電力系統的諧波特性及控制

張文從電力系統諧波、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)分析內外發(fā)展趨勢，總結目前普遍關(guān)注的研究課題，探討了諧波綜合治理的規律和方法，并對應用基礎研究提出了一些建議。[關(guān)鍵詞]電力系統諧波；電網(wǎng)污染；綜合控制

自20世紀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，相應的現代電力電子技術(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)變拓撲負載，其造成的諧波污染對電力系統的安全、穩定和經(jīng)濟運行構成潛在威脅，并對周?chē)碾姎猸h(huán)境產(chǎn)生巨大影響，被公認為電網(wǎng)的重大公害。因此，電力系統諧波及其控制的研究已經(jīng)擺在電力科技工作者面前。1.研究電力系統諧波的意義在傳統的電力系統中，正弦波的畸變由來(lái)已久。因為它的威力比較小，危害不明顯。然而，現代電力系統對電能的形式提出了新的要求，具體體現在通過(guò)電力電子器件引入電力轉換技術(shù)來(lái)控制電力電子的通斷流動(dòng)，以滿(mǎn)足用戶(hù)對頻率、電壓、電流、波形和相數的要求。還應注意的是，隨著(zhù)超大容量電力電子設備的使用，現代電力系統正試圖將其快速和實(shí)時(shí)可控性應用于電網(wǎng)的電力傳輸和運行，并且在電力領(lǐng)域出現了具有先特特征的新興應用，例如動(dòng)態(tài)無(wú)功功率補償(ASVG、STATCOM)、有源電力濾波器(APE)、可控移位裝置(TCPA)和統一潮流控制(UPFC)。據內專(zhuān)家統計，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。但電源與用電設備之間的非線(xiàn)性接口電路實(shí)現了功率控制和處理，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)，嚴重扭曲了公共耦合點(diǎn)(PCC)的電壓波形，產(chǎn)生強烈的電磁干擾(EMI)。隨著(zhù)電力轉換設備容量的不斷增加、應用數量的快速增加和控制方法的多樣化，電力電子設備潛在的負面影響日益突出。隨著(zhù)諧波問(wèn)題逐漸被人們認識和理解，對其原因的探索、計算方法的分析、危害和影響的機理、測量和評價(jià)標準的制定以及綜合治理的實(shí)施也在不斷深入。研究發(fā)現，電力系統諧波作為電工學(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(節能、合理開(kāi)發(fā)和應用)和環(huán)境(意識、改善和環(huán)境保護)。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(電力的生產(chǎn)、傳輸、分配和轉換同時(shí)進(jìn)行)。如何滿(mǎn)足電力負荷對有效能量轉換的需求，已成為電力系統日益關(guān)注的焦點(diǎn)。然而，在合理有效地利用電能方面，原有的傳統電能形式受到了極大的限制和制約(甚至浪費)。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)越多的人所認識。例如，充分利用頻率資源，通過(guò)變頻調速可以快速靈活地改變機械傳動(dòng)改變旋轉電機轉速(低效率)的原始過(guò)程，利用高頻啟動(dòng)電路實(shí)現的開(kāi)關(guān)DC電源可以大大降低鐵磁材料的消耗，顯著(zhù)減小設備尺寸。然而，隨著(zhù)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，導致效率降低，這與能量的合理有效利用背道而馳。因此，相應的改進(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(zhù)電力電子技術(shù)的出現。諧波的負面效應或與經(jīng)典正弦波形相反的結果給電氣環(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)標題#e#

