电力系统谐波及其抑制技术

【摘 要】抑制电力系统的谐波对于改善电能质量非常重要。本文介绍了电力谐波的定义、特征、谐波源等概念，阐述了谐波的危害性及抑制策略。指出谐波作为反映电能质量的一个重要标志，将会日益受到广泛关注。必须进一步提高对于电力谐波危害性的认识程度，努力掌握力谐波的产生机理，积极开发和运用新产品新技术，将谐波对电力系统所造成的危害降低到最低程度。

【关键词】电力谐波；电能质量；抑制策略；有源电力滤波器；危害性

随着电力电子技术的发展和广泛应用，从小功率的家用电器到大功率的变流装置的广泛应用，供电系统中增加了大量的非线性负载，引起了电网内高次谐波显著增加，如果供电系统长期处于这种运行状况，将导致变压器过热、能量损耗增加、功率因素降低、造成电能和设备利用率不足，继而出现过流、过压、过热，绝缘老化等现象，使整个电网处于一个不安全的运行状态。

但在我们日常建设的工程中，改善电网质量的方式采用较多的是进行无功功率电容集中补偿，很少注意到谐波对用电设备和电网带来的危害，大量谐波频率的产生很大地影响了电器设备的使用及电网的质量，严重时还可能危及到电网中的其他各类电气设备的损毁及破坏电网的正常使用。在此，我们主要探讨谐波产生的原因及其危害分析，并提出抑制供电系统中谐波的对策。

1 谐波定义

供电系统谐波的定义是：对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率 与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波 （Non-harmonics）或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到一定程度的“污染”，其谐 波次数范围一般为 2≤n≤40。

2 电力谐波的特征

在理想的电力系统中，三相交流发电机发出的电压波形基本是正弦波形。即在只含线性元件（电阻、电感及电容）的简单电路里，电流与电压成正比，流过的电流是正弦波。而在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流，其负荷图形（电流或电压波形）几乎全是非对称的、磁滞形的以及转折形的， 并且斜率也是随负荷而变的，任何周期性波形均可分解为一个基频正弦加上许多谐波频率的正弦。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为 50Hz，2 次谐波为 100Hz，3 次谐波则为 150Hz。畸变的电流波形可能有 2 次谐波、3 次谐波……可能直到第 30次谐波组成。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源。各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关，称为该电路的特征谐波。除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，各种晶闸管电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，如 5、7、11、13 次等。

3 国内外研究状况和进展

3.1 国外研究现状

国外对电力谐波问题的研究大约开始于20世纪五六十年代，当时的研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。20世纪七八十年代随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题日趋严重，从而引起各国的高度重视。近几十年间电力谐波的研究，渗透到了数字信号处理、计算技术、系统仿真、电工理论、控制理论与控制技术、电网络理论、电力电子学等其它学术领域，已经越过了电力系统的范畴，并且形成了自己特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、限制标准与管理制度等。目前，谐波研究仍是一个非常活跃的领域。抑制谐波可以从治理谐波源本身入手，使其不产生谐波，且功率因数为l，单位功率因数变流器就是可以实现这种功能的电力电子装置。但由于谐波源的多样性，在电网中一般还是加装滤波器的方法来抑制高次谐波，这些装置一般可分类为无源滤波器和有源滤波器两种。

3.1.1 无源滤波装置

在电力系统中，装设无源电力滤波器（PF-Passive Filter） -直是传统补偿谐波的主要手段，其突出的优点是结构简单、运行可靠性高、运行费用低旧。但是设计出滤波性能理想的无源滤波器也不是一件简单的事。无源滤波器的滤波原理是使负载谐波电流在电网支路和滤波器支路分流，因此其滤波性能受系统阻抗的影响较大。为了减小电网支路中的谐波，滤波器支路的阻抗须远远低于电网支路阻抗。由于电网阻抗原本就不是很大，若要使滤波器支路阻抗在主要谐波频率处远小于电网谐波支路阻抗，需加装多个无源滤波器，它们的调谐频率设计在电网的主要谐波频率处，且所有调谐滤波器必须拥有较高的品质因数，否则，加装无源滤波器就起不到明显的谐波抑制作用。然而，这样设计的无源滤波器对电网频率的变化是极其敏感的，电网频率稍微偏离额定频率点，无源滤波器的滤波性能将大幅度下降。此外，电网阻抗的变化、滤波器元件的生产容差、老化或其它原因引起的参数偏离理想设计值，也将导致无源滤波器滤波性能的下降。为了使无源滤波器在这些情况下也具有一定的滤波效果，往往以牺牲在电网主要谐波频率处的滤波效果为代价来适当地降低品质因数。

并且，安装LC无源滤波器很有可能在系统中形成串并联谐振回路，导致电网谐波电流的传播和放大，造成电网电压波形的畸变。为了避免在主要谐波频率处发生串并联谐振，无源滤波器的调谐频率往往设计成稍偏离主要的谐波频率，而这又将影响无源滤波器的滤波性能。

即使可以成功地解决以上问题，因电网电压谐波和其它负载产生的谐波电流流人无源滤波器而造成的无源滤波器过载，也是比较棘手的问题。因此，采用无源滤波器技术是很难将电网谐波限制在国际或国家标准以内的。此外，由于无源滤波器由大容量的电抗器和电容器组成，整机体积庞大，造价高，虽然在某些大型炼钢厂仍有使用，但必将被效率高、动态补偿特性好的新型有源滤波器所取代。