電力系統(tǒng)中的諧波分析及消除方法 附配電網(wǎng)的高次諧波及其測量

電力系統(tǒng)中的諧波分析及消除方法

摘要：本文針對電力系統(tǒng)中普遍存在的諧波問題進(jìn)行了分析研究，首先概述

了諧波的危害，然后介紹了三種諧波檢測的方法，最后從改造諧波源的角度提出

了幾種諧波抑制方法。

關(guān)鍵詞：電力諧波檢測治理

0引言

目前，諧波與電磁干擾、功率因數(shù)降低被列為電力系統(tǒng)的三大公害，因而了

解諧波產(chǎn)生的機(jī)理，研究和清除供配電系統(tǒng)中的高次諧波，對改于供電質(zhì)量、確

保電力系統(tǒng)安全，經(jīng)濟(jì)運(yùn)行都有著十分重要的意義。

1電力系統(tǒng)諧波危害

1.1諧波會使公用電網(wǎng)中的電力設(shè)備產(chǎn)生附加的損耗，降低了發(fā)電、輸電及

用電設(shè)備的效率。大量三次諧波流過中線會使線路過熱，嚴(yán)重的甚至可能引發(fā)火

災(zāi)。

1.2諧波會影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動和噪聲等故障，

變壓器局部嚴(yán)重過熱，電容器、電纜等設(shè)備過熱，絕緣部分老化、變質(zhì)，設(shè)備壽

命縮減，直至最終損壞。

1.3諧波會引起電網(wǎng)諧振，可能將諧波電流放大幾倍甚至數(shù)十倍，會對系統(tǒng)

構(gòu)成重大威脅，特別是對電容器和與之串聯(lián)的電抗器，電網(wǎng)諧振常會使之燒毀。

1.4諧波會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，造成不必耍的供電中斷和損失。

1.5諧波會使電氣測量儀表計(jì)量不準(zhǔn)確，產(chǎn)生計(jì)量誤差，給供電部門或電力

用戶帶來直接的經(jīng)濟(jì)損失。

1.6諧波會對設(shè)備附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕則產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量:

重則導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

1.7諧波會干擾計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等電子設(shè)備的正常工作，造成數(shù)據(jù)丟失或死機(jī)。

L8諧波會影響無線電發(fā)射系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、核磁共振等設(shè)備的工作性能，

造成噪聲干擾和圖像紊亂。

2諧波檢測方法

2.1模擬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(jìn)的是采用有源電力濾波器。但由于其

檢測環(huán)節(jié)多采用模擬電路，因而造價(jià)較高，且由于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1()%以內(nèi)，嚴(yán)重影響了有源

濾波器的控制性能。

2.2傅立葉變換利用傅立葉變換可在數(shù)字域進(jìn)行諧波檢測，電力系統(tǒng)的諧波

分析，目前大都是通過該方法實(shí)現(xiàn)的，離散傅立口一變換所需要處理的是經(jīng)過采樣

和A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號，設(shè)待測信號為x⑴，采樣間隔為At秒，采樣頻

