供电系统谐波治理方法浅谈

供电系统谐波治理方法浅谈

陈丽华

（中车北京二七机车有限公司北京市100072）

摘要：叙述了供电系统谐波产生的原因，引用公网电网谐波的定义；列举谐波带来的危害；详细介绍谐波治理的方法及装置的投切方式。

关键词：电网谐波；谐波治理；滤波补偿

随着电力电子技术的发展，大功率晶闸管整流技术在各行业得到了广泛应用，大幅度提高了劳动生产率，创造了巨大的经济效益。但同时也带来了负面效应，这些非线性负荷从电网中吸收了大量的基波功率，其中一部分转换成各次谐波功率，又注入电网中，引起局部电网电压畸变。我国于1993年发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》，文中规定：10KV电网的THDu应小于4%，400V电网的THDu应小于5%。公网电网谐波是指公用电网中某些设备的非线性或负荷的非线性快速时变，即所加的电压与电流不成线性关系而造成的波形畸变。非线性负荷产生的谐波电流注入电网，使公用电网的电压波形产生畸变，严重地污染了电网的环境，电网被污染，威胁着电网中各种电气设备的安全经济运行。谐波存在的程度用电压波形畸变率来表示，简称THDu。

谐波带来的危害已引起了关注，比如（1）由于谐波的频率较高，使导线的集肤效应加重，因此铜损急剧增加；（2）谐波影响表计的计量精度。对于机械式电能表由于高频率谐波所产生的高频涡流阻力而变慢。（3）谐波严重干扰精密电子设备（包括电子式电能表），导致其不能正常工作，甚至烧毁。（4）谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，含有电容器的设备受影响最为严重，甚至可能导致设备损坏以及电容器爆炸等（5）谐波会使继电保护和自投装置误动或拒动故障。（6）谐波对通讯设备会产生严重干扰。

谐波源的特性非常复杂，因为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。必须通过对谐波源现场情况的测试，然后根据现场测试结果进行专门设计。常用的减少谐波的技术措施，抑制谐波电流注入电力系统及改善装置的功率因数及无功补偿，安装时注意选址靠近谐波源的位置。设计的装置将谐波治理与无功补偿同时解决。谐波治理及无功补偿装置主要有：无源滤波补偿，有源滤波补偿，并联电容器装置，增加整流设备的相数等。

无源滤波补偿方法包括三种基本形式：串联滤波、低通滤波（串并混合）并联滤波。其中串联滤波主要适用于三次谐波的治理；低通滤波主要适用于高次谐波的治理；并联滤波是一种综合装置，它可滤除多次谐波，同时提供系统的无功功率，是应用最广泛的电源净化滤波装置。电力系统中所采取的电抗器常见的有串联电抗器和并联电抗器。无源滤波器主要由滤波电容器，滤波电抗器等适当组合成LC滤波装置，滤波器不仅起滤波作用外，还兼作无功补偿作用。LC滤波器主要有调谐和滤波器，双调谐和滤波器，高通滤波器，C型滤波器等。实际运用中根据谐波电流的分布及大小以及无功需求情况设计成几组滤波器，每一组滤波器对应某次谐波呈低阻抗，高通滤波器对截止频率以上的谐波均呈现低阻抗，C型滤波具有调谐频带宽，损耗低的特点。滤波器的分组需进行精密计算，既要滤除主要的谐波电流，也要满足无功补偿要求。无源滤波补偿的缺点是受电网阻抗和运行状态的影响，易与电力系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁，它只能补偿固定频率的谐波。对于负载无功功率变化较大而且频繁的场合；则需要进行动态控制，一般采用复合开关方式投切，滤波器安装一般靠近谐波源。无源滤波器，一般价格适中，在实际使用中，应用较广。

有源滤波的方法，通过装置实时检测负载电流波形，得到需要补偿的谐波电流成分，通过IGBT功率变换器产生与系统中的谐波大小相等相位相反的补偿电流，并将其注入供电系统，实现滤除（抵消）谐波功能。另外，还可提供超前或滞后的无功电流，用于改善电网功率因数、实现动态无功补偿。这种滤波器对频率和幅值均变化的谐波进行跟踪补偿，并且补偿不受电网阻抗的影响。有源电力滤波器控制回路采用双闭路跟踪控制技术，实时、快速检测出负荷电流中的谐波分量，准确输出补偿电流，滤波效率好，动态改善总谐波畸变率，满足国家对谐波治理要求。与系统联结时，不需要考虑交流系统相序，不会因为相序接错而带来烧坏可控硅或其他器件的现象；电容器投切过程中无涌流冲击，无操作过电压，无电弧重燃现象。有源滤波受系统电网阻抗变化的影响不大，不用担心滤波器与电网阻抗发生并联谐振的可能，克服了传统的LC无源滤波器的缺点。单套有源滤波装置就能对2次--50次谐波范围内进行补偿，装置简单，克服了传统的LC无源滤波需要多组单调谐滤波支路的缺点。即使补偿对象的谐波电流超出有源滤波装置的额定输出电流，也不会出现有源滤波装置过载，保证设备安全运行，这是传统的LC无源滤波装置做不到的。在工作过程中，补偿和滤波同时进行，保证最佳补偿滤波效果，保证供电系统安全稳定运行。有源滤波装置价格较高，目前正在大力推广。

并联电容器的方法一般会导致谐波放大，通常采取在并联电容器中串联电抗器的措施来抑制谐波放大。但是电容器可能与系统发生并联谐振（从负载侧看）或串联谐振（从电源看），从而引起电容器的过电压和过电流，导致电容器及相关元器件和线路严重过载而烧毁。所以，并联电容器的选择和投切容量大小的选择很重要，选择合适的电抗器，合适的选择将使并联电容器装置能实现无功补偿，也能抑制一定的谐波。可考虑采用相对固定的控制方法（固定分组、循环投切）----静态无功补偿装置，可选用带限流电阻的接触器投切电容装置。并联电容器装置是改善电压质量和降低电能损耗的有效措施，目前价格较低，应用较广。

增加整流设备相数的方法，对谐波的抑制就是减少或消除注入系统的谐波电流。一般在降低谐波源产生谐波电流的含量。主要是通过整流装置，提高整流设备的触发脉冲数，使得不产生非特征谐波。提高运行中的不平衡度，减少非特征谐波产生。

根据GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》的要求，必须对各种非线性负载注入电网的谐波电压和谐波电流加以限制。当负载产生谐波或供电系统中存在谐波且超标时，则需要设置滤波及无功补偿装置。在同一供电系统（同一变压器）中，当非线性负载（整流/变频、中/高频等设备，建议谐波源容量占总容量的25%以上时，就应该考虑配置滤波无功补偿装置。

参考文献：

[1]曲学基电力电子滤波技术及其应用电子工业出版社2008

[2]GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》

[3]GB/T15576-2008《低压成套无功功率补偿装置》