电力系统湝波检测与抑制方法分析

么 军，张思聪

（国网天津市电力公司滨海供电分公司，天津 300450）

1 谐波简述

谐波是指周期性的正弦波分量，是一个数学和物理概念。电力系统中，往往由于正弦电压施加压力于非线性负载，导致基波电流发生畸变形成谐波。在正常运行的电力系统中，流经的电流和电压成正比且都是正弦波，而当流经的电流与所增加的电压不呈线性关系时，就会出现谐波电流。每个谐波的频率不同，根据谐波的不同频率可以划分为“奇次谐波”、“偶次谐波”、“分量谐波”。

一般情况下，非线性负荷供电设备都会产生谐波电流，例如SMPS、UPS、调速转动装置以及家用电器等。无论是发电设备、输电设备还是用电设备，都可能产生谐波电流，其中用电设备产生的谐波电流最多。发电设备方面，一些发电机的铁芯装置质地不均匀，往往会产生少量的谐波电流。在电力传输方面，变压器是最常产生谐波的电力设备。用电设备方面，变频装置和整流装置由于控制起来比较复杂，稍有差错就会产生谐波电流。家用电器的功率虽然小，但是数量巨大，电流的不平衡变换将会产生较深层次的奇次谐波电流，也是谐波电流的主要产生源之一。

2 谐波研究现状与意义

2.1 研究现状

人们对谐波问题的研究已经持续许久，谐波问题最早发现于20 世纪20年代。在我国20 世纪70年代以来，伴随着经济的发展和电子技术的进步，电力装置和设备应用的范围不断扩大，数量急剧增加。电力系统的安全性和高效性和人们的生活生产有着密切的联系，因而近些年来，谐波研究领域一直比较活跃，并且形成了相对完整的理论体系、检测和抑制方法。国内的一些科研机构、高校和生产企业也相继进行谐波研究，并积极参与国际上的研究项目会议。有源滤波装置是目前最前沿的检测抑制技术，分为并联型、串联型和混合型。

近年来，谐波问题的研究不仅仅处于电力系统领域，和环境保护、经济等领域也有这密切的联系。研究虽有进展，仍存在许多问题需要解决，相应的法规和标准有待进一步的制定和完善。

2.2 研究意义

随着经济和社会的发展，电力使用的范围越来越广泛，家用、生产、交通以及其他诸多领域，谐波造成的危害也更越来越严重。谐波的危害一方面体现在谐波的存在造成小部分电流流失，运输速度减慢，降低电能产生、传输和使用效率；另一方面，数量巨大的3 次谐波造成电力设备过热、加速绝缘老化，设备寿命变短的同时有可能燃烧形成火灾等重大事故，进而威胁人们生命财产安全。谐波还会造成继电保护和移动装置发生失误，使电量计算出错。谐波还会对附近的通信设备造成影响，扰乱通信信号，降低通信质量，伴有导致通信信息丢失的可能性，打乱通信系统的正常工作。

我国的“十二五”电力规划，对电力系统提出了更加精细的要求，绿色环保的发展观念逐渐深入人心，对谐波的检测和控制提出了更高的要求。

3 谐波的检测和抑制方法

3.1 谐波检测

鉴于谐波对电流本身和电气设备的危害性，为了进一步保证供电的质量和使用安全，各个国家和地区基本上都会发布限制谐波标准。我国根据国际标准《电力系统谐波暂行管理规定》并结合我国的实际国情以及其他国内外的相关研究成果，颁布了我国的电网谐波标准（表1）。

谐波检测和分析是电力系统控制和分析中的重要部分，及时准确的检测数据是电力系统中继电保护和故障分析的重要前提。谐波检测致力于电流网中发生畸变的电流和电压，根据检测原理的不同可以分为：模拟滤波器检测法、基于傅立叶变化换的谐波检测法以及基于小波变换的谐波检测法。

表1 电网谐波标准

模拟滤波器检测法是通过模拟滤波器得到谐波数量，主要有两种形式：①通过模拟滤波器滤除基波电流量，从而得到谐波电流量；②通过通带滤波器得到基波分量，与检测到的电流相减后得到谐波数量。这种检测方法原理和操作简单，可行性大，能有效滤除部分固有频率的谐波。但当电网频率发生变化或电路元件参数发生变化时，模拟滤波器难以达到及时检测，且误差较大，检测质量降低。

基于傅立叶变换的谐波检测法是获得各次谐波信号的频率和位置。该方法适用于测量时间是信号周期的整数倍时，操作简单并且测量精度高，在谐波检测方面得到广泛应用。但该种方法对取样信号有着严格要求：取样信号必须是周期性的，且是周期的整数倍，并且要高于信号最高频率2 倍以上。

基于小波变换的谐波检测法是用小波变换的奇异性对谐波信号进行定位，并与附近正常信号进行比较，从而判断谐波信号的干扰类型。小波变化是时域领域检测的重要工具，克服了傅立叶领域局部化而时域无局部化的特点，更加适合信号突变时的检测和分析。这种方法克服了传统检测方法中周期性暂态现象，精确性高。傅立叶变换和小波变换是现在最常用的检测和分析方法。

3.2 谐波抑制

在对谐波信号进行及时准确的检测和分析后，进行谐波抑制可减少和消除电网中的谐波电流，把谐波电压控制在标准范围内，提高供电质量保证供电安全。常用的谐波抑制方法：降低谐波源的谐波含量、在谐波源处吸收谐波电流以及改善供电环境。

降低谐波源的谐波含量是在谐波源处采取措施避免谐波的产生。整流器是电网中的一个主要谐波源，整流器的脉动数和谐波量呈负相关，因此，适当增加整流器的脉动数，有利于减少谐波量。采用PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制技术），在频率周期内调制直压电流脉宽使其不等以抑制谐波。

在谐波源处吸收谐波电流是在谐波已经产生后进行抑制的方法。通过无源滤波器和有源滤波器吸收谐波。相比于无源滤波器，有源滤波器的各项性能更高。通过可控功率的半导体向原电流网注入谐波电流幅相等、相位相反的电流，相互抵消使总谐波为零，达到及时补偿谐波电流的目的。可采用串联抗电器或者限定电容器组的电容容量来减少对谐波的放大。

改善供电环境是指选用合理的供电电压，使三相电压尽可能保持平衡，以减少谐波对电网的影响。

4 结语

谐波的危害性毋庸置疑，及时准确的谐波检测和分析是前提，谐波抑制是目的。从国内外对谐波的研究可以看出，有源滤波器和无源滤波器的混合使用是切实有效的抑制方式，性价比较高，可行性较强，经济效益优势明显。将有源滤波器和无源滤波器的混合使用应用到电力系统的谐波抑制，仍有许多技术性问题需要解决。谐波问题的研究不仅应用于电力系统，对于环境保护领域也有重要的意义。随着人们绿色发展、环保意识的增强以及企业对经济效益的追求，人们必将探索出更有效的谐波检测和抑制方法。