率f=l/At滿足采樣定理，即f大于信號最高頻率分量的2倍，則采樣信號為

x(nAt),并且采樣信號總是有限長度的，即n=0,1.1…N?l。這相當(dāng)于對無限長

的信號做了截?cái)?，因而造成了傅立葉變換的泄露現(xiàn)象，產(chǎn)生誤差。此外，對于離

散傅立葉變換來說，如果不是整數(shù)周期采樣，那么即使信號只含有單一頻率，離

散傅立葉變換也不可能求出信號的準(zhǔn)確參數(shù)，因而出現(xiàn)柵欄效應(yīng)。通過加窗可以

減小泄露現(xiàn)象的影響。

2.3小波變換電力諧波是由各種頻率成分合成的、隨機(jī)的、出現(xiàn)和消失都非

常突然的信號，在應(yīng)用離散傅立葉變換進(jìn)行處理受到局限的情況下，可充分發(fā)揮

小波變換的優(yōu)勢。即對諧波采樣離散后，利用小波變換對數(shù)字信號進(jìn)行處理，從

而實(shí)現(xiàn)對諧波的精確測定。小波可以看作是一個(gè)雙窗函數(shù)，對一信號進(jìn)行小波變

換相當(dāng)于從這一時(shí)頻窗內(nèi)的信息提取信號。對于檢測高頻信息，時(shí)窗變窄，可對

信號的高頻分量做細(xì)致的觀測；對于分析低頻信息，這時(shí)時(shí)窗自動變寬，可對信

號的低頻分量做概貌分析。所以小波變換具有自動"調(diào)焦”性。其次，小波變換是

按頻帶而不是按頻點(diǎn)的方式處理頻域信息，因此信號頻率的微小波動不會對處理

產(chǎn)生很大的影響，并不要求對信號進(jìn)行整周期采樣。

3電力系統(tǒng)諧波治理

限于篇幅問題，本文在此只介紹基于改造諧波源本身的諧波抑制方法，基于

改造諧波源木身的諧波抑制方法一般有以下幾種.

3.1增加整流變壓器二次側(cè)整流的相數(shù)對于帶有整流元件的設(shè)備，盡量增加

整流的相數(shù)或脈動數(shù)，可以較好地消除低次特征諸波，該措施可減少諧波源產(chǎn)生

的諧波含量，一般在工程設(shè)計(jì)中予以考慮。因?yàn)檎髌魇枪╇娤到y(tǒng)中的主要諧波

源之一，其在交流側(cè)所產(chǎn)生的高次諧波為tK±l次諧波，即整流裝置從6脈動諧

波次數(shù)為n=6K±1,如果增加到12脈動時(shí)，其諧波次數(shù)為nl2K±1《其中K為正

整數(shù))，這樣就可以消除5、7等次諧波，因此增加整流的相數(shù)或脈動數(shù)，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(shí)現(xiàn)，但是在實(shí)際應(yīng)用中的

投資過大，在技術(shù)上對消除諧波并不十分有效，該方法多用于太容量的整流裝置

負(fù)載。

3.2整流變壓器采用Y/△或△,Y接線該方法可抑制3的倍數(shù)次的高次諧

波，以整流變壓器采用4/Y接線形式為例說明其原理，當(dāng)高次諧波電流從晶閘

管反串到變壓器副邊繞組內(nèi)時(shí)，其中3的倍數(shù)次高次諧波電流無路可通，所以自

然就被糯制而不存在。但將導(dǎo)致鐵心內(nèi)出現(xiàn)3的倍數(shù)次高次諧渡磁通《三相相位

一致》，而該磁通將在變壓器原邊繞組內(nèi)產(chǎn)生3的倍數(shù)次高次諧波電動勢，從而

產(chǎn)生3的倍數(shù)次的高次諧波電流。因?yàn)樗鼈兿辔灰恢?，只能在△形繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)

流，將能量消耗在繞綴的電阻中，故原邊繞組端子上不會出現(xiàn)3的倍數(shù)次的高次

諧波電動勢。從以上分析可以看出，三相晶閘管整流裝置的整流變壓器采用這種

接線形式時(shí)，諧波源產(chǎn)生的3nfn是正整數(shù))次諧波激磁電流在接線繞組內(nèi)形成環(huán)

流，不致使諧波注入公共電網(wǎng)。這種接線形式的優(yōu)點(diǎn)是可以自然消除3的整數(shù)倍

次的諧波，是抑制高次諧波的最基本方法，該方法也多用于大容量的整流裝置負(fù)

載。

3.3盡量選用高功率因數(shù)的整流器采用整流器的多重化來減少諧波是一種傳

統(tǒng)方法，用該方法構(gòu)威的整流器還不足以稱之為高功率因數(shù)整流器。高功率因數(shù)

整流器是一種通過對整流器本身進(jìn)行改造，使其盡量不產(chǎn)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(shù)變流器(UPFC)。該方

