疲劳驾驶预警系统电⼒系统谐波的危害及其常⽤抑制⽅法 垃圾焚烧电⼒系统谐波的危害及其常⽤抑制⽅法
在电⼒系统中采⽤电⼒电⼦装置可灵活⽅便地变换电路形态，为⽤户提供⾼效使⽤电能的⼿段。但是，中试控股电⼒电⼦装置的⼴泛应⽤也使电⽹的谐波污染问题⽇趋严重，影响了供电质量。⽬前谐波与电磁⼲扰、功率因数降低已并列为电⼒系统的三⼤公害。因⽽了解谐波产⽣的机理，研究消除供配电系统中的⾼次谐波问题对改善供电质量和确保电⼒系统安全经济运⾏有着⾮常积极的意义。
1、谐波及其起源
所谓谐波是指⼀个周期电⽓量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。周期为T＝2π／ω的⾮正弦电压u（ωt），在满⾜狄⾥赫利条件下，可分解为如下形式的傅⾥叶级数：式中频率为nω（n＝2，3…）的项即为谐波项，通常也称之为⾼次谐波。 应该注意，电⼒系统所指的谐波是稳态的⼯频整数倍数的波形，电⽹暂态变化诸如涌流、各种⼲扰或故障引起的过压、⽋压均不属谐波范畴；谐波与不是⼯频整倍数的次谐波（频率低于⼯频基波频率的分量）和分数谐波（频率⾮基波频率整倍数的分数）有定义上的区别。
谐波主要由谐波电流源产⽣：当正弦基波电压施加于⾮线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形 运动水袋
不同，电流因⽽发⽣了畸变，由于负荷与电⽹相连，故谐波电流注⼊到电⽹中，这些设备就成了电⼒系统的谐波源。系统中的主要谐波源可分为两类：含半导体的⾮线性元件，如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、PWM变频器等节能和控制⽤的电⼒电⼦设备；含电弧和铁磁⾮线性设备的谐波源，如⽇光灯、交流电弧炉、变压器及铁磁谐振设备等。
国际上对电⼒谐波问题的研究⼤约起源于五六⼗年代，当时的研究主要是针对⾼压直流输电技术中变流器引起的电⼒系统谐波问题。进⼊70年代后，随着电⼒电⼦技术的发展及其在⼯业、交通及家庭中的⼴泛应⽤，谐波问题⽇趋严重，从⽽引起世界各国的⾼度重视。各种国际学术组织如电⽓与电⼦⼯程师协会（IEEE）、国际电⼯委员会（IEC）和国际⼤电⽹会议（CIGRE）相继各⾃制定了包括供电系统、各项电⼒和⽤电设备以及家⽤电器在内的谐波标准。我国国家技术监督局于1993年颁布了国家标准GB／T14549－93《电能质量公⽤电⽹谐波》，标准给出了公⽤电⽹谐波电压、谐波电流的限制值。
如国内某轧钢⼚的4000kW交流变频同步电机的调速系统，中试控股在某种⼯况下5次谐波含量达到15．88％，7次谐波含量达7．9％。另外，低于电⽹频率的次谐波和⼤量的分数次谐波，使电流总谐波畸变率最⾼时可达25．87％，电压总谐波畸变率最⾼时可达6．19％。远⾼于国家标准GB／T14549－93《电能质量公⽤电⽹谐波》，可见，谐波对电⽹的污染是相当严重的。
2、⾼次谐波的危害
谐波污染对电⼒系统的危害是严重的，主要表现在：
（1）谐波影响各种电⽓设备的正常⼯作。对如发电机的旋转电机产⽣附加功率损耗、发热、机械振动和噪声；对断路器，当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成⾼的di／dt，这将使开断困难，并且延长故障电流的切除时间。
（2）谐波对供电线路产⽣了附加损耗。由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加⽽提⾼，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很⼩，故其导线较细，当⼤量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热，损害绝缘，引起短路甚⾄⽕灾。
（3）使电⽹中的电容器产⽣谐振。⼯频下，系统装设的各种⽤途的电容器⽐系统中的感抗要⼤得多，不会产⽣谐振，但谐波频率时，感抗值成倍增加⽽容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放⼤谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。
（4）谐波将使继电保护和⾃动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较⼤误差。谐波对其他系统及电⼒⽤户危害也很⼤：如对附近的通信系统产⽣⼲扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统⽆法正常⼯作，影响电⼦设备⼯作精度，使精密机械加⼯的产品质量降低；设备寿命缩短，家⽤电器⼯况变坏等。
