电网谐波及其治理

作者：吴发力

来源：《中国科技博览》2014年第28期

        [摘 要]从电网谐波的产生出发，分析了谐波对于电力系统的危害。全面介绍了电网谐波的治理措施，重点阐述了有源电力滤波器的基本工作原理及其发展趋势。

        [关键词]谐波 标准 治理 有源电力滤波器

        中图分类号：U469.4.02 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）28-0038-01

        1.谐波的产生及危害

        电网谐波主要来自三个方面：一是电源质量不高产生谐波，发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称等原因会产生谐波电压；二是输配电系统产生谐波，主要由电力变压器的工作特性及制造工艺产生；三是用电设备产生谐波，如各种整流设备、变频装置、家用电器等。

        谐波对电力系统的危害是多方面的，其中主要有：

        （1）对供电设备的危害：1）谐波使变压器和发电机损耗增大、噪声增大，降低输出功率；2）当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，电容器过流异常发热，绝缘介质加速老化；3）谐波使电力线缆过热、绝缘老化，使导线集肤效应明显，交流电阻增大。

        （2）对用电设备的危害：1）谐波引起异步电动机转子表面涡流损耗、增加电枢的漏电抗从而增加了电动机的附加损耗，降低工作效率；2）低压开关设备如各种断路器、晶闸管触发装置等可能因谐波产生误动作；3）对通讯系统产生干扰，降低信号的传输质量，破坏信号的正常通道。

        （3）对电网的危害：1）影响电网的质量，增加电能损耗，影响电网及各种电气设备的经济运行；2）影响线路的稳定运行，线路上的继电器易受谐波影响，产生误动或拒动，严重威胁供配电系统的稳定与安全运行；3）谐波增大了电网中发生谐波谐振的可能性，导致过电压或过电流。

        2.谐波的描述

        随着我国经济的高速发展，直流输电和柔性交流输电技术得到了广泛应用，这使得电力系统的谐波问题日益严重。国家把对谐波的管理、监测和治理都摆到了十分重要的位置，并制订了相应的谐波标准。常用总谐波畸变率（totalharmonicdistortion，THD）来描述谐波对电力系统的影响，它被定义为谐波分量有效值和基波分量有效值的比率。下文给出了谐波电压畸变率和谐波电流畸变率的表达式，用于指示含有谐波的周期波与纯正弦波的偏离程度。

        3.谐波治理措施

        （1）无源电力滤波器（passivepowerfilter，PPF）

        由电容器、电抗器以及电阻等无源元件组成，以对某次谐波或其以上次数谐波形成低阻抗通路，达到抑制谐波的目的，电容器还实现无功补偿的功能。该装置具有结构简单、初始投资少、效率高的特点，被广泛应用于谐波抑制中，但它存在系统阻抗严重影响滤波特性，系统与无源滤波器间的并联或串联谐振使得系统侧在特定频率下谐波电流被放大，只能补偿固定的无功和谐波、对变化的负载不能有效补偿等缺点。

        （2）静止无功补偿器（static varcompensation，SVC）

        SVC装置是一种快速调节无功功率的装置，它可按照所需无功功率做随机调整，从而使在非线性及冲击性负荷连接点处的系统电压水平保持恒定。SVC由可控支路和固定（或可变）电容器支路并联而成，通常由晶闸管等电力电子器件控制，具有连续调节无功功率的能力，通过调节等值阻抗实现无功功率的补偿。但由于其本质是无源滤波设备，具有无源滤波装置的固有缺陷，不能对谐波以及负序进行有效的抑制。

        （3）静止同步补偿器（static synchronouscompensator，STATCOM）

        STATCOM是柔性交流输电技术的主要装置之一，它代表着现阶段电力系统无功补偿技术新的发展方向。它将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，实现动态无功补偿的目的。

        （4）有源电力滤波器（activepowerfilter，APF）

        随着电力电子技术的发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源电力滤波器。相比无源电力滤波器，有源电力滤波器具有高度可控和快速响应特性，能动态抑制谐波、补偿无功，还可抑制闪变，且它的补偿特性基本不受系统影响，无谐波放大的危险。有源电力滤波器是有效的谐波解决方案，被公认为是治理“电网污染”的有效手段，目前，其应用领域正从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。研究有源电力滤波器具有理论价值和实际意义。

        4.有源电力滤波器的基本原理及发展趋势

        有源电力滤波器是一种电力电子补偿装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流作为指令电流，由补偿装置产生一个与该指令电流大小相等而极性相反的补偿电流注入电网，从而使电网电流只含基波分量。也可理解为由电源和有源电力滤波器共同提供负载所需的电流，其中谐波电流由有源电力滤波器提供，电源只提供基波电流。若有源电力滤波器还用于补偿无功，则只需在指令电流中加入检测出的无功电流分量即可。

        目前，有源电力滤波器的研究正在向如下几个方面发展：

        （l）增大器件容量，提高开关频率，实现电流的快速控制，提高补偿效果；应用多重化技术提高器件的等效开关频率，实现高次谐波的有效补偿。

        （2）降低价格，提高性价比。有源电力滤波器实现消除谐波、抑制闪变和补偿无功等功能，一机多用符合当今电力系统发展的需要，提高性价比是有源电力滤波器实用化的发展方向之一。

        （3）降低损耗，提高系统的可靠性方面。包括采用合理的开关频率、选择适当的保护电路、故障诊断技术以使系统工作可靠等。

        5.结语

        随着电力电子技术的不断发展，有源电力滤波器作为新型的电力电子装置，能对谐波和无功电流等进行有效补偿和抑制，对于提高和改善电能质量有着重要的理论意义和实用价值。

        参考文献

        [1] 宋文昌.供电系统谐波[M].北京：中国计划出版社，2003.

        [2] 肖湘宁.电能质量分析与控制.中国电力出版社，2004.