法只能在設(shè)備設(shè)計(jì)過程中加以注意，從而得到實(shí)踐中的諧波抑制效果。

當(dāng)然，除了基于改造諧波源本身的諧波抑制方法，還有基于諧波補(bǔ)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(shè)靜止無功補(bǔ)

償裝置(SVC)等等，在此就不再詳細(xì)論述。

4總結(jié)

隨著現(xiàn)代信息技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和電子技術(shù)的發(fā)展，電能質(zhì)量問題已越來越

引起用戶和供電部門的重視。應(yīng)用先進(jìn)的電能質(zhì)量測試儀器不僅能大大提高電能

質(zhì)量的監(jiān)測與治理水平，同時(shí)還可建立先進(jìn)可靠的電能質(zhì)量監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)分析

和反映電網(wǎng)的電能質(zhì)量水平，找出電網(wǎng)中造成電能質(zhì)量諧波及故障的原因，采取

相應(yīng)的措施，為保證電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行提供重要的保障。

配電網(wǎng)的高次諧波及其測量

摘要：關(guān)鍵字：諧波；諧波測量；諧波數(shù)據(jù)處理

1概述

目前，配電網(wǎng)中的高次諧波的治理已經(jīng)成為我國電力環(huán)保工作的十分重要的

內(nèi)容之一。高次諧波有著顯著的特點(diǎn)：①隨機(jī)性的變化，即為小周期、短間隔的

不規(guī)則性變化，反映出諧波為隨機(jī)變量的特征；②規(guī)則性的變化，其大小隨諧波

源負(fù)荷的大小

關(guān)鍵字：諧波；諧波測量；諧波數(shù)據(jù)處理

1概述

目前，配電網(wǎng)中的高次諧波的治理已經(jīng)成為我國電力環(huán)保工作的十分重要的

內(nèi)容之一。高次諧波有著顯著的特點(diǎn)：①隨機(jī)性的變化，即為小周期、短間隔的

不規(guī)則性變化，反映出諧波為隨機(jī)變量的特征；②規(guī)則性的變化，其大小隨諧波

源負(fù)荷的大小、系統(tǒng)運(yùn)行方式等作大周期的變化。

諧波測量對抑制諧波有著重要的指導(dǎo)作用：檢定實(shí)際網(wǎng)絡(luò)諧波源用戶的諧波

水平是否符合標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；了解和掌握各種電力設(shè)備投運(yùn)前、后相關(guān)系統(tǒng)的諧波

水平及其變化、檢驗(yàn)諧波對有關(guān)設(shè)備的影響；諧波故障和異常的原因測量，以找

到應(yīng)采取的相應(yīng)對策；諧波專題測試還可以便于了解諧波源特性、系統(tǒng)諧波阻抗、

諧波潮流分布和諧波放大現(xiàn)象等。

2諧波國家標(biāo)準(zhǔn)的具體規(guī)定

2.1測量條件

國標(biāo)GB/T14549—1993《電能質(zhì)量?公用電網(wǎng)諧波》明確諧波測量應(yīng)在最嚴(yán)

