电力系统中的谐波检测和抑制技术探讨

陈浩钢，饶 偲

（国网黄冈供电公司，黄冈 438000）

近年来，配电网系统不断发展，家用电器、换流器以及变频调速等设备逐年增加，其在电力系统中的电流与电压用电特性会发生一定的变化，进而产生谐波，其一方面会对供电质量产生污染，另一方面会给社会经济带来一定的损失[1]，因此对电力系统谐波检测及抑制控制尤为重要。

1 谐波的产生及危害

谐波主要指的是电流中所有频率达到基波整倍的电量的现象，多伴随整流设备负载，容易引起电网电压波动及不对称等。尽管非线性负载的使用能够对正弦输入效率起到提升作用，然而也容易引发一系列不良后果，电流波形会偏离正弦进而出现畸变现象，使电压波出现畸变，进而在负载电流中形成谐波，诱发谐波污染问题[2]。谐波的危害性较为严重，凡设备经过之处都会对其周围环境产生污染，甚至干扰附近设备，影响到电能的正常传输，降低电能生产率与利用率，严重时甚至会导致绝缘故障及烧毁等，引起不安全事件的发生。

2 电力系统中的谐波检测技术

为确保电力系统的平稳运行，首先要对负载电流谐波分量予以实时的检测，然后再结合补偿器需求，给予任意波形补偿电流，常见的谐波电流检测方法有以下几种：

2.1 带阻滤波法

带阻滤波法主要是采用低组滤波器阻断基波分量，进而得到总谐波电流量的方法，该检测技术操作简单，然而精度存在一定的不足，难以满足谐波分析的多方面需求，在电力系统滤波检测中应用不多。

2.2 带通选频法与FFT 变换检测法

带通选频法主要是在多个窄带滤波器的作用下，对各次的谐波分量进行逐次选取。该方法将模拟滤波器作为基础，其元件复杂多样，精度会受到多种因素的影响。FFT 变换检测法则主要依据的是数字信号处理技术，其首先对信号进行采样，然后经过A/D 的转换作用，将信号输入到单片机，在单片机上进行相应的计算与处理[3]。该方法能够获得各次谐波信号相位及频率，应用简单，具有较高的检测精准度，在谐波检测与频谱分析中得到了广泛地应用。然而该检测方法也存在一定的缺陷，其实时性较差，当对非整数次谐波进行检测时容易发生栅栏现象，出现谐波幅值及相角等误差。

2.3 瞬时无功功率谐波电流检测法

瞬时无功功率理论最早由二十世纪八十年代日本学者提出，简单表示为p-q 理论，其为电力谐波量的检测提供了重要的理论支持，该理论使得电力有源滤波论在工业中得以应用，其瞬时有功功率p 及瞬时无功功率q 均含有直流分量与交流分量，表示为

根据直流分量可以得到被检测的电流的基波分量情况，基波分量与总电流的差便是谐波电流。该检测技术对零序分量情况未给予重视，再加上系统的不对称，导致瞬时无功平均分量与三相平均无功不一致。因此，该检测技术多用于三相电压正弦及对称三相电路谐波检测。

3 电力系统中的谐波抑制技术

3.1 利用无源滤波器

无源滤波器依据的是谐振原理，在滤波电路的作用下对需消除的高次谐波予以调谐处理，该抑制技术能够确保谐振阻抗达到最低，只要将其安置在谐波附近便能够对谐波电流进行吸收，防止谐波电流进入电网，对谐波产生抑制作用。常见的无源滤波器有以下几种：（1）单调谐滤波器，其主要针对某一次谐波进行设计，相当于一个低阻通道，一旦系统中出现该次滤波便能够对其产生容抗作用，将谐波消除。（2）双调谐滤波器。其由两个单调谐滤波器并联而成，能够同时对两种频率滤波进行吸收，其结构较为复杂，但对基波损耗小。（3）二阶减幅滤波器。其主要是与单调谐波滤波器配合使用，对高于某次的谐波阻抗相对较小，能够将高于该次以上的谐波进行滤除，其不仅能够减少对滤波器的损耗，而且阻抗频率特性好，应用广泛。

3.2 利用有源电力滤波器

有源电力滤波器具有较快的响应速度与高度可控性，一方面能够对各次滤波起到补偿作用，另一方面能够对电压闪变起到抑制作用，对无功电流予以补偿，且体积与质量较小、便于携带。有源电力滤波器自适应能力较强，能够对补偿变化中的谐波进行自动跟踪及补偿，对于频率及幅值不断变化中的谐波也能够进行补偿，且无需较大的元件，响应速度快，不会受到电网阻抗的影响，能够避免电网阻抗的谐振风险，对串并联谐振现象起到抑制作用。除此之外，在有源电力滤波器作用下，采用一台装置便能够实现对多次谐波电流以及非整数倍次谐波电流的同时补偿，在补偿期间还可以选择集中补偿或单独补偿，效率高。但该抑制方式也存在一定的不足，经过改进及元件的增加，其结构较为复杂，成本有所增加。

3.3 利用主动谐波抑制

谐波产生原理认为当整流相数增加时，网侧电流谐波成分会减少，此时电流波与正弦波接近[4]。以晶匣管三相桥式整流电路为例，其中仅有n 次奇次谐波，高次谐波振幅值更低，提示谐波次数的增加会降低振幅值。另外采用波形叠加法也能够对谐波进行抑制。采用两台逆变器，能够确保其电压在副边出现叠加，输出波形半周内都会保持60度间隙，此时第二胎逆变器较第一台会出现36度波形相移。那么在变压器副边上五次谐波能够实现同时抵消，效率较高。

3.4 增加整流变压器二次侧整流相数

针对带有整流元件设备，可以最大化提高整流相数或脉动数，能够对低次特征谐波起到良好的消除作用，这一措施在应用能够降低谐波源出现的谐波含量，通常在工程设计中也就需要考虑到这一点。整流器在整个供电系统中属于是一个重要的谐波源，因此在交流侧出现的高次谐波是tK1次谐波，所以在整流装置中的6脉动谐波次数为n=6K1，在对其相数提高到12脉动情况下，所得到的谐波次数为n=12K1（其中K 为正整数），以此即能够对5、7等次谐波起到消除作用，所以在谐波抑制中加大整流的相数或脉动数，能够对低次谐波起到良好的消除作用。但是这一方法在应用中目前还处于理论阶段，实际中因为投资较高，但是所取到的谐波消除效果不够显著，因此通常是将这一方法应用在大容量的整流装置负载。

3.5 整流电路的多重化

整流电路实现多重化，也就是实现多个方波的叠加，可以实现对次数较低谐波起到消除作用，能够获取和正弦波比较接近的阶梯波。重数越多，所形成的波形和正弦波越接近，但是在过程中的电路复杂度也会提升。所以这一方法只能够在大容量场合中应用。同时，这一方法不但能够降低交流输入电流谐波，也有助于降低直流输出电压中的谐波幅值，与此同时也有助于提升纹波频率。这一方法在应用中实现和PWM 技术结合应用，也就能够获取更好的谐波抑制效果，这一方法在桥式整流电路中的应用，有助于降低输入电流的谐波。

4 结束语

新时期，电力系统得到了前所未有的发展，接入设备不断丰富、类型多样，其在一定程度上增加了电力网络结构的复杂性，因此，必须加强对电力系统谐波问题的重视度，给予有效的检测与抑制处理，降低谐波危害。