電力系統(tǒng)中的諧波檢測及抑制方法研究

摘?要：近年來電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用，加之大量非線性負(fù)荷的使用，大量諧波流入系統(tǒng)，造成危害，對諧波的治理非常緊迫。本文探究了諧波的生成的根源、其給系統(tǒng)和用戶帶來的各種影響，以及諧波檢測技術(shù)，這是進行諧波治理的前提。最后從主動與被動兩個思路給出了一些治理諧波的方法。

關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng);諧波治理;檢測與抑制

1?緒論

波形畸變程度是衡量電能質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)，電力系統(tǒng)中出現(xiàn)諧波就是波形畸變的重要表現(xiàn)形式。特別是近年來工業(yè)化快速發(fā)展，各種電力電子設(shè)備、大容量變壓器的大量使用，大量非線性負(fù)荷的投入，使得電網(wǎng)中電壓、電流的諧波含量越來越高，對系統(tǒng)及用戶帶來的危害不容小覷。

了解諧波的危害，分析諧波產(chǎn)生的根源是治理諧波的前提。本文在此基礎(chǔ)上研究了一系列檢測系統(tǒng)諧波的技術(shù)原理及特點。然后從主動與被動兩個角度給出了抑制諧波的一些方法、特性與適用場合。

2?諧波的產(chǎn)生及危害

電力系統(tǒng)的諧波可以分為兩大類：一是暫態(tài)諧波，主要是由于電氣開關(guān)設(shè)備在通斷過程中產(chǎn)生的諧波;二是穩(wěn)態(tài)諧波，它是系統(tǒng)中存在的大量的非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波。

諧波對電力系統(tǒng)及用戶的危害主要體現(xiàn)在：

（1）增加電氣設(shè)備及輸電線路的損耗，使設(shè)備和線路發(fā)熱[1]。

（2）影響電氣設(shè)備的正常工作，使電機等設(shè)備發(fā)出異響、長期過熱，影響壽命。

（3）使電力系統(tǒng)發(fā)生諧振，嚴(yán)重時會燒毀系統(tǒng)中的電容器、電抗器。

（4）產(chǎn)生的干擾波對臨近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，影響正常的信息傳輸與數(shù)據(jù)交換。

3?電力系統(tǒng)諧波的檢測技術(shù)

3.1?基于模擬濾波器的諧波檢測

該檢測方法的理論依據(jù)是帶通/帶阻具有很好的選頻特性，抓住這一特性就能夠檢測出某一頻段內(nèi)的諧波。使原電流經(jīng)過濾波后獲得基波分量和降低的諧波電流分量、把基波電流分量通過濾波器濾除后得到處理后的諧波分量[1]是基于該理論衍生出來的使用較為方便的檢測方法。固有優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、易操作且可行性高，經(jīng)濟性好，輸出阻抗小。它的缺點也很明顯，它能夠分析出來的諧波的頻次相對有限，另一方面的不足則是由其中使用的模擬電路的故有缺陷帶來的，模擬電路中的元器件受諧波頻率及溫度等影響很大，使得檢測系統(tǒng)的抗干擾能力降低，誤差增大。

3.2?基于傅里葉變換法的諧波檢測

相對于其他類型的檢測方法，傅里葉變換法可以說是最為經(jīng)典的一種方法了。該方法的思路也非常簡單，對采樣所得的一個周期的非正弦波信號進行分解處理，得到該信號中含有的一系列諧波信號的幅值及相位，進而相應(yīng)的得出所應(yīng)該補償?shù)男盘柷闆r。由于這種方法是以嚴(yán)謹(jǐn)?shù)財?shù)學(xué)計算為基礎(chǔ)，所以就決定了它具有很好地檢測精度與穩(wěn)定性，抗擾動能力強。但是它的計算量很大，計算時間加上采樣時間導(dǎo)致它分析結(jié)果有較長的時間延時，實時性較差，在諧波的離線分析上應(yīng)用較為方便、廣泛。文獻(xiàn)[2]中對如何提高檢測的實時性給出了相應(yīng)的方法。該檢測方法還有一個特點就是它在檢測整數(shù)次諧波上非常精確，但在檢測非整數(shù)次諧波時易出現(xiàn)頻譜泄露和柵欄效應(yīng)。針對解決頻譜泄露問題，文獻(xiàn)[3]中給出了幾種性能相對不錯的算法，比如說同步采樣法和準(zhǔn)同步采樣法、修正理想采樣頻率法、基于加窗插值法的修正算法、雙峰譜線修正算法。