重的條件下進(jìn)行，即選擇在電網(wǎng)正常供電時(shí)系統(tǒng)可能出現(xiàn)的最小運(yùn)行方式，且在

諧波源工作周期中產(chǎn)生的諧波量大的時(shí)段內(nèi)進(jìn)行，例如電弧爐應(yīng)在熔化期、可控

硅軋機(jī)應(yīng)在軋鋼大負(fù)荷期、電氣化鐵道應(yīng)在電力機(jī)車集中的高峰期測量。

當(dāng)測量點(diǎn)附近安裝有電容器組或存在其它諧波濾波器組時(shí)，有可能會產(chǎn)生某

次諧波放大或諧振，應(yīng)在電容器組，或?yàn)V波器組的各種運(yùn)行組合的方式下進(jìn)行測

；（；■

實(shí)際測量時(shí)，并不一定達(dá)到最嚴(yán)重的條件，例如測點(diǎn)附近有多個(gè)諧波源，系

統(tǒng)在某些方式下會形成諧振等，可在多種方式和測量的基礎(chǔ)上進(jìn)行評價(jià)。

2.2監(jiān)測點(diǎn)和測試量

原則上選取諧波源用戶接入公用電網(wǎng)的公共連接點(diǎn)作為諧波的監(jiān)測點(diǎn)、測量

該點(diǎn)的諧波電壓和諧波源用戶注入公用電網(wǎng)的諧波電流，要求監(jiān)測點(diǎn)的諧波水平

必須符合諧波國家標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。諧波電壓和諧波電流的諧波次數(shù)一般測量第2?

19次，但根據(jù)諧波源的特點(diǎn)和測試分析結(jié)果，可以適當(dāng)變動諧波次數(shù)測量的范

圍，前者用含有率（％）表示，后者用有效值（A）表示；標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定，諧波電

壓必須測取總諧波畸變率THDu（%）。

2.3測量間隔和持續(xù)時(shí)間

對于負(fù)荷變化快的諧波源（例如：煉鋼電弧爐、晶閘管變流設(shè)備供電的燈機(jī)、

電力機(jī)車等），測量的間隔時(shí)間不大于2min,測量次數(shù)應(yīng)滿足數(shù)理統(tǒng)計(jì)的要求，

一般不小于3（）次，以使測量值平均數(shù)的分布接近于正態(tài)分布所需的最低樣本數(shù)。

對于負(fù)荷變化慢的諧波源（例如：化工整流器、直流輸電換流站等），測量

間隔和持續(xù)時(shí)間不作規(guī)定。

為了區(qū)別暫態(tài)現(xiàn)象和諧波，對于負(fù)荷變化快的諧波，每次測量結(jié)果可為3s

內(nèi)所測得的平均值。推薦采用下式計(jì)算：

Un=l/m?(1)

式（1）中，Unk為3s內(nèi)第k次測得的n次諧波的方均根值；m為3s內(nèi)取

得均勻間隔的測量次數(shù)，m>6?

式（1）的值即可作為持續(xù)測量過程中的一次諧波測量值。

2.4測量數(shù)據(jù)的處理及諧波水平值的確定

由于諧波源的多樣性和多變性，數(shù)據(jù)處理必須根據(jù)對象有所區(qū)別，在測量時(shí)

段內(nèi)所測得的各測量值均為隨機(jī)變量，應(yīng)按統(tǒng)計(jì)的方法確定其諧波水平。標(biāo)準(zhǔn)規(guī)

定：取測量時(shí)段內(nèi)各相持續(xù)測量過程中實(shí)測值的95%概率值，并取三相中最大

?相的值，作為該測試時(shí)段的諧波水平值，并以此作為判斷諧波是否超標(biāo)的依據(jù)。

為了實(shí)用方便，實(shí)測值的95%概率值可近似按實(shí)測值由大到小的順序排列，舍

棄前面5%個(gè)大值，取剩余實(shí)測值中的最大值。

但對負(fù)荷變化慢的諧波源，可選五個(gè)接近的實(shí)測值，取其算術(shù)平均值作為諧

波水平值。

3IEC對諧波測量方法的規(guī)定

國際電工委員會（IEC）標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，把諧波按其波動快慢和性質(zhì)分為四類:

（1）準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)（慢變化）諧波；

（2）波動諧波；

（3）快速變化諧波；

（4）間諧波（interharmonICs）及其它虛擬部分。

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的諧波主要指前三類。該文件中對不同波動性質(zhì)的諧波測量間

