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(tǒng)中，電壓和電流波形理論上應(yīng)是工頻下的正弦波，但實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為傅里葉級數(shù)，因此，對于周期T=2π/ω的非正弦電壓μ(t)或電流i(t)，在滿足狄里赫利條件下可以展開成如下形式的傅里葉級數(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，因此通常又被稱為高次諧波。雖然在實際的電網(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)電機三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致等制造和結(jié)構(gòu)上的原因，使得電源在發(fā)出基波電勢的同時也會產(chǎn)生諧波電勢，但由于其值很小，一般在分析電力系統(tǒng)諧波問題時可以忽略。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，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)計時出于經(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)驗閰?shù)配置問題使得局部區(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 諧波對電力系統(tǒng)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(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)定運行。諧波的危害是多方面的，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：
(1)諧波會引起諧振和諧波電流的放大為了補償負(fù)載的無功功率，提高功率因數(shù)等，常會在系統(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，不會發(fā)生諧振。但當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時，對諧振頻率來說，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，諧振會使諧波電流放大幾倍甚至幾十倍，使電容器出現(xiàn)過電流與過負(fù)荷，溫度增高，易導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀。統(tǒng)計數(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)裝置和自動控制裝置來保證在故障情況下線路與設(shè)備的安全，而諧波會對這些裝置產(chǎn)生干擾，造成誤動或拒動，嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。另外，在三相四線制配電網(wǎng)供電時，由于熒光燈、調(diào)光燈、計算機等負(fù)載會產(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相電流造成過負(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)生很大的過電壓和過電流，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)備的正常工作如對于電動機會引起附加損耗，降低效率，引起電動機過熱，并且當(dāng)諧波電流頻率接近定子等零部件的固有振動頻率時，還會使電動機產(chǎn)生強烈的機械振動，發(fā)出很大的噪聲。對于電力變壓器，諧波會使銅耗、鐵耗增大，引起局部過熱，使變壓器噪聲增大。而且，諧波干擾會產(chǎn)生多個過零問題，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(shè)備的功能也會因為諧波干擾產(chǎn)生失真而遭到破壞。
另外，諧波還會對通信系統(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 諧波的檢測和分析方法
對電力系統(tǒng)諧波問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，其中很重要的一個方面就是諧波的檢測，它是解決其他諧波問題的基礎(chǔ)。但由于電力系統(tǒng)的諧波受到隨機性、非平穩(wěn)性、分布性等多方面因素影響，要進(jìn)行實時準(zhǔn)確的檢測并不容易，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方法，如模擬濾波、基于傅氏變換的頻域分析法、基于瞬時無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。這種方法實現(xiàn)原理和電路結(jié)構(gòu)簡單，能濾除一些固有頻率的諧波，易于控制，但誤差大，實時性差，受外界環(huán)境影響較大，參數(shù)變化時檢測效果明顯變差。
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(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，但需要一定的時間采樣并且要進(jìn)行兩次變換，計算量大，檢測時間較長，檢測結(jié)果實時性不好，大多用于諧波的離線分析。如果需要提高實時性，可以利用數(shù)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，從而獲得較好的實時性。

隨著電力系統(tǒng)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(wěn)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。