变电站谐波形成原因与消除方法

赵纪威

摘 要：谐波会降低电能质量，影响电力系统安全运行，因此谐波的治理一直成为国内外研究的热点。文章对谐波的危害、形成原因及分析方法进行了阐述，并对治理和消除谐波的措施进行了探讨。

关键词：变电站；谐波；原因；消除方法

中图分类号：TN912.2 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2015）24-0069-02

1 谐波成分对电力系统的危害

正常交流电为工频正弦波形，除此以外的杂波成分皆可归为谐波。由于电力系统中设备众多，当存在使波形畸变因素时就可能形成谐波，例如变压器、电抗器、非线性用电设备都是谐波源。变电站除了变压器以外，还有大量的电气设备，其中不乏非线性电气设备，因此变电站中存在着多种谐波源。谐波成分对电力系统的危害主要表现在：

①增加电能损耗，如增加变压器铜损与涡流损耗，增加输电线路附加损耗等；

②加速设备损坏，如促使变压器过热而损坏，电容器鼓肚或支路上熔丝群爆等；

③使继电保护误动或测量失准，如使互感器、电能表测量误差增大，继保及自动装置出现误动作；

④对电子设备和通信产生干扰。由于谐波形成的原因和特性都非常复杂，因此分析谐波形成原因和治理方法具有重要的现实意义。

2 谐波分析方法与形成原因

2.1 谐波分析方法

分析和研究谐波都是从傅里叶级数开始的。对于任一满足狄里赫利条件的周期波形都可展开成一个收敛的傅里叶级数，如下式所示：

f（t）=A0+[Ahcos（hω0t）+Bhsin（hω0t）] （1）

式（1）还可表示为：

f（t）=A0+Chsin（hω0t+ψh） （2）

式（1）、（2）中，f（t）是周期为T=2π/ω0的函数，Chsin（hω0t+ψh）表示幅值为Ch、周期为T=2π/（hω0）、相位为ψh的第h次谐波。其他符号意义如下：

A0=f（t）dt=f（t）dx（x=ω0t） （3）

A0=f（t）cos（hω0t）dt=f（t）cos（hx）dx （4）

A0=f（t）sin（hω0t）dt=f（t）sin（hx）dx （5）

其中

Ch=，ψh=arctan（Ah/Bh），C1sin（ω0t+ψ1）

称为基波分量。通过式（1）、（2）可知，谐波频率为基波频率的整数倍，当谐波频率等于3倍基波频率时称为三次谐波，如果谐波频率等于5倍基波频率时则称为五次谐波。基于傅里叶级数原理的谐波分解图，如图1所示。

2.2 谐波形成原因分析

2.2.1 正弦供电电压加在非线性负荷上

谐波产生的根本原因是在正弦供电电压加在非线性负荷上，它产生的电流不再是完全的正弦波形。同时因系统阻抗的存在，该电流产生的电压降也是非正弦的，这样就会引起负荷端的电压畸变。

2.2.2 变压器的影响

在变电站中，变压器是一个谐波源，由于变压器的磁性材料大都工作在非线性或接近非线性的区域，这种情况下即使加入正弦电压，励磁电流也是非正弦的，因而电流中不可避免含有谐波成分，并以3次谐波为主。同样的道理，假如变压器励磁电流波形是正弦的，但电压也是非正弦的。类似的情况还包括电抗器等感性设备。

2.2.3 其他非线设备的影响

变电站负载中若含有电弧炉、旋转电机、晶闸管控制设备等大量的非线性设备，则会引入谐波成分。旋转电机的线圈是嵌入线槽内的，由于线槽不可能做成完全正弦分布，所以产生的磁动势必然畸变。家用电器、水银灯、荧光灯等也是谐波源，虽然就单体来说谐波量不大，但数量大，分布广，也会对电力系统产生较明显的影响。随着整流器、开关电源、晶闸管控制系统等电力电子设备广泛应用，它们产生的谐波成分同样不容小视。

