电网谐波分析

李桂丹

【摘 要】目前，电网污染日益严重，给人们带来了极大的危害，因此电网谐波分析已经成为电力系统领域的一个重要研究方向。近二、三十年来，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，已成为影响电能质量的公害，对电力系统的安全，经济造成极大的影响。因此，对电网中的谐波含量进行实时测量，确切掌握电网中谐波的实际状况，对于防止谐波危害、提高供电质量是十分必要的。

【关键词】电能质量；谐波；谐波危害

【中图分类号】TM727【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）02-0284-02

1、谐波

国际上公认的谐波含义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，其频率为基波频率的整数倍”。

2、谐波的产生

目前，在现代工业中，电力系统的波形畸变主要来源于两大因素。第一，R，L，C元件的非线性。当正弦电压加在非线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦波。当然，非正弦电压加在线性电路上时电流亦是非正弦波。第二，大量使用的电力电子装置会带来波形的畸变。配电网中整流器，变频调速装置，电弧炉，电气化铁路及各种电子设备不断增加，这些负荷的非线性，冲击性与不平衡性等用电特性对用电质量造成了严重的危害；随着非线性用电设备越来越多，所产生的告诉谐波电流大量注入电网，使电网电压正弦波形发生畸变，电能质量下降。谐波源一般有一下几类：

（1） 发电机等旋转设备

主要是旋转设备结构设计上的问题产生谐波，如锯齿波，包括铁心饱和造成的低次谐波。但由于这类设备产生的谐波量少以及技术水平在不断提高，已逐步有所改变。

（2） 变压器

变压器与饱和电抗器产生的高次谐波是铁心饱和造成的，一般产生的是三次与五次谐波电压畸变，数量最多的是三次谐波。

（3） 各种可控硅整流负荷以电动机为代表的单相整流装置，要产生大量的三次谐波。

（4） 钢铁工业用的电弧炉，化学工业用的电石炉等各种电炉负荷。（5） 电视机，除尘器，空调等低压负荷。

（6） 随着其操作而出现的瞬变现象。谐波源虽然是供给谐波电流的能量源，但它的能量却是工频基波提供的。非线性设备产生谐波的过程，实际上是一个消耗工频能，并将其中一部分工频能转换为各次谐波能量向系统回送的过程。高次谐波是电力系统的一种“污染”，目前，它日益成为电力系统运行中的严重问题。

3、谐波的危害

谐波对电力网络的污染日益严重，其产生的危害主要有：

（1）对发电机和电动机产生脉动转矩噪声，附加功率损耗和发热，此外由整流器供电的电机可引起明显的电压畸变。

（2）对无功补偿电容器引起谐振或谐波电流放大，从而导致电热器因过负荷或过电压而损坏；对电力电缆也会造成电缆过负荷或过电压击穿。

（3）对供电网和导线产生的而言，会增加供电网的损耗。当发生谐振现象时，损耗更加严重。

（4）对断路器和熔断器而言，电流波形畸变明显影响断路器容量，当存在电流畸变时，开断更为困难，而且由于开断时间延长而延长了故障电流的切除时间，因而造成了快速重合闸后的再燃。熔断器是由于发热而熔断的，它们对谐波过流集肤效应引起的发热效应很敏感。

（5）对变压器而言，谐波在变压器中造成的损耗产生附加发热，降低了其带负载的能力。

（6）对电子设备而言，主要影响表现在三个方面：

第一，谐波畸变得结果产生多个过零问题，这种多个过零会破坏设备的运行，最明显的是数字时钟，任何应用过零原理同步元件都应考虑这种影响。半导体器件经常在电压过零时投入，以降低电磁干扰和涌流，多次过零会改变器件投入时间，破坏设备运行。

第二， 电力电子电源使用波形的峰值以维持滤波电容器的充电。该波畸变可提高或削平波峰的峰值，其结果是即使均方根的输入电压是正常的，电力电源将运行在高或低的输入电压下，严重时设备可能遭到破坏。

