供电系统中的谐波产生及滤波技术

供电系统中的谐波产生及滤波技术

覃强

重庆赛迪工程管理有限公司广西分公司 530200

摘要：谐波与电磁干扰（EMC),功率因素降低已并列为电力系统的3大公害.当功率因素降低到0.9时，电压波动非常大，严重时正在运行行的大型设备跳闸或损坏，因此，了解谐波产生的机理,研究消除供电配系统中的高次谐波，对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。为此，主要针对电力系统谐波的危害及其检测分析技术，归纳总结了目前电力系统中进行谐波抑制常用的方法。

关键词：电工技术；谐波；理论研究；有源滤波

在电力系统中采用电力电子装置可灵活方便变换电路形，为用户提供高效使用电能的手段。但是，电力电子装置的广泛应用也使电网的谐波污染问题日趋严重，影响了供电质量^[1]尤其大量非线性设备和负荷大量使用，使谐波将越来越多的产生,谐波问题越来越严重，减少谐波的产生，提高供电质量，为保证供电系统中所有的设备能正常工作，必须加强对谐波的管理并采取有力的措施，抑制并防止电网中因谐波危害所造成的严重后果。

1. 对高次谐波的认识　

谐波的产生和电力线路中谐波的类型，所谓谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍，有数字频谱的特征。不同频率的谐波对不同的电气设备会有不同的影响。谐波主要产生于两类元件①含半导体的非线性电气元件；②含电弧和铁磁非线性设备。由于这两类元件广泛存在于电力线路中，所以谐波来源于三个渠道：一是发电源产生的谐波；二是输配电系统产生的谐波；三是用电设备产生的谐波。可见谐波存在于电力生产、传输、转换和使用的各个环节，具有普遍存在的特征。

2. 高次谐波的危害

2.1影响各种电气设备的正常运行

如对发电机的旋转电机产生附加功率损耗,发热,机械振动和操声²；对熔断电器，当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的di/dt,这将使开断路困难，并且延长故障电流的切除时间。

2.2对供电线路产生附加损耗

由于集肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中线性正常时流过电流很少，故其导线较细，当大电量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热，损害绝缘，从而引起短路或火灾.

2.3使电网中的电容器产生谐振

工频下，系统装设的各种用途电容器比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振；但谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备烧毁³。

2.4导致高压继电保护等自动装置出现误动作

谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差⁴，同时对通信干扰大。

3. 谐波的检测和分析方法

3.1带阻滤波法

这是一种最为简单的谐波电流检测方法，其基本原理是设计一个低阻滤波器，将基波分量滤除，从而获得总的谐波电流量，这种方法简单，缺点是精度很低，有残除的杂波等，不满足谐波分析的需要，一般很少用。

3.2带通选频法和FFT变换法

带通选频方法采用多个窄带滤波器，逐次选出各次谐波分量。利用FFT变换来检测电力谐波谐波是一种以数字信号处理基础的测量方法，其基本过程是对待测信号（电压或电流）进行采样，经A/D转换，再用计算机进行傅里叶变换⁵，得到各次谐波的幅值和相位系数。这两种方法都可以检测到各次谐波的含量，但以模拟滤波为基础的带通选频法装置，其结构复杂，元件多，测量精度不高，且频率没有稳定，也没有适应能力。后一种检测方法的优点是可同时测量多个回路，能自动定时测量，缺点是采样点的个数限制谐波测量的最高次数，具有较长的时间延迟，实时性较差。

3.3瞬时空间矢量法

是日本学者赤木泰文提出的瞬时无功功率的瞬时无功功率的理论（即“p-q理论）对电力谐波量的检测做出了极大的贡献。由于其解决了谐波和无功率的瞬时检测，以及不用储能元件就能实现抑制谐波和无功补偿等问题，使得电力有源滤波理论由实验室的理论研究走向工作应用。

3.4自适应检测法

该方法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量。该自适应检测系统的特点是在电压波形崎变情况下也具有较好的自适应能力，缺点是动态响应速度较慢。在此基础上，又有学者提出了一种基于神经元的自适应谐波的电流检测法。

3.5小波变换检测法

对于一般的谐波检测，如电力部门出于管理检测，需要获得的是各次谐波含量，而对于谐波的时间则不关心。因此傅里叶变换可满足要求。然而在对谐波电流进行动态抑制时，不必分解出各次谐波的分量，只需检测出除基波电流外的总畸变电流；但对出现谐波的时间感兴趣，这功能傅里叶变换无能为力。小波变换由于克服的傅里叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点（即它在时域和频域同时具有局部性）因此通过这小波变换对谐波信号进行分析可获得所对应的时间信息。

从以上检测方法可以看出：基于瞬时无功功率理论的瞬时空间失量法，简单易行,性能良好，并已趋于完善和成熟，今后仍将占主导地位。基于神经元的自适应谐波电流检测法和小波变换检测法等新型谐波检测方法，能否应用于工程实际，还有进一步验证。

4. 谐波抑制方法

4.1降低谐波源的谐波含量

降低谐波源的谐波含量也就是在谐波源上采取措施，最大限度 地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。

4.1.1增加整流器的脉动数

整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谐为

n=kρ±1

由此可知，脉冲数ρ增加，n也相应增大，而In≈IiIn 故谐波电流减少，因此，增加，增加整流脉数，可平滑波形，减少谐波。

采用PWM，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲，可以达到抑制谐波的目的。

采用Y-d(Y/∆)或D,Y(∆/Y)接线。

三相整流变压器采用这种接线可消除3倍数的高次谐波，是抑制高次谐波的最基本的方法。

4.2在谐波源处吸收谐波电流

这类方法是对已有的谐波进行有效的抑制，是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。

4.2.1无源滤波器

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由 L,C,R元件构成谐振回路。当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次波入流电网。由于具有投资少,效率高,结构简单,运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点：滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大可能；耗费多,体积大等可能。因而，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。

国外专家学者就提出有源滤波器APF（Active Power Filter)的概念。即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅幅值相等,相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿滤波电流的目的。

4.2.2加装静止无功补偿装置

4.2.3改善供电环境

选择合理的供电电压 快速变化的谐波源（如电弧炉,电力机车和卷扬机,塔吊等）除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联静止无功补偿装置。可有效减少波动的谐波量，同时可以抑制电压波动,电压闪变,三相不平衡，还可以补偿功率因素。并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减少谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。

5 小结

随着我国电能质量治理工作的深入开展，基于瞬时无功功率理论的有源滤波器进行滤波治理。综合动态的谐波治理措施并同时考虑电网的无功功率补偿问题，是电力企业当前面临的一大课题，但是要消除谐波污染，除在电力系统中大力发展高效的滤波措施外，还必须依靠社会各行业专业技术人员的努力，在设计, 制造和使用非线性负载时，采取有力抑制谐波的措施，减少谐波侵入电网，从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失。

参考文献：

1. 吴竟昌，孙树勤，宋文南，等.电力系统谐波[M].北京水利电力出版社.1988

2. 王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].北京机械工业出版社，1988.

3. 王祥衍，史文华，高景德，等. 交流励磁电机的谐波分析[J]电机与控制学报，1997，1（1）：22-27.

4. 刘大可，吴运熊.电气化铁道信号设备干扰技术讲座[J].中国铁路1992，（3）：23-24.

5. 解培中 编 信号与系统典型题解与分析 人民邮电出版社，2004.8