供電系統(tǒng)的諧波

供電系統(tǒng)的諧波

一、諧波定義
供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1) 稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics)或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實(shí)際上是一種 干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制，其頻率范圍一般 為2≤n≤40。

二、諧波源
向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設(shè)備是主要的諧波源，例如帶有功率電子器件的變流設(shè)備，交流控制器和電弧爐、感應(yīng)爐、熒光燈、變壓器等。我國工業(yè)企業(yè)也越來越多的使用產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備，例如晶閘管電路供電的直流提升機(jī)、交-交變頻裝置、軋鋼機(jī)直流傳動裝置、晶閘管串級調(diào)速的風(fēng)機(jī)水泵和冶煉電弧爐等。這些設(shè)備取用的電流是非正弦形的，其諧波分量使系統(tǒng)正弦電壓產(chǎn)生畸變。諧波電流的量取決于諧波源設(shè)備本身的特性及其工作狀況，而與電網(wǎng)參數(shù)無關(guān)，故可視為恒流源。 各種晶閘管電路產(chǎn)生的諧波次數(shù)與其電路形式有關(guān)，稱為該電路的特征諧波。對稱三相變流電路的網(wǎng)側(cè)特征諧波次數(shù)為： …（正整數(shù)）
式中p為一個(gè)電網(wǎng)周期內(nèi)脈沖觸發(fā)次數(shù)（或稱脈動次數(shù)）。除特征諧波外，在三相電壓不平衡，觸發(fā)脈沖不對稱或非穩(wěn)定工作狀態(tài)下，上述電路還會產(chǎn)生非特征諧波。進(jìn)行諧波分析和計(jì)算最有意義的是特征諧波，如果5，7，11，13次等。對于p脈動的變流電路，假定直流側(cè)電流為理想平滑，其網(wǎng)側(cè)n次諧波電流與基波電流之比為：
式中為換流重疊角。，估算時(shí)可取。如直流側(cè)電流波紋較大，則5次諧波幅值將增大，其余各次諧波幅值將減少。 當(dāng)電網(wǎng)接有多個(gè)諧波源時(shí)，由于各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同，其和將小于各分量的算術(shù)和。 變壓器激磁電流中含有3，5，7等各次諧波分量。由于變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法，為3次諧波提供了通路，故3次諧波電流不流入電網(wǎng)。但當(dāng)各相激磁電流不平衡時(shí)，可使3次諧波的殘余分量（最多可達(dá)20%）進(jìn)入電網(wǎng)。

三、諧波傳輸
對于多電壓等級的電網(wǎng)，其諧波阻抗的特點(diǎn)是Zn（高壓側(cè)）Zn（低壓側(cè)）。諧波電流由低壓側(cè)流向高壓側(cè)，其大小基本上與高壓側(cè)參數(shù)無關(guān)，可視為恒流源。諧波電壓由高壓側(cè)傳輸?shù)降蛪簜?cè)，可視為恒壓源。在進(jìn)行諧波分析時(shí)，就是根據(jù)這個(gè)原則構(gòu)造電網(wǎng)的諧波等效電路。
1.電網(wǎng)元件的頻率特性
在諧波頻率范圍內(nèi)，由于渦流和漏磁場的作用，電網(wǎng)元件的諧波參數(shù)要考慮長線效應(yīng)，即變壓器和導(dǎo)線的等效電阻R隨頻率的上升而增加，等效電感L隨頻率的上升而降低。電纜、導(dǎo)線和電容器的電容C基本不隨頻率變化而保持恒定。負(fù)載阻抗與頻率的關(guān)系依負(fù)載的不同而異（見圖1：負(fù)載有功電導(dǎo)頻率關(guān)系圖）。電機(jī)類負(fù)荷在簡化分析時(shí)可只考慮其漏感。電機(jī)漏感Lsn的頻率特性與變壓器相似。
2.電網(wǎng)等效電路
電網(wǎng)可以由電網(wǎng)各元件的諧波參數(shù)Rn，Ln和Cn組成等效網(wǎng)絡(luò)。三相對稱電網(wǎng)的等效電路圖通常采用單相表示（見圖2：電網(wǎng)及其等效電路和阻抗矢量軌跡圖）。根據(jù)等效電路計(jì)算各頻率下的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣Yn，求出阻抗Zn=，計(jì)算諧波電壓Un=ZnIn。
電網(wǎng)在某些諧波頻率下會發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波電流大幅度增加。

電網(wǎng)的并聯(lián)諧振頻率按下式計(jì)算：
式中 Sk為節(jié)點(diǎn)B的短路功率（MVA）；
Sc為電網(wǎng)充電功率（包括并聯(lián)電容器的功率，MVA）。
諧振回路品質(zhì)因數(shù)Q的大小取決于諧振頻率和電網(wǎng)的負(fù)荷率，負(fù)荷率下降，品質(zhì)因數(shù)升高。低壓電網(wǎng)的品質(zhì)因數(shù)為2~3，高壓公用電網(wǎng)為2~5，高壓工業(yè)電網(wǎng)約為10。低壓電網(wǎng)無并聯(lián)電容器時(shí)，其諧振頻率一般不在諧波范圍內(nèi)。

四、諧波限值
為使電網(wǎng)諧波電壓保持在允許值以下，必須限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流量。大多數(shù)工業(yè)發(fā)達(dá)國家相繼制定了電網(wǎng)諧波管理的標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)定。諧波管理標(biāo)準(zhǔn)的制定是基于電磁相容性的原則，即在一個(gè)共同的電磁環(huán)境中，電氣設(shè)備既能正常工作，又不得過量地干擾這個(gè)環(huán)境（見圖3：電磁相容性）。

我國已于1993年頒布了限制電力系統(tǒng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量：公用電網(wǎng)諧波》，規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓限值和用戶向公用電網(wǎng)注入諧波電流的允許值（見表1及表2）。
電壓或電流的正弦波形受諧波影響而畸變的程度用諧波電壓或電流含有率表示：
HRVn=（Un/U1）100%
HRIn=（In/I1）100%
式中 Un、In為第n次諧波電壓、電流有效值；
U1、I1為基波電壓、電流有效值。