供电系统中谐波治理设备的应用浅述

孙　鹏（连云港沃利帕森工程技术有限公司（天津办公室），天津　300201）

供电系统中谐波治理设备的应用浅述

孙鹏
（连云港沃利帕森工程技术有限公司（天津办公室），天津300201）

摘要：供电系统中谐波产生量随着近年来电力迅速发展而大大提升，降低电能质量、引发电能畸变，亟需得到控制。本文结合供电系统谐波特点介绍了可行的谐波治理设备应用方法，着重提出了有源滤波谐波的治理途径，认为根据实际的供电系统运行特点、容量情况，使用有源滤波器等设备可达到理想的谐波治理效果，促进供电系统功率因数的提升、保障供电系统运行顺畅和安全性。

关键词：供电系统；谐波治理设备；应用

我国近年来用电性质、用电量不断变化，尤其是计算机电源、节能灯、电力电子变频设备、电热器等用电设备的大量使用，增加了电力系统的非线性、感性负荷，系统中频发大容量启动十分常见。这样的非线性用电现象会促使谐波电流大量产生，在加大供电系统压力同时还会产生很大的干扰，谐波污染已经受到社会各界高度关注。供电系统亟需投入有效的谐波治理设备控制谐波污染，以维持供电系统运行的安全性、高效性，降低电能浪费、提升电网功率因数、延长用电设备寿命、提高用电设备效率。有源电力滤波器（APF）是国内外研究深入、广泛投入的新型电力电子设备，其在电力系统中的使用可达到理想的动态补偿、治理谐波目的。

一、谐波治理的背景与意义

电力系统中的谐波为典型正弦波电流分量，其频率是基波频率整数倍，主要由整流电路设备运行产生。目前国内工业谐波产生量远高于生活谐波的产生，此类谐波主要由晶闸管可控开关、PWM变频器装置、交直流换流设备产生，也产生于交流电焊机、大功率直流电源电弧炉、中高频感应炉、可控硅调压电源电加热炉等设备运行过程。任由谐波产生会引发电网电压畸变、降低供电质量、缩短设备寿命、降低设备效率，影响继电保护装置、用电计量设备、补偿设备、断路器、变压器等形成损害，污染电网。选择合适的谐波治理设备投入使用后，可控制谐波影响下的公共电网附加损耗，将输电、发电、用电设备效率控制在最小范围，延缓电缆、电容器等的老化、降低发热量；防控电网并联谐振、串联谐振等的发生，控制谐波电流，保护串联电抗器、电容器等装置；维持正常电能计量功能，控制供电系统谐波电流涌入量，避免中线过热的发生、防控火灾等意外事故；降低谐波对信息处理设备、通信设备的干扰，维持较好的通信质量及信息存储处理能力，帮正工控系统正常高效运行。

二、谐波基本知识

在理想状态下，电压和电流波形为正弦波，可是因为电力系统中具备许多非线性阻抗特点的供用电装置，从而使实际电压和电流波形和正弦波相偏离，此种现象就称之为电压和电流波形的畸变，一般利用谐波进行表示。针对供电系统的周期性变化下的电压和电流交流量完成傅立叶级数分解，不仅可以获取和电网基波频率一致的分量，还可以获取许多超过电网基波频率整倍的分量，此部分的分量就是谐波。而谐波频率和基波频率响应比值就是谐波次数。电网中还会存在非整数倍的谐波，称之为非谐波或是分数谐波。一系列拥有非线性阻抗特点或是非正弦电流特点的电气装置，在公用电网注入相关谐波电流或是在公用的电网中形成谐波电压，都被称之为谐波源。另外，电力系统存在的谐波主要就是一种干扰量，其可以使电网遭受污染，从而对电网相关用户造成一定影响与干扰，此种污染的危害性相对比较大，同时不容易察觉，会对电网造成难以预料的后果。

三、供电系统谐波治理设备应用

谐波治理设备的使用有助于提升电能质量、供电设备运行有效性及安全性，从源头上控制谐波的产生，调节可控硅整流设备脉动数防控谐波的产生，并通过调节供电系统馈线参数达到非线性负载谐波补偿目的，真正意义上治理谐波。

有源电力滤波器是在功率器件控制精度持续升高、电网质量管理能力不断上升的基础上产生和得以运用的，弥补了无缘滤波器的缺陷，提高了谐波治理能力，还有理想的无功补偿效果。并联型有源电力滤波器可输出负载补偿电流，内有滤出开关波纹电流的高通滤波器。此设备主要分为补偿电流产生部分、指令电流运算部分组成，后者主要可测定分析补偿对象谐波电流、无功电流情况，提取谐波电流、无功电流并由驱动电路、跟踪控制电路、PWM变流器设备组成补偿电流发生部分。PWM变流器为整个设备主电路所在，可产生补偿电流而达到逆变器效果，也可实现电网直流侧的储能元件充电而达到整流器运行目的。此种设备运行中主要结合了PT电压互感设备、CT电流互感设备技术优势，将供电系统电压信号、非线性负载电流信号及时获取并分析处理，搜集谐波电流指令信号、无功电流信号，根据搜集的信号分析结果实现主电路PWM变流设备通断调控，并输出相反相位、相同形状的电网谐波补偿电流，有效消除、控制谐波电流，达到提高供电系统运行质量的目的。

有源电力滤波设备的使用在传统的无源滤波设备基础上有了很大的改进和提升，对开关频率范围之内的谐波有更好的滤除效果，具有强大的指定次数谐波滤除功能，谐波补偿更全面、更灵活；对不固定幅值、频率谐波有快速响应补偿效果，且能够在阻抗、电网频率影响下保持良好的滤波功能，稳定性强、实时性强；此种设备的使用不会出现过载问题，即便有电网系统中存在很大的谐波电流，依然能够维持额定容量正常工作，适用性强。

另外，电网固有设备的改良也有助于消除治理谐波。根据电网管理现状连接电力变压器绕组也是控制谐波产生的有效方式，若三次及倍数次谐波是主要消除对象，则选择变压器三角形连接；要确保发电设备产生标准正弦波型电能，规范基础设备性能以控制谐波产生；若消除对象主要为5次、7次谐波，可选择短距绕组；3次及3次倍数次谐波电动势可通过星形连接消除减弱。整流装置产生的特征谐波电流次数与脉动数有关，脉动数直接关系到产生谐波的次数，而且两者成正比关系。功率若在数百kVA之内，则使用PWM脉宽调制技术予以调控，保证电网侧电流最小畸变、维持正弦化传送，并将功率因数控制在1左右。

结语

电能质量的控制效果直接关系电力可持续发展及我国各行各业经济效益，滤除谐波是保证电能质量、提高用电安全性的第一步。有源滤波设备为代表的先进谐波治理设备对于改善供电系统运行效益和顺畅性十分重要，有很高的研究价值与广阔应用前景。供电系统管理实际过程应引入有源滤波设备共同使用，控制和消除谐波电流，实际电网管理还要根据电网运行特点、环境等现状选择功率、容量和构造合适的有源滤波设备安装于配电室等处，达到最佳谐波治疗效果，降低能耗、推动电力行业可持续健康发展。

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中图分类号：TN713

文献标识码：A