电力系统谐波分析与谐波治理浅析

电力系统谐波分析与谐波治理浅析
摘要：随着现代工业的飞速发展，电力系统中电能的生产、变换和使用都在与时俱进地发生改变，它带来的负面效应是使电能质量受到了严重影响，本文所研究的就是在当前这个背景之下所迫切需要解决的问题，主要针对电力系统当中的谐波问题的分析与治理进行了一系列深入的研究。

本文首先对谐波产生的背景作了简要介绍，并分析了它会给电网带来的危害；然后列举了目前获得广泛应用的一系列谐波问题解决方案并探讨了其各自的优缺点；最后引入动态有源滤波器装置，对谐波与无功工况进行了仿真研究，验证了其相比于其他谐波治理方式的优越性和高效性，证明了该种治理方法是一种适用于推广应用的行之有效的措施。

关键词：谐波电能质量有源滤波分析治理
1 电网谐波的定义
在供电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流是正弦波形。

《电能质量公用电网谐波》（GB/T14549-1993）定义：“凡向公用电网注入谐波电流或在公用电网产生谐波电压的电气设备称为谐波源”[1]。

高次谐波源可以分为电流源和电压源两种类型。

以电压源型为例，正弦电压可以表示为：
2 电网谐波的产生与危害
谐波的产生主要由大容量电力设备和用电整流或换流设备以及其他非线性负荷造成的，随着电力电子技术的发展，电力电子器件已经成为电网产生谐波的主要原因。

这是由于电力电子元件本身的非线性特性，以及其使用范围的广泛性，但是电力电子器件不是电网产生的唯一原因。

按照非线性元件的分类，电力系统谐波源可以分为三大类：铁磁饱和型、电子开关型和电弧型[2]。

铁磁饱和型谐波源是由于器件的铁磁饱和特性导致电流电压波形畸变，带铁芯的变压器，发
电机等设备都属于这一类型；电子开关型谐波源是目前最主要的谐波污染源，利用电力电子变流器对电压电流及能量进行控制与变换，在给当今电力企业和用户带来极大便利的同时也引入了波形的畸变，一般来说，单相半波、全波和桥式电路为小容量整流设备，其谐波电流较小。

而大容量整流设备如三相六脉动整流装置，在理想的情况下交流侧的谐波次数为（6k±1）次，k为正整数，6为该整流器直流电压脉动数，这些谐波称为该整流装置的特征谐波；电弧型谐波源，诸如电焊机、电弧炉以及大型工矿企业的一些冲击性负荷，电弧型电流谐波持续时间长，因而对电网的损害也非常严重。

在电力系统中，谐波所带来的污染影响极为严重。

它会损害电网的变压器、各种二次系统设备、终端用电设备等，给用户带来极大的损失。

严重时甚至会引起整个系统的振荡或者崩溃。

大范围谐波污染的主要危害方面有：①谐波电流使得变压器损耗增加，严重降低其负荷能力且使其噪声增大；②对二次系统设备如继电保护装置，谐波可能会造成系统发生振荡，从而使继保装置发生误动，影响对用户的正常供电；③对于一些对电能质量敏感的精密设备来说，谐波会使这些设备的步长不再一致，从而生产出次品甚至烧掉设备；④谐波会干扰通讯及其他弱电设备正常工作；⑤由于集肤效应和邻近效应，谐波不但会产生较多的输电损耗而且还会造成输电线路发生局部放电，局放使得电缆中的水树枝不断扩大，电缆寿命锐减。

3 谐波治理方式
解决谐波污染问题的基本思路有两条：一是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生或产生极少量的谐波，同时使功率因数为1，这主要适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

这种方式目前有以下几种主要措施：增加变流装置的相数或脉冲数、改变谐波源的配置或工作方式、设计或采用高功率因数变流器等。

二是装设谐波治理设备，这对各种谐波源都是适用的，适合在有较多谐波污染源时在公共连接点对电能质量进行统一治理。

目前应用较多的谐波治理设备有：
(1)无源滤波器(PPF)
传统的谐波补偿装置时采用无源滤波器，这种方法可以同时补偿谐波和无功功率，同时结构简单，使用也比较广泛。

尽管参数设计合理的无源滤波器既可滤除固定次数的谐波，又能进行一定量的无功补偿，但装置仍有其无法克服的缺点，如只能滤除固定频率的谐波，滤波效果易受电网参数变化的影响，而且有与系统发生并联谐振的危
险。