第三，电压陷波也会破坏电子设备的运行，电压陷波不过零但影响过零敏感的设备。

4、谐波的抑制

对谐波抑制的方法主要是在谐波源上采取措施，是从改进电力电子装置入手，最大限度地避免谐波的产生。这类方法可以防止谐波影响波及众多的供电设备。电网质量的提高可节省消除谐波影响的大量人力和物力。将高水平的技术和相对集中的财力用到控制谐波源上，则对电力电子装置改进技术的突破十分有利，这样的方法有：

（1）增加整流相数法

由谐波产生的原理知，随着整流

相数的增加，网侧电流谐波成分减少，波形接近于正弦波。在晶闸管三相桥式整流电路中，电流只有n次奇次谐波，但高次谐波的振幅只有基波振幅值的1/n，这说明谐波次数越高，其振幅值越小。

（2）脉宽调制法

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。

抑制和消除谐波的另一大类方法是在电力电子装置的交流侧利用LC无源滤波器和电力有源滤波器对谐波电流分别提供品域谐波补偿和时域谐波补偿。

（3）波形叠加法

逆变器输出端的电压谐波严重地

影响了DA-AC变换器的应用。但如果用两台你便输出的电压在副边叠加，是两台逆变器的输出波形每周期内都保持60°间隙，然后第二台逆变器输出波形相对第一台逆变器输出波形相移36°，这样第一台逆变器的输出波形中的五次谐波和第二台波形中的五次谐波的相位差为180°，五次谐波在变压副边相互抵消，达到了同时消除三次和五次谐波的目的，逆变输出电压波形接近于正弦波。

（4）LC无源滤波法

LC无源滤波器是一种常用的谐波补偿装置。它的基本工作原理是利用LC谐振回路的特点抑制向电网注入的谐波电流，使其不会进入电网，多个不同谐振频率的谐振回路可滤除多个高次谐波电流，这种方法简单易行。

（5）电力有源滤波器补偿法

早在七十年代初，日本学者就提出了有源电力滤波器（所写为APF）的概念。八十年以来，瞬时无功功率理论和谐波电流瞬时检测方法的提出，才使得APF技术迅速发展起来。随着开关频率较高的自关断器件的实用化和瞬时无功功率理论和控制手段的成熟，有源滤波已从补偿自身谐波向改善电网供电质量发展。

（6）静止无功补偿法

在网侧投入无功补偿装置（SVC）是用来补偿由谐波造成的无功功率，提高功率因素。另外，无功补偿装置中电感和电容的合理设置，可在某次频率产生谐振，即可对该频率的谐波实现滤波。传统的固定电容器和晶闸管控制电抗器的无功补偿装置已经落后，近年来发展的趋势是采用GTO构成的换向变流器，通常称为静止无功发生器（SVG），它既可提供滞后的无功功率，又可提供超前的无功功率。

5、国内外谐波分析研究存在的主要问题

虽然谐波问题在我国已提到日程上来，但通过对前面国内外这方面文献中算法的总结我们可以看出，要实时估测电网质量，在线地监测用户负载谐波的情况，现有的算法还存在如下问题：

（1）有的算法速度和准确度不能兼顾。因为准确度的提高一般是以牺牲速度为代价的；

（2）采用锁相环节跟踪，往往会给硬件的设计、调试带来困难；

（3）部分算法还只停留在计算机仿真阶段，这往往是由于算法过于复杂，实用性有待进一步改进。

（4）在线测量实时性差.有的算法涉及的公式复杂，运算量大，这样势必会影响计算速度，现场测量的实时性就很难保证。

参考文献

[1] 徐向民.一种电网谐波检测新方法[J].第十四届全国电源技术年会论文集，2005，（4）

[2] 雍静.供配电系统.北京.机械工业出版社，2003.06

[3] 刘介才.供配电技术.北京.机械工业出版社，2005.01