電力系統(tǒng)的諧波特性及控制

張文從電力系統(tǒng)諧波、電網(wǎng)污染和綜合治理的實(shí)際工程問(wèn)題出發(fā)，通過(guò)分析內(nèi)外發(fā)展趨勢(shì)，總結(jié)目前普遍關(guān)注的研究課題，探討了諧波綜合治理的規(guī)律和方法，并對(duì)應(yīng)用基礎(chǔ)研究提出了一些建議。[關(guān)鍵詞]電力系統(tǒng)諧波；電網(wǎng)污染；綜合控制

自20世紀(jì)80年代以來(lái)，電力電子學(xué)逐漸成為一門(mén)新興的交叉學(xué)科，相應(yīng)的現(xiàn)代電力電子技術(shù)也發(fā)展迅速。然而，由于電力電子裝置是一種非線(xiàn)性時(shí)變拓?fù)湄?fù)載，其造成的諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成潛在威脅，并對(duì)周?chē)碾姎猸h(huán)境產(chǎn)生巨大影響，被公認(rèn)為電網(wǎng)的重大公害。因此，電力系統(tǒng)諧波及其控制的研究已經(jīng)擺在電力科技工作者面前。1.研究電力系統(tǒng)諧波的意義在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中，正弦波的畸變由來(lái)已久。因?yàn)樗耐Ρ容^小，危害不明顯。然而，現(xiàn)代電力系統(tǒng)對(duì)電能的形式提出了新的要求，具體體現(xiàn)在通過(guò)電力電子器件引入電力轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)控制電力電子的通斷流動(dòng)，以滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)頻率、電壓、電流、波形和相數(shù)的要求。還應(yīng)注意的是，隨著超大容量電力電子設(shè)備的使用，現(xiàn)代電力系統(tǒng)正試圖將其快速和實(shí)時(shí)可控性應(yīng)用于電網(wǎng)的電力傳輸和運(yùn)行，并且在電力領(lǐng)域出現(xiàn)了具有先特特征的新興應(yīng)用，例如動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補(bǔ)償(ASVG、STATCOM)、有源電力濾波器(APE)、可控移位裝置(TCPA)和統(tǒng)一潮流控制(UPFC)。據(jù)內(nèi)專(zhuān)家統(tǒng)計(jì)，我目前的電能有30%是用戶(hù)經(jīng)過(guò)各種電力改造后使用的。但電源與用電設(shè)備之間的非線(xiàn)性接口電路實(shí)現(xiàn)了功率控制和處理，所有的電力電子器件都不可避免地產(chǎn)生非正弦波形，將諧波電流注入電網(wǎng)，嚴(yán)重扭曲了公共耦合點(diǎn)(PCC)的電壓波形，產(chǎn)生強(qiáng)烈的電磁干擾(EMI)。隨著電力轉(zhuǎn)換設(shè)備容量的不斷增加、應(yīng)用數(shù)量的快速增加和控制方法的多樣化，電力電子設(shè)備潛在的負(fù)面影響日益突出。隨著諧波問(wèn)題逐漸被人們認(rèn)識(shí)和理解，對(duì)其原因的探索、計(jì)算方法的分析、危害和影響的機(jī)理、測(cè)量和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的制定以及綜合治理的實(shí)施也在不斷深入。研究發(fā)現(xiàn)，電力系統(tǒng)諧波作為電工學(xué)的一個(gè)分支技術(shù)，也廣泛滲透和交叉其他相關(guān)學(xué)科。它是一門(mén)新興的交叉學(xué)科，也是一個(gè)有待加強(qiáng)的重點(diǎn)研究方向。近年來(lái)，世界科技界普遍關(guān)注兩大問(wèn)題，稱(chēng)為世界主義，即能源(節(jié)能、合理開(kāi)發(fā)和應(yīng)用)和環(huán)境(意識(shí)、改善和環(huán)境保護(hù))。工業(yè)電力公司是一個(gè)生產(chǎn)較佳能源產(chǎn)品的大型系統(tǒng)(電力的生產(chǎn)、傳輸、分配和轉(zhuǎn)換同時(shí)進(jìn)行)。如何滿(mǎn)足電力負(fù)荷對(duì)有效能量轉(zhuǎn)換的需求，已成為電力系統(tǒng)日益關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，在合理有效地利用電能方面，原有的傳統(tǒng)電能形式受到了極大的限制和制約(甚至浪費(fèi))。利用電力電子器件等高新技術(shù)，電能的高效利用已經(jīng)被越來(lái)越多的人所認(rèn)識(shí)。例如，充分利用頻率資源，通過(guò)變頻調(diào)速可以快速靈活地改變機(jī)械傳動(dòng)改變旋轉(zhuǎn)電機(jī)轉(zhuǎn)速(低效率)的原始過(guò)程，利用高頻啟動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)的開(kāi)關(guān)DC電源可以大大降低鐵磁材料的消耗，顯著減小設(shè)備尺寸。然而，隨著電力電子器件的使用，諧波問(wèn)題反過(guò)來(lái)降低了變換器電路的功率因數(shù)，導(dǎo)致效率降低，這與能量的合理有效利用背道而馳。因此，相應(yīng)的改進(jìn)措施必然成為另一個(gè)重要的研究課題。諧波問(wèn)題伴隨著電力電子技術(shù)的出現(xiàn)。諧波的負(fù)面效應(yīng)或與經(jīng)典正弦波形相反的結(jié)果給電氣環(huán)境帶來(lái)了很大的公害，即諧波污染。這類(lèi)似于 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