此外由于很多厂矿企业生产车间存在大量的各类电力电子装置以及冲击性负荷，谐波含量较为复杂，若完全使用无源滤波器进行谐波抑制和无功补偿将需要设置多路滤波器，从而造成整套补偿装置的体积过大，造价上升。

(2)有源电力滤波器(APF)
有源电力滤波器(APF)是近十几年来发展起来的一种抑制电网谐波的有效手段。

随着电力电子技术及DSP数字信号处理技术的发展，电力电子器件功率的增加及控制方法的改进，对电能质量提出了越来越高的要求，使APF在电力系统中的研究与应用也越来越广泛。

有源滤波器兼具谐波抑制和小容量无功补偿的功能，是柔性交流输电设备中功能较为强大的一种电能质量治理装置，与PPF相比，APF具有一些优点，例如滤波性能不受系统阻抗的影响；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等。

但是出于现今电力电子制造业的器件耐压水平等级和开关频率限制，单独采用有源电力滤波器实现高压大功率的谐波抑制和无功补偿较为困难，而且成本也非常昂贵。

(3)混合有源滤波器(HAPF)
单独使用的并联型和串联型APF由于装置容量都相对较大，开关器件的等级较高，因而存在初期投资大、运行效率低等缺点，同时二者对于不同类型谐波源的补偿特性不同（分别针对电压型谐波源和
电流型谐波源），各有千秋。

因此，在研究APF多功能化的同时，一些研究也致力于寻找使得有源滤波装置容量降低的混合补偿方案。

根据与APF混合的对象不同，混合型有源滤波器HAPF可分为两类，一类是与无源滤波器PF的混合，目的是降低成本，充分发挥APF和PPF的优势，一般把APF和PPF组成的整个系统称为电力线路功率调节器APLC（Active Power Line Conditioner）；另一类是与其他变流器的混合，目的是完善HAPF的功能，一般其中一个主要负责补偿无功功率，而另一个主要负责治理谐波，比如APF与SVC，或APF与STA TCOM的组合。

4 有源滤波器的仿真研究
作为目前和未来电能质量领域的一种稳定和高效的综合治理装置，有源滤波器将逐渐取代传统无源滤波器成为谐波治理的主流产品，其控制性能决定了装置最终的治理效果。

基于这一点，本文使用Matlab/Simulink软件搭建了有源滤波器的仿真模型，仿真基于三相三线制电力线路，以三相晶闸管整流负荷作为非线性谐波源负载，系统的几个主要仿真参数为：
1）电网线电压有效值Us=380 V；
2）进线电感值L=0.5 mH；
3）直流侧电容值C=3000 μF。

4）三相三线制APF，采用谐波集中提取治理的算法
在此系统基础上对有源滤波器的稳态和动态性能进行仿真研究，通过控制仿真中非线性负荷整流装置的触发角和断路器投入时间，模拟负荷突变的情况，图4为在负荷突变时的响应波形，从上到下依次是源测电流、APF分析提取出的基波信号、非线性负荷侧电流、APF 输出的补偿电流。

从图中波形可以看出，除了在开始阶段为直流侧电压充电的一段时间有较大有功电流幅值以外，APF输出的补偿电流很好的抵消了非线性负荷产生的谐波，使得源测电流很好的跟踪上指令基波信号，从稳态精度到动态响应速度方面都具有良好的性能。

5 结语
本文针对电能质量领域影响较为严重的谐波污染问题进行了详尽而深入的研究，首先从问题背景出发介绍了谐波的定义、产生原因及危害；然后从治理的角度出发探讨了目前用于进行谐波治理的几种主要手段，并各自分析了其优势与劣势；最后针对目前应用越来越广泛的有源电力滤波器装置进行了综合仿真研究，从稳态精度和动态跟
踪性能方面验证了其在谐波治理方面的显著效果，为它的推广应用提供了理论依据。

本文在厂矿企业的谐波监管和治理方面具有一定的指导意义。

参考文献
[1] 中国国家标准GB/T14549-93电能质量公用电网谐波[S].北京：中国标准出版社，1994.
[2] 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制与无功功率补偿[M].北京：机械工业出版社，1998.
[3] Akagi H.Active harmonic filters[J].Proceedings of the IEEE，2005，93(12)：2128-2141.
[4] 姜齐荣，赵东元，陈建业.有源电力滤波器:结构·原理·控制[M].北京：科学出版社，2005.。