电力系统谐波及其抑制技术.docx

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电力系统谐波及其抑制技术

电力系统谐波及其抑制技术

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2WnW40。

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-PassiveFilter）-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。

3.1.2有源滤波装置

目前谐波抑制的趋势是采用有源电力滤波器（APF-ActivePowerFilter），它是一种电力电子装置，能对频率和大小都变化的谐波进行动态补偿，补偿特性不受电网阻抗和频率变化的影响，可获得比无源滤波器更好的补偿效果，是一种理想的谐波补偿装置。

而且，通过改变控制算法可以实现多种功能，如抑制谐波、补偿无功、抑制闪变、补偿相间不平衡等，因而引起了人们极大的关注。

随着20世纪60年代以来新型电力半导体器件的出现，脉宽调制（pwm技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论的提出，针对无源滤波器的缺陷，在1969年Bird和Marsh等人提出了向电网中注入三次谐波电流以减少电源系统中电流的谐波成分，这是（ActivePowerFilter）APF思想的萌芽嘲。

之后，1971年，H.Sasaki和T.Machida首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理，但是由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室研究，未能在工业中实用。

1976年Gyugyi等人提出了用大功率晶体管PW陝换器构成有源滤波器，并正式提出了有源滤波的概念，提出了有源滤波嚣的主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一种理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础。

从原理上看，PW陝流器是一种理

想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子的发展水平不高，全控型器件功率小，频率低，因而有源滤波器仅限于实验研究。

在20世纪80年代由于大功率全控型功率器件的成熟，大功

率晶体管（GTR、大功率可关断晶闸管（GTO、静电感应晶闸管（STH、功率场效应管（MOSFET及绝缘栅型双极性晶体管

（IGBT）等新型快速大容量功率开关器件相继何世，脉宽调制

（PWM控制技术的发展，尤其是1983年日本的H.Akagj等人提出了“三相电路瞬时无功理论113l（IristntarieorisReactivePowerTheory）”又称“p-q理论”、“Akagi-Nabae理论一，以该理论为基础的谐波电流瞬时检测方法的在三相电力滤波器中得到了成功的应用，在高性能DSP芯片也得到了应用，使有源电力滤波器APF得以迅速发展。

APF通过向电网注入谐波及无功或改变电网的综合阻抗频率特性，以改善波形，除了具有相应速度快，具有很好的动态实时补偿功能等优点外，还具有可进行无功补偿，抑制电压闪变等多种功能。

因此APF逐渐成为了一种具有很大潜在应用价值的谐波补偿装置，并开始得到迅速的发展。

但由于全控型功率器件的成本及性钝，制约了APF的实际应用，

目前只有在日本得到比较广泛的推广。

APF-般分为并联型、串联型和混合型三种。

从补偿的角度来看，APF可以分为无功补偿、谐波补偿、平衡三种系统电压或电流以及多种补偿。

常规的并联型APF可以同时补偿谐波电流和无功，属于多重补偿。

混合APF只能补偿谐波电流，属于谐波补偿。

随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量迅速增加。

针对谐波的大量出现，目前国外已经研制成功各种谐波测量分析仪，如德国产的NOWA-谐波分析仪、美国产

F40/41手持式谐波分析仪和英国产PA系列高精度电力谐波分析

仪等。

3.2国内研究现状我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和电子工业发达的国家相比有一定的差距。

我国从20世纪80年代开始大量采用硅整流设备，尤其是铁路电气化的迅速发展，推动了硅整流技术的发展和应用。

电气化铁道具有牵引重量大、速度高、节约能源、对环境污染小等优点，电力牵引己成为我国铁路动力改造的主要方向。

目前，非线性负荷的大量增加，使我国不少电网的谐波成分以大大超过了有关标准，并出现了一些危及电网安全、经济运行的问题。

于此同时，我国许多科研和生产单位，一些高等院校相继开展了谐波研究工作，在多次学术会议上交流了这一方面的成果。

但是，我国在APF方面的研究仍处于起步阶段，到1989年

才有这方面文章。

研究APF主要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。

研究最成熟的是并联型，而且主要以理论眼界和实验研究为主。

理论上涉及到了功率理论的定义、谐波电流的监测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。

1991年北方交通大学王良博士研制出3KVA的无功及谐波的动态补偿装置；同年，华北电力科学院和冶金自动化研究院联合研制了用于380V三相系统的33KVA双极面结型电压型滤波器；采用多重化技术201，西安交通大学研制出120KVA并联型有源滤波器的实验样

机。

此外，清华大学、华北电力大学、重庆大学等高等院校也对

APF展开了深入的理论研究。

我国虽在理论上取得一定的进展，由于多方面的条件的限制，我国的有源滤波技术还处于实验阶段，工业应用上只有少数几台样机投入运行，如华北电力实验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发研究的有源高次谐波抑制装置于1992年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用了三个单相全控桥逆变器（功率开关为GTR），用于低压电网单个谐波源的谐波补偿，且只能补偿几个特定次数的谐波（5、7、11、13次），调制载波的频率（3.3KHZ）不高；河南电力局与清华大学联合开发的20MVA静止无功发生器（包含有源谐波器）在郑州孟若变电站进行300KVA中间工业样机试运行，该样机主电路由18脉冲电压型逆变器、直流储能电容器、9台曲折绕组变压器及系统的连接变压器组成，脉冲逆变器分为3相6脉冲电压型逆变器（功率开关为GTO，系统结构较复杂。

总的来讲，目前我国有源电力滤波技术的工业应用，仍处于试验和攻坚阶段。

4谐波的产生

自从使用交流电起，电力系统中就已存在谐波了。

国际上公认的谐波定义为：