3.3?基于小波變換法的諧波檢測

基于小波分析的檢測方法是通過劃分諧波信號的頻帶并分解提取各次諧波的時頻信息進行分析。該檢測方法是一種有效的時頻分析法，對于檢測波動的信號或是具有快速變化的諧波信號效果較好，適合于突變信號的分析與處理[4]。小波變換具有時頻特性，其多分辨率分析法可以分析非穩(wěn)態(tài)信號[5]，這是它相對于傅里葉變換的一大優(yōu)點。即便如此，小波檢測法還是不能取代傅里葉變換法，它的分析結(jié)果受小波基函數(shù)影響，基函數(shù)不同，分析結(jié)果也會隨之發(fā)生變化，要想獲得最優(yōu)小波基就只能通過不斷的實驗，所以實用性不是太好。

3.4?基于三相電路瞬時無功功率理論的諧波檢測

此種方法應(yīng)用廣泛，技術(shù)水平已較為成熟。pq法和ipiq法是其發(fā)展出來的兩種主要方法。由于pq法忽略了電網(wǎng)諧波中的零序分量，因此它不能夠用于三相系統(tǒng)中電網(wǎng)電壓出現(xiàn)畸變或是不平衡時的諧波檢測。而ipiq法解決了這一問題，適用性更好，其檢測原理如圖1所示。

該諧波檢測方法的特點是測量電路簡單且檢測周期短、實時性好，它的檢測算法中采用的是系統(tǒng)三相電壓同步的正、余弦信號，不會出現(xiàn)畸變的電壓分量，檢測結(jié)果不會受電壓波形畸變的干擾，檢測結(jié)果準(zhǔn)確。缺點是硬件多、成本高。在一些特殊的場合還需要使用基于三維坐標(biāo)變換的pqr諧波檢測法，文獻(xiàn)[6]對其進行介紹了詳細(xì)的研究。

4?電力系統(tǒng)諧波的抑制技術(shù)

對于諧波的抑制主要有兩種思路：主動型抑制和被動型抑制。前者是從源頭治理，后者則是通過各種補償、濾波裝置來消除系統(tǒng)中的諧波。

4.1?被動性諧波抑制技術(shù)

4.1.1?使用無源濾波器

無源濾波器（PPF）是一種常見的濾波裝置，主要是利用電感L的低通作用、電容C的高通作用以及L、C的諧振原理。比如說普遍使用的一種方式就是通過適當(dāng)調(diào)節(jié)L、C電路中電感、電容的參數(shù)使其在特定頻率下發(fā)生諧振，對系統(tǒng)中相應(yīng)頻率的諧波呈現(xiàn)出低阻抗，使諧波流入濾波裝置，避免污染電網(wǎng)。無源濾波器有以下幾種：調(diào)諧濾波器（分為單調(diào)諧濾波器和雙調(diào)諧濾波器）、高通濾波器（一階、二階、三階及C型高通濾波器），它們各自的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

單調(diào)諧濾波器主要是針對某次特定諧波;雙調(diào)諧濾波器能夠同時濾除兩種頻率的諧波，成本低且對基波損耗小。高通濾波器對高于某個頻率的諧波呈現(xiàn)的阻抗較小，能夠?qū)Υ蟛糠指哂谠摯蔚闹C波進行吸收，阻抗頻率特性好，應(yīng)用廣泛。

無源濾波器的特點是結(jié)構(gòu)簡單、成本低、可靠性高。但缺點也很明顯，體積大、損耗大，只能濾除少量幾種頻次的諧波。

4.1.2?使用有源濾波器

有源電力濾波器（APF）是兼?zhèn)渲C波治理與無功補償功能的綜合設(shè)備。按照接入方式不同，APF可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串并聯(lián)混合型結(jié)構(gòu)[7]。其中應(yīng)用較為廣泛的是并聯(lián)型有源濾波器，主要結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中檢測電流為補償電流提供依據(jù)，以此實現(xiàn)動態(tài)補償。補償電流是與系統(tǒng)諧波電流等幅相反的，使其流入系統(tǒng)中可以抵消掉系統(tǒng)中的諧波，達(dá)到消除諧波的目的。

