电力系统中谐波的产生机理及抑制对策

电力系统中谐波的产生机理及抑制对策
发布时间：2022-07-27T07:32:59.635Z 来源：《中国电业与能源》2022年第5期3月作者：缪祥盖，姚建宁，朱庆林，马成功
[导读] 随着电力电子设备的广泛应用，电力系统中的谐波分量增大，
缪祥盖，姚建宁，朱庆林，马成功
云南能投曲靖发电有限公司，云南曲靖 655000
摘要：随着电力电子设备的广泛应用，电力系统中的谐波分量增大，谐波次数增多，给供配电线路、电力设备、电力系统中变压器、整流设备等带来危害。

文中基于谐波的产生机理分析了谐波的产生的危害，并对其电力系统中谐波抑制提出了可行的办法，经应用结果表明：三的倍数次谐波抑制电力系统中谐波效果较佳。

关键词：谐波；产生机理；抑制对策
Mechanism of harmonic generation and suppression countermeasures in power systems
Miao Xianggai, Yao Jianning, Zhu Qinglin, Ma Chenggong
(Yunnan Energy Investment Qujing Power Generation Co., Ltd, Qujing, Yunnan 655000, China)
Abstract: With the wide application of power electronic equipment, the harmonic components in the power system have increased and the number of harmonics has increased, bringing harm to the supply and distribution lines, power equipment, transformers and rectifier equipment in the power system. In this paper, the harm of harmonics is analysed based on the mechanism of harmonic generation, and a feasible approach is proposed to suppress harmonics in the power system, which is shown by the application results: the effect of three times the number of harmonics in the power system is better.
Keywords: harmonics; generation mechanism; suppression countermeasures
0引言
在电力标准中谐波的定义是一个周期量的正弦波分量，它的频率是基波频率的整倍数，例如基波频为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为 150Hz……。

在实际的电力系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过非线性负荷时，就形成非正弦电流[1-2] 。

近年来，在用电设备与电力设备急剧增加同时，产生谐波的设备类型及数量也在剧增，给电网注入了大量的谐波，必须引起我们的高度重视。

以下对电力系统中变压器、整流设备等谐波的产生及其危害作出较全面的分析，对其抑制提出具体可行的办法。

1谐波的产生机理
经长期运行结论表明：目前谐波的产生来自以下几个方面：发电源质量不高；输配电系统；用电设备。

发电源头会产生一定的谐波，但正常情况下都会很少。

在输配电系统中主要是变压器产生谐波，由于变压器铁芯的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器考虑经济性，其工作磁密度选择在磁化曲线的相对饱和段，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。

用电设备中产生的谐波较其他是最多，只要集中体现额在以下方面：
（1）相控晶闸管整流设备。

晶闸管整流装置采用移相控制时，从电网吸的是缺角的正弦波，给电网留下的也就是另一部分缺角的正弦波了，统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40％左右。