3、谐波的检测和分析⽅法
为了有效补偿和抑制负载产⽣的谐波电流，中试控股⾸先必须对含有的谐波成分有精确的认识，因⽽需要实时检测负载电流中的谐波分量。现有的谐波电流检测和分析⽅法主要基于以下⼏种原理：
（1）带阻滤波法
这是⼀种最为简单的谐波电流检测⽅法，其基本原理是设计⼀个低阻滤波器，将基波分量滤除，从⽽获得总的谐波电流量。这种⽅法过于简单，精度很低，不能满⾜谐波分析的需要，⼀般不⽤。
（2）带通选频法和FFT变换法
带通选频⽅法采⽤多个窄带滤波器，逐次选出各次谐波分量，利⽤FFT变换来检测电⼒谐波是⼀种以数字信号处理为基础的测量⽅法，其基本过程是对待测信号（电压或电流）进⾏采样，经A／D转换，再⽤计算机进⾏傅⾥叶变换，得到各次谐波的幅值和相位系数。
这两种⽅法都可以检测到各次谐波的含量，但以模拟滤波器为基础的带通选频法装置，结构复杂，元件多，测量精度受元件参数、环境温度和湿度变化的影响⼤，且没有⾃适应能⼒；后⼀种检测⽅法其优点是可同时测量多个回路，能⾃动定时测量。缺点是采样点的个数限制谐波测量的最⾼次数，具有较长的时间延迟，实时性较差。
（3）瞬时空间⽮量法
应急调度1983年⽇本学者⾚⽊泰⽂提出的瞬时⽆功功率理论，即“p－q”理论，对电⼒谐波量的检测做出了极⼤的贡献，由于解决了谐波和⽆功功率的瞬时检测和不⽤储能元件就能实现抑制谐波和⽆功补偿等问题，使得电⼒有源滤波理论由实验室的理论研究⾛向⼯作应⽤。根据该理论，可以得到瞬时有功功率p和瞬时⽆功功率q，p和q中都含有直流分量和交流分量，式中分别为p、q的直流分量，即为对应的交流分量。由可得被检测电流的基波分量，将基波分量与总电流相减即得相应的谐波电流。中试控股因为该⽅法忽略了零序分量，且对于不对称系统，瞬时⽆功的平均分量不等于三相的平均⽆功。所以，该⽅法只适⽤于三相电压正弦、对称情况下的三相电路谐波和基波⽆功电流的检测。
90年代提出的“d－q”理论进⼀步发展和完善了“p－q”理论，该理论提出的检测⽅法解决了三相电压⾮正弦、⾮对称情况下三相电路谐波和基波负序电流的检测。
媒体播放（4）⾃适应检测法
该⽅法基于⾃适应⼲扰抵消原理，将电压作为参考输⼊，负载电流作为原始输⼊，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与⽆功分量。该⾃适应检测系统的特点是在电压波形畸变情况下也具有较好的⾃适应能⼒，缺点是动态响应速度较慢。在此基础上，⼜有学者提出⼀种基于神经元的⾃适应谐波的电流检测法。
（5）⼩波变换检测法
对于⼀般的谐波检测，如电⼒部门出于管理⽽检测，需要获得的是各次谐波的含量，⽽对于谐波的时间则不关⼼，因此，傅⾥叶变换就满⾜要求。然⽽在对谐波电流进⾏动态抑制时，不必分解出各次谐波分量，只需检测出除基波电流外的总畸变电流，但对出现谐波的时间感兴趣，对于这⼀点，傅⾥叶变换⽆能为⼒。⼩波变换由于克服了傅⾥叶变换在频域完全局部化⽽在时域完全⽆局部性的缺点，即它在时域和频域同时具有局部性，因此通过⼩波变换对谐波信号进⾏分析可获得所对应的时间信息。
从以上检测⽅法看，基于瞬时⽆功功率理论的瞬时空间⽮量法简单易⾏，性能良好，并已趋于完善和成熟，今后仍将占主导地位。基于神经元的⾃适应谐波电流检测法和⼩波变换检测法等新型谐波检测⽅法能否应⽤于⼯程实际，还有待进⼀步验证。
4、谐波抑制⽅法
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在电⼒系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注⼊系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三⽅⾯的措施：
（1）降低谐波源的谐波含量
也就是在谐波源上采取措施，最⼤限度地避免谐波的产⽣。这种⽅法⽐较积极，能够提⾼电⽹质量，可⼤⼤节省因消除谐波影响⽽⽀出的费⽤。具体⽅法有：
谐波影响⽽⽀出的费⽤。具体⽅法有：
①增加整流器的脉动数
整流器是电⽹中的主要谐波源，其特征频谱为：n＝Kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增⼤，⽽In≈I1／n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。如：整流相数为6相时，5次谐波电流为基波电流的18．5％，7次谐波电流为基波电流的12％，如果将整流相数增加到12相，则5次谐波电流可下降到基波电流的4．5％，7次谐波电流下降到基波电流的3％。
