電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生及其檢測(cè)方法分析

1 諧波產(chǎn)生的原因
在電力系統(tǒng)中，電壓和電流波形理論上應(yīng)是工頻下的正弦波，但實(shí)際的波形總有不同的非正弦畸變。從數(shù)學(xué)的角度分析，任何周期波形都可以被展開(kāi)為傅里葉級(jí)數(shù)，因此，對(duì)于周期T=2π/ω的非正弦電壓μ(t)或電流i(t)，在滿(mǎn)足狄里赫利條件下可以展開(kāi)成如下形式的傅里葉級(jí)數(shù)，即：

式中：c1sin(ωt+θ1)為基波分量；cnsin(nωt+θn)為第n次諧波分量。可以看出，所謂諧波就是一個(gè)周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍，這也是國(guó)際上公認(rèn)的諧波定義。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍，因此通常又被稱(chēng)為高次諧波。雖然在實(shí)際的電網(wǎng)中還存在一些頻率小于基波頻率整數(shù)倍的正弦分量，但主要研究的還是電網(wǎng)中存在的整數(shù)次諧波。
公用電網(wǎng)中的諧波產(chǎn)生原因主要和以下兩方面有關(guān)：
(1)電源本身以及輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波。由于發(fā)電機(jī)三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱(chēng)，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致等制造和結(jié)構(gòu)上的原因，使得電源在發(fā)出基波電勢(shì)的同時(shí)也會(huì)產(chǎn)生諧波電勢(shì)，但由于其值很小，一般在分析電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題時(shí)可以忽略。在輸配電系統(tǒng)中則主要是變壓器產(chǎn)生諧波，由于其鐵芯飽和時(shí)，磁化曲線呈非線性，相當(dāng)于非線性器件，飽和程度越深波形畸變也就越嚴(yán)重，再加上設(shè)計(jì)時(shí)出于經(jīng)濟(jì)性考慮，使磁性材料工作在磁化曲線的近飽和區(qū)段，從而產(chǎn)生諧波電流。電源和輸配電系統(tǒng)雖然產(chǎn)生諧波，但這兩方面產(chǎn)生的諧波所占的比例一般都很小。
(2)電力系統(tǒng)負(fù)荷端大量的大功率換流設(shè)備和調(diào)壓裝置的廣泛應(yīng)用產(chǎn)生的諧波，如熒光燈、電弧爐、變頻設(shè)備、家用電器等。這些用電設(shè)備具有非線性特征，即使供給的是標(biāo)準(zhǔn)的正弦波電壓，也會(huì)產(chǎn)生諧波電流注入系統(tǒng)，給電網(wǎng)造成大量的諧波，甚至?xí)驗(yàn)閰?shù)配置問(wèn)題使得局部區(qū)域產(chǎn)生放大，由用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波所占比例很大，是電網(wǎng)主要的諧波源。

2 諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害
諧波電流和諧波電壓的存在，對(duì)公用電網(wǎng)造成了很大的污染，破壞了用電設(shè)備所處的環(huán)境，容易導(dǎo)致一系列的故障和事故，嚴(yán)重威脅著電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。諧波的危害是多方面的，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
(1)諧波會(huì)引起諧振和諧波電流的放大為了補(bǔ)償負(fù)載的無(wú)功功率，提高功率因數(shù)等，常會(huì)在系統(tǒng)中裝設(shè)各種用途的電容器，工頻下，電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大得多，不會(huì)發(fā)生諧振。但當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時(shí)，對(duì)諧振頻率來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)感抗大大增加而容抗大大減小，就有可能產(chǎn)生諧振，諧振會(huì)使諧波電流放大幾倍甚至幾十倍，使電容器出現(xiàn)過(guò)電流與過(guò)負(fù)荷，溫度增高，易導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，在諧波引起的事故中有約75％是電容器和與之串聯(lián)的電抗器被燒毀。
(2)諧波影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電網(wǎng)的供電質(zhì)量在電力系統(tǒng)中，一般都使用各種繼電保護(hù)裝置和自動(dòng)控制裝置來(lái)保證在故障情況下線路與設(shè)備的安全，而諧波會(huì)對(duì)這些裝置產(chǎn)生干擾，造成誤動(dòng)或拒動(dòng)，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。另外，在三相四線制配電網(wǎng)供電時(shí)，由于熒光燈、調(diào)光燈、計(jì)算機(jī)等負(fù)載會(huì)產(chǎn)生大量的奇次諧波，尤以3次諧波含量較多，使相線上3的整數(shù)倍諧波在中性線上疊加，導(dǎo)致中性線上電流超過(guò)相電流造成過(guò)負(fù)荷。而且，諧波電流的存在，增加了電網(wǎng)中發(fā)生諧振的可能性，極易產(chǎn)生很大的過(guò)電壓和過(guò)電流，不僅引發(fā)事故，還增加附加損耗，降低供電效率和設(shè)備利用率等。
(3)諧波影響各種電氣設(shè)備和電子設(shè)備的正常工作如對(duì)于電動(dòng)機(jī)會(huì)引起附加損耗，降低效率，引起電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，并且當(dāng)諧波電流頻率接近定子等零部件的固有振動(dòng)頻率時(shí)，還會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生強(qiáng)烈的機(jī)械振動(dòng)，發(fā)出很大的噪聲。對(duì)于電力變壓器，諧波會(huì)使銅耗、鐵耗增大，引起局部過(guò)熱，使變壓器噪聲增大。而且，諧波干擾會(huì)產(chǎn)生多個(gè)過(guò)零問(wèn)題，影響電子裝置和控制電路的正常運(yùn)行，計(jì)算機(jī)等工業(yè)電子設(shè)備的功能也會(huì)因?yàn)橹C波干擾產(chǎn)生失真而遭到破壞。
另外，諧波還會(huì)對(duì)通信系統(tǒng)造成干擾，產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，影響儀表等設(shè)備的精度，導(dǎo)致計(jì)量混亂，減少設(shè)備使用壽命等各種嚴(yán)重危害。

