点非常敏感，该特点可以用来跟踪那些变化非常突然的谐波信号，而这种信号正是高次谐波检测的难点。

三、抑制电网谐波的方法

抑制和消除高次谐波的目的，是为了使电网电压的畸变率不超过2%，电压的负序分量不超过正序分量的1%或1.5%，电压的零序分量不超过正序分量的1%时，电机可以保证正常运行。抑制谐波措施有以下几方面：

1、减少谐波源

具体措施是让系统整流设备容量远远小于系统短路容量，由于系统短路容量大，系统电抗小，因此系统电压畸变就小。

1）采用多脉冲波换流器，采用多相脉冲换流器以增加脉波数，可以大幅度地消除低次谐波，一般采用脉波数为12。少用半控桥式接线，因为这种接线所产生的谐波中含有不易处理的偶次谐波。

2）采用变压器相位移，比如三绕组变压器，通过二次绕组相位移30o 电角度后，由两个格雷兹桥串联组成的换流器单元，脉波数提高为12。

3）受电变压器的一次和整流变压器的二次分别采取Δ型连接方式，这样做可消除3次、6次、9次谐波。

2、改进电气设备结构，提高抗谐波能力

在电网中，为了抵抗轴电流，电机采用接地电刷装置或轴承座加绝缘措施。电气设备采用叠片磁路，减少涡流损耗。同时，为了提高耐热能力，采用真空压力敷设V ·P ·I 浸渍工艺措施，用于提高抗谐波能力。

3、装设滤波器

滤波电容器是指与有关器件，如电抗器、电阻器等连接在一起，对一种或多种谐波电流提供低阻通道的一种电容器。其作用是对某种谐波电流发生共振而被吸收，不注入电网。滤波器安装在非线性负载侧的母线上。

滤波器分为无源型和有源型。无源滤波器具有简单可靠维护方便等优点而被广泛使用，有源滤波器是新一代的谐波补偿装置，具有良好的补偿特性，能同时满足补偿谐波和无功功率要求，由于其价格较高维护复杂等缺点，在我国应用还不太广泛。

四、结语

电网高次谐波引起电网公害，导致供电质量下降，严重影响各种电气设备的安全运行。