[科普中国]-谐波抑制

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电力系统谐波谐波的概念谐波是一系列的正弦波，其频率是基波的整数倍这一系列的正弦波中，存在无数种频率不同、幅值不同的频率波，这些正弦波会造成电力系统中的正弦电流以及电力系统电压不对称，对系统造成非常严重的危害2

诸波的产生电力系统向非线性设备以及负荷设备供电时会产生高次谐波电力系统向这些设备传递和供给基波能量的同时，也将一部分的基波能量转换为谐波能量，进而产生高次谐波，这一系列高次谐波导致电力系统中的电压和电流波严重畸变，对电力系统的稳定性和安全性造成巨大的影响、

谐波对电力系统的危害电力系统中大量谐波的存在造成了电力系统中电压与电流的不对称，大大降低了电能的质量，给电力系统带来了巨大的危害根据其危害的不同范围，可以分为两个方面:一是对电力系统设备的危害;二是对电力运行系统的危害2。

对电力系统设备的危害电力系统中产生的高次谐波可能引起电力系统中多种不良的效应，如串联或者并联谐振会造成电压和电流持续过高，以及机械谐振等后果，进而导致电线过热，绝缘性减弱以及轴扭振等主要危害有以下几种3:

(1)烧毁电容器和电抗器

在电力系统中，为了使负载的无功功率达到额定系数，提高功率因数，电力企业在安装过程中，经常会在变电所安装并联的电抗器另外，为了降低或抑制谐波，经常会同时装备电抗器和电容器，组合在一起成为过滤谐波的滤波器，在工频频率下，能够成功地抑制谐振的产生但是，这也会造成谐波频率的系统感抗增加，容抗降低，就可能导致产生串并联谐振而这种谐振会造成谐波电流大大增加，对电力系统设备造成很大的危害，甚至会烧毁电容器和电抗器，在以往的由谐波引发的电力事故中，烧毁电容器和电抗器的比例非常高、

(})缩短电机寿命 电力系统中产生的谐波可能引起旋转电机和变压器的损耗和过热，另外，还可能产生机械共振、噪音以及电压持续过高，这会造成电机寿命大大缩短，严重时甚至直接损坏电机当谐波电流通过变压器时，会导致铁损耗和铜损耗增加随着谐波频率的不断增加，铁损耗也逐步扩大，同时，也会引起变压器外部设备、硅钢片以及紧固件的发热，就可能引起局部过热，从而影响电机使用寿命，甚至烧毁电机

(3)引起控制系统失控

目前，电力电子元件以及硅整流器在电力系统中得到了普遍的应用，几乎存在于系统中的各个装置之中这些电力电子元件在运行的过程中会产生大量的谐波，随着电流融入电网另一方面，外部畸变会对换流器和整流装置的运行产生巨大的影响，可能导致整个电力系统失控，造成晶闸管损坏，进而严重影响换流装置的性能，产生不良后果

(4)引起程序错乱

在数字电路中，所有的逻辑组件都有相应的干扰信号容限，一旦谐波的干扰超过了部件的干扰信号容限，就会对触发器和储存器造成严重的影响，可能会破坏其储存的信息，即使排除谐波干扰，也会留下相应的痕迹，系统仍不会恢复到以前的工作状态同时，谐波干扰也会破坏微处理器中的系统程序，造成程序错乱甚至停机、

对电力系统运行的危害电力系统谐波对电力系统运行的危害非常大，主要有以下几个方面:

(1)对电网的危害

电力系统产生的谐波会通过电流进入电网，进而在线路上产生有功功率损耗通常情况下，谐波电流所占的比例较小，但是其频率非常高，而受到导线集肤效应的影响，谐波产生的电阻远远大于基波电阻，所以，谐波造成的线路损耗就比基波产生的损耗高得多另外，如果流入电路中断路器的谐波频率过大，会造成断路器的断开能力减弱，甚至无法工作，对电网产生严重的影响和危害、

(2)对继电保护装置的危害

谐波的存在会造成继电保护装置性能发生很大的改变，可能导致各类保护装置功能失灵，无法有效地保护系统比如对于发电机中的负序电流保护装置，谐波的存在就会引起负序电流保护装置误动或者不动，对发电机以及整个电网的安全运行造成巨大威胁、

(3)对计量系统的危害

高次谐波会造成电能表向负方向的误差增大，导致实际计量的电能低于实际消耗的电能在线性负荷中，基波功率与谐波功率方向一致，所以，电能表的计量结果大于基波电能，但是却小于基波与谐波电能的总和;而在非线性负荷中，基波功率与谐波功率方向相反，所以，电能表的计量结果小于基波电能，但大于基波与谐波电能的总和无论哪种情况，都造成电力系统中计量系统产生误差、

谐波抑制技术从我国电力系统来看，谐波抑制工作已取得了显著的效果，具体的方法如下

增加整流的相数针对具有整流元件的设备，可以增加整流相数或者增加整流的脉动数2，从而有效地抑制频率稍低的谐波当整流相数增加至一倍时，谐波电流将下降4-5倍，大大降低了谐波的数量比如，当整流相数为6相时，谐波电流是基波电流，而当整流相数达到12相时，谐波电流仅是基波电流。

