电力系统谐波分析与治理

电力系统谐波分析与治理

近十多年來，由于电力电子制造技术和变流技术的突破与发展，同时电力电子设备的工作可靠性得到了很大的提高，在电力系统中得到了广泛的应用，一方面它提高了我们的生产效率，改善了我们的生活，另一方面大量的非线性电力电子设备的使用将会产生大量的谐波，轻则降低设备的运行效率，严重时将损坏设备。因此，分析谐波产生的原因，采取消除谐波的措施，减轻谐波的危害具有重要的实际意义。

标签：电力系统；谐波；治理

引言

自从采用交流电作为电能输送的一种方式起，电力设计中就力求降低电压、电流波形畸变，使其波形接近正弦波，让谐波限制在一个可以接受的水平。但近十多年来随着非线性电力电子设备的大量使用，使得谐波污染问题变得日益严重，有时甚至损坏设备，这引起了人们对这一问题的关注。

1 谐波产生的原因

在电力系统中，非线性设备的使用是谐波产生的根本原因。当正弦交流电源流经非线性负载时，电流的大小与所加的电压并不呈线性关系，电流为非正弦波，即回路中产生了谐波。谐波主要由现代电力电子非线性设备产生，如荧光灯、电子控制装置和开关、电源、晶闸管控制设备等。

2 谐波畸变对电力系统的影响及治理的意义

谐波的危害主要为：（1）谐波会影响一些电气设备的正常工作。如谐波会使电力电容器、电力电缆等设备过热、加速设备绝缘老化、缩短使用寿命，有时甚至会损坏设备；谐波会让电机产生机械振动、产生噪声外，还会增加附加损耗，使电机局部过热严重。（2）谐波的存在会降低系统中发、输变电设备的使用效率，同时会使电网中的设备产生附加的损耗；（3）谐波在某些特定的条件下会引起并联或

串联谐振，放大特定频率的谐波，这就使上述（1）和（2）的危害进一步增加，有时甚至损坏设备；（4）谐波会对邻近的通信系统产生噪声干扰，降低通信质量；严重时会导致信息丢失，使通信中断；（5）谐波也会导致电网中继电保护和自动装置不正确动作，会使电气测量仪表和计量装置不准确。

综上所述，治理谐波使其限制在一个较低的无危害的水平具有重要意义。

3 谐波治理的方法

治理谐波的方法可分为两种，一种方法是采用有源或无源滤波器，滤除电网中既存的谐波；另一种方法则是避免谐波的产生，即使用产生较小谐波或不产生谐波的设备，如采用多脉冲变流器的相位抵消消除谐波。第一种方法为补救性措施，适用于谐波危害已经存在的场合，第二种方法则是预防性的措施，所使用设备不会产生谐波或产生的谐波在可接受的范围，因为所使用的设备不会产生谐波或产生的谐波在可接受的程度，当然也就不存在谐波问题了。

采用何种方法解决谐波问题，需考虑多种因素，如设备的电压等级、安装容量、设备产生的谐波对其它设备的影响、各种方法的改造费用等等。文章主要对工程中常用的无源滤波器和有源滤波器的构成、滤波原理及其优缺点进行简单介绍。

3.1 无源滤波器

无源滤波器由于结构简单，经济，并且运行经验丰富而得到了广泛的使用。常用的无源滤波器由主要由电容器和电抗器串联或并联而成，并调谐在某个需要的频率上。无源滤波器在其调谐频率处阻抗理论上为零，因此可以滤除掉谐波。

实践证明，在电力系统中根据谐波的具体情况安装消除相应频率的无源谐波滤除装置能有效地减小此特定频率的谐波。按接入系统的方式不同分两类，并联接入系统的为并联型无源滤波器，串联接入系统的为串联型无源滤波器。

3.1.1 并联型无源滤波器

并联型无源滤波器主要是由滤波电容器、电抗器和电阻器采用适当的连接方式而构成的谐波滤除装置，它与谐波源相并联，它不仅能滤除谐波，还能达到无功补偿的功能。工程中常用的无源滤波器主要有：a.单调谐滤波器；b.双调谐滤波器；c.一阶高通滤波器；d.二阶高通滤波器；e.三阶高通滤波器；f.C型高通滤波器，共六种，其结构如图1所示。