諧波的污染和危害主要表現(xiàn)在對(duì)電力和信號(hào)的干擾和影響：(1)電力危害1。了解旋轉(zhuǎn)電機(jī)附加諧波損耗(換流干式變壓器過(guò)載)，使其發(fā)熱，縮短使用壽命；2.諧波諧振過(guò)電壓，造成電氣元件和設(shè)備的故障和損壞；3.使電能計(jì)量的原有定義和方法不適用。(2)信號(hào)干擾方面，1。信號(hào)系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，降低電話(huà)通信質(zhì)量；2.重要、靈敏的自動(dòng)控制和保護(hù)裝置混亂；3.影響電源處理器的正常運(yùn)行。二、諧波的綜合治理關(guān)于諧波綜合治理中“綜合”的內(nèi)涵，有人認(rèn)為是用廣泛而普遍的推廣來(lái)描述的；有人認(rèn)為用收藏和整合的方式來(lái)表達(dá)更實(shí)際；筆者認(rèn)為，綜合治理工作應(yīng)包括以下兩個(gè)方面：(1)加強(qiáng)科學(xué)合法管理。1)供電部門(mén)應(yīng)從全系統(tǒng)出發(fā)，統(tǒng)籌規(guī)劃，采取有效措施加強(qiáng)技術(shù)監(jiān)督管理，審核擬投入負(fù)荷的諧波水平，要求用戶(hù)根據(jù)已投入運(yùn)行的諧波源負(fù)荷安裝濾波裝置；2.法律和經(jīng)濟(jì)約束被廣泛采用，以改變污染在處理前的被動(dòng)局面。比如電力設(shè)備和電子設(shè)備的技術(shù)規(guī)范要有諧波含量指標(biāo)，設(shè)備不能超過(guò)家規(guī)定的指標(biāo)，否則不得出廠，不得在電力系統(tǒng)中投入使用。(2)采取有效的技術(shù)措施1。抑制諧波電流的產(chǎn)生和注入；2.提高裝置的功率因數(shù)和無(wú)功補(bǔ)償；3.合理選擇過(guò)濾器的較佳安裝位置；4.消除電磁干擾和電磁兼容性；5.各種補(bǔ)償功能的綜合處理。從某種意義上說(shuō)，電力諧波的防治主要針對(duì)供電系統(tǒng)的諧波源。然而，嚴(yán)重的諧波污染是多種諧波源共同作用的結(jié)果。因此，在用戶(hù)采取措施時(shí)，先先要解決諧波指標(biāo)分配和公共耦合點(diǎn)(PCC)濾波器安裝的問(wèn)題。其次，要加強(qiáng)抑制效果的檢測(cè)和評(píng)估，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)控形狀質(zhì)量。這兩方面的實(shí)施都會(huì)遇到很大的困難和障礙。3.內(nèi)外諧波研究動(dòng)態(tài)(1)共同關(guān)心的研究問(wèn)題1。對(duì)變流器的諧波源進(jìn)行廣泛深入的研究。比如提出空間矢量法，使PWM變換器產(chǎn)生的諧波功率較小；針對(duì)非對(duì)稱(chēng)觸發(fā)式交流/DC變換器，提出了一種采用離散小信號(hào)模型的分析方法。在測(cè)量技術(shù)中，提出了在不同諧波條件下提高諧波測(cè)量精度的方法。開(kāi)發(fā)了多通道諧波