2.2.4 其他原因

另外，如果发电质量不高，即发电设备的谐波成分未受到有效抑制，注入电网后也是不可忽视的谐波源。

3 治理和消除谐波的方法

3.1 谐波治理策略

治理谐波主要从三个方向入手，即受端治理、主动治理和被动治理[4]。

受端治理是从受到谐波影响的设备或系统角度进行治理，例如改变供电方式，对谐波源和系统其他设备采取分别供电的方式，以避免系统其他设备受到谐波影响；将电容器组一些支路的串联电抗器改为滤波器，或减少电容器组的投入容量等。

主动治理是直接针对谐波源进行治理，例如改变谐波源工作方式、增加变流装置、谐波叠加技术等。

被动治理是通过外加滤波器方式减少或消除电力系统中谐波成分流入负载端，例如设置无功滤波器PF、在谐波源附近的公用电网节点配置有源滤波器（串联或并联）等。

主动治理和受端治理更倾向于主动预防，而被动治理则是一种补救性的措施。这三种策略各有优劣，应结合实际情况采用。

3.2 谐波滤波器的选用

3.2.1 谐波滤波器的分类

谐波滤波器是用于消除谐波的装置，主要包括无源滤波器（LC）和有源滤波器（APF）两大类。LC滤波器主要以电感、电容串联或并联方式，调谐到某个特定的谐波频率，以此抵消掉该频率的谐波。

LC滤波器按照电感、电容的配置方法，又分为串联调谐滤波器、双带通滤波器、阻尼滤波器、解谐滤波器等类型。APF通过加入电源来补偿主电路的谐波，它克服了LC滤波器受电网阻抗制约的特性，适用于动态滤波，其接入电网的方式有串联型、并联型及混合型三种方式。串联方式可阻止谐波电流传送，并联方式可减少电网中的谐波分量，但一般以并联为主。

3.2.2 谐波滤波器的选用

选择滤波器的一个重要参数是品质因数（Q），它决定了调谐的尖锐程度，可按计算

Q=X0/R

式中，

X0为电感或电容的电抗；

R为电阻。

Q=30～60的滤波器主要用于治理低次谐波（如5次），而Q=0.5～5的滤波器专用于消除高次谐波（17次以上）。另一个参数是失谐因素（δ），可按计算

δ=（ω-ωn）/ωn

也常用：

δ=（Δf/fn）+[（ΔL/Ln）+（ΔC/Cn）]

来表示。

3.3 有源滤波器的应用

并联型APF主要由主电路、指令电流检测、电流跟踪控制三部分组成，首检测负载电压、电流参数和谐波分量，然后根据检测出的谐波分量和补偿电流数据对畸变的电流波形进行补偿。谐波检测采用双闭环控制，要求对电网侧的电流与电压、补偿侧的电流、直流侧电压等参数进行精确采样。

为了确保APF平稳投入，在初始阶段就要对直流侧电容进行预充电。采用Matlab进行了仿真测试，未补偿前谐波含量接近30%，波形畸变得很厉害，无法满足相关标准要求。经APF补偿后谐波含量下降到不足3%，而且波形平稳圆滑，趋近正弦波，已达到相关标准对谐波的要求。APF与LC滤波器相比，后者超调量很大，而前者几乎没有超调，可见APF在变电站谐波消除方面很有优势。

4 结 语

变电站是电力系统的枢纽，除了发电端的谐波源、自身谐波源以外，还是众多小型谐波源汇聚之处，因此为了改善电能质量，提高电力系统的稳定性，需要对变电站谐波污染进行有效的治理。目前，谐波治理方法有多种，应结合各变电站的谐波特征，并综合经济性、适应性、安全性和兼容性，这样才能选出最佳方案。

参考文献：

[1] 李秋华.浅析谐波治理技术及在变电站中的应用[J].信息系统工程，2014，（1）.

[2] 林新.变电站谐波治理及无功补偿的应用[J].云南电力技术，2013，（3）.

[3] 牛聪.针对某变电站的谐波分析与治理[J].灯与照明，2014，（1）.

[4] 黄萍，晏远进，李翠珍，等.基于RTDS的某110 kV变电站谐波治理措施的研究与仿真分析[J].通讯世界，2014，（8）.