隔，即測量時(shí)段及由測量值確定諧波值的方法提出如下建議：

（1）很短間隔：TVS=3s；

（2）短間隔:Tsh=10min；

（3）長間隔：TL=lh；

（4）日間隔:Td=24h；

（5）周間隔：Tw=7d

第（1）種很短間隔測量的諧波取值、對于產(chǎn)生瞬時(shí)影響的波動和快速變化

的諧波，取Tvs=3s中各點(diǎn)測量值中的最大值，對于產(chǎn)生長期影響的諧波，取

3s中各點(diǎn)測量值的均方根值作為各次諧波的評估值。對于后四種間隔的測量，

一般采用對實(shí)測數(shù)據(jù)按累積概率P作統(tǒng)計(jì)計(jì)算，P為諧波取值不超過某一給定值

的百分?jǐn)?shù)。根據(jù)不同的波動和影響情況，可用測量間隔內(nèi)每個(gè)Tvs=3s內(nèi)的測量

值確定的最大值或均方根值，再取不超過概率P的最大值，第（2）、（3）種測量

的P值選取為P=l%、（10%）、50%、（90%）、95%、99%,第（4）、（5）種

測量的P值至少選取為95%和99%,測量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)至少為100個(gè)。

4諧波測量與監(jiān)測儀器

數(shù)字式諧波分析儀是已廣泛應(yīng)用于實(shí)際的在線諧波測量、分析諧波分布的重

要工具，它是利用離散傅立口I?級數(shù)（DFT）,或由離散傅立葉變換過渡到傅立葉

變換（FFT）的基本原理構(gòu)成。模擬信號經(jīng)采樣、離散化為數(shù)字序列信號后，經(jīng)

微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行諧波分析和計(jì)算，得到基波和各次諧波的幅值和相位，并可獲得

更多的信息，如諧波功率、諧波阻抗、以及對諧波進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)處理和分析，各

種分析計(jì)算結(jié)果可在屏幕上顯示或按需要打印輸出。儀器精度較高，功能較多，

使用方便。

由于微機(jī)芯片的性能不斷提高，利用FFT原理、多通道輸入的諧波分析儀

漸已取代其它的分析儀，國產(chǎn)比較典型的是GXF—908A多功能電力諧波分析儀,

該儀器采用了較先進(jìn)的MCS-8098單片計(jì)算機(jī)，使運(yùn)算速度較快，實(shí)時(shí)性較強(qiáng);

能實(shí)現(xiàn)三相電壓和三相電流共六路信號同步采樣；可以顯示或輸出三相2?39

次諧波含有率、電壓暗變率、相位關(guān)系，及諧波功率和阻抗等；可繪出被測信號

波形，諧波直方圖和變化曲線，并可以從多次測量值中篩選出前五個(gè)大值；每次

測量結(jié)果可以為一個(gè)周期或3s平均值等，以適應(yīng)國標(biāo)的要求。

對諧波進(jìn)行長期的監(jiān)測，可以用功能較簡單、造價(jià)較低、體積較小而又能作

為常規(guī)儀表接入電網(wǎng)的諧波檢測儀，如諧波功率計(jì)，諧波電壓、電流，諧波監(jiān)測

儀和報(bào)警器等。

5測量儀器的功能和精度

測量儀器的功能至少應(yīng)滿足諧波國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，基本測試量為諧波電壓和

諧波電流。儀器的測量通道應(yīng)能同時(shí)測取三相量，并具有國標(biāo)要求的統(tǒng)計(jì)功能。

諧波測量儀器應(yīng)具有一定的精度及滿足系統(tǒng)現(xiàn)場使用的工作條件。國家標(biāo)準(zhǔn)

采用了國際電工委員會（IEC）關(guān)于諧波測量和儀器的通用導(dǎo)則。該導(dǎo)則規(guī)定了

用于諧波測量儀器的主要性能、準(zhǔn)確度要求和對不同波動性質(zhì)的諧波的測量方

法，并總結(jié)了TV和TA諧波測量的誤差等，表1列出了儀器的最大允許誤差。

?1諧波測■儀器的允計(jì)誤差

等級被測豌條件允許誤差

5%U.

電壓

UV%UN0.05%U、

AA

5%L

電流

LV3%IN0.15%IN

U.23%UN5%U.

電壓

UV3%U、0.15%U.

B