电力系统中的谐波检测及抑制方法研究

电力系统中的谐波检测及抑制方法研究

李毅

华远电力集团有限公司 云南 昆明 650000

摘要：波形失真程度是衡量电能质量的重要标准。谐波畸变是电力系统波形畸变的一种重要形式。特别是近年来,随着工业化的快速发展,各种电力电子设备的广泛使用,大容量变压器的输入大量的非线性负载,电压和电流的谐波含量的电网变得越来越高,这给系统和用户带来伤害。

关键词：电力系统；谐波检测；抑制方法

1谐波产生的原因和危害
　　1.1谐波产生的原因
　　谐波是指一种周期性的一种频率变量，它是对电力系统中电流的一种改变，而且谐波中还可以分为分数谐波、间谐波以及次谐波等不同的类型。对于谐波产生的原因，它主要是由电源、输配电设备以及电力系统中的非线性负载构成的。首先，对于电源端产生的谐波来说，它是由于在发电过程中，三相绕组在制作上有着一定的质量问题，很难达到各个参数上的平衡，在不同的影响因素下，会造成一定谐波的产生，但是电源端所产生的谐波是非常少的，一般不会有太大的影响。其次，对于输配电过程产生的谐波来说，很多时候都是由于电力变压器导致的，这是由于变压器在设计过程中，可能会考虑到经济性等方面，忽略掉铁心磁化曲线的影响，使其处于非线性的状态，产生一定的谐波，在这种背景下，谐波电流通常来说所占额度较高，对于电力系统的影响也是非常大的。
　　1.2谐波的危害
　　从谐波的运行来说，它的危害性是非常强的，对于电力系统中的各个设备都可能造成不良的影响。首先，对于发电过程中的发电机和电动机来说，由于谐波的产生，可能会引发机械共振，致使发电机在运行过程中存在一定的振荡力矩，并且严重影响电力设备的使用寿命。其次，谐波电压在电力运行中会造成大幅度的正弦波變化，增加电能的消耗，加速绝缘老化，危害不同设备的负载以及电力系统的安全运行。除此之外，电网谐波还会对计量装置造成不同的影响，使它的系数达不到正常要求，造成电网中的短路情况，严重的还会引发爆炸现象。

2电力系统谐波的检测技术

2.1基于模拟滤波器的谐波检测

该检测方法的理论依据是带通/带阻具有很好的选频特性，抓住这一特性就能够检测出某一频段内的谐波。使原电流经过滤波后获得基波分量和降低的谐波电流分量、把基波电流分量通过滤波器滤除后得到处理后的谐波分量是基于该理论衍生出来的使用较为方便的检测方法。固有优点是结构简单、易操作且可行性高，经济性好，输出阻抗小。它的缺点也很明显，它能够分析出来的谐波的频次相对有限，另一方面的不足则是由其中使用的模拟电路的故有缺陷带来的，模拟电路中的元器件受谐波频率及温度等影响很大，使得检测系统的抗干扰能力降低，误差增大。

2.2基于傅里叶变换法的谐波检测

相对于其他类型的检测方法，傅里叶变换法可以说是最为经典的一种方法了。该方法的思路也非常简单，对采样所得的一个周期的非正弦波信号进行分解处理，得到该信号中含有的一系列谐波信号的幅值及相位，进而相应的得出所应该补偿的信号情况。由于这种方法是以严谨地数学计算为基础，所以就决定了它具有很好地检测精度与稳定性，抗扰动能力强。但是它的计算量很大，计算时间加上采样时间导致它分析结果有较长的时间延时，实时性较差，在谐波的离线分析上应用较为方便、广泛。如何提高检测的实时性给出了相应的方法。该检测方法还有一个特点就是它在检测整数次谐波上非常精确，但在检测非整数次谐波时易出现频谱泄露和栅栏效应。针对解决频谱泄露问题，给出了几种性能相对不错的算法，比如说同步采样法和准同步采样法、修正理想采样频率法、基于加窗插值法的修正算法、双峰谱线修正算法。