(2) 变频装置。

变频装置由于采用了相位控制，除含有整次谐波外，还含有分数次谐波。

(3) 电弧炉。

电弧炉是一个典型的谐波源。

(4) 荧光灯等体放电类光源及家用电器均给电网带来奇次谐波电流。

2谐波引发因素及危害
谐波电流在电源系统以及装置内都会造成相应危害。

（1）装置内谐波。

装置内的谐波引发的常见问题一般是：电压畸变、过零噪声、中性线过热、变压器温升过高、断路器的误动作等。

①电压畸变：因为电源系统有内阻抗，所以谐波负荷电流将造成电压波形的谐波。

即电压畸变（这是产生“平顶”波的根源）。

这个阻抗有两个组成部分：电源接口以后的电气装置内部电缆线路的阻抗和电源接口以前的电源系统内的阻抗。

由非线性负荷引起的畸变负荷电流在电缆的阻抗上产生一个畸变的电压降。

合成的畸变电压波形加到与此同一电路上所接的全部其他负荷上，引起谐波电流的流过。

②过零噪声：许多电子控制器要检测电压得过零点，以确定负荷的接通时间。

这样做是为了在电压过零时接通感性负荷不致产生瞬态过电压，从而可减少电磁干扰和半导体开关器件上的电压冲击。

当在电源上有高次谐波或瞬态过电压时，在过零处电压的变化率就很高且难于判定从而导致误动作。

③中性线过热：在中性点直接接地的三相四线式供电系统中，当负荷产生3N次谐波电流时，中性线上将流过各相3N次谐波电流的和。

如当时三相负荷不平衡时，中性线上流经的电流会更大。

造成中性线导线发热过高，甚至会烧断导线。

④变压器温升过高：接线为Yyn的变压器，其二次侧负荷产生3N次谐波电流时，其中性线上除有三相负荷不平衡电流总和外，还将流过3N次谐波电流的代数和。

这会使铁芯涡流损耗增加，铜损增加温度上升，绝缘加速老化，降低效率和利用率。

这个过程会将谐波电流通过变压器一次侧流入电网。

⑤引起剩余电流断路器的误动作：剩余电流断路器是根据通过零序互感器的电流之和来动作的，如果电流之和大于额定的限值它就将脱扣切断电源。

出现谐波时剩余电流断路器误动作有两个原因：第一，因为剩余电流断路器是一种机电器件，有时不能准确检测出高频分量的和，所以就会误跳闸。

第二，由于有谐波电流的缘故，流过电路的电流会比计算所得或简单测得的值要大。

（2）影响供电电源谐波
《供电营业规则》中规定：“用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点至正弦波畸变超过标准时，用户必须采取措施予以消除。

”这是规定就是国家对供电端的谐波规定。

3谐波抑制对策
随着电力污染问题日益严重，各国纷纷出台治理措施和相关标准，对产生电力污染的设备提出明确的限制。

IEEE一519—1992就是应这样的需要而制定的。

这个标准最初是由用户和供电部门联合发起制定的，旨在限制过电压和配电系统中的电流畸变。

谐波畸变的测试点被称为耦合点或PCC，该点通常位于计量电表处。

标准规定在耦合点处，单次谐波电压畸变率允许值为基波电压的 3％。

一方面这可以满足计
量电表的精度，另一方面能保证用户系统中负载引起的谐波问题对公用供电系统的影响在可接受的范围[3]。

我国又在1993年颁布实施了GB／T14549—1993《电能质量、公用电网谐波》，规定电压奇次谐波畸变率 <4％，偶次谐波畸变率 <4％；注入电网的谐波电流 <38A(3次 )，<61A(5次 )，<43A(7次）等[4]。

对于现有供电网络或待建电网中的电力污染情况，解决的方法有两个：一是局部重组电网结构，分离或隔离产生电力污染的设备；二是使用电源净化滤波设备进行治理，有效地抑制电流谐波就会使电压畸变达到要求的范围．电源谐波的治理主要有以下对策：（1）无源滤波。

无源滤波装置是指由无源器件（电感、电容、电阻）构成的谐波治理和无功补偿装置，它一般由若干个无源滤波器并联而成，每个滤波器在一个或两个谐波频率附近或者在某一个频带内呈现低阻抗，吸收相应的谐波电流，从而使电网中的谐波电流减少，达到抑制谐波的目的。

同时，无源滤波器还能补偿一定数量的无功。

虽然无源滤波器具有简单、方便的优点，但它也存在如下主要缺点：
①只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大；②只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；③重量与体积较大等等。

(2) 串联电抗器。

为避免电容因谐波电流造成本身的损坏与电网谐波扩大，常采用串联电抗器的方法来抑制谐波。

串联电抗器是根据检测出的谐波情况恰当选择串联电抗器的百分比电抗值（电抗器的感抗值与电容器的容抗值 c之比的百分数）由主要存在的谐波次数来选择的电抗器的百分电抗值的情况[5]。

