电力系统中谐波的危害及抑制

电力系统中谐波的危害及抑制

摘要：电力系统谐波是衡量电能质量的一项重要指标，随着电力系统谐波污染日益严重，已严重影响到电力系统的正常运行，为了维护电力系统的可靠运行，谐波治理势在必行。本文分析了谐波的危害并提出了相应的治理方法以及参数的设计，并对添加无源滤波装置的系统进行了仿真分析。

关键词：电力系统谐波抑制滤波

在2 0 世纪2 0 到4 0 年代，德国研究者由静止汞弧变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波的概念[1]。近年来，随着高压直流输电系统的不断推广，变频器、电弧炉、电力机车等非线性负载的大规模应用，使得电力系统污染也越来越严重，引发了许多的问题，对谐波的分析和抑制逐渐引起了人们的关注和高度重视，因此谐波治理的研究具有十分重大的意义。

1 谐波的产生

1.1 电源本身造成

发电机受制技术上的限制往往造成电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，致使产生的电流稍偏离正弦电流。

1.2 非线性负载所致

（1) 在电力系统输电和配电环节中．存在大量的变压器及电力电子开关，变压器铁心饱和致使产生谐波电流。

(2) 整流器和逆变器大量使用产生的谐波电压、电流。电动机变频器调速过程中要产生大量的高次谐波，对用电设备，仪器仪表造成很大的影响。

(3) 现代炼钢工业中电弧炉容量和数量不断增加引起电压波动，电弧电流变化很不规则，三相电流不平衡并且发生畸变，产生大量的谐波电流。

(4) 家用电器中含有大量的电力电子元件，应用广泛，规模较大，对电网造成一定程度的谐波污染。

2 谐波的危害

(1）会导致输电配电系统中变压器绕组发热增大，用电设备无法正常工作，大量的谐波会导致使电流幅值增加，从而可能造成线路超负荷，发热增加，损耗增大。

(2）影响继电保护的可靠性，谐波对继电保护装置精度有影响，可能使其误动或拒动，危害电力系统的安全稳定运行。

(3）高压直流输电中，直流换流站工作时会产生高频噪声，干扰电力通信，影响测量和控制仪器的正常工作。

3 谐波的抑制措施

目前，对电网中谐波进行抑制措施有以下四种，一是采用无源滤波器；二是采用电力有源滤波器；三是混合型有源滤波器H A P F，还有一种是通过主动改造谐波源本身去治理谐波畸变，改善功率因数。其中传统的无源滤波器既可以补偿谐波，同时亦可补偿无功功率，结构简单，成本相对低廉，是当前谐波抑制的主要应用方法。在无源滤波器设计中，L C 参数的优化选取是关键的因素，在混合有源滤波器设计中，为了降低有源部分的分担容量，同样L C 参数的优化问题显得尤为重要。参数选择合理应满足一定的技术要求（谐波电压、谐波电流、无功补偿容量）安全要求（电容器的过电压、过电流等），同时需要考虑经济成本和安全因素，通过多个指标去衡量设计的优劣，是典型的多目标谐波抑制方法，下面对L C 参数的选取进行讨论。

3.1 无源滤波器PF

无源滤波器在谐波有抑制中有着广泛的应用，但谐波的复杂化和谐波源的多变性，如果系统中谐波电流超量时，滤波器将过载，经常需设置多个无源滤波支路。它的结构是由电容，电感和电阻组合而成。单调谐滤波器的工作原理是：理想情况下，当滤波器的谐振频率正好等于某一次谐波电流频率时，此时支路的阻抗为最小值，从而使相应的谐波电压大为降低，从而达到滤去谐波中某些特定频率谐波的目的。

单调谐支路LC 参数的确定单调谐支路的结构如图1 所示，首先根据需要确定出系统所需要补偿的总基波无功Qc, 然后合理分配每个支路需要补偿的基波无功Q1。

3.2 高通滤波器的设计

高通滤波器设计方法有多种, 有一阶高通滤波器，二阶高通滤波

器，三阶高通滤波器[2] 和 C 型高通滤波器等[3]。其中二阶高通滤波器的使用尤为广泛，它的工作原理是可视为一阶高通滤波器与调谐滤波相并联，对于低次谐波电流电容呈高阻抗特性，此时低次谐波无法通过；对于中频谐波电流，电容元件与电感元件调谐，此时回路呈低阻抗，中频谐波电流可以通过；对于高次谐波电流，电容与电阻元件构成一阶高通滤波器，对高次谐波呈低阻抗特性，谐波电流也可以通过，从而实现高通滤波的功能。二阶调谐支路结构如图 2 所示，下面以无功补偿分量法为例说明相关参数的确定。

图3 是10k V 线电压条件下A 相电流补偿前和补偿后的电流频谱分析，从频谱图中，可以看到未加滤波装置时 5 次谐波达到了20.3％，7 次谐波也达12.7％，总的谐波畸变率为25.9％，远超出了国家标准。而添加滤波装置后5 次谐波下降到接近4％，7次谐波下降到4％左右，总的谐波畸变率由25.7% 下降到了7.4%，各次谐波补偿效果已基本满足国家关于电力系统谐波指标所规定的要求。

3.3 电力有源滤波器APF

在谐波源附近和公用电网节点装设并联型或串联型A P F，可以有效地起到补偿谐波的作用，并联型还可以进行无功功率补偿，但装置相对造价较高。与传统的无源一样，电力有源滤波器A P F 也是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效阻抗为无穷大的串联网络，但是A P F 理论上可以拥有无穷多个谐振频率。与无源滤波器相比，A PF 具有以下一些优点：

（1）滤波性能受系统阻抗的影响较少，不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。

(2）用一台装置就能实现动态治理，能够实时跟踪谐波的频率和大小变化。

(3）由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载。

(4）谐波补偿特性不受电网频率变化的影响，可以同时对多个谐波源治理。

有源滤波器的工作原理如图 5 所示，它是一种动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置．实时检测谐波电流，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，A PF 检测出负载电流L i 中的谐波成分Lh i ，将其反极性后作为补偿电流的指令信号c i ，这样由补偿电流发生电路产生的补偿电流c i 与负载电流中的谐波分量Lh i 大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流s i 中只含基波，不含谐波，