摘要：电力设备的广泛应用，使得供电系统在正常运行过程中会有大量的谐波产生，并会直接导致电压畸变以及电能质量下降等诸多问题。本文针对了在电力系统中带有谐波产生的机理以及进行谐波处理方式的分析，来就谐波治理设备在供电系统中的应用进行了简要分析。
关键词：谐波治理设备；供电系统；应用
引言
近年来，经济快速发展背景下，越来越多的电源设备、变频设备等在实践中得到了广泛应用，虽然提高了生产质量和效率，但这些设备在运行时会产生谐波电流，对供电系统、周围设备等都会产生负面影响，造成电压、电流波形严重失真现象的出现。谐波污染会降低各类用电设备使用效率。为了提高电能质量，积极引入有源电力滤波器等设备，实现对供配电系统的动态补偿。
1供电系统中谐波的来源
供电系统当中的谐波主要来自于电气设备，也就是来自于发电设备以及用电设备。因为发电机的转子在运行中产生磁场不可能是完善的正弦波，所以发电机所发出的电压波形也不可能是一点不失真的正弦波。对于电网电压波形质量产生影响的主要因素就是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，非线性用电设备主要有以下四大类：（1）电弧加热设备：如电弧炉、电焊机等。（2）交流整流的直流用电设备：如电力机车、电解、电镀等。（3）交流整流再逆变用电设备：如变频调速、变频空调等。（4）开关电源设备：如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。这些用电设备都是非线性用电设备，但它们产生的谐波各不相同，具体分析如下：电弧加热设备主要是因为电弧在70V以上才会起弧，才会产生弧电流，同时灭弧电压比起弧电压略低，导致弧电流和弧电压的非线性。另外，弧电流的波形还具有一定的非对称性。正是弧电流是非正弦波，导致电弧的加热设备对于供电系统的谐波污染很大，并且大部分为18次以下的低次谐波污染。在上世纪四、五十年代电焊机已广泛应用。因为当前的电弧加热设备量比较少，对于电焊机的利用的同时率就更小了，对于整个电网的影响也很小，然而在当前已经发展在烧电焊时，局部低压电网的电压和电流变化很大，有较大的谐波影响。交流整流直流用电设备为了提供平稳的直流电源，在整流设备中加入了储能元件，从而使阀电压提高，加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流，在整流设备中应用了可控硅，这使得该类设备的谐波污染更严重，而且谐波的次数比较低。交流整流再逆变用电设备，在交流变直流过程中产生的谐波在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流，这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波，也有高次谐波。开关电源设备目前应用很广，这类用电设备单台容量不大，但它是应用面最广、量最大的非线性用电设备，它还有一定量的三次谐波，造成配变的中心线电流居高不下，而且三次谐波还会通过配变污染到10kV电网。
2谐波污染危害
谐波指的是频率为基波频率整倍数的正弦波电流分量，其主要来源包含了整流电路的设备。在工业上引起谐波污染的因素有：电力电子设备，各种晶闸管可控开关以及PWM变频器等。谐波的存在，会导致电网的电压出现畸变，并且会严重的污染整个供电质量，其具体危害有：①会增加公用电网中的附加损耗，并降低一些发电、输电以及用电设备的效率，并会导致电容器、电缆等电器设备出现过热、寿命缩短以及损坏等问题。②会直接引起电网中局部的串联谐振或并联谐振，使得其谐波电流放大数倍，从而对电容器以及串联的电抗器造成较大威胁。③会直接导致电能计量出现混乱，并使得大量高次谐波电流涌入供电系统之中，从而导致导线出现过热现象或直接导致火灾的发生。④会对一些通信与信息处理设备造成严重的干扰，甚至会出现信息丢失、工控系统崩溃等现象。
