浅谈电网谐波及其治理

　摘要：供电系统中谐波干扰增大，造成电网电压、电流波形严重畸变，成为影响供电质量的新的突出问题，并严重危及电力系统及用电设备的安全经济运行。文章分析了电力系统中谐波的产生原因及其对电网的危害，介绍了常用抑制谐波的技术和方法，阐述了有源电力滤波器的主要拓扑结构和优缺点。

　　关键词：电网谐波;有源滤波器;拓扑结构

　　随着电力电子技术的迅速发展，电力系统中大功率电力电子装置日益增多，在提高工业装置效率和自动化水平的同时，导致了供电系统中谐波干扰增大，造成电网电压、电流波形严重畸变，成为影响供电质量的新的突出问题，并严重危及电力系统及用电设备的安全经济运行。

　　一、谐波的来源

　　电网中谐波主要来自于两方面：用户的非线性负荷和电源系统。

　　1.来自非线性负荷。随着电力电子技术发展，供电系统中增加了大量非线性负载，从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交、直流变换装置都有着广泛应用。非线性用电设备已是产生谐波的主要原因。

　　2.来自系统的影响。(1)系统中交流发电机内部定子和转子间的气隙，由于受到铁心齿、槽和工艺的影响，分布不均匀，虽然各相电势的波形对称，但三相电势中含有一定数量的奇次谐波;?(2)电网中大量变压器的励磁电流含有奇次谐波成分，当变压器空载或过励磁时则更为严重，并由此构成了主要的稳定性谐波源;?(3)电网中投切空载变压器或电容器时，其合闸涌流注入电网也会形成突发性的谐波源。

　　二、谐波的危害

　　谐波对电网的污染主要表现在：?(1)造成电网的功耗增加、设备过热，寿命缩短、电子元器件的继电保护或自动装置误动作;影响电子仪表和通信系统正常工作，降低通信质量;增大附加磁场的干扰等;?(2)引起变电站局部的并联或串联谐振，使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂等。

　　三、谐波的治理

　　无论从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围内，已迫在眉睫。我国谐波治理水平还较低，限制谐波的主要措施有：?(1)增加换流装置的脉动数;?(2)改变电容器组的安装位置或调整电容器组的无功出力;? (3)采用三角形联结变压器隔断零序3倍数谐波的流通;(4)同步发电机中采用短矩线圈和分布绕组可以减小谐波;

　　(5)采用无源滤波器?(PF

　　)有源电力滤波器?(APF)等。

　　(一)无源滤波器

　　无源滤波装置是目前应用最广的谐波治理措施，它利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流。具有成本低、技术成熟，还可补偿无功的优点，但存在不足：?(1)滤波补偿特性依赖电网和负载参数，并且其LC参数的漂移会导致滤波特性的改变;?(2) 电网与滤波器之间可能发生串、并联谐振，使滤波器或电网侧的谐波较负载的电流谐波有所放大;?(3)随电源侧谐波的增加，滤波器有可能过载;?(4)补偿谐波的频率有限。

　　(二)有源电力滤波器

　　有源滤波器?(APF)是一种动态抑制谐波、补偿无功的新型装置，它克服了LC无源滤波器等传统谐波抑制方法的缺点，正日益受到重视，可以视为抑制谐波、补偿无功的最有效和最具潜力的方案。其基本原理是实时检测电网谐波，利用可控电力电子器件产生与之大小相等、相位相反的电流注入电网，从而达到实时补偿谐波电流的目的。据APF与系统的连接方式可将APF分为并联型、串联型、混合型。

　　1.并联型有源电力滤波器。并联型APF如下图所示。并联APF通过检测负荷电流，产生与负荷谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流注入电网，从而抵消负荷谐波电流，使电源侧电流接近正弦波。并联APF可视为一个谐波电流发生器，相当于一个受控电流源与负荷并联，适合补偿电流型谐波源。

　　图1 并联型有源电力滤波器框图

　　2.串联型有源电力滤波器。串联型APF如图2所示。串联APF通过一个耦合变压器连接到配电网中，检测到系统电源谐波电压后产生与之大小相等、相位相反的谐波电压，从而使负荷端电压接近正弦波。串联APF相当于受控电压源，以电压源的方式补偿电网中存在的暂态或稳态电压畸变，适合于补偿电压型谐波源。

　　图2 串联型有源电力滤波器框图

　　3.混合型有源电力滤波器。无源、有源滤波器各有其优缺点。为获得更好的滤波补偿效果，即要综合二者优点，避其缺点，从而构成更加理想的谐波补偿系统。由此思想出发，近年来设计出了混合型电力有源滤波器。

　　(1)串联APF与并联无源滤波器组成的混合有源电力滤波器?(简称SHAPF)(如图3所示)。串联APF可视为与系统串联的受控电压源，其输出电压和谐波电流成正比。对于谐波电流，串联APF等效为一个电阻，阻值为输出电压与谐波电流的比值;对工频，APF则呈现极低的阻抗。无源滤波器组通常由5次、7次LC调谐滤波器跟一个高通滤波器组成，系统中大部分谐波都能由成本较低的无源滤波器滤除。当APF的谐波等效阻抗远远大于电网阻抗和无源滤波器阻抗时，负载谐波电流强制流入无源滤波器，线路只剩很小的谐波电压和电流。该滤波器APF容量可很小，但装置容量可以做得很大。

　　图3 SHAPF原理框图

　　(2)并联APF与并联PF组成的混合有源电力滤波器?(如图4所示)。此结构中PF滤除大部分谐波，APF用于谐波补偿，且其容量很小。但这种结构也存在一定的缺点：在APF与PF之间以及电网与APF之间存在着谐波通道，可能使APF注入电网的谐波又流入PF及系统中。

　　图4 并联APF与并联PF组成的混合型有源电力滤波器框图

　　尽管有源滤波器的滤波性能卓越，但投入实际应用中尚存在不足：?(1)在现有技术条件下，应用半导体器件要实现一大容量、快速响应的谐波电流发生器仍十分困难;?(2

　　)成本高，运行费用高，其成本约为无源滤波器的3～5倍，运行损耗约占容量的6%～10%;?(3)有源滤波器注入的电流可能流进连接于交流系统的无源滤波器或无功补偿电容器组，引起这些设备的过载而损坏;?(4)电源中的谐波电压和各相不平衡很难得以补偿，谐波电压不能隔离意味着谐振因素仍存在于系统中。

　四、结语

　　谐波的抑制和无功电流补偿已成为电力电子学和现代电力系统亟需解决的问题。有源滤波器虽在谐波治理上有优势，但因其功耗高，综合成本高，故在大容量的滤波器装置上目前还未广泛采用。随着微电子控制器件和电力半导体器件的发展，APF的成本将不断降低，加上其卓越的滤波性能，在我国必将有广阔的应用前景，将是今后谐波抑制装置的主要发展方向。

　　参考文献

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　　作者简介：陈华平?(1979-)，江苏省金湖供电公司助理工程师，调度技师，研究方向：电力系统及其自动化。