電網(wǎng)諧波的產(chǎn)生及其檢測方法分析

1 諧波產(chǎn)生的原因
在電力系統中，電壓和電流波形理論上應是工頻下的正弦波，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)為傅里葉級數，因此，對于周期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數，即：

式中：c1sin(ωt+θ1)為基波分量；cnsin(nωt+θn)為第n次諧波分量?？梢钥闯?，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倍，這也是國際上公認的諧波定義。由于諧波的頻率是基波頻率的整數倍，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倍的正弦分量，但主要研究的還是電網(wǎng)中存在的整數次諧波。
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產(chǎn)生的諧波。由于發(fā)電機三相繞組在制作上很難做到絕對對稱(chēng)，鐵心也很難做到絕對均勻一致等制造和結構上的原因，使得電源在發(fā)出基波電勢的同時(shí)也會(huì )產(chǎn)生諧波電勢，但由于其值很小，一般在分析電力系統諧波問(wèn)題時(shí)可以忽略。在輸配電系統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(xiàn)呈非線(xiàn)性，相當于非線(xiàn)性器件，飽和程度越深波形畸變也就越嚴重，再加上設計時(shí)出于經(jīng)濟性考慮，使磁性材料工作在磁化曲線(xiàn)的近飽和區段，從而產(chǎn)生諧波電流。電源和輸配電系統雖然產(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)電力系統負荷端大量的大功率換流設備和調壓裝置的廣泛應用產(chǎn)生的諧波，如熒光燈、電弧爐、變頻設備、家用電器等。這些用電設備具有非線(xiàn)性特征，即使供給的是標準的正弦波電壓，也會(huì )產(chǎn)生諧波電流注入系統，給電網(wǎng)造成大量的諧波，甚至會(huì )因為參數配置問(wèn)題使得局部區域產(chǎn)生放大，由用電設備產(chǎn)生的諧波所占比例很大，是電網(wǎng)主要的諧波源。

2 諧波對電力系統的危害
諧波電流和諧波電壓的存在，對公用電網(wǎng)造成了很大的污染，破壞了用電設備所處的環(huán)境，容易導致一系列的故障和事故，嚴重威脅著(zhù)電力系統的安全穩定運行。諧波的危害是多方面的，主要表現在以下幾個(gè)方面：
(1)諧波會(huì )引起諧振和諧波電流的放大為了補償負載的無(wú)功功率，提高功率因數等，常會(huì )在系統中裝設各種用途的電容器，工頻下，電容器的容抗比系統的感抗大得多，不會(huì )發(fā)生諧振。但當電網(wǎng)存在諧波時(shí)，對諧振頻率來(lái)說(shuō)，系統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，使電容器出現過(guò)電流與過(guò)負荷，溫度增高，易導致電容器等設備被燒毀。統計數據顯示，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)諧波影響系統的穩定運行和電網(wǎng)的供電質(zhì)量在電力系統中，一般都使用各種繼電保護裝置和自動(dòng)控制裝置來(lái)保證在故障情況下線(xiàn)路與設備的安全，而諧波會(huì )對這些裝置產(chǎn)生干擾，造成誤動(dòng)或拒動(dòng)，嚴重威脅系統的穩定與安全運行。另外，在三相四線(xiàn)制配電網(wǎng)供電時(shí)，由于熒光燈、調光燈、計算機等負載會(huì )產(chǎn)生大量的奇次諧波，尤以3次諧波含量較多，使相線(xiàn)上3的整數倍諧波在中性線(xiàn)上疊加，導致中性線(xiàn)上電流超過(guò)相電流造成過(guò)負荷。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，降低供電效率和設備利用率等。
(3)諧波影響各種電氣設備和電子設備的正常工作如對于電動(dòng)機會(huì )引起附加損耗，降低效率，引起電動(dòng)機過(guò)熱，并且當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)機產(chǎn)生強烈的機械振動(dòng)，發(fā)出很大的噪聲。對于電力變壓器，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行，計算機等工業(yè)電子設備的功能也會(huì )因為諧波干擾產(chǎn)生失真而遭到破壞。
另外，諧波還會(huì )對通信系統造成干擾，產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，影響儀表等設備的精度，導致計量混亂，減少設備使用壽命等各種嚴重危害。

3 諧波的檢測和分析方法
對電力系統諧波問(wèn)題的研究涉及面很廣，如諧波源分析、諧波檢測、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，它是解決其他諧波問(wèn)題的基礎。但由于電力系統的諧波受到隨機性、非平穩性、分布性等多方面因素影響，要進(jìn)行實(shí)時(shí)準確的檢測并不容易，因此，隨著(zhù)交流電力系統的發(fā)展，也逐漸形成了多種諧波檢測方法，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，再與被檢測電流相減后得到諧波電流分量。這種方法實(shí)現原理和電路結構簡(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，參數變化時(shí)檢測效果明顯變差。
基于傅氏變換的頻域分析法根據采集到的一個(gè)周期的電流值(或電壓值)進(jìn)行計算，得到該電流所包含的諧波次數以及各次諧波的幅值和相位系數，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，再將該誤差進(jìn)行傅里葉反變換，即可得補償信號。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，計算量大，檢測時(shí)間較長(cháng)，檢測結果實(shí)時(shí)性不好，大多用于諧波的離線(xiàn)分析。如果需要提高實(shí)時(shí)性，可以利用數字鎖相同步采樣法使信號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的相位和頻率與鎖相環(huán)輸出的同步反饋信號進(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頻率的變化，保持同步，并用輸出的同步信號去控制采樣和加窗，從而獲得較好的實(shí)時(shí)性。

隨著(zhù)電力系統對諧波檢測要求的提高以及各種新的諧波檢測方法日益成熟，這兩種方法一般不再優(yōu)先選用，而且即使在穩態(tài)諧波檢測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。