浅析谐波对电能质量的危害及其治理措施

吴培锦

（广东电网有限责任公司肇庆高要供电局，广东肇庆526100）

摘要：电力电子技术的发展使得电力系统中产生了大量谐波，电能质量严重下降。现分析谐波的来源及其危害，提出治理谐波的预防性措施和补偿性措施。实践表明，通过对滤波器的合理选择能有效降低谐波，提高电能质量，这是供电企业应对谐波问题的重要手段。

教育期刊网 http://www.jyqkw.com
关键词 ：谐波；电能质量；治理；预防性措施；补偿性措施

0引言

电能作为重要的能源形式，在生活、生产、科技等各个方面都得到广泛应用，技术的进步使得对电能质量的要求更加严格。而电力电子技术的发展使得换流装置以及各种非线性负载在电力系统中被广泛应用，电力系统中电网谐波含量迅速增加，直接导致电能质量下降，造成供电企业以及生产单位安全遭受威胁、经济效益降低。因此，整治谐波污染、提高电能质量成为供电企业亟需解决的难题。

1基本概念及谐波的危害

1.1电能质量

电能作为一种便于传输、控制的清洁能源，是供电企业向电力用户提供的一种商品。它与其他商品同样被要求具有较高质量，其特点是需要供电和用电双方共同维护电能的质量。一般来说，对电能质量的要求主要有电压、频率、电压对称性以及电压波形畸变4项指标。

1.2谐波的来源

谐波的基本概念是基波频率整数倍的正弦波分量。电网中谐波的来源主要有3个，一是在发电过程中发电机产生的谐波，二是在电能输送过程中产生的谐波，三是用电设备在运行过程中产生的谐波。电能在输配送过程中产生的谐波较少，对电能质量影响不大，实际上用电设备是最大的谐波源。特别是现在越来越多的电子设备、交流电焊机、电弧炉、日光灯等非线性负载的使用，使得高次谐波被接入电网中，进而易导致电网电压波形产生畸变、电压波形不对称，真正威胁到了电网的安全运行。

1.3谐波的危害

谐波对于电力系统中很多设备都会造成很大的危害，如电网中的计量装置、变压器、断路器、补偿装置、继电保护装置以及各种用电设备等。它主要的危害包括由于发热引起的不良影响、瞬间引起的不良影响以及谐波导致谐振引起的不良影响。

谐波会造成部分设备长期过热，在长时间不断累积作用下，可能会导致电动机、输电线路、电度表过热而绝缘老化、寿命缩短、误差加大，并且使得谐波造成的附加损耗成为电网损耗的主要部分。发电机、电动机、变压器的振动将变得剧烈、噪声加大，异步电动机转速会受到严重影响，甚至遭到损坏。

对于电网中的电容器，谐波会增加介质损耗，损耗的大小与谐波次数成正比，高次谐波含量越大，谐波造成的损耗也就越大，电容器会因此而温度过高。温度的升高又会使电容器的介质损耗增加，如此恶性循环，就容易导致电容器热击穿。在电容器内部，谐波造成的暂态过电压会加剧介质的局部放电，放电持续增强，也是电容器更容易损坏的原因。

对于继电保护装置、电容器组以及绝缘电缆来说，谐波过大可能会在瞬间时使绝缘介质损坏。若谐波为高次谐波，由于电力系统的网络拓扑结构非常复杂，容易造成局部的并联谐振和串联谐振，使得各元器件不能实现预定功能。谐波电流幅值几倍于正常电流，会对元件的安全造成威胁。同时，谐波会对通讯设备造成较大的干扰，可能导致传输的重要信息丢失，扩大故障范围。

2谐波的治理

2.1谐波治理的预防性措施

在电力系统中，首先要减少注入电网的谐波，将电能质量控制在合格范围内。谐波治理的预防性措施就是尽量降低谐波源产生的谐波，针对非线性负载，使其工作方式有所改变，使谐波的注入减少。

第一，在发电机、变压器以及电容器等供电设备的设计和制造过程中，采取一定的措施减少谐波。比如，通过对变压器绕组的巧妙连接，可以消除3次及其整数倍的谐波。

第二，通过增加整流器的脉动数或者采用可控硅来对谐波源进行限制。谐波含量与脉动次数有关，当脉动数增加时，整流器注入电网特征谐波的起始最低次数n也就变大，即谐波含量与谐波次数成反比，次数较低、幅度较高的谐波消除后，电能质量能有效提高。

