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浅析电力系统谐波及其研究现状

高瑜+郭天飞+郭天超+路静+韩一帆
摘 要：近些年来，随着人们对电力需求量的不断增长以及电力系统的迅速发展，人们越来越关注所用电能的质量。由于电力电子技术具有能使设备响应速度快、控制性能好、效率高、体积小、重量轻等特点，其在各种设备上得以广泛应用。然而，变压器、电力电子装置等非线性负荷，作为谐波源，其广泛的使用给电力系统及电气设备的正常运行造成了严重的危害，电力系统也因此面临着严重的谐波污染。因此，谐波的分析及抑制已成为国内外电气领域广泛关注的课题。
关键词：谐波；起因；危害；研究现状
1谐波的起因
目前，国际上公认的谐波含意是：“谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，或者说谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的h次分量其频率为基波频率的整数倍”[1]。
在电力系统中，谐波主要是由变压器、旋转电机和各种电力电子设备等非线性负载产生的。在一般情况下，电气设备的非线性电特性使其组成了谐波源。通常，可将谐波源分为两类，一类是以电力电子装置为代表的现代非线性设备；另一类为传统非线性设备包括变压器、旋转电机等。
（1）现代的非线性设备，主要包括各种电力电子变流装置。这类设备广泛使用于家用电器和大量工矿企业中，它们在开关投切或换向时产生的阶跃电流中含有大量谐波成分。比如荧光灯，它的电流之所以是畸变的，主要是由于在点亮状态下有感性的非线性镇流器限制了电流的变化[2]。
（2）传统的非线性设备，主要包括旋转电机、变压器等。这类设备产生的电流中之所以含有谐波成份是因为它们的铁芯在产生磁饱和时具有非线性特性。例如，旋转电机，旋转电机的线圈通电，通过电磁感应原理，产生磁动势。由于线圈是嵌入线槽内的，而线槽不会完全按照正弦分布，所以其产生的磁动势的波形不会完全是正弦波，含有大量谐波。
这两种谐波源都会向电网注入大量的谐波电流，而谐波电压的产生则是电流流经电网阻抗的结果。电力电子装置等大量现代非线性装置的广泛应用，致使其所产生的电力系统谐波比重超过了传统非线性设备，因而已成为主要的谐波源。
2谐波产生的危害
电力系统中的电流谐波会影响电网和各种电气设备的正常运行和使用，严重时会导致设备损坏，甚至会导致电力系统发生电事故。目前，电力系统的谐波危害主要有以下几个方面[3]：
（1）谐波作用于电网元件时产生的附加损耗，不仅降低了电能的利用率，而且易引发事故。比如电力系统中性线在大量三次谐波流过时不仅会产生附加输电损耗，还会使线路发热，甚至会导致火灾。
（2）受谐波影响的电气设备无法正常工作。比如电动机工作时不仅会伴随有较大的机械振动和噪声，还会引起变压器绕组损耗增加及外壳和固件的发热。
（3）谐波可能会引起电力系统中的并谐或串谐。为了提高负载的功率因数，需要给负载补偿无功功率，电网中大量使用补偿无功功率的电容器，电网中的分布电容和电网中的感性部分组合，易发生串谐或并谐。电网产生谐振的后果是会放大谐波电流，损坏电容器等设备。
（4）谐波会造成继电保护与自动装置发生误动作。现在采用的电子继电保护设备大都响应快，灵敏度高，价格低廉，但大都依赖于被测参数的瞬时值，因此，高次谐波极易引起继电保护设备的误动作，电网安全供电造成隐患。以整流电路出发，说明对自动化装置的影响。谐波会引起同步电压信号畸变，进而导致整流器产生谐波（包括特征谐波和非特征谐波），这些谐波反过来使电压信号畸变更严重，影响装置的稳定性。
（5）谐波会对通信系统的正常工作造成干扰。输电线路产生的高频谐波不仅会对电力系统本身的载波通信和远动装置信号产生干扰，也会干扰相邻通讯线路的正常工作。
（6）谐波会降低电能计量的准确度。电网供电波形的畸变易导致电气测量仪表准确的的降低，产生误差。比如感应式仪表指针的偏转力矩与偏转线圈夹角及磁链有关，线圈中同次谐波产生的平均转矩则不为零，致使感应式仪表受谐波影响。
世界各国都制定了国家标准以限制谐波危害公用电网或用电设备，各国标准都将限制谐波电流含有量、控制谐波电压允许范围，以致电气设备免受谐波干扰而作为基本原则。
3谐波研究的现状
近年来，电力网中变压器、旋转电机等传统非线性设备，以及整流器、变频器、稳压器等现代的非线性设备得到了广泛的应用，并且应用范围不断扩大。这些非线性负荷在使用时，对电网供电具有不平衡性，对电力系统具有强烈冲击性，这对电力系统的电能质量形成了严重的影响。此外，随着我国国民经济的飞速发展，工厂、单位以及居民用户对电力需求的不断增长，电力系统的电能质量将面临发展的机遇和挑战。目前，“谐波源”电气设备在用电负荷中所占的比重越来越大，而对电能质量要求高的的用电负荷所占的比重也越来越大，特别是现代数字信息要求供电可靠性更高和电能质量个性化更明显。因此，谐波的分析和处理对电网的正常运行越来越重要，谐波抑制技术的发展更是刻不容缓。
过去，电网中更多采用的是无源滤波器，它具有结构简单、成本低、维护方便、技术设计、制造经验成熟等特点，但由于电能质量要求的普遍提高，无源滤波器的缺点也逐渐显现出来。传统的无源滤波器已经不能很好地抑制电网谐波，已经不及电能质量的要求。因此，研究和开发新技术以更好地抑制电网谐波并达到电能质量的要求，已成为近些年来国内外电力系统研究领域的热点课题。
用户电力（CustomPower）新技术主要是利用大功率电力电子器件（如GTO、IGBT、MOSFET等）组成控制装置，以向用户提供增值的、可靠的、高质量的电能，并提高系统的供电可靠性，保证功率流质量。有源电力滤波器APF（Active Power Filter）是电力电子在电力系统中应用的一类重要装置[4] ， 它具有动态补偿谐波，受电网阻抗影响小，可动态跟踪负载电流变化等优点。和传统的无源滤波器相比，APF在消弭或抑制电力系统谐波方面具有广泛的发展前景和应用前景。因此，有源电力滤波器APF已经逐渐成为谐波抑制技术的主要研究方向。
虽然，我国的许多高校以及科研单位相继展开了对电力系统谐波问题的研讨工作，积极与国外研究机构合作交流并参与了一些相关技术探讨。然而，我国的有源电力滤波器技术仍处于初级研究阶段，研究最成熟的只是并联型APF，还是主要以理论和试验为主。虽然，我们在理论上取得了一定的成果，但是，由于许多因素的限制，目前我国的有源滤波技术还处于最初的研究实验阶段，工业上也仅仅有几台样机投入运行，至今还没有并联型有源滤波器产品正式应用于实际。因而，我国有源滤波技术具有广泛的发展前景。
参考文献
[1] 罗安，章兢，付青.新型注入式并联混合型有源电力滤波器[J].电工技术学报，2005，20（2）：52-55，68.
[2] 刘君.电网谐波危害与抑制[J].科技信息，2008（20），303.
[3] 姜齐荣，谢小荣，陈建业.电力系统并联补偿结构、原理、控制与应用 [M].北京：机械工业出版社，1998，40-45.
[4] 胡铭.电能质量及其分析方法综述[J].电网技术，2000，24（2）：36-38.

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