工业配电系统谐波产生的原因分析及抑制措施

工业配电系统谐波产生的原因分析及抑制措施【摘要】由于变频器的大量应用和电力电子设备的大量使用，工业配电系统谐波也随之产生。谐波对用电设备和通信系统带来了很大的危害，因此，必须抑制谐波的出现。本文分析了工业配电系统谐波产生的原因及危害，并提出了装设谐波补偿装置与应用有源滤波器的措施来抑制谐波，取得了较好的效果，可供借鉴与参考。

【关键词】工业配电系统谐波原因危害谐波补偿装置有源滤波器抑制措施

1 引言

近年来，由于工业生产水平的整体提高，越来越多的变频技术和电力电子设备得到了广泛应用。但同时也对配电系统产生冲击，产生谐波污染。谐波污染对配电系统安全、稳定运行构成潜在的威胁，谐波干扰导致电气设备异常和事故有逐年增长的趋势，电力谐波已成为一大公害，严重威胁着配电系统和用电设备的正常运行。因此，分析谐波产生的原因及危害，采取相应的谐波抑制措施，对改善供电质量和确保配电系统安全运行有着重要的意义。

2 谐波产生的原因

谐波早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而形成了电压、电流波形的畸变。随着工业生产中变频技术的大量应用和电力电子设备的大量使用，谐波也随之产生。

变频器是配电系统中的一个重要的谐波源。变频器在动力能源

供应的锅炉、水泵、风机等设备中广泛的使用，它是把工频电转变成各种频率的交流电，以实现被控制设备的变频运行。目前大量使用的是交-直-交变频器，即先把频率固定的交流电变成直流电，再把直流电逆变成频率可调的三相交流电。

spwm是在基本逆变的原理基础上改变导通触发规律而得到的，其输出电压仍然是一连串正负交替变换的脉冲，只是脉冲的宽度发生了变化。由于spwm逆变器要求电压型直流回路，而电容器的电压不能突变，因此在整流电路中，当输入电压瞬时值小于电容器端电压时，整流器件承受着反压不能导通，只有当输入电压瞬时值大于电容器端电压时才有电流输入，这样的电流断续情况在输入侧就产生了谐波。

荧光灯是配电系统中谐波产生的另一个重要因素，由于其伏安特性是严重非线性的，因此也会引起严重的谐波电流，其中3次谐波含量最高。当多个荧光灯接成三相四线制负载时，中性线上就会流过很大的3次谐波电流。如果每个荧光灯上还接有补偿电容器，3次谐波电流还有可能引起谐振而使谐波放大，会使电压波形也发生严重畸变。

3 谐波的危害

理想的电网提供的电压应该是标准频率和规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现使用电设备所处的环境恶化，对用电设备和通信系统带来了很大的危害，由谐波引起的设备故障不断发生。其危害大致见表1。

针对电网中谐波电压和谐波电流对用电设备带来的危害，世界各国都发布了限制电网谐波的国家标准。我国在1993年发布了中华人民共和国国家标准gb/t14549-1993《电能质量公用电网谐波》从1994年3月1日开始实施。

当电网公共点的最小短路容量异于表中基准短路容量时，按下式修正表2中的谐波电流允许值：

in=（sk1/sk2）inp

其中：sk1—公共连接点的最小短路容量，mva；

sk2—基准短路容量，mva；

inp—表2中第n次谐波电流允许值，a；

in—短路容量为sk1时的第n次谐波电流允许值，a。

4 谐波的抑制措施

解决配电系统中谐波的措施目前主要有两个方向。一是装设谐波补偿装置，采用lc组成的无源调谐滤波器。由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置进行滤波，其实配电系统中的无功补偿电容也可以看作是谐波补偿装置。

无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，但是由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供一并联低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而其滤波特性受系统参数的影响较大，并且只能消除特定的几次谐波，并且对某些次谐波还会产生放大的作用。

第二个方向是有源滤波器，由于无源滤波器具有以上缺点，随

着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服lc滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点。

有源电力滤波器的基本原理如图1所示：有源电力滤波器通过检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的电源电流。其补偿谐波的等效电路图如图2所示。

从图2中可以得到，电网侧的谐波电流可以写为：

i□sh=i□lh-i□ch。

只要控制有源电力滤波器的输出电流i□ch，使其满足i□ch=i □lh，即可使电网侧的谐波电流尽可能的小。

但是由于工业生产连续的特殊性，为了确保供电的安全可靠，每个变电站采用两台变压器单独供电，当某台变压器发生故障的时候用另外一台联络使用，并且每台变压器都有单独的无功补偿装置，而有源电力滤波器属于电流源，当系统中存在容性设备使特定次的补偿电流（inf）流向电容柜侧，使得检测信号（ih+if+inf）中，包含有谐波补偿电流inf，从而造成了系统谐振，或者当变压器联络运行时会造成开环有源滤波器闭环使用，同样也会造成系统谐振。

为了解决这一问题，就必须使计算电流减去特定次的补偿谐波电流，从谐波补偿电流inf产生的点来看，只要能使检测信号中不包含补偿电流就可实现，这里采用了信号减法的方式消除这种危险。

通过采用信号做减法的方式，使用检测信号相减if’-

（-ih-if+if’）=ih+if，得到负载信号（ih+if）。

5 治理效果

采用信号减法方式在系统中安装有源电力滤波器后，利用fluke434b对配电系统谐波进行检测，并与治理前的电流波形进行对比，对比图如图3所示：从图中电流曲线可以看出电流波形由不规则的锯齿波形变成了基本规则的正弦波形，治理措施取得了明显的效果。

6 结语

总之，工业配电系统谐波的治理是个综合治理过程，一方面应从源头抓起，加强设备的管理防止谐波的产生，更重要的一方面是提高认识，积极进行谐波治理，防止灾害产生。实践证明，采用有源电力滤波器是目前抑制谐波最为有效的措施，值得推广借鉴。

参考文献：

[1]弭勇，郭徽，曹昱，谐波产生的原因及其治理措施概述[j].山西电力，2011年06期.

[2]陈丽华.浅谈谐波的产生、危害及治理[j].中国电力教育，2009年s1期.