（国网山东省电力公司茌平县供电公司）
摘要：随着科学技术的发展，随着电力系统规模的扩大，结构越来越复杂，输电网络的地位在整个系统中的重要性愈加突出随着工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。本文阐述了电网动态谐波的产生及危害，对谐波检测仿真进行了进一步的分析。
关键词：电网动态谐波；谐波的产生；谐波的危害；谐波检测仿真
一、谐波的产生及危害
1.谐波的产生
当电网中的电压或电流波形非理想的正弦波时，即说明其中含有频率高于50Hz的电压或电流成分，我们将频率高于50Hz的电流或电压成分称之为谐波。当谐波频率为工频频率的整数倍时，我们将其称之为整数次谐波，这类谐波通常用次数来表示。例如：将频率为工频频率5倍（250Hz）的谐波称之为5次谐波，将频率为工频频率7倍（350Hz）的谐波称之为7次谐波，依此类推。当谐波频率不是工频频率的整数倍时，我们将其称之为分数谐波。这类谐波通常直接使用谐波频率来表示。
2.谐波的危害
分析了谐波产生的原因，我们再认识一下电网中存在谐波的危害。电力网中谐波的危害主要表现在
① 由于谐波的频率较高，使导线的集肤效应加重，因此铜损急剧增加。同时变压器铁心由于不能适应急剧变化 的磁通而导致铁损急剧增加。
② 谐波会影响表计的计量精度。从原理上进行分析：谐波源将其吸收的一部分电网电能转变为谐波发送到电网 中去，因此电能表会将谐波能量当作发电来进行计算，从而导致计量误差。对于机械式电能表还会由于高频率谐波所产生的高频涡流阻力而变慢。因为在高次谐波严重的情况下（例如中频炉）会严重影响电能表的计量精度，导致莫名其妙的丢电现象。
③ 精密电子设备会被严重干扰，导致不能正常工作，甚至烧毁。
④ 所有接于电网中的设备的损耗都会增加，温升增加。含有电容器的设备受影响最为严重，甚至可能导致设备损坏以及电容器爆炸等事故。
⑤ 电机类负荷由于谐波的逆序作用而导致输出扭矩下降。
⑥ 继电保护机构可能会由于谐波而产生误动或拒动故障。
二．谐波检测仿真分析
1.动态谐波仿真
根据实际电网中的谐波情况和仿真分析的需要，我们构建出若干类信号模型。实际电网中由于既存在线性负荷也存在非线性的负荷，所以实际情况下电网中的谐波既包含稳定的基波的各次谐波分量也包含一些非稳定的瞬态变化的谐波，各种电网噪声干扰等。为了仿真分析的方便起见，我们选取有代表性的仅含一种谐波情况的谐波信号进行分析，要分析更复杂的情况只需将各种情况组合叠加即可。
有源电力滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流检测电路和补偿电流发生电路。指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。
2.并联型有源电力滤波器的基本原理
图1是最基本的有源电力滤波系统构成的原理图。有源电力滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流检测电路和补偿电流发生电路。指令电流检测电路的功能主要是从负载电流中分离出谐波电流分量和基波无功电流，然后将其反极性作用后发生补偿电流的指令信号。电流跟踪控制电路的功能是根据主电路产生的补偿电流，计算出主电路各开关器件的触发脉冲，此脉冲经驱动电路后作用于主电路。这样电源电流中只含有基波的有功分量，从而达到消除谐波与进行无功补偿目的。根据同样的原理，电力有源滤波器还能对不对称三相电路的负序电流分量进行补偿。
图1并联型电力滤波器
是根据指令电流运算电流的指令信号产生实际的补偿电流。基于瞬时无功功率的谐波检测法（Instantaneous Reactive Power Theory）亦称为p-q法，是日本学者Akagi H.于1984年提出的，其目的是为了解决其研制的并联型有源滤波器谐波与无功功率的快速检测，从而为有源滤波器提供参考的补偿电流。该方法对有源滤波器的实用化研究及滤波响应速度的提高起了很大的推动作用，为实现谐波、无功的实时补偿提供了理论依据，后来发展的很多谐波快速检测方法都是基于该方法的思想。该方法的核心思想是根据所定义的瞬时功率的波动部分为谐波电流和系统电压作用的结果的这一特点来提取谐波分量。
3.基于FFT的数字分析
快速傅立叶变换是计算离散傅里叶变换的一种快速算法，简称FFT。快速傅里叶变换是1965年由J.W.库利和T.W.图基提出的。采用这种算法能使计算机计算离散傅里叶变换所需要的乘法次数大为减少，特别是被变换的抽样点数N越多，FFT算法计算量的节省就越显著。在光谱、大气波谱分析、数字信号处理等方面有广泛应用。
基于FFT的数字分析法原理比较简单，其原理为将检测到的一个周期的谐波信号用FFT分解，即可得到各次谐波的幅值和相位，从而也得到了各次谐波的表达式。采用FFT快速算法可以很快检测到测量波形中的各次谐波，但这种方法的缺点是需要一个周期的采样数据，所以具有较大的延时，不能称为快速检测法。
目前通用的方法是采用移动窗口方法，即每采样得到一个新的数据，则剔除一个时间最早的数据，将新数据与其它数据一起构成新的数据窗，进行FFT分析得到各次谐波。这样，每个采样点即可计算得到各次谐波。由于新的采样点是逐步加入进来的，当系统谐波含量发生突变时，必须经过一个周期的测量，FFT分析得到的基波及谐波才能完全跟上系统谐波的变化。所以，基于FFT的数字分析方法存在一周期的延时。
FFT方法思路比较简明，原理和工作过程十分清晰，对所补偿的谐波可以进行有目的的选择，适用于各种状况。但缺点是由于需要对误差信号进行重构，运算较为发杂，故具有一定的延时，实时性较差；而且该方法是建立在Fourier分析的基础上，因此要求被补偿的波形是周期性变化的，否则会带来较大的误差，所以限定了其使用范围。
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论文作者:王玉良,陶峰,李晋
论文发表刊物:《电力设备》2016年第22期
论文发表时间:2017/1/21
标签：谐波论文; 电流论文; 电网论文; 电路论文; 滤波器论文; 基波论文; 分量论文; 《电力设备》2016年第22期论文;