諧波的污染和危害主要表現在對電力和信號的干擾和影響：(1)電力危害1。了解旋轉電機附加諧波損耗(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，造成電氣元件和設備的故障和損壞；3.使電能計量的原有定義和方法不適用。(2)信號干擾方面，1。信號系統產(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)控制和保護裝置混亂；3.影響電源處理器的正常運行。二、諧波的綜合治理關(guān)于諧波綜合治理中“綜合”的內涵，有人認為是用廣泛而普遍的推廣來(lái)描述的；有人認為用收藏和整合的方式來(lái)表達更實(shí)際；筆者認為，綜合治理工作應包括以下兩個(gè)方面：(1)加強科學(xué)合法管理。1)供電部門(mén)應從全系統出發(fā)，統籌規劃，采取有效措施加強技術(shù)監督管理，審核擬投入負荷的諧波水平，要求用戶(hù)根據已投入運行的諧波源負荷安裝濾波裝置；2.法律和經(jīng)濟約束被廣泛采用，以改變污染在處理前的被動(dòng)局面。比如電力設備和電子設備的技術(shù)規范要有諧波含量指標，設備不能超過(guò)家規定的指標，否則不得出廠(chǎng)，不得在電力系統中投入使用。(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和無(wú)功補償；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供電系統的諧波源。然而，嚴重的諧波污染是多種諧波源共同作用的結果。因此，在用戶(hù)采取措施時(shí)，先先要解決諧波指標分配和公共耦合點(diǎn)(PCC)濾波器安裝的問(wèn)題。其次，要加強抑制效果的檢測和評估，實(shí)時(shí)準確地監控形狀質(zhì)量。這兩方面的實(shí)施都會(huì )遇到很大的困難和障礙。3.內外諧波研究動(dòng)態(tài)(1)共同關(guān)心的研究問(wèn)題1。對變流器的諧波源進(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??；針對非對稱(chēng)觸發(fā)式交流/DC變換器，提出了一種采用離散小信號模型的分析方法。在測量技術(shù)中，提出了在不同諧波條件下提高諧波測量精度的方法。開(kāi)發(fā)了多通道諧波

波分析儀和電能質(zhì)量測量?jì)x等；3.在分析與計量技術(shù)方面，分析了電網(wǎng)參數變化、模型與元件參數的精度對諧波計算的影響；針對非穩態(tài)波形畸變，尋求新的數學(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/頻域相結合的參數設計和修正方法；提出了無(wú)源與有源混合電路結構，研制了具有綜合性能的新型電力線(xiàn)調節器。（二）目前更為關(guān)注的研究方向1.諧波抑措施，對無(wú)源與有源濾波混合方式的研究更加廣泛和深入。認為混合濾波器可降低治理投資、改善傳統濾波器的技術(shù)性能，是未來(lái)抑制諧波的應用方向；2.電能質(zhì)量測量和評估方法，對測量評估中涉及到一些電氣參數重新進(jìn)行了定義，繼續提出新的測量方法和測量手段；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)中裝設濾波器的較佳安裝位置；4.對特殊非線(xiàn)性負載作了更深入的分析，如諧波對交流電機的噪聲與振動(dòng)影響、提出了采用卡爾曼濾波預測電弧爐負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，對廣義瞬時(shí)無(wú)功理論開(kāi)展了更深入的探討；對有源電力濾波器及其優(yōu)化設置、電能質(zhì)量的小波變換分析方法和各種負荷對電能質(zhì)量的影響等問(wèn)題進(jìn)行了廣泛研究。四、建議通過(guò)以上對電力系統諧波問(wèn)題的認識和分析，結合外諧波研究的發(fā)展動(dòng)向，建議我應在以下幾方面加強研究：(1)有源電力濾波器（APE）檢測算法和控制算法及新理論的研究；(2)電力系統諧波補償新型電力線(xiàn)調節器的研究；(3)有源與無(wú)源濾波混合方式的補償的研究；(4)畸變波形的評估方法，諧波標準規范化和實(shí)用化的研究；(5)各種電力電子裝置和非線(xiàn)性負載諧波特性的研究；(6)電能質(zhì)量監測方法和儀器；(7)諧波潮流的計算和濾波器容量及較佳安裝位置的設定；(8)功率因數和波形校正器；(9)PWM技術(shù)在改善波形質(zhì)量上的作用；(10)功率半導體材料技術(shù)的研究和開(kāi)發(fā)。五、結語(yǔ)現代電力系統具有功率處理與控制的特點(diǎn)，與傳統電力系統相比，由于大量電力電子裝置的投入，造成了日益嚴重的諧波污染問(wèn)題，對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，必須努力加強在應用基礎方面的研究工作，跟蹤并趕超世界發(fā)達家在諧波治理方面的先進(jìn)技術(shù)，推動(dòng)我電力系統諧波綜合治理的進(jìn)程?！緟⒖嘉墨I】[１]許克明，徐云，等.電力系統高次諧波[M].重慶：重慶大學(xué)出版社，1991.#p#分頁(yè)標題#e#

來(lái)源：中電力諧波監測及濾波工程技術(shù)網(wǎng)