电力系统中谐波检测与抑制方法分析

电力系统中谐波检测与抑制方法分析
杨铭轩
（广州蓄能水电厂，广东广州,510950）
摘要：电力电子技术为电力系统提供了高速、高效和节能的控制手段，但由于电力电子器件所具有的非线性特性，给系统带来了谐波污染等问题，其影响已经危及到用电设备、变电站设备和电力系统通信等重要领域。

正确地检测系统中存在的谐波已显得非常重要，本文从多个角度说明电力系统中谐波检测的原理，同时针对性地提出谐波抑制的方法。

关键词：电力系统；谐波检测；谐波抑制
Analysis of the Principle for Power System’s Harmonic Monitoring and Suppression
Yang Mingxuan
(Guangzhou pumped storage power plant,Guangzhou,Guangdong,510950)
Abstract ：Power electronics technology provides high-speed,high efficiency and energy saving means of control for power system .However, it deteriorates power quality by injecting the harmonics and reactive current to the network.It has affected many important areas，such as，Electrical equipment，Substation equipment & Power system communication equipment。

So it’s becoming very important to monitor power system’s harmonic correctly。

This paper explains the principle of power system’s harmonic monitoring from multiple perspectives，and indicates the ways of harmonic suppression.
Keywords ：
power system; harmonic monitoring; harmonic suppression 0 引言
伴随着工业规模的扩大和科学技术的进步，从工业用电到整
个供电系统，谐波产生的危害逐步显示出来，其影响已经危及到用电设备、变电站设备和电力系统通信。

谐波的检测和抑制对于保证电力系统运行的安全性、经济性和可靠性具有重要意义。

1 谐波的产生与危害
1.1 谐波的产生
随着电力电子技术的飞速发展，各种大功率开关器件被大量应用到各种电源装置和电动机的调速中，为工业装置提供了高速、高效、节能的理想控制手段，但是，利用开关动作对电能进行有效变换的同时，装置本身产生了无功电流和高次谐波，对电力系统产生了很大的危害。

1.2 谐波的危害
（1）使电气测量仪表计量不准，影响计量精度；并导致继电
保护和自动装置误动作，甚至造成跳闸事故，严重地威胁电网的运行安全。

（2）能直接造成用户电气设备故障。

当电网中3次、5次或7次谐波电压含有率达到10%~20%时，电动机将在短期内损坏。

另外，过去常在变压器低压侧装设电容器补偿装置，其对高次谐波电流具有放大作用，使其在谐波的作用下温升过高、电流过大，以致无法正常运行。

（3）容易使电网与用于补偿电网无功功率的并联电容器发生局部并联或串联谐振，造成过电压或过电流，使电容器绝缘老化，甚至引起严重事故。

据统计，由于谐波问题引起的电容故障占电容器总故障的
71%~83%。

图2.1 p-q 法检测谐波原理
DOI:10.16520/ki.1000-8519.2016.22.024
2 谐波检测原理
2.1 基于Fryze时域分析的有功分离法
主要原理是将负载电流分解为两个分量：一个分量为与电
源电压波形相同的分量作为有功分量；另一个作为广义无功电
流(包括谐波电流)。

在时域中把三相系统的非正弦周期电流、、分别
相对于各自的相电压、、分解成两项：，
，
G为等效电导，U为u的有效值，P的表达式为
：
（2-1）
式中为瞬时功率。

基于对称三相电路功率定义的Fryze方法受电源结构的影
响，计算结果与瞬时无功功率相同，Fryze功率定义的方法只能
计算出谐波与无功电流总和，无法分别检测谐波与无功电流，对
于需要将基波无功电流和谐波电流分别补偿的情况，该方法无法
应用。

