供配电系统中的谐波电压识别与测量

黄妤群 艾秀娟

（1.福建水利电力职业技术学院，福建 永安 366000； 2.渤海石油装备制造有限公司第一机械厂，河北 沧州 062658）

1 引言

谐波电压对供配电系统、电气设备的稳定和安全运行，以及通信的安全等都具有较大影响。正确识别谐波电压、电流以及阻抗，并运用正确的方法对谐波进行测量，然后采取相应措施积极控制或抑制谐波电压具有重大意义。

2 谐波的产生及其危害

对于一个稳定的供配电系统，三相交流发电机发出的电压，其波形是是正弦波。在实际的供配电系统中，有大量晶闸管整流电源、变频调速装置、单相整流供电装置、高压直流输电换流站、以及电弧和接触焊接设备、硅铁炉、高频炉以及电力变压器等非线性电力负荷的存在，而且这些负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，他们从电网吸收或注入谐波电流和无功电流，并产生大量的零序、负序和谐波电流，引起电网电压畸变，而畸变电压会对所有负荷产生影响[1]。可以说供配电系统中的谐波的产生是必然的物理现象，它对电网有很大的影响：①发电机、电网、变压器、电动机等产生谐波源会降低发电、输电、用电的效率。而且，在三相四线制供配电系统中，三次及其倍数次的谐波电流流过中线，会导致中线过热进而引起火灾；②影响各种电气设备的正常工作。如额外的热效应会引起用电设备发热，绝缘老化，降低设备使用寿命；导致一些保护设备如继电器、熔断器等误动作；增大变压器的铜损耗和铁损耗，降低其使用率；因谐波电流放大造成电容器过负荷或过电压而损坏；③影响计量和通信。电力测量仪表通常是按工频正弦波形设计的，而谐波电压的存在会产生测量误差，另外谐波电流的存在会产生电磁波，进而对邻近的通信线路造成干扰，甚至导致丢失信息，使通信系统无法工作。

3 谐波相关参数的识别

3.1 谐波电压的近似求解

假设PCC（连接点或谐波源）相邻两侧两时刻间谐波电压基本平稳，并且系统谐波阻抗变化不大，那么可根据电力系统的基本原理近似求解谐波电压[2]，如图1所示。

图1 等值电路图

由此得到

以上是谐波电压的近似求解值，在复杂的配电系统中，还可以借助二元回归分析对其准确性进行判断。

3.2 谐波电流方向识别

谐波电流方向判断实质就是判断系统和用户对谐波畸变的影响大小，正确辨识谐波电流方向，是谐波潮流计算、滤波器配置以及采用经济手段惩罚谐波发射用户等问题的基础，因此谐波电流方向的辨识对电力系统谐波污染的治理有重要意义。目前的谐波电流方向辨识方法主要有两种方案：

（1）基于有功功率潮流的谐波电流方向辨识方法。该方法是最传统的谐波电流方向辨识方法，功率正方向定义为从系统到用户，则h次谐波的有功功率为：

（2）和基于谐波阻抗的谐波电流方向辨识方法。假设 hR是系统h次谐波阻抗的实部，hX是系统h次谐波阻抗的虚部，那么，其判断依据仍然是 hR，即其值小于0，说明谐波电流方向为用户注入系统，否则系统本身是主要的谐波电流源。显然前者用户收到处罚，后者则需要对用户给予补偿。

3.3 谐波阻抗识别

电力系统中，各种非线性负荷的大量应用是导致大量谐波电流注入电网的主要原因。电力系统的谐波阻抗的辨识对谐波的渗透分析、滤波装置参数的优化设计和电力系统的安全运行设计等都具有重要意义。谐波阻抗辨识的基本原理比较简单，运用欧姆定律可以对其进行分析，如图2所示。

图2 系统和谐波源用户的连接示意图

图2 中，方框N2代表非线性负荷，方框Nl代表的是除了这个负荷之外的整个线路。当Nl中的阻抗元件是线性元件时，而且当N1只含工频电源时，Nl对于各个高次谐波所呈现的阻抗是一个定值，因此可以定义系统谐波阻抗 hZ=hU/hI（h为谐波次数，hU和hI分别代表电压u，电流i的h次谐波相量）。谐波阻抗识别基本可以上可以分为两类[3]：①干预式。即通过外界因素干扰产生在正常情况下不会产生谐波电流。然后利用该次谐波电流和谐波电压估计系统谐波阻抗。如“注入法”，通过注入谐波电流测量系统谐波阻抗，还有 “开关元件法”，即在要测量谐波阻抗的地点，通过网络元件的开关动作而产生谐波电流注入，然后再研究其瞬态或是稳态过程求出系统谐波阻抗的方法；②非干预式，如“波动量法”和“双线性回归法”等，他们是根据网络的谐波潮流模型，利用谐波电流、谐波电压本身的特点来估计系统谐波阻抗的一种方法。

4 谐波电压的测量

谐波电压对供配电系统的危害性较大，自然需要各种装置对谐波电压进行控制。但首先必须要对谐波电压进行测量。传统的谐波测量装置多以单片机来实现，但其精度、速度都不满足现代管理的需要。利用DSP（数字信号处理器）可以快速运算数字信号，达到对谐波的测量、监视、控制和管理[4]。

本文以福建平和变电站配电系统为例，并采用瑞士莱姆制造的PQPT-1000电能质量分析仪作为测试仪器进行网点测试，谐波分析至50次，基本精度0.01。在动、静态无功补偿装置均运行的情况下，进行50分钟测试：

（1）110kv母线谐波电压总谐波畸变率。根据对6个测试点的测试数据进行统计，结果如表1所示。

表1 110kV母线谐波电压总谐波畸变率

（2）110kV母线各次谐波电压含有率。根据谐波电压测试数据统计95%概率大值、最大值、平均值，其中三相谐波电压平均值还采用公式

进行求解，如表2所示。

表2 110kV母线各次谐波电压含有率（单位：%）

根据上表，利用公式测量的平均值较利用PQPT-1000电能质量分析仪所测结果略有降低。

（3）采用同样的方法，可以测出该配电系统6个测试点中各次谐波电流最大值、平均值、95%概率大值，如基波上谐波电流最大值分别为281.65A、 284.01A、307.43A。

5 结论

对谐波电压的识别、测量、控制不仅可以保证供配电系统安全稳定运行，提高电器设备使用寿命，保证通信安全，还可以尽量促进用电市场的公平。本文介绍了谐波电压的识别方法，并对滤波检测以及LV滤波器的选择进行了一定的分析。随着电力电子技术的进一步发展，谐波电压的控制技术也会日臻成熟，电力的使用效率会逐步提高，这对于建设低碳社会具有重要意义。

[1] 贺建闽,黄治清,李群湛.电网背景谐波电压测量与研究[J].铁道学报,2005,27(6)：28-33.

[2] 唐杰,罗安,范瑞祥等.无功补偿和混合滤波综合补偿系统及其应用[J].中国电机工程学报,2007(1).

[3] 王彦东,李群湛.电力系统谐波阻抗特性及其测量方法的探讨[J].电工技术杂志,2004(3)：64-67.

[4] 潘发君．配电网无功与谐波综合补偿原理及方法研究[D].湖南大学,2007.6.