3谐波治理设备在供配电系统中的应用
一般情况下，谐波常出现在10kV及以下电压等级的供配电系统中。针对谐波治理，可以从预防和治理2个角度入手，前者从源头入手，避免谐波的产生，通过改进设备内部结构，抑制谐波的形成；后者可以改变系统馈线参数、或者安装谐波治理装置，进行谐波补偿。具体主要从以下几方面入手。
3.1整流设备
整流设备产生谐波与脉动数存在密切联系，二者呈正相关关系。谐波次数越大，谐波电流越小。因此，在实践中，要提高整流设备脉动数，以此来抑制谐波的产生。但整流设备脉动数量的增加，需要提高装置的配置。通常情况下，百kVA以上的大功率整流装置，要采用12、24脉整流。而小功率可以引入脉宽调制技术，使整流器输入电流接近正弦波，并且电流和电压同相位，从而消除大部分低次谐波，控制谐波分量在合理范围内。
3.2供电设备
通过巧妙地连接电力变压器的绕组，可以有效减少某些次数的谐波。如三角形连接的变压器可有效消除３次及其倍数次谐波。发电机提供符合标准的正弦波形电能是对它的基本要求，在制造上有一系列措施来消除或减少谐波电动势，如采用星形连接可避免出现３次及其倍数次谐波电动势，采用短距绕组可消除5次和7次谐波。
3.3无源电力滤波器
无源电力滤波器（PPF），是按照一定拓扑结构，将电感与电容元件连接到一起，再结合参数配置而成，以此来滤除某次谐波。在实践应用中，其滤波特性由配电系统、装置阻抗比来决定，且结构简单，能够为日后维护提供便利。但在应用中，需要注意如下几个问题，一是PPF只能够滤除最初设定的谐波成份，缺乏灵活性，无法协调滤波、调压及无功补偿之间的关系，甚至可能对部分谐波构成放大影响，与预期目标背道而驰。如若遇到成分复杂的谐波，需要对其进行具体处理，才能够提高滤除效果。二是系统运行情况复杂化，直接导致滤波效果也随之发生波动，一旦谐波强度过高，会造成元件、设备的损坏。要想解决上述问题则需引入有源电力滤波器，才能够提高谐波治理效果。
3.4有源电力滤波器
近些年，随着功率器件的控制精度不断提升，人们对电网质量的要求也越来越高，无源滤波器不能满足对改善电能质量的要求。因而，在电力系统中广泛地投入有源电力滤波器抑制谐波和补偿无功。以并联型有源电力滤波器为例来进行研究。图１所示为并联型有源电力滤波器的系统原理图。图中is、us表示公用电网的电流和电压，ic为有源电力滤波器输出的补偿电流，iL为负载电流。HPF（high pass filter）为滤除开关纹波电流的高通滤波器。
图１ 并联型有源电力滤波器的系统原理
有源电力滤波器系统由指令电流运算部分和补偿电流发生部分组成。其中，指令电流运算部分的主要任务是检测出补偿对象中的无功和谐波电流，将无功和谐波电流提取出来，而电流跟踪控制电路、驱动电路和PWM变流器共同组成补偿电流发生部分。PWM变流器作为系统的主电路，可以作为逆变器，输出补偿电流，又可作为整流器，由电网向直流侧储能元件充电。有源电力滤波器的基本工作原理是通过电流互感器（CT）、电压互感器（PT）等检测技术，获取非线性负载的电流信号和系统电压信号，并将获取的信号进行处理，获得需要补偿的无功或谐波电流指令信号，再根据指令信号来控制主电路中的PWM变流器的通断，输出与电网中谐波形状相同、相位相反的无功或谐波补偿电流，从而降低或消除电网中的谐波电流成分，提升电网质量。
结束语
电能质量涉及国民经济各行各业及电力的可持续发展，而谐波是影响电能质量的重要因素。因此，研究有源滤波器在谐波治理改善电网质量方面，具有广阔的应用前景。
参考文献：
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论文作者:任勇丰
论文发表刊物:《基层建设》2018年第17期
论文发表时间:2018/8/6
标签：谐波论文; 电流论文; 设备论文; 滤波器论文; 电网论文; 电压论文; 电力论文; 《基层建设》2018年第17期论文;