电力系统谐波问题概述

伍广正

（贵港供电局，广西 贵港 537100）

1 引言

电能是输送和使用方便的优质二次能源。随着社会的发展，电能的使用已经渗透到人们生产及生活的各个方面，电能已经成为现代社会生产和生活中不可缺少的重要部分，成为影响国家经济命脉的重要因素。传统公用电网中，是以恒定的频率（或）和三相电压及电流的对称、正弦为发电与用电的品质指标的。然而，由于电网中许多电气元件的参数并不都是理想线性的，而且负荷是随机变化的，加之各种调控手段的不完善以及外来干扰等各种因素的影响，使得上述理想的电网运行状态在实际运行中是不存在的。当实际的电压、电流波形与标准的正弦波存在偏差时，我们把这种波形畸变的现象称为谐波畸变。

2 电力系统的谐波

对电力系统谐波问题的研究可以追溯到19世纪末。当时，电能的使用刚刚以交流电的形式出现，工程师们就注意到了电压、电流波形的畸变问题；直到20世纪30年代，由于使用汞弧变流器造成的电压、电流波形畸变问题，电力系统谐波才真正开始引起人们的重视［1，2］。

当代电力系统中，随着电力电子技术的发展，电力用电技术和发电、输电技术都发生了深刻的变化。这些新技术以电力电子技术为支撑，通过灵活可控的电力电子装置实现对电能形式的灵活控制和变换。所有这些电能生产、输送和消耗的新方式，其最大的特点是其产生的电压、电流呈现为非额定频率或非正弦波形的电压、电流，从而使电力系统谐波问题更加严重。

（1）用电技术方面。在现代电力系统中，随着人们节能意识的加强以及电力电子技术的发展，众多通过电力电子开关、以非正弦电流方式高效用电的新型非线性负载得到了广泛的应用。这些以非正弦电流方式用电的新型非线性负载已经成为当今电力负载中最主要的谐波源。1992年，日本电气学会对其国内产生谐波的行业按比例进行了一个统计，其结果如表1所示。

表中，除楼宇中的部分照明电源、冶金行业的电弧炉外，其他行业的谐波源大多来自电力电子装置，根据日本电气学会的统计，其比例高达90%。从表中还可以看出，来自楼宇的谐波源所占比例高达40.6%，其谐波主要由办公及家用电器等产生。可见，谐波畸变不再是工业设备所特有的现象，如今谐波现象已经蔓延到电力升降机、不间断电源、电视机、个人计算机等商业和居民用电设施中的电子设备。

表1 产生谐波的行业分布［2］

（2）发电技术方面。由于当今社会对常规化石能源的需求日益增加，能源耗尽的危机日益严重，人们开始追求对清洁、无污染的新能源的开发利用。在电力生产中，许多利用清洁无污染的可再生能源发电的发电方式，如风能发电、太阳能发电、燃料电池发电等发电方式得到了越来越广泛的应用［3］。这些新型电源大多以非正弦、非工频的方式供电，而传统公用电网是以三相电压、电流的对称正弦要求为发电与用电的品质指标。传统公用电网为了接纳非正弦、非工频的新型电源，一般通过电力电子电能转换装置将非正弦、非工频的电源转换为正弦、工频的交流电源，从而实现不同频率的电源或电网的同步运行。比如在输送风电的过程中，一般采用变频装置将风电接入电网，在此过程中，变频装置将会向电网注入一定数量的谐波，使得电网谐波来源更加复杂。

（3）输电技术方面。为了提高电压质量和系统的稳定性以及解决大容量远距离输电等问题，柔性交流输电技术和高压直流输电技术得到极大的发展和应用。柔性交流输电技术和高压直流输电技术以电力电子技术为支撑，通过电力电子装置实现对电网运行方式的灵活控制、调节，以实现对电能的安全、高效、经济输送［4］。这些电力电子装置主要包括:用于提供无功功率补偿以改进电网电压控制和系统稳定性的静态无功补偿器（SVC）；用于提高输电线路输电容量和改善线路运行情况的可控串联补偿装置（TCSC）；用于电网潮流控制的统一潮流控制器（UPFC）以及用于高压直流输电技术的高压直流换流器等。上述电力电子装置大多数具有一个共同特性，就是产生谐波。因此，在使用这些装置对输电技术进行改造时，对其产生的谐波不得不进行一个详细的评估。

