电力系统中的谐波分析与抑制技术研究

国网浙江省电力有限公司淳安县供电公司 孙红晓

在当前新能源技术不断发展的基础上，分布式电源发电面临更多的考验，其中微电网结构因为具有明显的特殊性，在其内部结构中存在大量电力设备，这成为谐波的主要来源。现代研究发现，谐波问题会极大影响电力系统的安全，例如可能会造成并联谐振或者造成仪器误动作等。为了避免上述问题发生，则需要寻找一种消除电力系统谐波的技术方案，这也是本文研究的主要目的。

1 电力系统谐波分析

1.1 项目背景

本厂早在2011年就开始了风电并网工作，并且近几年随着光伏发电技术的发展，加快推进光电并网成为本厂近期工作的重点内容。在上述技术背景下，本厂积极推动微电网建设工作，从技术优势来看，微电网作为一种在孤立条件下能够独立运行的电力网络，可并在大电网旁边也能孤立系统，隔离装置将微电网与大电网相连接并将电能运送到大电网，或者与用户相连将电能直接输送给用户。本厂将风能、太阳能等卫星电源组成微电网，可降低地域条件限制对新能源并网的影响，具有广阔的发展前景。

根据本厂实际情况发现，在采用微电网技术后导致电力系统出现了严重的谐波问题，是造成电能质量下降的主要原因，会对各方用电产生极大影响，主要表现为：谐波问题会增加电力系统的损耗。谐波属于额外向电网注入的电流，在正常运行条件下会造成额外损耗，导致电能运输效率明显下降；电力系统中大部分设备对谐波的抵抗能力偏低，导致设备可能会因为谐波干扰而无法处于理想的状态。例如本厂在对部分设备观察后，发现受到谐波的影响导致设备温度快速上升，此时设备出现质量故障的概率明显增加；在电力系统中增设大量电容电感元件，在谐波作用下导致电容电感元件异常，造成电压畸变增加，严重影响电能质量。

1.2 谐波来源研究

结合本厂的实际情况，传统电网以及微电网均会产生谐波问题，不容忽视。

1.2.1 传统电网的谐波来源

发电系统产生的谐波。在发电机运行期间受到设备自身结构特征以及制作流程的影响，导致其绕组在三相上无法实现完全对称，并且铁芯在加工制作期间也可能会因为工艺问题而无法保证完全均匀。受到上述生产工艺问题的影响，将会导致发电机在生成电源的同时也会产生大量谐波电势，随着谐波电势的增加会造成严重的电网波形畸形问题，最终发展为谐波破坏；输配电系统。根据本厂的现场调查发现，当变压器中的铁芯有饱和情况，再加之铁芯磁化曲线并非完整的曲线，受到上述两种因素影响都会直接影响谐波的大小。

用电设备。目前在电力系统中各种非线性负载设备的使用会导致谐波失衡，根据本厂的调查研究发现，在电力系统中增加了大量容易产生波动性负荷的设备（包括轧钢机、电焊机）会导致谐波产生。同时居民日常生活中所使用的高压泵灯、电视机、空调机等都可能产生谐波。

1.2.2 微电网的谐波来源

光伏发电系统谐波问题。本厂在光伏发电期间需要使用大量电力电子装置，如整流器、逆变器等，上述设备在运行期间可能出现谐波问题，并引发三相不平衡电流问题。有学者研究认为，当变流器在理想工况下运行时，其直流侧调制生成的谐波电压约为6k 次，而系统侧受到开关函数等因素影响，导致本侧会出现“6k ＋1”次的谐波电流，但是在实际情况下，变流器无法保证时刻处于理想的工作状态下，导致对应直流侧可能出现非特征谐波电压，进而改变交流侧的谐波电流[1]。在上述作用机制的影响下，导致光伏发电系统出现了较为严重的谐波问题。

风力发电系统的谐波问题。与太阳能相比，风力发电过程中更具复杂性，这是因为风向本身是不确定的，且风速自身具有多变性。为解决该问题，本厂采用了变速恒频式风力发电机，但是该装置导致风力发电中更容易出现谐波问题。这是因为风力发电主要是利用风力带动设备产生机械能并最终转换为电能，在上述发电过程之中，当转子电压中产生谐波电流时会在定子侧感应生成谐波电流，其中的表达方式如公式所示式中：f表示发电机定子的谐波频率；fk+表示转子k在定子侧产生的正序谐波电流值；f'k+表示转子k次正序谐波电压频率；s表示时间参数。通过上述数据可以发现，fk+的大小与f'k+以及f之间存在密切关系，而在变速恒频式风力发电机组导致fk+的控制难度增加，这可能是本厂谐波明显增加的主要原因。

微电网自身负载问题也可能引发谐波。新能源发电本身具有不稳定性，导致相关电力设备在运行期间可能出现功率波动，导致微电网谐波含量偏高。同时当前的微电网中含有大量非线性设备，随着此类设备运行时间的延长也将会生成大量谐波，根据本厂实际情况来看，非线性电弧设备—交流电弧设备所产生的谐波量最多。有学者研究认为，微电源系统本身存在大量谐波，虽然电厂能采取一定手段控制，但是谐波只能尽量减少，尚无完全消除谐波的方法[2]。为了解决上述问题，则需要通过额外手段，例如在输出端位置加设滤波器即可有效缓解谐波问题。