单调谐滤波器是在工程中最常见的滤波器，由串联的L、C、R构成的，如图1-a，当滤波器的谐振频率与要滤除的谐波的频率一致时即可滤除相应次的谐波。单调谐滤波器在工程中应用最多，最广泛，当要滤除特定次谐波时电容器和电抗器的选择如下：

在实际工程中，无源并联滤波器往往兼有无功补偿和改善功率因数的双重功能，一般是先计算需要补偿无功的容量，再来确定相应电抗器的容量，一般采用基波时电抗器占电容器补偿容量的百分数表示。为了能在限制谐波电流的同时不发生谐振，在工程中需选择电抗器和电容器的参数使之偏离各次谐波的谐振点，如为了滤除5次和3次谐波，在高压供配电系统中，电抗器容量SL和电容器容量SC比常选择为5%和12%，而在低压配电系统中，电抗器容量SL和电容器容量SC比常选择为7%和14%。

除了常用的单调谐滤波器外，还有双调谐滤波器，其结构如图1-b所示，由

电路理论知识我们知道它具有两个谐振频率，能同时吸收两个不同频率的谐波，其滤波效果相当于两个单调谐滤波器。双调谐滤波器的优点是基波损耗小，但结构复杂，调谐困难，故很少采用。

除单调谐和双调谐滤波器外，还有高通滤波器，它一般用来滤除高次谐波，高通滤波器也称减幅滤波器，主要有一阶、二阶、三阶和C型四种，其结构分别见图1-c、图1-d、图1-e、图1-f。一阶高通滤波器因为电容大，故基波损耗大，实标工程中一般不采用。滤波性能最好的是二阶高通滤波器，但缺点是基波损耗较大。三阶高通滤波器因为是比二阶高通滤波器多了一个电容器C2，提高了滤波器对基波频率的阻抗，减少了基波的损耗，故三阶高通滤波器比二阶高通滤波器的基波的损耗小。C型高通滤波器的性能介于二阶高通滤波器和三阶高通滤波器之间，C2和L调谐在基波频率上，减小基波阻抗，减少了基波损耗，但它的缺点是对元件参数变比和基波频率偏移敏感。工程实际中二阶高通滤波器还是最常用的高通滤波器。3.1.2 串联型无源滤波器

串联型无源滤波器一般由电容器与电抗器串联构成，并且串联连接在电源与负荷之间。其工作原理是使滤波器中串联的电容和电感谐振点为工频频率，当将其串联在电源与负荷之间时，由于对工频阻抗很小，但对谐波的阻抗却很大，这样工频电流可以正常通过，但会阻碍谐波电流的流动，当谐波的频率偏离得越多，对该次谐波的阻抗也越大，滤除效果也越好。串联型无源滤波器最大的特点是只需要用一個滤波器就能够消除掉所有的谐波。

由于串联型无源滤波器串联在电路主回路中，当滤波器故障时会影响供电的可靠性，必要的时候可增加旁路回路以提高供电可靠性。

3.2 有源滤波器

近年来发展起来的有源滤波器是一种由电力电子器件构成的谐波滤除装置、其通过检测回路中的谐波电流，控制电力电子器件即时产生一个电流注入到系统中，此电流大小与谐波的电流大小完全相等，但方向相反，于是消除了相应的谐波，达到了滤除谐波的目的，有源滤波器能够同时对不同大小和频率的谐波进行快速的跟踪滤除。之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器只能被动吸收固定频率的谐波而言，有源滤波器通过检测回路中负载电流，通过计算进行各次谐波的分离，控制并输出一个电流，抵销负载中的谐波电流，实现实时动态跟踪补偿，有源滤波器在滤除谐波的同时还可补偿无功和三相的不平衡。

有源滤波器谐波治理效果比无源滤波器更好，理论上一台装置就可以滤除所有谐波，并且不会引起系统谐振等问题，但是现阶段造价相对较高。

4 结论与建议

由于谐波对电力系统中设备的不利影响，为了保证电力系统中设备的安全稳定运行，必须将谐波限制在一个较低的无危害的水平。减小或消除谐波的主要技术包括：（1）使用较大脉冲数的变流器，利