2.2 基于瞬时无功功率理论的谐波与无功电流检测
三相瞬时无功功率理论以瞬时实功率
和瞬时虚功率的定
义为基础，基于此理论产生
法。

算法检测谐波的原理如图2.1所示，图中
、。

（1）检测谐波
根据瞬时无功功率理论定义，
计算出三相电路瞬时有功功率
和瞬时无功功率，经过低通滤波器（LPF）后，得到瞬时有功及
瞬时无功的直流分量、。

当电压无畸变时，为基波有功电流
与电压作用所产生，为基波无功电流与电压作用所产生。

因此，
经过矩阵的逆变换，即可计算出三相电流的基波分量、、。

最后，分别在、、中减去、、即可得到三相谐波分量、
、。

（2）检测谐波和无功电流
当有源电力滤波器同时用于补偿谐波和无功时，只需要断开
图2.1
中的计算通道即可，
由即可计算出被检测电流、、
中的基波有功分量、、。

即，。

最后，分别在、
、中减去、、即可得到三相谐波与无功分量之和
、
、。

（3）
检测无功电流
法中采用了低通滤波器（LPF）求取瞬时有功及无功的
直流分量、，故当被检测电流发生变化时，要经过一定延迟才
能得到准确的、，从而使检测结果有一定延时。

但只检测无功
电流时，则不需低通滤波器，
只需直接将反变换即可得出无功
电流，这样就不存在延时，得到的无功电流为
：
（2-2）
当系统三相电压对称不含谐波时，该方法可迅速准确地检测
出被检电流中的谐波分量和无功分量，但是当系统电压波形发生
畸变时，将造成谐波和无功电流的补偿不准确。

2.3 其它谐波检测方法
（1）带通(带阻)滤波器检测法
一般采用50Hz的带通或带阻滤波器把被测电流中的50Hz
基波分量分离出来而得到谐波电流。

该方法的优点在于电路结构
简单、造价低、输出阻抗低等。

缺点在于，滤波器中心频率对元件
参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相
频特性；当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，而且检测
出的谐波电流含有较多的基波分量，大大增加了有源滤波器的容
量和运行损耗。

（2）快速傅立叶变换法
该方法以Fourier分析为基础，要求被补偿的波形是周期变
化的，否则误差较大。

其基本原理是将负荷电流分解为两个正交
分量：一个是与电压波形完全一致的分量，即有功电流；另一个
分量作为广义无功电流，也就是负荷电流与有功电流的差值。

该
方法的优点是可以选择欲消除的谐波次数，还可计算出负载电流
的基波有功和基波无功分量，而且受环境因素影响较小。

缺点是，
要计算出有功电流，必须对上一个电源周期的电压、电流进行积
分运算，再加上其他运算电路所需要的时间，计算量很大，因此该
方法检测出的广义无功电流瞬时值至少有一个周期以上的时间
延迟。

3 谐波抑制方法分析
电网中谐波的抑制多数采用无源电力滤波器（PPF：Passive
Power Filter）来实现的。

它利用电感、电容元件的谐振特性，在
阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电
流。

这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，
成本较低，技术成熟。

但这种方法的主要缺点如下：滤波性能受
系统参数的影响较大；只能抑制按设计要求规定的谐波成分；不
能对谐波实现动态补偿；可能与电力系统发生串并联谐振等。

目前谐波抑制的一个重要趋势是采用电力电子装置对谐波
进行抑制，即采用有源电力滤波器（Active Power Filter-APF）
技术抑制谐波。

有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿无功
的电力电子装置，它能对不断变化的负载谐波电流进行实时的
补偿，而不像LC滤波器有强烈的选择性。

有源电力滤波器可以弥
补无源电力滤波器的缺点，获得比无源电力滤波器更好的补偿效
果，是一种较理想的谐波抑制及无功补偿装置。

4 结语
随着社会生活水平的提高，人们对环境的质量要求升级，使
得电能质量问题已越来越引起用户和供电部门的重视。

其中“谐
波污染”已经成为电网内三大公害之一，为保证电网的安全、稳
定、经济运行，对于谐波问题的影响只有各方面都重视起来，进行
综合治理，才能还电力系统一个干净的环境。

参考文献
[1] 陈坚. 电力电子学—电力电子变换和控制技术. 北京：高等
教育出版社，2002.
[2] 陈艳惠，黄海鲲崇．基于Fryze功率理论的谐波检测算法与p-q
算法的一致性[J]．山东电力技术，2006，(3)：15-16．。