2 电力系统中的谐波抑制技术研究

目前，针对电力系统中的谐波问题，可以采取的处置方式包括增加无源滤波器或者有源滤波器等，各种方法比较后可以发现，有源滤波器具有适用范围广、控制策略多样等优点，能够满足本厂电网谐波处理要求。

2.1 比例积分控制方法

比例积分控制（PI）策略是电力系统中谐波抑制技术中较为常见的谐波抑制方法，具有原理简单、参数调试方便等优点，通过比例积分控制器能精准跟踪电流变化情况，技术应用中主要利用线性系统预先设定安全值，系统通过检测安全值与设置值之间的差值完成系统控制。该方法利用比例积分调节作用，电力系统受到谐波的影响会导致误差出现，系统识别误差后将会自动启动控制，尽量缩小系统偏差，最终将比例积分控制器设定在适宜的比例系数范围内。

从技术优势来看，比例积分控制技术可消除电力系统中的数据误差、并显著提升数据处理精度，期间当系统出现静态误差后则会自动开始积分环节，经控制器处理后可消除其中的静态误差。正常情况下积分环节与系统之间的误差受到时间参数影响，主要表现为：通过增加时间参数，则会降低细分环节的作用；若降低时间参数，则会强化其作用控制效果。因此在具体操作中通常会选择联合使用不利作用与积分作用，构建比例积分控制器达到尽量消除其中误差的目的。

本文结合本厂实际情况，评价了引入比例积分控制方法后不同时间段的总谐波畸变率变化情况，具体而言，1～5工况下其实施前、后的总谐波畸变率（单位：%）变化结果如下：5.93/1.93、7.01/2.44、5.82/2.30、6.41/2.58、6.09/1.89。根据以上相关数据对比，在加入比例积分控制方法控制策略后，不同工况下的总谐波畸变率均有明显下降，电流谐波含量满足国家并网的技术要求，该结果证明本厂采用的比例积分控制方法科学合理。

2.2 重复控制策略

2.2.1 重复控制方案

从谐波控制角度来看，重复控制以内膜原理为基础，是一种高精度的谐波控制方法，其功能是提升系统准确率并降低系统出现的周期性干扰问题。从技术原理来看，该技术属于一种系统反馈模式，在数据处理中通过消除其中的静态误差，可以实现系统的无误差追踪。此时为保证数据处理结果，在重复控制策略中可考虑在重复控制器中增加正弦函数数学模型，整个函数的数据计算方法如公式所示：

式中：G（s）表示正弦函数；ωn表示基波角频率值；s表示时间参数。按照该公式的计算要求，在正弦函数中无论是基波角频率值变化、还是输入指令变化都会导致最终函数处理结果改变，并且对于电力系统而言，系统的谐波信号是由多个不同频率周期信号相互叠加而来，因此为消除其中的数据误差，则需要对任意谐波做无误差跟踪，此时应在系统中为所有频率谐波增加内膜，但这种方法无疑会显著增加系统计算难度[3]。

为解决上述问题，本厂在重复控制策略中将围绕谐波信号的共同特征制定处置对策，即在任意一个基波周期的波形均与上一周期相同，根据上述特征，在重复控制策略中将通过连续控制几个类似的周期，即可显著提升控制方案的可靠程度，降低周期性干扰问题对谐波处置效果的影响，形成面向谐波的高精度反馈控制架构。在本厂采用的重复控制方案相当于在原有电力系统结构基础上，增加了一个周期延迟性的正反馈信号，此时电力系统输出信号将会在特定的时间周期内重复出现并快速叠加，此时主要持续跟踪信号误差，则可以累积叠加其中的误差，直至误差信号完全消失，并且此时输出信号波形不会出现明显变化。

2.2.2 系统模拟控制

为判断重复控制策略在消除电力系统谐波中的价值，本厂结合实际工况，设定输入信号为50Hz，并选择在s=0.1s 时添加补偿，最终经重复控制处理后发现电流波形显著改善，其谐波抑制相关数据如表1所示。

表1 重复控制的谐波抑制效果（单位：%）

根据表1所记录的相关数据可知，在实施重复控制策略后，本厂电力系统的总谐波畸变率集中在1.71%～3.03%，其中在工况3、工况5、工况8、工况9的谐波抑制效果较为理想，证明该方法科学有效[4]。

2.3 联合控制策略

根据前文对两种技术的研究可以发现，重复控制策略与比例积分控制策略各有优势，其中比例积分控制策略的响应速度快，且能够面向载波形成快速控制。重复控制则可针对激波周期完成高精度控制，但无法对可能出现的异常情况实现快速响应[5]。为解决上述问题，本厂将通过充分整合两项技术的优势提升谐波抑制效果，在具体操作中将通过并联式复合控制方式完成两种结构的并联。

按照上述方法对本厂谐波控制问题做模拟仿真后，结果显示系统的总谐波畸变率平均值仅为1.43%，明显低于此前所记录的相关数据，证明两种方法联用后则有较为满意的谐波抑制效果。本厂的成功经验显示，与任意一种单一控制方法相比，本文所介绍的联合控制方法更具优势，能显著提升微电网电能质量[6]。

3 结语

现阶段，谐波问题将会严重影响电力系统的正常运行能力。根据本厂实际情况来看，造成谐波的原因较多，除新能源系统外，传统电力系统在运行期间也存在可能诱发谐波的危险因素，不容忽视。为了在最大限度上消除谐波问题，则需要深入了解有源滤波器抑制空滤控制技术，争取通过联合控制方法提升谐波抑制效能、降低总谐波畸变率，这对于电网平稳运行的意义重大，值得推广。