波分析儀和電能質(zhì)量測(cè)量?jī)x等；3.在分析與計(jì)量技術(shù)方面，分析了電網(wǎng)參數(shù)變化、模型與元件參數(shù)的精度對(duì)諧波計(jì)算的影響；針對(duì)非穩(wěn)態(tài)波形畸變，尋求新的數(shù)學(xué)方法，如近年發(fā)展較快的小波變換等；4.在濾波技術(shù)上，提出了時(shí)域/頻域相結(jié)合的參數(shù)設(shè)計(jì)和修正方法；提出了無(wú)源與有源混合電路結(jié)構(gòu)，研制了具有綜合性能的新型電力線(xiàn)調(diào)節(jié)器。（二）目前更為關(guān)注的研究方向1.諧波抑措施，對(duì)無(wú)源與有源濾波混合方式的研究更加廣泛和深入。認(rèn)為混合濾波器可降低治理投資、改善傳統(tǒng)濾波器的技術(shù)性能，是未來(lái)抑制諧波的應(yīng)用方向；2.電能質(zhì)量測(cè)量和評(píng)估方法，對(duì)測(cè)量評(píng)估中涉及到一些電氣參數(shù)重新進(jìn)行了定義，繼續(xù)提出新的測(cè)量方法和測(cè)量手段；3.提出了混合牛頓-高斯算法，并采用并聯(lián)校正技術(shù)以改善收斂性；研究了電網(wǎng)中裝設(shè)濾波器的較佳安裝位置；4.對(duì)特殊非線(xiàn)性負(fù)載作了更深入的分析，如諧波對(duì)交流電機(jī)的噪聲與振動(dòng)影響、提出了采用卡爾曼濾波預(yù)測(cè)電弧爐負(fù)載條件下的電壓閃變等問(wèn)題。1996年召開(kāi)的第7屆際會(huì)議的論文集，對(duì)廣義瞬時(shí)無(wú)功理論開(kāi)展了更深入的探討；對(duì)有源電力濾波器及其優(yōu)化設(shè)置、電能質(zhì)量的小波變換分析方法和各種負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的影響等問(wèn)題進(jìn)行了廣泛研究。四、建議通過(guò)以上對(duì)電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題的認(rèn)識(shí)和分析，結(jié)合外諧波研究的發(fā)展動(dòng)向，建議我應(yīng)在以下幾方面加強(qiáng)研究：(1)有源電力濾波器（APE）檢測(cè)算法和控制算法及新理論的研究；(2)電力系統(tǒng)諧波補(bǔ)償新型電力線(xiàn)調(diào)節(jié)器的研究；(3)有源與無(wú)源濾波混合方式的補(bǔ)償?shù)难芯浚?4)畸變波形的評(píng)估方法，諧波標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范化和實(shí)用化的研究；(5)各種電力電子裝置和非線(xiàn)性負(fù)載諧波特性的研究；(6)電能質(zhì)量監(jiān)測(cè)方法和儀器；(7)諧波潮流的計(jì)算和濾波器容量及較佳安裝位置的設(shè)定；(8)功率因數(shù)和波形校正器；(9)PWM技術(shù)在改善波形質(zhì)量上的作用；(10)功率半導(dǎo)體材料技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。五、結(jié)語(yǔ)現(xiàn)代電力系統(tǒng)具有功率處理與控制的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)電力系統(tǒng)相比，由于大量電力電子裝置的投入，造成了日益嚴(yán)重的諧波污染問(wèn)題，對(duì)諧波的綜合治理已迫在眉睫。諧波問(wèn)題的研究涉及到許多相關(guān)學(xué)科，因此，必須努力加強(qiáng)在應(yīng)用基礎(chǔ)方面的研究工作，跟蹤并趕超世界發(fā)達(dá)家在諧波治理方面的先進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)我電力系統(tǒng)諧波綜合治理的進(jìn)程。【參考文獻(xiàn)】[１]許克明，徐云，等.電力系統(tǒng)高次諧波[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1991.#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

來(lái)源：中電力諧波監(jiān)測(cè)及濾波工程技術(shù)網(wǎng)