电力系统中的谐波检测及抑制方法研究

摘 要：近年来电力电子技术在电力系统中获得了广泛的应用，加之大量非线性负荷的使用，大量谐波流入系统，造成危害，对谐波的治理非常紧迫。本文探究了谐波的生成的根源、其给系统和用户带来的各种影响，以及谐波检测技术，这是进行谐波治理的前提。最后从主动与被动两个思路给出了一些治理谐波的方法。

关键词：电力系统;谐波治理;检测与抑制

1 绪论

波形畸变程度是衡量电能质量的重要标准，电力系统中出现谐波就是波形畸变的重要表现形式。特别是近年来工业化快速发展，各种电力电子设备、大容量变压器的大量使用，大量非线性负荷的投入，使得电网中电压、电流的谐波含量越来越高，对系统及用户带来的危害不容小觑。

了解谐波的危害，分析谐波产生的根源是治理谐波的前提。本文在此基础上研究了一系列检测系统谐波的技术原理及特点。然后从主动与被动两个角度给出了抑制谐波的一些方法、特性与适用场合。

2 谐波的产生及危害

电力系统的谐波可以分为两大类：一是暂态谐波，主要是由于电气开关设备在通断过程中产生的谐波;二是稳态谐波，它是系统中存在的大量的非线性负荷所产生的谐波。

谐波对电力系统及用户的危害主要体现在：

（1）增加电气设备及输电线路的损耗，使设备和线路发热[1]。

（2）影响电气设备的正常工作，使电机等设备发出异响、长期过热，影响寿命。

（3）使电力系统发生谐振，严重时会烧毁系统中的电容器、电抗器。

（4）产生的干扰波对临近的通信系统产生干扰，影响正常的信息传输与数据交换。

3 电力系统谐波的检测技术

3.1 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[1]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。

3.2 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。文献[2]中对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，文献[3]中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。

3.3 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[4]。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[5]，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。

3.4 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。pq法和ipiq法是其发展出来的两种主要方法。由于pq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ipiq法解决了这一问题，适用性更好，其检测原理如图1所示。

该谐波检测方法的特点是测量电路简单且检测周期短、實时性好，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。在一些特殊的场合还需要使用基于三维坐标变换的pqr谐波检测法，文献[6]对其进行介绍了详细的研究。

4 电力系统谐波的抑制技术

对于谐波的抑制主要有两种思路：主动型抑制和被动型抑制。前者是从源头治理，后者则是通过各种补偿、滤波装置来消除系统中的谐波。

4.1 被动性谐波抑制技术

4.1.1 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。

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。

4.1.2 使用有源濾波器

有源电力滤波器（APF）是兼备谐波治理与无功补偿功能的综合设备。按照接入方式不同，APF可分为串联型、并联型和串并联混合型结构[7]。其中应用较为广泛的是并联型有源滤波器，主要结构如图3所示，其中检测电流为补偿电流提供依据，以此实现动态补偿。补偿电流是与系统谐波电流等幅相反的，使其流入系统中可以抵消掉系统中的谐波，达到消除谐波的目的。

其中，is是电源电流;ic是补偿电路实际补偿电流;iL、iLf和iLh分别是负载电流、负载电流中的基波分量与谐波分量[8]。

有源电力滤波器具有响应速度快，补偿频带宽的特点，能够对各次谐波进行消除，对频率及幅值变化的谐波进行自动跟踪式补偿。此外，它还具有补偿无功电流的能力。图4、图5分别是接入APF前后通过Matlab/Simulink仿真得到的微电网负载电流的FFT分析波形，可以明显看出未接入APF时系统电流的THD为24.72%，接入后则降为3.62%，谐波抑制效果非常明显。

APF的缺点是自身损耗大，且损耗和装置的功率成正比[8]。装置控制复杂，造价昂贵。受电力电子器件的功率限制，现阶段也很难造出功率很大的有源滤波器。

4.1.3 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，文献[2]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。

4.2 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[9]。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。

多重化技术也是减少谐波常用的方法。采用多重化整流不但能够减少交流输入谐波，还可以抑制直流输出电压中的谐波幅值。而多重化逆变技术则能将多个逆变电路输出的方波进行叠加，实现对低次谐波的消除，使输出波形更接近于正弦波，当然它所要付出的代价就是电路拓扑与控制策略更加复杂了。多重化技术也多应用于大容量的场合。

5 结语

电力电子装置与非线性设备的使用日益增加，电力系统面临的谐波问题愈加严峻，安全稳定运行受到了严重的威胁，对于谐波的治理刻不容缓。谐波检测是谐波治理的前提，目前的谐波检测技术各有特点，未有集大成者，所以还需进一步深入研究。治理谐波是一个综合的过程，一是要从源头抓起，减少谐波产生，在设计、制造非线性设备时必须要采取一定的措施抑制谐波产生;二是要通过各种滤波装置消除已产生的谐波。将高速发展的计算机技术和先进的智能化技术应用到谐波检测和治理中是一个很好的研究方向[10]。

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.

[3]夏雯，李振华.电力系统谐波分析方法综述[J].通信电源技术，2018，35（03）：2729.

[4]杨召彬.微电网中谐波抑制问题研究[D].辽宁工业大学，2018.

[5]张俨，彭志炜，雷章勇，赵雪娇，范强.微电网谐波源危害及谐波检测技术[J].电网与清洁能源，2017，33（06）：2735+41.

[6]刘开培，陈艳慧，张俊敏.基于pqr法的电力系统谐波检测方法[J].中国电机工程学报，2005（14）：2529.

[7]梁雪维.基于有源滤波器控制的微电网谐波抑制研究[D].沈阳工业大学，2019.

[8]卜令岩，贾清泉，田书娅，张纯江，梁纪峰，赵静.电压检测型APF构成的分布式谐波治理系统稳定性分析[J].电力系统自动化，2020，44（21）：99106.

[9]吴衍，马碧芳，李立耀，等.基于优化求导经验模式分解法的谐波检测方法[J].电子技术应用，2017，43（8）：140143.

[10]张庆红.电力系统中谐波抑制与防治[J].电工技术，2020（08）：101103.

作者简介：张登义（1970— ），男，汉族，山西朔州人，硕士研究生，高级工程师，研究方向：电气自动化。