摘要：电力是国家的主要能源之一，为国家经济发展做出巨大的贡献。在电力系统中电子装置被广泛运用，非线性型电力负荷与冲击性电力负荷在电网中的占比越来越大，而谐波污染在电力系统里的出现也越来越频繁，电网供给给用户的电能质量受到了影响。
关键词：电力系统；谐波成因；改善措施
引言
随着我国工业化进程的发展，发电装机容量不断加大，电网中电力电子元件的使用也越来越多，致使大量的谐波电流注进电网，造成正弦波畸变，电能质量下降，不但对电力系统的一些重要设备产生重大影响，而且对广大用户电气设备也产生了严重危害。
1概述
电力谐波（Theelectricpowerharmonic），即电力系统电流中与工频频率不同的成分。谐波产生的根本原因为电压加在非线性负载两端，产生了跟电压不一致的电流波形，即电路产生了谐波。谐波频率一般为基波频率的整数倍。根据傅里叶定理，波形可以分为基波频率和整数倍基波频率的正弦波代数和。以产生的源头分类，谐波可分为发电装置质量不高产生的谐波、输配电过程产生的谐波以及电力用户设备产生的谐波。当电网含有大量谐波的时候，电能的传输、利用的效率会降低，并且谐波会使得电力设备发热、绝缘老化加速，甚至使得断路器误操作引发安全问题。
2谐波的产生
在配电网中，高次谐波一般产生于非线性输电设备与非线性负荷中，比较典型的如电弧炉。当正弦基波电压加在非线性负载两端时，负载吸收正弦电压产生非正弦电流，然后非正线电流流过线性负载，产生非正弦电压即含有谐波分量的电压，从而对供配电系统产生影响。电网中，主要的谐波产生源包括两大类，首先是含半导体非线性元件的谐波源，包括调压器、晶闸管整流器和变频装置,如图1所示。然后是含电弧或者铁磁设备的谐波源，例如电弧炉、发电机或日光灯等电力设备。随着工业的迅速发展，电网中的非线性负载明显增加，包括电气化轨道机车、电焊设备、电力变压器与电解设备等。上述设备使得电力系统中的电压或者电流发生畸变，产生高次电力谐波。
图1电力晶闸管示意图
3 电力系统谐波的危害
（1）谐波会使电网中的电力设备产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中性线会使线路发热，严重的甚至可能引发火灾。（2）谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变质，设备寿命缩减，甚至损坏。（3）谐波会引起电网谐振，将谐波电流放大几倍甚至数十倍，对电网系统构成重大威胁。特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。（4）谐波会导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和损失。（5）谐波会使电气仪表计量不准确，产生计量误差，给供电企业或电力用户带来直接的经济损失。（6）谐波会对设备四周的通讯系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通讯质量;重则导致信息丢失，使通讯系统无法正常工作。（7）谐波会干扰计算机等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。（8）谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能，造成噪声干扰和图像紊乱。
4 谐波抑制的措施
为了减少非线性负载与冲击型负载所产生的谐波给电力系统带来的危害，主要用到的有两种方法：1）主动性综合抑制谐波法，即从改造负载、尽量避免使用谐波源负载这一方式减少谐波；2）被动谐波抑制法，即在电力系统输配电传输线路上加装无功补偿与谐波抑制装置，而加装的电力滤波器又可以分为有源滤波器和无源滤波器。
4.1无源滤波器抑制谐波