3 谐波的危害

谐波注入电力系统将会严重恶化电网的电气运行环境，危害电力系统的安全、稳定运行，同时，还会对电网电气设备以及用户用电设备的安全造成危害。

首先，对整个电网来说，谐波的产生与输送，将在输电网中增大网损，降低电能传输的效率；谐波电流在线路中引起畸变压降，降低了电网的电压质量；新型非线性负载的间断性用电方式降低了电源电压的工作效能；谐波电流恶化交流电能传输中的电气环境，易引发系统崩溃［2，5］。

其次，对电网中的电气设备而言，因为电网中的电气设备是按工频、正弦电流工作方式设计的，谐波电流流过将会影响其最佳工作状态。例如:谐波电流会对电机、变压器等电磁设备的绕组及铁芯引起额外发热，使损耗增加，降低电磁设备的使用寿命；谐波电流会影响功率处理器、互感器的测量精度，引起电力测量的误差；谐波电流有可能造成继电保护装置、自动控制装置的工作紊乱；谐波电流的存在还可能会降低断路器、熔断器等设备的开断能力［2，5］。

对电力用户而言，谐波会影响电视机的画面质量；影响电子显微镜的清晰度；引起日光灯的整流器及补偿用电容器过热或损坏；引起其他用户的功率开关器件误动作或故障；对计算机、通信系统产生干扰等［5］。

此外，随着工业控制技术的发展，工业生产中许多精密仪器、复杂的控制系统等对电能质量的要求也越来越高。谐波电流对其造成的影响，有可能会使工业生产造成巨大的经济损失［5］。

4 电力系统的谐波抑制技术

如前文所述，电力系统谐波造成低劣的供电电能质量，严重危害电力系统的安全稳定运行和电网电气设备、用户用电设备的安全。在现有的技术水平下，为避免谐波的危害，保障电网及用户的利益，对电力系统的谐波抑制，已经成为电气工程学科的一个热门研究领域。目前对电力系统谐波抑制的方法主要可以分为预防性电力谐波抑制技术和补救性电力谐波抑制技术两种方法。

4.1 预防性电力谐波抑制技术

预防性电力谐波抑制技术是指在设计构建系统或设备的过程中，通过选取合理的线路结构及元件参数，避免产生谐波或减少谐波。常见的预防性电力谐波抑制技术有如下几种:

（1）利用设备的电气特性。该方法主要是对电气设备采用有效的接线方法或结构形式来减少或消除接入电力系统的设备所产生的谐波。比如对于变压器来说，其绕组采用三角形的接线方式能隔断3倍频谐波电流的流通［5］。

（2）配电网重构。对多个谐波源同时接入电网的情况，可通过对配电网重构的方法，实现降低公共连接点总的谐波限值［5］。这种方法是通过对配电网中的负荷进行再分配，限制负荷中非线性负荷的比例，控制非线性负荷产生的谐波电流在一定的范围内，使公用母线上的谐波电流限值不超过电力部门制定的标准。该方法只是达到降低谐波限值的目的，并没有达到谐波隔离的效果，谐波电流仍会注入电网中，有可能对电网及其他用户造成损害。显然，这并不是一种合理的谐波抑制的方法。

（3）多脉波整流技术和高功率因数PWM整流技术。多脉波整流技术是将两个或更多个相同结构的整流电路按一定的规律组合，将整流电路进行移相多重联结，利用各整流负载的谐波电流相位差，使其相互叠加后可削弱或抵消电源输入端的部分谐波电流［6，7］。例如12脉波整流技术可以有效削弱5次和7次谐波，24脉波整流技术可以有效消除11次和13次谐波。随着技术的发展，多脉波整流技术的脉波数可以达到一个很高的值，但同时也使系统结构更为复杂，需要对其可靠性、经济性等因素进行全面衡量。

