电力系统谐波研究与治理

摘要：文章论述了谐波产生的原因、危害及谐波的检测方法、抑制方法等。谐波主要检测方法可以分为三种：基于FFT的数字化分析法、提取基波分量法和自适应检测法。对基于瞬时无功功率的三相电路谐波电流检测方法进行研究，提出在控制策略上采用直接电流PWM策略进行电流型变流器的DC-AC变换，能有效提高供电系统在控制上的灵活性。

关键词：电力谐波；检测方法；抑制方法；有源电力滤波器；电力系统 文献标识码：A

中图分类号：TM711 文章编号：1009-2374（2016）07-0124-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.07.063

1 概述

随着我国电网建设的日益发展，非线性、冲击性和不平衡的用电特性，对供电质量造成严重污染，如配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路等。而且，现代复杂、精密的电气设备对电能质量提出了更高的要求。但是在配电网系统中，不可避免地存在谐波，对供电系统的稳定性和安全性产生诸多不利影响。目前对电网谐波主要的抑制措施是通过有源电力滤波器，对不同大小和不同频率的谐波进行快速跟踪补偿，使得各次谐波和无功有效分离，可抵消负载中的相应电流，实现动态跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。目前，国内外学者对谐波的研究表明，谐波对电网系统的危害主要表现在以下四个方面：（1）谐波可能会引起谐振，使得谐波畸变进一步放大；（2）谐波可能通过在变电网中产生附加谐波损耗而引起用户电气设备故障；（3）在变压器位置，谐波电流会引起变压器固件发热，会使固件局部过热，固件运行噪声增大，甚至引起变电器设备故障，影响供电网供电可靠度；（4）在供电网中产生的谐波，会对电力电子设备产生严重干扰，可能会引发电力电子设备无法正常运行而造成重大事故。目前，国内外对谐波的抑制方法主要可以概括为两种途径，其核心都是考虑从源头控制，以供电系统的电力电子设备等装置为出发点，从源头减小谐波的产生。目前这两种途径可简单改为主动型和被动型。其中主动型是通过在装置中设置不产生谐波的变流器，从而减小谐波的产生，而被动型则是通过在供电系统中外加装置如滤波器或有源滤波装置等，吸收系统在供电过程中产生的谐波，从而降低谐波。因而在既有运行的供电系统中，只有通过添加外加装置才能实现谐波的有效控制。由于被动型谐波控制措施具有操作性更强、可靠性程度更高等优点，目前在各大电力系统中应用广泛。

2 有源滤波器

2.1 有源滤波器概述

谐波抑制手段主要有无源滤波和有源滤波两种。目前最常见无源滤波器的波器结构是将电容器和电感器串联而成，对其所调谐的谐波起一个低阻抗“陷阱”的作用。由于无源滤波器具有结构简单、运行效率较高和成本降低等诸多优点，至今仍然广泛地应用到谐波治理领域中。有源滤波器（Active Power Filter，简称APF）相对于无源LC滤波器，通过将检测出的负载电流进行各次谐波和无功的分离，产生与其检测输出的畸变电流相位相反的电流，并快速智能控制电流大小和频率，在补偿谐波的同时也实现了电流的动态跟踪补偿。因而有源滤波器与无源滤波器相比，虽然构造复杂、建设成本高，但是其系统具有可靠程度高、运行效率高等诸多优点，具有更广阔的利用空间。

2.2 谐波源类型

目前对谐波源的研究认为，谐波源可以分为两种类型：电流型谐波源、电压型谐波源。其中电流型谐波源具有电流源的特性，产生谐波大小只与系统本身特性相关，而与系统参数无关。电压型谐波源具有电压源的特性，系统以电压源的方式在变电网中产生谐波。目前电压源谐波已成为变电网中主要的谐波来源。

3 谐波电流的检测方法

谐波电流的检测精度和检测方法直接影响到有源滤波器的滤波补偿效果，因而对相关检测方法的研究是影响有源滤波器滤波补偿系统的关键问题。目前国内外对谐波电流的检测方法主要为基于瞬时无功理论检测法、基于有功分离（理想传输量）的谐波检测方法、频率分析法（基于傅立叶变换）、自适应检测方法、基于神经网络的谐波检测方法、基于小波分析的谐波检测方法、带通滤波器或带阻滤波器检测法（模拟滤波器）和基于现代控制理论的检测方法等多种方法。在众多检测方法中，由日本学者H.Akagi最先提出的基于瞬时无功理论检测法因其对于检测三项电路谐波值的检测效果实时性好，且不受电网参数和负荷影响等优点，在国内外工程中应用较为广泛，取得了良好的工程应用效果，目前国内外对此方法研究最为深入。

