摘要：随着电力系统的发展，电弧炉、变频调速装置以及电气化铁道牵引负荷等非线性负荷的接入，谐波污染对电力系统影响越来越大，对系统的安全稳定造成了很大的危害。本文研究和分析谐波产生的原因，以及对输电线路、电器设备等的影响。并分析了几种电力系统的谐波的检测分析技术与谐波抑制手段，目的是提高电能质量、用电环境。本文对提高电网运行质量，满足用户需求具有一定的实际意义。
关键词：电力系统；谐波分析；电能质量
引言
随着工业生产水平和人民生活水平的提高,大量非线性负荷的出现，以及供电系统本身存在的非线性元件等使得系统中的电压波形畸变越来越严重，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大，直接威胁电网的安全运行。因此我们对非线性用电设备产生的谐波必须进行治理，使谐波分量不超过国家标准。而谐波测量对抑制谐波有着重要的指导作用：检定实际网络谐波源用户的谐波水平是否符合标准的规定；了解和掌握各种电力设备投运前、后相关系统的谐波水平及其变化、检验谐波对有关设备的影响；谐波故障和异常的原因测量，以找到应采取的相应对策。
1电力系统谐波的产生与测量
当电力系统向非线性负荷供电时，负荷吸收的电流与施加的电压波形不同，形成畸变电流。电力系统存在电源阻抗，使电压发生畸变，从而对配电设施和所有负荷产生影响。各电压等级总电压畸变率国标规定的限值如表1.1所示。
表1.1 总电压畸变率国标规定的限值
由上表可知，电压等级越高，电网总电压畸变率限制要求越高。
1.1电力系统谐波源分析
在电力系统应用的设备中存在大量非线性设备，如电气化铁路、电弧炉、荧光灯、电子控制设备和变压器等等，这些非线性设备即使给它们加上标准的正弦波电压也会产生谐波分量注入系统，使系统各处受到谐波污染。电力系统中，所有能够产生谐波的设备都可以称为谐波源。
电力系统的谐波污染有两个主要的原因，一方面是因为大功率换流设备和调压设备以及各种其它非线性设备的使用；另一方面是因为系统中部分设备采用临界态设计，使磁性材料工作在磁化曲线的饱和区，导致磁励电流产生畸变进而产生谐波电流。
电网中主要有三大谐波源向电网注入谐波电流:(1)半导体型,主要存在于化工、冶金、矿山等工矿企业及家用电器中；(2)铁心型，由变压器、电抗器、各种旋转电机等含有铁心的设备运行产生；(3)电弧型，主要由炼钢的企业产生。
1.2 电力系统谐波分析技术
在工程实践中，人们研制了多种的谐波分析装置。从使用的仪器原理分析，大致可以分为模拟式和数字式两大类。
(1)模拟式谐波分析仪的基本原理是使用滤波器的方法将输入信号的各次谐波分量分离出来，滤波器的输出实际上是输入信号和滤波器脉冲响应的卷积，在频域中它相当于两个频率响应的乘积，因此从滤波器得到的信号为频谱。
(2)数字式谐波分析仪利用离散傅立叶级数((DFT)，或由离散傅立叶变换过渡到快速傅立叶变换(FFT}的基本原理所构成。模拟信号经采样，离散化为数字序列信号后，经微型机算计进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得更多的信息，如谐波功率、谐波阻抗、以及对谐波进行各种统计处理和分析等，各种分析计算结果可在屏幕上显示或按需要打印输出。仪器精度较高、功能较多、使用方便，当前在谐波测量中得到广泛使用，国内外均己生产单相式和三相式谐波分析仪。
2 电力系统谐波的谐波治理措施
2.1 有源滤波装置
有源滤波器（APF）利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术己应用到实践，而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。
有源滤波器主要有谐波检测电路、控制电路和主电路组成。它是一种用于动态抑制谐波和补偿无功功率的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波成分和无功功率进行补偿，可以克服传统无源滤波器的不足。
2.2无源滤波装置
无源滤波技术是利用电容和电感在某一频率点阻抗相同发生谐振的原理达到吸收某次谐波的目的；有源滤波装置实质上是一个谐波源，其结合了电力电子技术和谐波补偿技术，产生的谐波大小与负荷产生的谐波相等，相位相反，从而抵消了负载产生的谐波，达到治理谐波的目的。
无源滤波器是由电力电容器、电抗器和电阻适当组合而成的滤波装置，运行中它和谐波源并联，除起滤波作用外，还能补偿无功功率。由于它结构简单、运行可靠、维护方便，因此得到了广泛的应用。当然它也有其不可弥补的缺点：无源滤波装置有效材料消耗多、体积大；只能做成对某几次谐波有滤波效果，且其效果易受元件或系统参数、以及电网频率等变化的影响。因此无源滤波装置适用于系统谐波单一、负荷稳定的场景。
2.3 静止无功补偿装置
高速变化的谐快波源，如:电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。
2.4 改善供电环境
选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除谐波。
结束语
消除电网谐波是一项复杂的技术工作。要彻底改变待治理电力系统中的电力谐波，必须采用有源滤波器或无源滤波器合装置的谐波抑制或治理方案，同时在某些用电设备附件需要加装静止无功补偿装置等。治理谐波可以有效降低设备对电力系统的谐波污染，改善了其它用电设备的运行环境，同时可以提供用电设备的寿命，降低生产成本。
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论文作者:张运尚
论文发表刊物:《电力设备》2019年第7期
论文发表时间:2019/9/18
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