无源电力滤波器（PassivePowerFilter，PPF）如图2所示，是谐波抑制中较为常用的装置。无源电力滤波器一般是由频率固定的电感与电容串联而成，它既可以补偿无功功率，又可以抑制特定频率的谐波。无源滤波器较简单，方便，可靠，它具有结构较简单、成本较低、技术相对成熟的特点。但是无源滤波器存在如下缺点：1）滤波器一般是针对特定的电能或信号传输情形进行设计的，它只能滤除特定频率的谐波。此类滤波器不具有普适性，一旦系统参数改变滤波器就不再适用。2）滤波器所在的电网存在的阻抗可能与滤波器形成并联谐振，以致于这一频率谐波被放大，从而降低电网电能质量。3）滤波器所在的电网存在的阻抗同样可能与滤波器形成串联谐振，以致于这一频率谐波被放大，从而降低电网电能质量。4）无源滤波器由于本身的工作原理的原因，体积可能比较大，耗费的能量也相对较大。5）无源滤波器对高频谐波的滤除不具有优势，并且在长时间的投入使用下，无源滤波器容易发生滤波频率的偏移。
图2无源电力滤波器示意图
4.2有源滤波器抑制谐波
为了补偿无源滤波器的不足之处，有相关学者提出了有源滤波器，并在部分国家率先投入使用。有源滤波器图如图3所示。有源滤波本质上使用的是反馈控制，在谐波源的附近加一个带有受控电流源的负反馈控制电路。首先测得实际注入负载侧的谐波电流波形，然后将谐波电流与理想负载电流作差，得出差值。最后，受控电流源根据差值发出频率相同、相角一致但电流幅值相反的电流，从而尽可能准确地抵消电力谐波，以期降低电网中的电流谐波总畸变率，提高负载的功率因数，减小因电力谐波给通信系统及设备带来的发热及绝缘老化等众多危害。近些年，随着现代控制理论和电力电子技术的迅猛发展，有源滤波技术也进一步成熟并广泛使用于电力输配中。经过发展，有源滤波技术已取得了长足的进步。跟无源滤波器相比，有源滤波器有以下优势：1）有源滤波器可有效抑制电力系统功率器件，比如电力电子换流器，变压器，滤波电容，阻抗等器件的工作频率范围内的各次谐波，不受特定次谐波约束。2）当电力系统的参数发生变化，比如电容或者电抗的改变，也不会影响有源滤波器的滤波效果。3）不存在跟电网电阻抗发生并联谐振或者串联谐振的问题，并能有效抑制系统与无源滤波器之间的并联谐振或者串联谐振的问题。4）不会发生过载现象，当电力系统中出现较大的谐波电流的时候，系统能继续运行。
图3有源电力滤波器示意图
5 电网谐波治理的发展趋势
在配电系统中，传统谐波抑制方法及无功功率补偿技术是将无源滤波器与非线性负荷并联，利用谐振原理为特定次数的谐波提供一个低阻通路，无源滤波器中电容为负载提供无功功率。同时，通过控制接入系统的等效电抗动态补偿系统所需无功功率，该类装置将谐波抑制和无功功率补偿二者分离开来，需要两套设备。现代的谐波抑制方法采用基于瞬时无功功率理论的有源滤波器，同时实现动态补偿谐波电流和无功功率，此类装置称为配电网动态补偿装置。该装置除逆变器外不需要其他的谐波电流和无功功率补偿通道，也不需要大容量电抗器和电容器储能，功能强大、结构简单。随着我国电网电能质量治理工作的深入开展，负荷对电能质量要求越来越高，配电网动态补偿装置将是未来谐波抑制和无功补偿技术的发展趋势。要消除谐波污染，除大力发展高效的谐波控制设备外，还必须在设计、制造和使用非线性负载时，采取有力的抑制谐波的措施，减少谐波侵入电网，从而真正减少由谐波污染带来的经济损失。随着谐波抑制技术的进一步发展和对高效利用能源要求的增强，谐波治理问题最终将会得到妥善的解决。
结语
综上所述，对电力系统谐波，应在摸清其成因的基础上，搞好相关抑制工作，进而搞好电力系统的安全运行工作。
参考文献:
[1]秦鸣峰.蓄电池的使用与维护[M].北京:化学工业出版社，2019.
[2]朱品才，张华，薛观东.阀控式密封铅酸蓄电池的运行与维护[M].北京:人民邮电出版社，2018.
论文作者:袁利君
论文发表刊物:《电力设备》2019年第15期
论文发表时间:2019/11/27
标签：谐波论文; 滤波器论文; 无源论文; 电网论文; 电流论文; 负载论文; 抑制论文; 《电力设备》2019年第15期论文;