浅谈电力系统谐波治理

浅谈电力系统谐波治理

李俊正

青海宝盈电力设计咨询有限公司

摘要：谐波在电网中就像是一种垃圾，严重危害着电力设备的“健康”，不但降低了电气设备的使用寿命，而且对用电设备的供电质量造成了极大的影响。为此我们应积极采取有效的措施抑制和消除电网谐波污染，维护绿色电力环境、确保电网运行安全，为用电终端设备提供清洁的电能。

关键词：谐波治理；绿色电能

随着工业的不断发展，社会经济得到了迅速的提高，电力电子技术也有了突飞猛进的发展；然而，电力电子技术带来方便、高效巨大利益的同时，它的非线性、冲击性和不平衡用电特性，也给电力系统的供电质量造成严重污染，给电网注入了大量的谐波，危及电力系统的安全经济运行，同时也为其他用电终端设备造成了极大的危害。随着以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，电网谐波的危害越来严重。就像现代人喜欢绿色食品一样，人们对电力系统的供电质量要求越来越高，对电网中的谐波含量提出了更严格的要求。我们必须采取有效的措施来消除电网中的高次谐波，为电网创造绿色空间。

1.谐波的产生及影响

与电网连接并输入2倍于50Hz及以上频率电流的设备，统称为谐波源。谐波的产生可以分两类，一类为系统本身的电气设备（如发电机、变压器等）三相绕组不对称或铁芯饱和产生；另一类为用户非线性用电设备产生。电网中谐波污染主要由用户非线性用电设备造成。对于发电机及变压器，我们用提高制作工艺的方法可以降低高次谐波的产生；而对于用电设备，随着工业迅速发展的今天已经很难控制，工业领域大量使用的非线性变流装置、家用电器、通讯设备、冶炼行业的电弧炉、新能源光伏发电采用的逆变装置、电气化铁道的牵引设备等，它们给电网带来了日益严重的谐波污染，极易引起电网波形畸变。

非线性用电设备主要为晶闸管整流设备。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；在接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。而整流设备在工业中应用广泛，并对社会经济具有直接影响，可见谐波污染和工业同时出现，而且在成倍增长。

如果不及时治理电网中谐波，谐波含量一旦超标，会对电力系统及用户产生如下危害：

1）持续的谐波含量过高，将加速变压器、断路器、电力电缆等电气设备的绝缘老化，并其减少使用寿命；

2）谐波产生的序电流分解后主要为正序和负序电流，对继电保护和自动化装置产生影响，使其误动，甚至造成电网解列，大面积停电；

3）针对普通感应式电能表，计量波形严重畸变的非线性负荷，电能计量值会小于客户实际消耗的电量，达不到准确计量的目的；

4）谐波功率除对供热用的普通电炉外，不会做任何有用功，却在各种发、送、变、配和用电设备中以发热的方式消耗掉，增大供电线路损耗，减少了电能的利用效率；

5）谐波电压和谐波电流通过线路间的感应耦合，会对信息系统产生频率藕合干扰，影响通信网络的正常工作。

根据发达国家的经验和预测表明，非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量将迅速增加，这些非线性负荷即谐波源是电网中谐波问题的根源。要想得到“绿色”清洁的电能，就必须抑制和消除电网中的谐波。

2.谐波消除的措施

在电力系统设计中加大系统短路容量、提供供电电压等级、提高系统三相负荷平衡、提高电气设备的三相绕组对称性和磁饱和等措施都能减少系统中谐波的产生，但这样就会增加系统的建设投资，而且像三相负荷绝对平衡和三相绕组绝对对称工程中很难做到。所以采用交流滤波装置是抑制和消除谐波的有效措施。

当电网中有谐波源时，谐波源流向电网的谐波电流公式为：

（1）

IS—注入电网的谐波电流

In—谐波源谐波电流

ZL—电网的负载阻抗

ZS—电网阻抗

可见，电网阻抗ZS可看为定值，In大小由谐波源决定，所以由谐波源注入电网的谐波电流IS大小可由ZL决定，只有我们设置一个让IS顺利通过的ZL就能消除谐波，也就是在谐波产生后没进入到电网之前就消除它，就地消化掉，为此我们可以采用LC滤波装置。

LC滤波装置我们在变电工程设计中比较常用，在并联无功补偿电容回路中接入一组电抗器，根据要消除的谐波次数选择电抗参数，这样在提电网供功率因数的同时又消除了谐波。LC滤波器结构简单，吸收谐波效果明显，但由于结构原理上的原因，在应用中存在着难以克服的缺陷：

1）谐波的消除受电网系统阻抗ZS的影响，随着电网增大注入电网的谐波电流IS有增大的趋势；

2）当电网阻抗和LC滤波器参数匹配的情况下系统有可能发生谐振，此时对某些谐波有谐波放大的可能；

3）LC滤波器仅对固有频率的谐波有较好的消除作用，当谐波成分变化时效果较差，而电力系统中的谐波是随时出现频率不定的。

所以，如果滤波装置具有可调节性，根据谐波的频率和大小及出现的时间进行实时监控，能够积极的消除高次谐波就能解决这一问题。这个我们从负载电流IL的傅立叶展开式着手：

IL=ΣInsin(nωt+θn)

=I1cosθ1sinωt+I1sinθ1cosωt+ΣInsin(nωt+θn)

=I1P+I1Q+In（2）

I1P—负载基波有功电流

I1Q—负载基波无功电流

In—高次谐波电流

由（2）式可见若电网中谐波源附近提供一个-In就正好能抵消In，这就需要在谐波源附近设置一套有源滤波装置，原理如下图：

由原理图可推出：IS=IL+IF=（I1P+I1Q+In）+（-In）=I1P+I1Q

可见，只要安装有源滤波装置就能抑制高次谐波电流In流入电网，而且有控制装置积极主动的控制IF的大小、相角及频率就能实时消除可能流入电网的谐波；若有源滤波装置能提供无功电流I1Q还能提高系统的功率因数。在计算机技术迅速发展的今天这些技术都已经实现，有源滤波装置在工程中也开始广泛应用。

与LC滤波装置相比，有源滤波装置更有以下优点：

1）有源滤波装置抑制谐波的能力不受电网系统阻抗ZS的影响；

2）它向电网提供一个反向于负载谐波的谐波，系统参数及运行方式变化时也不会产生谐振，没有谐波放大现象；

3）可实现对多次谐波的实时动态监控和消除，对系统产生的各次谐波都能起到有效的抑制作用；

但是，有源滤波装置结构较复杂、价格昂贵。

3.总结

电网的谐波污染日益严重，为了维护和谐的电网为用电户提供绿色清洁无谐波污染的电能，抑制和消除电网中的谐波迫在眉睫。LC滤波装置结构简单，吸收谐波效果明显，但谐波消除范围比较局限，应用中受电网参数及运行方式的影响，如果谐波参数变化频繁，就有一定的局限性了；有源滤波装置结构较复杂，价格昂贵，但能实时动态的抑制多次谐波，且不受电网参数影响，可及时动态消除多次谐波。

我们在工程应用时应综合比较考虑，对谐波次数比较单一的地方（如变电所）应积极考虑和无功补偿电容结合成LC滤波装置，在提高电网功率因数的同时又消除了谐波污染；在谐波变化比较频繁的地方（如新能源光伏发电站及冶炼企业等）应优先考虑采用有源滤波装置，综合比较后也可以两者结合使用，力求用最简单的方法消除谐波污染、用最经济的方法创造优质电能。

参考文献

[1]《电能质量公用电网谐波》GB/T14549.

[2]《电力工程电气设计手册》水利电力部西北电力设计院.