实测表明：电力电容器引起的谐波电流以5次和7次为多，因此可选用 6％～13％电抗值的电抗器。

尤其要注意电力电容器串电抗器的谐振特性。

如果检测出电网含3次谐波较多，则应使用 13％或 15％电抗值的电抗器，绝不能使用 6％或 8％电抗值的电抗器。

因为它不但不能抑制谐波，反而还会使谐波扩大。

此种方法由于简单便宜，目前仍在大量应用。

（3）有源滤波
有源滤波采用模拟和数字逻辑电路对有谐波的系统进行电流检测和电流注入。

具体做法是将有源滤波器与一个含谐波的负荷并联连接，该有源滤波器产生的谐波电流与负荷产生的谐波电流大小相同相位相反，因此电源仅提供负荷基波电流。

有源滤波器可以在电网的任意点接入，在测量完成后便得知电网不同的关键点的谐波畸变。

确定有源滤波器规格时需了解：①要进行补偿的电网系统接线图；②额定电压和频率；③谐波电流；④无功功率。

这种方法与无源滤波相比，有如下显著的特性：①可滤去谐波次数高达50次；②可以选择仅消除谐波操作模式或既消除谐波又进行无功功率补偿的操作模式。

（4）增加整流设备的相数
实际应用中有许多采用的是三相全控桥六脉冲整流，若选用十二脉冲整流，其线电流包含的谐波次数是ll、l3、23、25、… 等，而每一谐波分量的幅值中可以发现这比用六脉冲整流有更大的改善。

（5）其他对策
高次谐波对三相变压器的影响取决于变压器绕组的接线方式。

对于双星型（Y，y）接线，相电流间的不平衡结果会使星形中性点位移，使相线对中性线的电压不相等，3N倍的谐波电流在原边及副边的相线对中性线的电压上均造成谐波电压并使中性点的电压脉动。

在三角形／星形（D，Y）变压器里，不平衡电流和3倍次谐波电流在原边绕组内循环流动而不会传到电源系统中去。

4 谐波治理后经济效益分析
（1）安装谐波治理装置后，有效地降低了谐波电流，增加了变压器的有效容量，可增加相应的带载能力，减少扩容所需的投资。

（2）节电率达l0％～3O％，谐波滤除率为70％～80％减小集肤效应，热损、铜损、铁损、磁损、噪音大为下降，符合国家对能源节约和降耗的指示和可持续发展的要求。

（3）有效抑制谐波电流，满足国标GB／T14549-93优化供电质量，避免因谐波造成的交流电压波形畸变而造成电网计量器具不准。

5 结论
随着电力电子设备的广泛应用，电力系统中的谐波分量增大，谐波次数增多，给供配电线路、电力设备等带来危害。

抑制谐波有多种办法，无源滤波及串联电抗器虽然滤波效果不很理想，但简单便宜，仍在大量应用；有源滤波提供一种最有效地从电网中清除谐波的方式，可滤去谐波的次数高达50次，但价格较贵。

另外，将电力变压器的接线组别接成（D，yn11) 以及增加整流设备的相数均能抑制谐波污染。

本文给出的变压器的接线组别接成（D， yn11）能有效抑制3的倍数次谐波。

随着经济的发展及高新技术产品对高质量电能的普遍要求，建设绿色电网将会提到更重要的日程，抑制谐波污染已成为人们的共同奋斗目标。

参考文献
[1]郑同江.电力电子装置的谐波危害及其抑制对策[J].天津理工学院学报,1999(01):29-32.
[2]熊杰锋,李群,袁晓冬,等.电力系统谐波和间谐波检测方法综述[J].电力系统自动化,2013,37(11):125-133.
[3]许晨昱.基于非同步采样电力稳态谐波及间谐波检测方法分析[D].电子科技大学,2016.
[4]严静,邵振国.电能质量谐波监测与评估综述[J].电气技术,2020,21(07):1-7.
[5]张登义.电力系统中的谐波检测及抑制方法研究[J].科技风,2021(16):190-192.
作者简介：缪祥盖（1987.06-）男，汉族，云南曲靖人，大学本科，助理工程师，主要从事火力发电厂电气运维和管理工作。