浅析电力系统谐波及其抑制技术

朱国胜　梁建

【摘要】随着电力系统的发展以及电力市场的开放，电能质量问题越来越引起广泛关注。由于各种非线性负载（谐波源）应用普及，产生的谐波对电网的污染日益严重。因此，谐波及其抑制技术己成为国内外广泛关注的课题。就电力系统谐波的产生及危害进行了探讨，对谐波的限治措施进行了论述。

【关键词】电力系统；谐波；危害；有源电力滤波器

1、谐波的产生及危害

1.1谐波的产生

谐波的通行定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。”根据傅里叶变换理论，对任何一个严格周期信号，都可以将之分解为基波和各次谐波的和。在电力系统中，谐波产生的主要途径主要来自于三个方面。首先，在发电环节，发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因造成发电质量不高，产生少量谐波；其次，输配电环节，变压器的铁心饱和造成工作在非线性区，是产生奇次谐波的重要原因；此外，电网中应用的大量非线性设备，比如：各种整流设备、放电类设备、绕组类设备等也是产生谐波的重要来源。值得一提的是，以上假设，是在假设系统电压为50Hz的理想情况下进行的，而实际上则包含很多暂态过程，对这种信号进行分析，除了包含上述的基波和谐波之外，还有另外一些信号成分，这些信号分量的频率不是基波的整数倍的信号分量，这些信号称为间谐波。间谐波和谐波是两个完全不同的概念。

1.2谐波的危害

谐波不仅会造成用电设备的附加损耗和发热，对于旋转设备和变压器而言，谐波的存在还会引发设备的振动并发出噪声，长时间的振动甚至会造成机械损害。此外，电力系统中存在大量的感性和容性元件，谐波频率达到系统谐振频率时，会产生该频率的谐振，使谐波放大。当谐波引起系统谐振时，谐波电压升高，谐波电流增大，引起继电保护及自动装置误动，损坏系统设备，引发系统事故，威胁电力系统的安全运行。

2、电力系统谐波抑制措施

在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：

2.1降低谐波源的谐波含量

也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：

2.11增加整流器的脉动数

整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：n=Kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而In≈I1/n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。

2.12 脉宽调制法

采用PWM，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。

2.13 三相整流变压器采用Y/Δ或Δ/Y的接线

这种接线可消除3的倍数次的高次谐波，这是抑制高次谐波的最基本的方法。

2.2 在谐波源处吸收谐波电流

这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种：

2.2.1 无源滤波器

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

2.2.2有源滤波器

早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF（Active Power Filter）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。

与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波[1]。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。

2.2.3 防止并联电容器组对谐波的放大

在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改為滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。

2.2.4 加装静止无功补偿装置

快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数[2]。

2.3 改善供电环境

选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。

3、展望

现代电力系统具有功率处理与控制的特点，与传统电力系统相比，由于大量电力电子装置的投入，造成了日益严重的谐波污染问题，对谐波的综合治理已迫在眉睫，谐波问题的研究涉及到许多相关学科，因此，必须努力加强在应用基础方面的研究方面，跟踪并赶超世界发达国家在谐波治理方面的先进技术，推动我国电力系统谐波综合治理的进程[3]。

参考文献

[1]肖湘宁，徐永海.电能质量问题剖析[J].电网技术，2001，25（3）：65-69.

[2]赵金宝，非线性电力负荷的谐波与抑制技术的研究.广西大学硕士学位论文，2006.

[3]胡铭，陈珩.电能质量及其分析方法综述[J].电网技术，2000，24（2）：36-38.

作者简介：朱国胜，男，（1975-）汉族，安徽安庆人，大学本科，高级工程师，主要从事电力工程技术工作工作。

作者简介：梁建，男，（1962.1）汉族，安徽宿州人，大学本科，高级政工师，主要从事企业党建及精神文明建设工作。