3 諧波的檢測(cè)和分析方法
對(duì)電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題的研究涉及面很廣，如諧波源分析、諧波檢測(cè)、畸變波形分析、諧波抑制等，其中很重要的一個(gè)方面就是諧波的檢測(cè)，它是解決其他諧波問(wèn)題的基礎(chǔ)。但由于電力系統(tǒng)的諧波受到隨機(jī)性、非平穩(wěn)性、分布性等多方面因素影響，要進(jìn)行實(shí)時(shí)準(zhǔn)確的檢測(cè)并不容易，因此，隨著交流電力系統(tǒng)的發(fā)展，也逐漸形成了多種諧波檢測(cè)方法，如模擬濾波、基于傅氏變換的頻域分析法、基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的檢測(cè)方法、小波變換、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。
3．1 模擬濾波和基于傅氏變換的頻域分析法
模擬濾波器方法和基于傅氏變換的頻域分析法都是基于頻域理論，屬于早期的諧波檢測(cè)方法。模擬濾波器法有兩種，一種是通過(guò)濾波器濾除基波電流分量從而得到諧波電流分量；另一種是用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測(cè)電流相減后得到諧波電流分量。這種方法實(shí)現(xiàn)原理和電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能濾除一些固有頻率的諧波，易于控制，但誤差大，實(shí)時(shí)性差，受外界環(huán)境影響較大，參數(shù)變化時(shí)檢測(cè)效果明顯變差。
基于傅氏變換的頻域分析法根據(jù)采集到的一個(gè)周期的電流值(或電壓值)進(jìn)行計(jì)算，得到該電流所包含的諧波次數(shù)以及各次諧波的幅值和相位系數(shù)，將需要抵消的諧波分量通過(guò)傅里葉變換器得出所需的誤差信號(hào)，再將該誤差進(jìn)行傅里葉反變換，即可得補(bǔ)償信號(hào)。這種方法精度高，使用方便，但需要一定的時(shí)間采樣并且要進(jìn)行兩次變換，計(jì)算量大，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，檢測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)性不好，大多用于諧波的離線分析。如果需要提高實(shí)時(shí)性，可以利用數(shù)字鎖相同步采樣法使信號(hào)頻率和采樣頻率同步(如圖1所示)，通過(guò)圖中的相位比較器把采樣信號(hào)的相位和頻率與鎖相環(huán)輸出的同步反饋信號(hào)進(jìn)行比較，再將其輸出經(jīng)濾波后控制壓控振蕩器的頻率，直到輸入頻率和反饋頻率同步為止，然后鎖定并跟蹤輸入信號(hào)頻率的變化，保持同步，并用輸出的同步信號(hào)去控制采樣和加窗，從而獲得較好的實(shí)時(shí)性。

隨著電力系統(tǒng)對(duì)諧波檢測(cè)要求的提高以及各種新的諧波檢測(cè)方法日益成熟，這兩種方法一般不再優(yōu)先選用，而且即使在穩(wěn)態(tài)諧波檢測(cè)中使用傅氏變換的頻域分析法也大多采用快速傅里葉變換及其改進(jìn)算法。