控制與諧波相關的問題的最早方法涉及使用單調諧濾波器，該濾波器為諧波電流提供較低的阻抗路徑。有趣的是，在沒有諧波濾波器的行業中，在兆伏安范圍內找到產生諧波的負載并不困難。工業部門的大型諧波生產商可能仍采用傳統的諧波濾波方法來控制超出系統計量點的干擾，這些干擾會影響敏感過程和設備。這些過濾方法對于住宅和商業設施來說并不具有成本效益。本文探討了可用于控制諧波和減少電力系統中流動信號引起的失真諧波的技術。

1. 網絡重新配置

網絡重新配置是有助于減少諧波的措施之一。此過程首先確定對電力系統產生大量諧波電流的用戶或扇區，并根據頻率成分的特征對其進行分類。

假設使用諧波濾波器不是一個考慮因素。在這種情況下，在饋線上混合線性和非線性電負載可以減少諧波失真，因為線性負載作為控制諧振器平行峰值的自然衰減器。

網絡重新配置的首要目標包括：

最大限度地減少網絡功率損耗

最大限度地減少切換或故障期間的網絡電壓驟降

最小化節點電壓諧波失真

最大限度地減少系統不平衡

在網絡重新配置期間采用分支交換技術。這是一種在電網中引入未通電的扎帶分支的設計技術。下面的圖 1 對此進行了演示。

圖1.

配置圖之前和之后。圖片由Simon Mugo提供

節點 n 的電源之前流經路徑 pqr，配置后，電源路徑更改為路徑 pst。這種技術的優點是徑向配置的自動維護，無需計算即可實現目的。

2. 提高供電模式剛度

增加當前短路電流和額定負載電流之間的比率意味著更實質性的供電節點。當電力供應商增加變電站的規模時，這很常見。當工業客戶等大型電力用戶在主電源總線上添加其他支持性熱電聯產以改善運營期間的峰值需求時，也會發生這種情況。

短路和負載電流之間的比率為我們提供了電力系統的源剛度。剛性的交流電源增加了短路電流的可能性。

使用強大的電源節點，您可以更好地吸收網絡中存在的瞬態干擾，并幫助衰減變壓器的大浪涌電流、電纜通電和大電機負載啟動的影響。

對于高短路電流，預計會有低阻抗源，這反過來又形成變壓器尺寸的反比函數。我們可以通過計算舊的磨損變壓器額定MVA1被新的變壓器額定MVA2替換時的阻抗變化來說明這一點。

通過使用變壓器阻抗的基本表達式

我們最終得到

假設方程中的所有參數都相同，則將上述公式簡化為：

這個等式給出了新變壓器與舊變壓器如何變化的阻抗比。例如，60 MVA 變壓器提供的阻抗是 30 MVA 變壓器的兩倍，短路增加一倍，其中假設兩個變壓器遇到相同的漏電流問題。

在諧波頻率下，電力系統的電容和電感阻抗根據頻率函數而變化。

用于感性負載

XLh=hωL???=???

對于容性負載

XCh=1hωC???=1???

電力系統的電感元件主要受較硬電源的影響。諧波電流產生的壓降受系統感抗的影響，感抗由饋線和變電站的組件組成。

對于短饋線，主要成分是源阻抗。在這種情況下，預計諧波電流會到達系統的變電站，從而產生諧波失真。對于較硬的系統，諧波失真較小。

3. 增加多脈沖轉換器以消除諧波

在這里，我們可以采用半波和全波整流器。對于半波整流，它產生使變壓器飽和的直流輸出，這可以通過使用全波整流來限制。

六脈沖單元是最基本的可用多相轉換器。12 脈沖單元用于消除 5 次低階諧波千和 7千.

下面的圖2是脈沖轉換器連接。

圖2.

脈沖轉換器連接。圖片由Simon Mugo提供

如果要減少其他諧波電流，請執行相位乘法。例如，一個24脈沖單元由四個-六個脈沖全波整流器橋的組合構成，與其他整流單元相比，每個橋具有15度的相移。這是通過使用移相變壓器實現的，該變壓器將連接成鋸齒形的附加繞組分開。請參見下面的圖 3。

圖3.