4 有源电力滤波器常用控制策略

目前有源电力滤波常用控制方法主要为APF控制方法和直接电流PWM控制方法两种。

4.1 APF的控制方法

本系统的一个重要环节是变流器的DC-AC转换，即如何将变流器直流侧的SMES线圈电流转换为所需的交流电流输出。目前国内外存在多种DC-AC控制策略，如三角载波线形控制、滞环比较控制、无差拍控制和脉宽调制（PWM）、bangbang控制等。每种控制策略都具有各自的适用环境和使用对象，具有差异性的优缺点，目前最常用的DC-AC控制策略是PWM技术。

4.2 直接电流PWM控制方法

PWM控制是通过对模拟信号电平进行数字编码，实现对模拟电路的模拟控制，使电路输出端可得到依幅值相等而宽度不相等的脉冲，并按一定规则对各脉冲的宽度进行调制，达到对输入电压和输入频率调控的目的。PWM控制包括多种控制方法，本文阐述的是其中的一种——电流型空间矢量PWM法。本系统补偿电流的AC-DC转换采用的控制方法是直接电流PWM控制方法，该方法以瞬时电流为控制目标，通过脉冲来控制变流器输出的电流从而补偿各种电能质量环节。在实际的许多应用中，如对非线性负载供电的UPS、有源滤波和不对称负载补偿等情况下，需要对储能装置的输出电流进行瞬时控制，此时电流波形不再是正弦波。在这些情况下，采用PWM控制方法能更有效地达到对输入电压和输入频率调控的目的。

5 有源滤波器在配电网中的应用

有源滤波器在配电网中既可以补偿无功，也可以补偿谐波，以提高系统的功率因数、提高电能质量，减少损耗，提高系统的输送能力，从而使系统运行于经济运行状态。本文采用MATLAB对以瞬时功率理论为基础的无功补偿器进行了仿真研究。仿真采用的典型系统模型如图1所示：

负载电阻R=10Ω，负载电感=0.01H，逆变器交流侧的滤波电感=200μH，逆变器交流侧的滤波电容C=100μF，逆变器交流侧的滤波电感的串联电阻=1.0Ω，逆变器直流侧的储能电感的直流电流=30A。

5.1 当系统不装设补偿装置时的仿真计算结果分析

当系统考虑不设补偿装置时，电源测电压与电源测电流波形仿真计算结果如图2所示：

由于负载电流和电源电压幅值相差较大，为便于相位比较，把电流幅值乘以5放大显示。从图2可以看出，由于负载是典型的感性负载，所以电源电压与负载电流两波形在相位上存在明显的偏差，系统的功率因数较低。

5.2 当系统装设补偿装置时的仿真计算结果分析

当假设系统装设谐波补偿装置时，电源测电压与电源测电流波形仿真计算结果如图5所示。

由于电源电流和电源电压幅值相差较大，为便于比较，把电流幅值乘以5。从图2可以看出，由于必然存在的感性负载，使得电源电压和负载电流间存在这一定程度的相位差，功率因数较低。通过图2和图5计算结果的对比可以看出，当在系统中设置补偿装置时，通过补偿装置进行的瞬时无功补偿，使得系统电源测基本无需提供无功功率，供电系统负荷测需要的无功功率可由逆变器提供，使得图5中电源测电压和电源测电流波形相位基本一致，功率因素明显增大。由上可以看出，基于瞬时无功功率理论的动态无功补偿装置，能有效地提供系统负载需要的无功功率，能有效地保持电源测电压和电源测电流相位变化的一致性，显著提高功率因素。

6 结语

随着我国电网建设的日益发展，非线性、冲击性和不平衡的用电特性，对供电质量造成严重污染，如配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路等。但是在配电网系统中，不可避免地存在谐波，对供电系统的稳定性和安全性产生诸多不利影响，因此对电网谐波进行有效的补偿成为一个重要研究课题。目前谐波主要的检测方法可以分为三种：基于FFT的数字化分析法、提取基波分量法和自适应检测法等。目前对电网谐波主要的抑制措施是采用有源电力滤波器法。本文通过对有无设置有源滤波器补偿装置的配电网系统对比仿真分析，仿真结果表明：基于瞬时无功功率理论的动态无功补偿装置，能有效地提供系统负载需要的无功功率，保持电源测电压和电源测电流相位变化的一致性，显著提高功率因素。

参考文献

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[2] 陈志业，尹华丽，李鹏.电能质量及其治理新技术[J].电网技术，2002，（7）.

[3] 肖国春，刘进军，王兆安.电能质量及其控制技术的研究进展[J].电力电子技术，2000，（6）.

作者简介：赵洪涛（1969-），男，河北沧州人，沧州供电公司渤海新区供电分公司南大港供电分局工程师，研究方向：综合技术。

（责任编辑：小 燕）