第三，使用全控型元器件，利用PWM技术使得整流器在变流过程中谐波减少。

采用这种从源头进行的预防性措施，能够有效消除谐波，此种方法主要适用于电力电子装置，其主要缺点是经济性不好。

2.2谐波治理的补偿性措施

由于采用预防性措施主动治理谐波成本较高，在实际应用中不常使用，在工业中主要采用补偿性的被动式治理措施，主要手段是安装滤波器减少谐波。在谐波源处就近配置滤波装置能够有效抑制谐波超标。滤波装置一般可以分为无源滤波装置、有源滤波装置以及混合型滤波装置，在实际应用中需根据现场情况进行选择。

现阶段，电网中广泛采用静止型无功补偿器（SVC，StaticVarCompensation）。

无源滤波器由电抗器和电容器组成，通过一定的参数配置以及拓扑结构的连接，可以有效滤除部分次数的谐波。从理论上来看，滤波器调谐到某频率时，该滤波器的阻抗为0，所以将该次谐波全部吸收。无源滤波器结构较为简单，成本也较低，对于部分次数的谐波吸收效果良好。不过无源滤波器对于偏离调谐点的谐波吸收效果不佳，并且在谐波电流过大时无源滤波器可能过载导致设备损害。同时如果电力系统阻抗和频率变化，可能导致产生谐振。

因此，随着智能控制技术的进步，滤波器也在进一步发展，如今常采用有源电力滤波器来治理谐波。由于功率元器件的控制精度达到了一定程度，在无源滤波器不能满足电能质量要求时，可以采用有源滤波器来抑制谐波。有源滤波器的工作原理是通过电流互感器和电压互感器对电能进行监控，得到非线性负载的电流、电压数据，经过处理器处理后，生成对无功和谐波进行补偿的指令，通过指令控制PWM变流器的通断，输出与系统中谐波波形相同、相位相反的补偿电流，使得系统中的谐波分量消除，电能质量得到提高。

与无源滤波器被动抑制谐波有所区别，有源滤波器是采用主动输出补偿电流来对谐波进行抑制。有源滤波器具有以下几个优点：

第一，使用灵活，能够对各次谐波包括指定次数的谐波进行补偿。

第二，其补偿过程是动态的，因此补偿速度快，对于幅值以及频率都在变化的谐波也能够补偿，并且补偿效果与电网的阻抗、频率无关。

第三，这种补偿原理不会过载，在电网谐波较大时，依然能够工作在额定容量内。

综上所述，有源滤波器补偿性能非常优越，同时随着技术的发展，其成本也会不断下降，因此有源滤波器将被更加广泛地应用。

3结语

较高的电能质量对各个行业的发展具有重要作用，谐波作为影响电能质量的关键因素具有较大的研究意义。本文分析了谐波的来源以及危害，重点阐述了谐波治理的预防性措施以及补偿性措施。其中，有源滤波器的使用对提高电力系统安全性具有重要作用，使用有源滤波器是解决系统谐波问题的重要手段。在工作现场，应针对不同用电环境，在配电室集中安装滤波器或是在谐波源设备就地安装滤波器，同时选取合适的容量，以期达到良好的谐波治理效果。

［教育期刊网 http://www.jyqkw.com
参考文献］

［1］刘俊华，罗隆福，张志文，等.基于模糊集对分析法的电能质量综合评估［J］.电网技术，2012，36（7）：81?85.

［2］邓少军，张振川.电能质量监测设备的发展［J］.电测与仪表，2005，42（5）：7?9.

［3］尹慧，许彦.有源滤波器的研究现状及前景展望［J］.电力电容器与无功补偿，2010，31（3）：27?32.

［4］张帅.三相四线并联型有源电力滤波器的研究［D］.青岛：青岛大学，2012.

［5］彭先伟，宋仲康，吕华林.电力系统谐波检测与抑制方法的研究［J］.仪表技术，2010（5）：63?64.

［6］罗德凌，周方圆，唐朝晖.有源电力滤波器的研究现状与发展动向［J］.国外电子测量技术，2006，25（2）：1?5.

［7］关静.DC?DC变换器新型数字控制方式的研究与对比［J］.电子测量技术，2013，36（3）：36?39.

收稿日期：2015?07?27

作者简介：吴培锦（1986—），男，广东湛江人，硕士研究生，抄核收高级工，研究方向：电力系统。