4.2 补救性电力谐波抑制技术

补救性电力谐波抑制技术是指为了解决已经存在的谐波问题而采取的技术手段，主要是在电网谐波源处加装滤波装置。常见的滤波装置有如下几种:

（1）无源滤波器。无源滤波器也称为LC调谐滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的无源滤波装置。无源滤波器的基本工作原理为:由电感，电容和电阻组成的无源电路网络，通过将电容和电感调谐到对某一次谐波电流频率发生谐振，对该次谐波电流形成低阻抗支路以分流该谐波电流，从而达到在电网中滤除谐波电流的目的［6，7］。无源滤波器结构简单、易于实现、设备投资较少、运行费用较低，是迄今为止应用范围最广的一种滤波手段。然而，由于无源滤波器只工作于特定频率，所以实际应用中通常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器相互配合组成滤波装置，以达到滤除主要的各次谐波分量的目的，但是这样容易造成各组调谐滤波器之间的相互影响，使调谐变得困难；而且无源滤波器受其电容电气特性的影响，容易和系统阻抗发生谐振，损害电容器件，严重时，甚至会使系统崩溃。

（2）有源滤波器。如图1所示，有源滤波器是通过检测补偿对象的谐波电流，然后通过控制电路注入一个与谐波电流相位相反的补偿电流，抵消谐波电流的影响，实现电源电流波形的正弦化［6，7］。随着材料科学的发展以及大功率电力电子器件的开发应用，有源滤波器在耐压以及容量等问题上还有很大的发展空间。

图1 有源滤波器的基本结构

（3）混合型有源滤波器。混合型有源滤波器是由有源滤波器和无源滤波器相结合组成的混合型滤波装置。装置的有源滤波器可以快速地补偿谐波，而无源滤波器可以同时进行谐波过滤和无功补偿，提高了滤波补偿的效率［7］。当前混合型有源滤波器主要有串联式混合型有源滤波器和并联式混合型有源滤波器，其中并联式混合型有源滤波器的应用空间更广，已在多个直流输电工程中得到应用。

5 结语

在当代电网中，随着电力电子技术的发展，电力升降机、个人计算机、电视机等其他商业和居民用电设施中的电子设备日渐成为电力负载中主要的谐波源。在电源端，连接新型非正弦电源和传统公用电网的电力电子电能转换装置产生的谐波注入电网，使得电网谐波来源更加复杂。在输电网方面，高压直流变流器和柔性交流输电装置不断增加，这些设备已成为输电系统中主要的谐波源。

在现代电力系统中，谐波污染已经成为恶化电能质量的重要原因之一。因此，如何制定新的电能质量标准，主动发展电能传输中谐波抑制效果好、结构简单、运行经济性高的电力谐波过滤技术，接纳非正弦电流的新型电源，容许新型非线性负载随意、灵巧的高效用电方式，是电力系统输电技术发展的必然和挑战。

［1］林海雪.现代电能质量的基本问题［J］.电网技术，2001，25（10）:5－12.

［2］赵琰，孙秋野（译）.电力系统谐波［M］.北京:机械工业出版社，2009.

［3］王峥，马则良，朱忠烈.电力行业能源发展研究的探讨［J］.华东电力，2010，38（5）:589 －592.

［4］谢小容，姜齐荣.柔性交流输电系统的原理与应用［M］.北京:清华大学出版社，2006.

［5］林海雪，范明天，薛蕙（译）.电力系统谐波［M］.2版.北京:中国电力出版社，2008.

［6］王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿［M］.北京:械工业出版社，2002.

［7］电网谐波治理和无功补偿技术及装备［M］.北京:中国电力出版社，2006.