对治理电力谐波的探析

对治理电力谐波的探析

张倩倩

国网江苏省电力公司徐州市铜山区供电公司221009

摘要：谐波是一个数学或物理学概念，电力系统中的谐波是指对周期性的交流电量进行傅里叶分解后得到的频率不为基波频率的分量。近年来，由于电网中大量非线性负荷的接入，使电力系统中谐波含量急剧上升，电压波形出现严重畸变，导致电能质量急剧下降。基于此，文章就电力谐波的产生及治理进行分析。

关键词：电力谐波；产生；治理

前言

目前，随着电力电子设备在电力系统中的广泛应用，导致电力系统谐波分量迅速增长，使电压和电流小型产生畸变，它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。因此，谐波治理显得越来越重要。

一、电力谐波概述

在电力系统中本应该提供给用户的是一个恒定工频的正弦波电压，但当电网中的电压或电流的正弦波出现不规律时，这说明含有频率高于50Hz的电压或电流成分，因此将高于50Hz的电流或电压成分称之为谐波。谐波有整数次谐波和分数谐波之分，例如频率为工频频率6倍（300Hz）的谐波称之为6次谐波和频率为1736Hz称为分数谐波。

电力谐波是一种看不见、嗅不到、摸不着的电力污染，对电力网及用户产生极大地危害，往往不会引起人们注意。目前，由于用电设备和并联电容器的大量使用使谐波不断放大，电网中电压和电流波形发生变化，严重影响电能质量，这才逐渐引起人们的重视。电力谐波已经成为影响供电质量新的突出问题，严重危及电力系统及用电设备的安全经济，所以进行有效治理谐波产生的污染势在必行。

二、电力谐波的产生

谐波产生的原因多种多样，主要有以下两种：一种是有非线性电流电压特性的设备产生谐波，例如可控硅整流器、电弧炉、变压器等，这一种负荷产生的谐波频率均为工频频率的整数倍。另外一种是由于逆变负荷产生谐波，例如中频炉、变频器等，这一种负荷除了产生整数次谐波，还有频率为逆变频率2倍的分数谐波。总而言之，产生电力谐波的主要原因是非线性负载所造成，也即是电流经过负载时形成非正弦电流，进而产生谐波。

目前，非线性设备是最主要的谐波源，它的产生来自三方面：发电机、输配电系统和用电设备。1）发电机形成的谐波。由于发电机的三相励磁绕组在制作方面若想实现绝对对称非常困难，故其磁极磁场未完全依正弦进行分布，感应电势并非所有都是正弦波，或多或少也会有部分谐波的出现。如果对发电机的结构和接线采取一些措施的话，可以使发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。2）输配电系统形成的谐波。电力变压器是在输配电系统中形成谐波主要的设备。因变压器中铁芯的磁化特性具有非线性，且在对变压器进行设计时应考虑经济优惠性，将设计磁通密度设于磁滞回线的拐点邻近，产生变压器的励磁电流是非正弦波形。3）用电设备形成的谐波。a.变频装置谐波成分非常复杂，既含有分数次谐波，又含有整数次谐波，在该种装置中，其功率相当的大，随着发展的变频调速，其所形成的谐波也与日俱多。b.晶闸管整流装置在电网中吸收的是缺角正弦波，其采取移相进行控制，经统计数据证实：整流装置是最大的谐波源，其所产生的谐波约占到谐波的40%左右。c.家用电器：电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等家用电器虽然功率小，但数量众多，且又具有调压整流装置，基所出现的谐波的振幅比较大，在当前供电系统中它是主要的谐波源。

各种不同的非线性设备形成谐波的过程，实际上是一个消耗工频能量，并将其中一部分工频能转换为各次谐波能量向系统回送的过程。谐波的产生不仅仅取决于产生谐波的负荷本身，还与电网的短路容量、电网的组成形势以及电网中的其他负荷的性质有关。现阶段发电设备容量的增长率远小于非线性用电设备容量的增长率，这一事实决定了谐波监督和治理工作的长期性和艰巨性。

三、谐波的治理方法

就目前来看，治理谐波已经尝试了多种方法，如选择合理的供电方式；避免电容器对谐波的放大；提高设备抗谐波干扰能力；改善谐波保护性能和谐波源的配置或工作方式；应用失谐电抗器抑制谐波共振放大等方法，这些方法都存在各种利弊问题，现在还未能为治理谐波问题提供有效的措施。总结以上方法，可以从按照从装置本身对谐波进行抑制和用外加的设备对其进行抑制分为两种：一种是主动型谐波抑制，即进行改进电子装置的本身设计，对其功率因数加以有效控制，致使尽可能避免出现谐波；另一种是被动型谐波抑制，即是在电力系统或者谐波负载的交流侧端装置滤波器，而勿需改变谐波负载本身，经由外加设备进行对电网的谐波补偿。

1.主动型谐波抑制

主动型谐波抑制的方法有：1）采用脉冲宽度调制（PWM）技术。该技术大大降低整流器形成的谐波，其波形输入与正弦波有所接近，而整流器能够降低整流负载注入电网谐波和提高网侧功率因数等优点。2）增加变流装置的脉冲数或相数。对变流装置加以改造或者采用相互间有移相角的换流变压器，能够使谐波含量得到有效减小。3）采用功率因数高的变流器。比如择取四象限变流器、矩阵式变频器等等，可减少变流器形成的谐波。

2.被动型谐波抑制

该种方法采取电子滤波器对谐波源所形成的谐波电流加以吸收，是抑制谐波污染的有效措施，目前电子滤波器根据滤波的原理可分为：1）PPF（无源电力滤波器）。该滤波器的谐波补偿装置目前较为常用，通常在谐波源附近装设高通滤波器与单调谐，如此能够对谐波电流进行吸收，且还能进行无功功率补偿，其运行维护相当简便，故该滤波器应用十分广泛。2）APF（有源电力滤波器）。此滤波器可对谐波的频率产生的变化进行迅速响应，同时拥有补偿功能多种，能够进行补偿无功功率与负序。与PPF相比，APF更具优势，滤波性不会与系统阻抗产生并联或者串联谐振，能够对补偿变化的谐波自动跟踪，其自适应功能良好。这种方法具有广阔的发展前景，但也有需要进一步解决的问题，主要改善补偿性能、、降低成本和损耗、提高装置的可靠性等。3）HAPF（混合型有源电力滤波器）。该滤波器兼备PPF与APF性能的优点，适合应用于工程当中。由于HAPF可注入支路，使有源部分的容量大大得到了降低，使其能在高压配电网中得到应用，并能同时让谐波治理与无功补偿得以实现。

3.改善洪电系统及环境

在供电系统中谐波的出现是难以避免的，为了提高电网抗谐波的能力，可采取提高供电系统的电压等级及加大短路容量、加大供电设备的容量等措施。对于出现谐波源负荷可由专门的相关线路进行供电，这样可有效减少谐波影响对到它负荷，也能够集中抑制与消除高次谐波。总而言之，应当对谐波特性有充分的了解，采取抑制谐波的最优方法，做到成本和效益的最优化。

结束语

随着电力电子技术的发展，在治理电力谐波问题上也涌现更多的治理方法，但这些谐波抑制技术有望得到深一步的挖掘，需要各种不同学科知识的碰撞，才能研究出新的谐波治理技术。在此基础上更应当对谐波治理技术装备化进程有所加强，从而可以更加有效抑制谐波对电网的污染，提高电能质量。

参考文献

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[2]魏伟.谐波抑制技术研究综述.电气技术，2009.

[3]郎文川.供电系统谐波的产生、危害及其防护对策[J].高电压技术，2002（06）.