安装交流滤波器在容易产生谐波的设备上，安装交流滤波器，可以有效降低连接设备的谐波电压，从而抑制电力谐波的产生交流滤波器由不同的元件串联而成，形成一个串联谐振电路，利用其阻抗最小的优势，有效消除高次谐波在运行中，谐波器和滤波器之间是并联关系，不但起到过滤谐波的作用，也为系统提供无功补偿、

装设无功补偿装置电力系统中存在许多变化极快的谐波源，t匕如机车、电弧炉、轧钢机等，这些设备不但会产生大量的谐波，而且会引起供电电压的不稳定，甚至造成电力系统中电压的不平衡，严重影响电能的质量因此，在产生谐波的谐波源附近，装设无功补偿装置，可以有效减少其产生的谐波的数量，也可以保持系统电压的稳定和平衡目前，这种方法已取得较好的效益，得到了普遍的应用、

使用新型的有源电力滤波器有源电力滤波器是最新研制出的一种谐波滤波器，与传统的无源滤波器有本质的区别、有源电力滤波器不仅能够吸收固定频率的谐波，也能对处于动态变化的谐波以及无功进行补偿有源电力滤波器在工作时，可以从补偿对象中检测出谐波电流，并产生一个与之相等但极性相反的补偿电流，两者互补之后，电网电流中仅剩下基波分量、有源电力滤波器不仅能对动态变化的谐波进行补偿，而且在补偿时不会受到电网阻抗的影响，因此，在实际应用中得到高度重视，被广泛使用3。

目前电网谐波的治理有两种技术途径被动式治理即通过一些谐波吸收装置吸收各个用户负载产生的谐波，以限制超过有关标准的过量谐波注入电网。这种谐波治理技术的应用对象主要是工业电网负载，目前有两种主要方式:①在电网上简单并联无源滤波器组;②在电网上串联或并联或混合联上电力有源滤波器。这种方式的特点是先检测出负载产生的谐波电流或者谐波电压，再利用电力电子器件产生与该电流成一定比例的谐波电流或谐波电压抵消负载产生的谐波电流或者谐波电压的影响，使得流入电网的谐波电流达到最小3。

主动式治理即设计出不产生谐波的变流器，使得负载自身不产生电流或电压谐波。主动式谐波治理技术的应用对象包括工业电网大功率负载。

从20世纪60, 70年代以来，谐波治理技术发展得到长足的进步。但是出于经济性和可靠性等方而的考虑，目前它还难以为电力电子装置的生产厂家以及谐波源电力用户所自愿推广应用。从用户需求角度出发，对已有谐波治理的技术手段进行深入地分析，改进和突破，开发出更加可靠和更具优良性价比的装置和技术是目前谐波治理技术发展的重点之一。 以山东省一家冶金行业的企业为例，某钢铁集团所属的轧钢厂在20世纪90年代初安装的轧钢供电设备的原设计的月平均功率因数是0. 930 90年代末开始，因电网谐波原因无法按设计的功率因数运行，实际的月平均功率因数只能达到0. 86，从而造成每个月10多万元的罚款损失。目前这种现状为被动式谐波治理技术的推广应用提供了一次难得的机遇。有政策方而的，有产业结构方而的，也有谐波抑制技术成本方而的等等。目前有源电力谐波抑制技术的成本相对于传统无源谐波治理方案以及企业对付谐波问题的其他策略方案的成本偏高，难以为普通电力用户所接受。对于该厂供电系统，最佳的无功补偿点是在6kV母线处。目前他们不愿意采用有源电力滤波方案，主要原因有两个:①相对于简单的低压无功设备，有源方案价格显得过于昂贵，投资的回报周期长;②担心有源方案的可靠性3。

这家企业基本反映了目前潜在市场为什么就有源电力滤波器技术采取“持币观望”的态度，也对被动式谐波抑制技术的应用研究提出了新的期望与挑战，即在不失有源电力滤波器的滤波J哇能的前提下，如何大力降低逆变器的容量，提高装置的性价比。大力减低有源滤波器本身的功率损耗，减少装置的运行费用。对用户负载的工作特性和谐波补偿装置自身的工作特性进行深入地分析与研究，特别是对装置运行的可靠性进行充分地论证。

在民用电网方而，随着家用电器的普及特别是变频家电市场的不断扩张，谐波的消极影响也日益显现。但是该标准的执行将带来新的问题，以典型的变频家电一变频空调为例，全国目前空调年销量在1000万台以上，其中变频空调所占的比例日益上升，用无源方案来限制入网谐波电流。最常见的方案是在AC/DC环节上采用BOOST电路方式的PFC技术。

逆变环节的输出电压可以提高，线电流减少，逆变器器件导通损耗与电机的损耗下降;这样的能耗成本也许对单个用户来说是微不足道的，但是家电特点是数量庞大，即使是1%的损耗对整个社会的能源成本的提高也是不可忽略。工业电网有源电力滤波器方案及其应用研究中几个关键技术。

工业电网用户一般功率等级比较大，目前国内用户基本采用被动式方案来治理电网谐波。按照被动式谐波治理技术采用的电路结构可以分为:无源滤波器方案和有源滤波器方案两大类。

无源滤波器方案成本低、技术成熟，但存在以下缺陷

1）谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，LC参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定。

2)滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况变化而随时改变，因而LC网络的设计较为困难。

3)电网系统阻抗可能与LC网络产生串并联谐振，从而产生谐波过电压或者谐波电流放大的现象，影响电网的稳定运行和供电质量。

4)临近谐波源的谐波电流注入本地滤波器，致使本地滤波器过载。