供配电系统的谐波简介

张晋文 韩洁民

摘 要：谐波抑制和无功补偿是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术等领域的重大课题。由于电力电子装置的应用日益广泛，使得谐波和无功补偿问题引起人们越来越对的关注。

谐波会使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起供配电系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。对于供配电系统外部，谐波对通讯设备和电子设备会产生严重干扰。

（一）谐波的基本概念

在交流供电系统中，理想状态下，交流电压是按照正弦波的形式变化的，可用下面公式表示：

其中，U表示电压有效值，α表示波形初相位，ω表示波形角频率。

谐波是一个周期电气量（如工频交流电）中频率大于整数倍基波频率（工频50Hz）的正弦波分量。

对称三相电路：对于各相电压来说，无论是三相三线电路还是三相四线电路，相电压中都可以包含零序谐波，而线电压中都不含有零序谐波。对于各相电流来说，在三相三线电路中，没有零序电流通道，因而电流中没有3、6、9次零序电流;而在三相四线电路中，这些零序电流可以从中性线中流过。

不对称三相电路：其谐波通常也是不对称的，3k次谐波、3k+1次谐波、3k-1次谐波，其中都可能含有正序分量、负序分量和零序分量。在不对称三相电路中，各相电流可能包含3、6、9等次谐波，但不可能包含这些谐波电流的零序分量，也不可能包含其他次谐波电流的零序分量。不对称三相三线或三相四线电压中，各线电压中也可能包含3、6、9等次谐波，但同时不可能包含这些谐波电压的零序分量，也不可能包含其他次谐波的零序分量。

（二）供配电系统谐波的产生

在供配电系统中，谐波的产生主要有以下几个方面：（1）电能的生产过程，如发电机。（2）电能的传输过程，如变压器。（3）电能的转换过程，如交直流转换。（4）电能的使用过程，如非线性负载。

（三）无功功率对电网的影响

（1）使设备容量增大。无功功率的增加，会导致电流增加和实在功率增加，从而使发电机、变压器及其电气设备容量和导线容量增加。这样大大增加了工程的成本投入。

（2）设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加。

（3）使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会时电压产生剧烈波动，影响供电电网质量。

在一般情况下，电网中的电阻比电抗小得多，所以，有功功率的波动对电网电压的影响很小，而无功功率的波动对电网电压的影响较大;有些冲击性无功功率会使电网电压产生剧烈波动，甚至使在同一电网上的其他用户无法正常工作。

（四）谐波对电路系统的危害

理想的公用电网所提供的电压应该是单一且固定的频率的电压幅值，谐波电压和谐波电流的出现，是对公用电网的污染，其危害主要有以下几方面：

（1）谐振，电网中使用无功补偿的电容器，他们与系统的感性部分组合，在一定的频率下，可能存在串联或并联的谐振条件。当谐波足够大时，就会形成影响电网正常运行的谐波波电压或过电流。

（1）增加了谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。谐波电流会在线路中产生有功损耗：

高频谐波会使电流在导线中的分布不均匀，降低了电能的传输效率;另外会使电流局部增大，导线温度升高，加快绝缘老化，缩短电缆的使用寿命。

（2）谐波影响各类用电设备的正常工作。谐波对用电设备的影响主要是附加损耗和设备发热。谐波电压可以使变压器的涡流损耗增加，使变压器的铜耗增加。

（3）谐波可能会引起公用电网局部产生谐振，使谐波被放大，危害增大。

（4）谐波会导致电气测量仪表测量误差。在带有整流电路的磁电式交流电表中，表针的旋转角度决定于线圈电流整流后的直流平均值，表盘刻度为交流均方根值，這时可按正弦波的波形因数来确定刻度。当被测电路有谐波的时候，均方根值就有误差，要进行修正。

（5）谐波会对通讯系统产生干扰。在多个中性点接地的电网中，如果有较大的零序谐波电流通过中性点流入大地，就会严重干扰附近的通信系统。

（五）谐波的治理

（1）无源滤波器（LC滤波器）

由电容器、电抗器、电阻器适当组合而成。滤波装置通常由若干个无源滤波器并联而成，并在某一个谐波频率附近呈现低阻态，从而吸收该频率的谐波，减小了流入配电系统的谐波电流。

一般LC滤波器包括一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器、C型高通滤波器，其中二阶高通滤波器最为常用，下图二阶高通滤波示意图和其阻抗频率特性曲线：

（2）有源滤波器

有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。它可以抑制大小和频率随时都在变化的谐波，补偿变化的无功功率。原理图如下：

有缘滤波原理图

当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源滤波器检测出负载电流的谐波分量，将其反极性后作用为补偿电流的指令信号（调制信号），由补偿电流发生电路产生补偿电流，该电流与负载电流中的大小相等、方向相反，两者相互抵消，达到补偿的目的。

指令电流运算电路的作用是根据有源滤波器的补偿目的得出补偿电流的指令信号，即期望由有源滤波器产生的补偿电流信号。

电流跟踪控制电路是补偿电流发生电路的第一个环节，其作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系，得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的电压信号。

（六）总结

以上内容针对谐波的产生和治理做了简单的介绍。近年来使用较多的是设置无功功率补偿电容器和LC滤波器，这种无源补偿装置较为经济，其补偿性能较差。相比之下，有源滤波是较为先进的谐波处理装置，它可以实现谐波的动态抑制。从电能产生初期开始，谐波伴随着电能的始终，影响着电力系统的这个环节。随着全球工业化进程的不断加快，抑制谐波和提高功率因数已成为高效节能配电系统面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。