其中，is是電源電流;ic是補償電路實際補償電流;iL、iLf和iLh分別是負(fù)載電流、負(fù)載電流中的基波分量與諧波分量[8]。

有源電力濾波器具有響應(yīng)速度快，補償頻帶寬的特點，能夠?qū)Ω鞔沃C波進行消除，對頻率及幅值變化的諧波進行自動跟蹤式補償。此外，它還具有補償無功電流的能力。圖4、圖5分別是接入APF前后通過Matlab/Simulink仿真得到的微電網(wǎng)負(fù)載電流的FFT分析波形，可以明顯看出未接入APF時系統(tǒng)電流的THD為24.72%，接入后則降為3.62%，諧波抑制效果非常明顯。

APF的缺點是自身損耗大，且損耗和裝置的功率成正比[8]。裝置控制復(fù)雜，造價昂貴。受電力電子器件的功率限制，現(xiàn)階段也很難造出功率很大的有源濾波器。

4.1.3?使用混合型有源濾波器

有源電力濾波器雖然在某些方面能夠彌補無源濾波器在抑制諧波中的不足，但因其缺點與技術(shù)限制，APF并不能完全取代PPF。為了解決這些問題，將APF與PPF結(jié)合起來的新型裝置HPPF應(yīng)運而生?；旌闲陀性礊V波器的組合形式有多種，文獻(xiàn)[2]對幾種常用的形式做了較為詳細(xì)的介紹，包括并聯(lián)型APF+并聯(lián)型PPF、串聯(lián)型APF+并聯(lián)型PPF、APF與PPF并聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng)?；旌闲陀性礊V波器發(fā)展前景廣闊，值得深入研究。

4.2?主動性諧波抑制技術(shù)

主動性諧波抑制技術(shù)是從改造諧波源本身出發(fā)，從源頭上抑制諧波產(chǎn)生。整流器就是電力系統(tǒng)中一個重要的諧波源，諧波產(chǎn)生原理認(rèn)為當(dāng)整流相數(shù)增加時，網(wǎng)側(cè)電流諧波成分會減少，此時電流波與正弦波接近[9]。因此對于帶有整流功能的裝置要盡量增加整流器整流的相數(shù)或是二次側(cè)輸出波形的脈動數(shù)。整流器所產(chǎn)生的諧波頻譜為n=kp±1，其中p為輸出脈波數(shù)，k為正整數(shù)，分析可知諧波源產(chǎn)生的最低諧波次數(shù)與輸出脈波數(shù)成正比，增加輸出脈波數(shù)，可以更多地消除低次諧波，并且一般諧波次數(shù)越高諧波幅值越小，所以一個周期內(nèi)輸出脈波數(shù)越多波形也就更加平穩(wěn)。需要說明的是此種方法目前仍處于理論階段，投資大且效果不甚理想，多用于大容量整流裝置。

多重化技術(shù)也是減少諧波常用的方法。采用多重化整流不但能夠減少交流輸入諧波，還可以抑制直流輸出電壓中的諧波幅值。而多重化逆變技術(shù)則能將多個逆變電路輸出的方波進行疊加，實現(xiàn)對低次諧波的消除，使輸出波形更接近于正弦波，當(dāng)然它所要付出的代價就是電路拓?fù)渑c控制策略更加復(fù)雜了。多重化技術(shù)也多應(yīng)用于大容量的場合。

5?結(jié)語

電力電子裝置與非線性設(shè)備的使用日益增加，電力系統(tǒng)面臨的諧波問題愈加嚴(yán)峻，安全穩(wěn)定運行受到了嚴(yán)重的威脅，對于諧波的治理刻不容緩。諧波檢測是諧波治理的前提，目前的諧波檢測技術(shù)各有特點，未有集大成者，所以還需進一步深入研究。治理諧波是一個綜合的過程，一是要從源頭抓起，減少諧波產(chǎn)生，在設(shè)計、制造非線性設(shè)備時必須要采取一定的措施抑制諧波產(chǎn)生;二是要通過各種濾波裝置消除已產(chǎn)生的諧波。將高速發(fā)展的計算機技術(shù)和先進的智能化技術(shù)應(yīng)用到諧波檢測和治理中是一個很好的研究方向[10]。

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[10]張慶紅.電力系統(tǒng)中諧波抑制與防治[J].電工技術(shù)，2020（08）：101103.

作者簡介：張登義（1970—?），男，漢族，山西朔州人，碩士研究生，高級工程師，研究方向：電氣自動化。