2.3基于小波变换法的谐波检测

基于小波分析的检测方法是通过划分谐波信号的频带并分解提取各次谐波的时频信息进行分析。该检测方法是一种有效的时频分析法，对于检测波动的信号或是具有快速变化的谐波信号效果较好，适合于突变信号的分析与处理小波变换具有时频特性，其多分辨率分析法可以分析非稳态信号，这是它相对于傅里叶变换的一大优点。即便如此，小波检测法还是不能取代傅里叶变换法，它的分析结果受小波基函数影响，基函数不同，分析结果也会随之发生变化，要想获得最优小波基就只能通过不断的实验，所以实用性不是太好。

2.4基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波检测

此种方法应用广泛，技术水平已较为成熟。p-q法和ip-iq法是其发展出来的两种主要方法。由于p-q法忽略了电网谐波中的零序分量，因此它不能够用于三相系统中电网电压出现畸变或是不平衡时的谐波检测。而ip-iq法解决了这一问题，适用性更好，其检测原理如图1所示。

图1ip-iq法谐波测量原理图

该谐波检测方法的特点是测量电路简单且检测周期短、实时性好，它的检测算法中采用的是系统三相电压同步的正、余弦信号，不会出现畸变的电压分量，检测结果不会受电压波形畸变的干扰，检测结果准确。缺点是硬件多、成本高。

3电力系统谐波的抑制技术

3.1被动性谐波抑制技术

3.1.1使用无源滤波器

无源滤波器(PPF)是一种常见的滤波装置，主要是利用电感L的低通作用、电容C的高通作用以及L、C的谐振原理。比如说普遍使用的一种方式就是通过适当调节L、C电路中电感、电容的参数使其在特定频率下发生谐振，对系统中相应频率的谐波呈现出低阻抗，使谐波流入滤波装置，避免污染电网。无源滤波器有以下几种:调谐滤波器(分为单调谐滤波器和双调谐滤波器)、高通滤波器(一阶、二阶、三阶及C型高通滤波器)，它们各自的结构如图2所示。

图2单调谐滤波器(左)、双调谐滤波器(中)、高通滤波器结构图(右)

单调谐滤波器主要是针对某次特定谐波;双调谐滤波器能够同时滤除两种频率的谐波，成本低且对基波损耗小。高通滤波器对高于某个频率的谐波呈现的阻抗较小，能够对大部分高于该次的谐波进行吸收，阻抗频率特性好，应用广泛。无源滤波器的特点是结构简单、成本低、可靠性高。但缺点也很明显，体积大、损耗大，只能滤除少量几种频次的谐波。

3.1.2使用混合型有源滤波器

有源电力滤波器虽然在某些方面能够弥补无源滤波器在抑制谐波中的不足，但因其缺点与技术限制，APF并不能完全取代PPF。为了解决这些问题，将APF与PPF结合起来的新型装置HPPF应运而生。混合型有源滤波器的组合形式有多种，对几种常用的形式做了较为详细的介绍，包括并联型APF+并联型PPF、串联型APF+并联型PPF、APF与PPF并联后并联接入电网。混合型有源滤波器发展前景广阔，值得深入研究。

3.2主动性谐波抑制技术

主动性谐波抑制技术是从改造谐波源本身出发，从源头上抑制谐波产生。整流器就是电力系统中一个重要的谐波源，谐波产生原理认为当整流相数增加时，网侧电流谐波成分会减少，此时电流波与正弦波接近。因此对于带有整流功能的装置要尽量增加整流器整流的相数或是二次侧输出波形的脉动数。整流器所产生的谐波频谱为n=kp±1，其中p为输出脉波数，k为正整数，分析可知谐波源产生的最低谐波次数与输出脉波数成正比，增加输出脉波数，可以更多地消除低次谐波，并且一般谐波次数越高谐波幅值越小，所以一个周期内输出脉波数越多波形也就更加平稳。需要说明的是此种方法目前仍处于理论阶段，投资大且效果不甚理想，多用于大容量整流装置。

结束语

随着电力电子设备和非线性设备的日益普及，电力系统的谐波问题日益严重，严重威胁着系统的安全稳定运行。因此，解决谐波问题迫在眉睫。谐波检测是谐波控制的前提，目前的谐波检测技术有其自身的特点，尚无全面的，因此需要进一步的研究。

参考文献

［1］赵起问．兼顾无功补偿的三电平APF研究［D］．上海交通大学，2018．

［2］吕文杰．电力系统谐波检测及其抑制方法的研究［D］．成都理工大学，2012．