脈沖轉換器連接。圖片由Simon Mugo提供

請參閱以下條件，以消除使用六脈沖整流器的諧波：

連接中使用的變壓器具有相同的泄漏阻抗和變比。

負載在可用轉換器之間分成相等的部分

所有轉換器都具有相似的發射角度

變壓器之間的相位差為60/N度，其中N是節數。

特性諧波降低方程可以寫為

h=kq±1?=??±1

哪里

h 是系統諧波階數，N 是六脈沖整流器的可用數量，q 是 6×N，K 是 1，2，3,.....,n 給出的整數

4. 串聯電抗器

在工業中，串聯電抗器長期以來一直被納入短路控制。它們用于冶煉工業、變電站和鋼鐵廠。有時在工業中，串聯電抗器非常適合用于衰減諧波。

非線性電流波形具有諧波失真。引入線路電抗器可限制進入驅動整流器的浪涌電流數量。這降低了峰值電流，使波形四舍五入，并最大限度地減少了諧波失真。電流失真降低到約30%。如果電流失真嚴重，也會使系統供電電壓失真。如果系統消耗過多的諧波電流，則會導致電壓波形頂部平坦。引入電抗器是控制電流組成的一種方法，這樣，電壓上發生的諧波失真就會減少。請參見下面的圖 4。

圖4.

串聯和并聯補償傳輸系統。圖片由

MathWorks

提供

5. Phase Balancing

單相電負載的變化會導致三相導體中的電流不平衡，從而產生不同的電壓下降，從而引起不平衡的相間電壓。

這種不平衡的相間電壓對配電饋線是有害的，特別是當雜散電壓補償措施不佳時。一個完美平衡的系統很難實現，但總是盡力平衡相位，從而減少諧波。

相電壓不平衡

為了最有效地確定不平衡電壓，您需要知道如何計算它。

首先使用以下公式計算偏差：

如果系統在不平衡階段運行，將發生以下情況：

由于線路電流不平衡，電纜過熱。

對微型斷路器、微型斷路器、保險絲等的解除保護。

地下電纜故障。

相位平衡導致負載在系統的三相電源線上均勻分布。如果系統不平衡，則饋線電容器將錯誤地用于系統未來的負載需求。通過良好的電流平衡，將消除過載線路或相位上的額外電流應力，并放置在欠載線路或相位上，從而為未來需求創造空間。相位平衡還提高了系統的饋線容量和電壓質量，并減少了損耗。參見下面的圖5，這是基本平衡三相電源的示意圖。

圖5.

基本平衡三相電源。圖片由Simon Mugo提供

6. 負載分組

太多的電網可能帶有包含不同光譜內容的非線性負載。將這些負載分組到由相似諧波頻譜組成的類別中有助于優化諧波濾波器的位置、安裝、尺寸和選擇。

電路網絡中可以存在多個電氣電阻負載、感性負載和容性負載，它們都具有不同水平的諧波引入電力系統。所有這些負載都用于各個部門。在家庭或住宅負載中，消耗適中的功率。商業、工業和市政負荷是利用電力的其他領域。所有這些區域都消耗不同諧波的功率，可以對其進行分類以幫助減少諧波從一個扇區傳播到另一個扇區的方式。

我們有不同的負載消耗不同類型的電壓。有些消耗208 V，有些消耗120 V，有些消耗240 V，依此類推，這些負載必須很好地分組。參見下面圖6中的電壓消耗系統，其具有不同的功率負載。

圖6. 120/240 V，3 相，4 線，三角形開路系統。圖片由Simon Mugo提供

減少諧波的要點

本文介紹了工程師可以用來最小化電力系統中諧波的六種技術。它們包括：

網絡重新配置有助于減少諧波，這是根據產生大諧波的類型對產生大諧波的用戶進行識別和分類的過程。

電源模式剛度的增加意味著更堅固的電源節點，即短路和負載電流之間的比率。交流電越硬意味著短路的可能性越高。

通過使用半波和全波轉換器添加多脈沖轉換器以消除諧波，有助于消除諧波。這里的六脈沖是最常用的多相轉換器。

串聯反應器可最大限度地減少冶煉廠和鋼鐵廠的諧波。

相位平衡是另一種適用于最小化諧波的方法。請記住，不平衡相位是諧波的來源。

荷載分組是將相似的荷載放在一起的地方。電氣系統中提供具有不同頻譜內容的非線性負載，對這些負載進行分組有助于選擇諧波濾波器并調整其大小。