②脉宽调制法
采⽤PWM，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的⽬的。在PWM逆变器中，输出波形是周期性的，且每半波和1／4波都是对称的，幅值为±1，令第⼀个1／4周期中开关⾓为γi（i＝1，2，3……m），且0≤γ1≤γ2≤……≤γm≤π／2。假定γ0＝0，γm＋1＝π／2，在（0，π）内开关⾓α＝
0，γ1，γ2，……，γm，π－γm，……，π－γ2，π－γ1。PWM波形按傅⾥叶级数展开，由式可知，若要消除n次谐波，只需令bn＝0，得到的解即为消除n次谐波的开关⾓α值。
③三相整流变压器采⽤Y－d（Y／Δ）或D、Y（Δ／Y）的接线
这种接线可消除3的倍数次的⾼次谐波，这是抑制⾼次谐波的最基本的⽅法。
（2）在谐波源处吸收谐波电流
这类⽅法是对已有的谐波进⾏有效抑制的⽅法，中试控股这是⽬前电⼒系统使⽤最⼴泛的抑制谐波⽅法。主要⽅法有以下⼏种：
①⽆源滤波器
⽆源滤波器安装在电⼒电⼦设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某⼀⾼次谐波电流频率相同时，即可阻⽌该次谐波流⼊电⽹。由于具有投资少、效率⾼、结构简单、运⾏可靠及维护⽅便等优点，⽆源滤波是⽬前采⽤的抑制谐波及⽆功补偿的主要⼿段。但⽆源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放⼤的可能；耗费多、体积⼤等。因⽽随着电⼒电⼦技术的不断发展，⼈们将滤波研究⽅向逐步转向有源滤波器。
②有源滤波器
早在70年代初期，⽇本学者就提出了有源滤波器APF（Active Power Filter）的概念，即利⽤可控的功率半导体器件向电⽹注⼊与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的⽬的。与⽆源滤波器相⽐，APF具有⾼度可控性和快速响应性，能补偿各次谐
波，可抑制闪变、补偿⽆功，有⼀机多能的特点；在性价⽐上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发⽣谐振的危险；具有⾃适应功能，可⾃动跟踪补偿变化着的谐波。⽬前在国外⾼低压有源滤波技术已应⽤到实践，⽽我国还仅应⽤到低压有源滤波技术。随着容量的不断提⾼，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应⽤范围也将从补偿⽤户⾃⾝的谐波向改善整个电⼒系统的电能质量的⽅向发展。
③防⽌并联电容器组对谐波的放⼤
在电⽹中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作⽤。当谐波存在时，在⼀定的参数下电容器组会对谐波起放⼤作⽤，危及电容器本⾝和附近电⽓设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些⽀路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投⼊容量，避免电容器对谐波的放⼤。
④加装静⽌⽆功补偿装置
快速变化的谐波源，如：电弧炉、电⼒机车和卷扬机等，除了产⽣谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公⽤电⽹的电能质量。在谐波源处并联装设静⽌⽆功补偿装置，可有效减⼩波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。
（3）改善供电环境
选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，中试控股可以有效地减⼩谐波对电⽹的影响。谐波源由较⼤容量的供电点或⾼⼀级电压的电⽹供电，承受谐波的能⼒将会增⼤。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除⾼次谐波。
随着我国电能质量治理⼯作的深⼊开展，中试控股基于瞬时⽆功功率理论的有源滤波器进⾏谐波治理将会有巨⼤的市场潜⼒。综合动态的谐波治理措施并同时考虑电⽹的⽆功功率补偿问题，是电⼒企业当前⾯临的⼀⼤课题。但是要消除谐波污染，除在电⼒系统中⼤⼒发展⾼效的滤波措施外，还必须依靠全社会的努⼒，在设计、制造和使⽤⾮线性负载时，采取有⼒的抑制谐波的措施，减⼩谐波侵⼊电⽹，从⽽真正减少由于谐波污染带来的巨⼤经济损失。
