關于電力系統諧波

關于電力系統諧波
　　洪佩孫

（河海大學　南京　210098）　　

　　供電電壓之波形是供電質量之一項重要指標[陽光電子學校維修專家友情提示]。向用戶供電之電壓應為正弦波，當供電電壓不是正弦波時，就稱為電壓發生畸變，畸變之程度可用諧波含量來定量表示[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　諧波概念之提出為分析非正弦量提供了有效之手段[陽光電子學校維修專家友情提示]。從理論上說，用諧波概念分析非正弦波性質是用“頻域”之特性表示方法代替“時域”之特性表示方法[陽光電子學校維修專家友情提示]。采用基于迭加定理之諧波分析方法為分析電力系統在非正弦電壓和電流作用下之行為提供了很大之方便[陽光電子學校維修專家友情提示]。例如，將非正弦波分解為諧波后，就可對系統阻抗進行定義[陽光電子學校維修專家友情提示]。但是，電力系統之諧波分析方法涉及很多基本概念，如不能掌握這些概念，就會招至困惑，甚至導致錯誤結論[陽光電子學校維修專家友情提示]。本文將對以下幾個有關電力系統諧波之問題作出說明和解釋[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　�。�1）分析時認為系統電源電勢是正弦變化之，即系統無諧波電勢[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　對“理想電機”而言，轉子繞組電流所產生之磁勢，括阻尼繞組電流所產生之磁勢和定子繞組電流產生之反應磁勢沿空間之分布均為正弦之[陽光電子學校維修專家友情提示]。所以同步電機定子繞組中之電勢，不論以同步電勢或是暫態（次暫態）電勢表示，均是正弦時變之，無諧波分量[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　實際上，同步電機在結構上采用分裂和短距繞組，消除了一些主要之非零序性質之諧波，又采用線電勢輸出方式，消除了零序性質諧波之影響，因此可以認為同步發電機不向系統送出諧波電勢[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　（2）系統電壓、電流中諧波分量之產生[陽光電子學校維修專家友情提示]。如何在具有非線性特性元件之電路中應用富氏分解法[陽光電子學校維修專家友情提示]。系統中諧波電壓和電流是因系統中非線性元件之存在而產生之[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　這里所指非線性元件首先是括電弧一類伏安特性為非線性之負荷，其等效阻抗為非線性，還括參數隨時間而變（時變）之受控元件，如由晶閘管控制之電氣設備等[陽光電子學校維修專家友情提示]。凸極同步機，由于其d·q軸方向磁阻不等，對在其中形成反向旋轉磁場或固定磁場之定子電流而言，等值阻抗也是時變之，因而也是產生諧波之原因[陽光電子學校維修專家友情提示]。所以，對所要分析之具有諧波電壓、電流之系統，從整體來說一般具有非線性特性[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　這樣，就出現一個概念性之問題：諧波分析法與對稱分量法一樣，只能運用于線性系統[陽光電子學校維修專家友情提示]。能不能用諧波分析法，研究出現了電流和電壓畸變之系統？
　　為了能在實際系統中應用諧波分析方法，需要做一些假定，將產生諧波之非線性元件從系統中分離出來，并看作是一個電流源，這樣一來，系統其余部分就是線性之，只要分析該電流源提供之電流在系統線性部分之流動清況[陽光電子學校維修專家友情提示]。可以利用迭加定理分別研究各次諧波影響，彼此相互不干涉[陽光電子學校維修專家友情提示]。自然，采用這一假定時，仍會有困難，即如何求解電流源[陽光電子學校維修專家友情提示]。實用上可作一個假定，認為諧波電流是在正弦恒定端電壓下產生之，也可根據實測求解[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　圖1表明系統諧波分布情況[陽光電子學校維修專家友情提示]。非線性負載以恒定電流源In表示[陽光電子學校維修專家友情提示]。他向系統送出恒定之n次諧波電流In[陽光電子學校維修專家友情提示]。系統阻抗為對n次諧波之阻抗，In在相應阻抗上之壓降即為相應點之諧波電壓Un，對a點而言Una＝InZn，Zn為自a點看之系統總阻抗[陽光電子學校維修專家友情提示]。所以系統電源阻抗愈大，Un愈大，諧波對供電質量影響愈大[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　圖2為采用無源濾波器消除諧波對系統影響之情況[陽光電子學校維修專家友情提示]。無源濾波器F吸收諧波電流IFn，使流入系統之諧波電流減小，Una降低[陽光電子學校維修專家友情提示]。

　　圖3為采用有源濾波器之情況，有源濾波器產生－In注入系統，抵消了非線性負載向系統送出之諧波電流[陽光電子學校維修專家友情提示]。

　　（3）實測之諧波往往是連續頻譜[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　從富氏分解法可知，周期性非正弦函數諧波次數是整數倍[陽光電子學校維修專家友情提示]。非周期之非正弦函數含之諧波頻譜是連續之，有分數諧波[陽光電子學校維修專家友情提示]。如諧波電流是由波動性非線性負荷產生，例
如電弧煉鋼爐負載，則除有整數諧波外，尚有分數諧波電流[陽光電子學校維修專家友情提示]。這一現象在諧波測量和諧波抑制時應加以注意[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　（4）三相系統諧波之“寄生性”與諧波之對稱分量[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　由于實際系統之諧波電流是系統對稱正弦電勢在非線性負載上產生之，所以三相系統之各相諧波電流是迭加在各相基頻電流上[陽光電子學校維修專家友情提示]。因此，對n次諧波電流In有　　
    Ina＝Inaejnω
    Inb＝Inbejn（ω－120°）＝Inbejnω·e-j120°·n
    Inc＝Incejn（ω－240°）＝Incejnω·e-j240°·n
    當Ina＝Inb＝Inc時，有
    Ina＝In·ejnω·ej0·n
    Inb＝In·ejnω·e-j120°＝Ina·e-j120°·n
    Inc＝In·ejnω·e-j240°＝Ina·e-j240°·n

　　可以看出，當n為不同值時，In只由諧波之一種對稱分量構成，如表1所示[陽光電子學校維修專家友情提示]。

　　所以三相電流畸變相同時，各次諧波中只含一種對稱分量，頻率為nω[陽光電子學校維修專家友情提示]。
　　如三相電流畸變不同，則各次諧波含幾種諧波對稱分量[陽光電子學校維修專家友情提示]。不對稱負載如無中線引出，則無零序分量[陽光電子學校維修專家友情提示]。

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