毕业设计电力系统谐波检测与治理问题的研究.doc

本 科 毕 业 论 文
电力系统无功谐波电流检测措施研究
Detection Method for Reactive and Harmonic Current in Power System

电力系统无功谐波电流检测措施研究

摘要：伴随国民经济发展和人民生活水平提高，电力电子产品广泛地应用于工业控制领域。这些电力电子装置使得电力系统中谐波污染问题日趋严重。因此，谐波问题分析和治理成为电力系统领域所面临重大课题
本文首先对目前国内外电力谐波检测与分析措施进行了综述与展望，然后对电力谐波基本概念和特性参数进行了阐明。从发电、输电、用电等三个方面讨论了谐波产生原因。从增长输、供和用电设备额外附加损耗；对测量表计影响；对继电保护和自动装置工作及其可靠性影响；对家用电器设备使用和寿命影响等方面入手论述了谐波危害。
目前，无源滤波技术在大多数谐波克制系统使用已经很成熟了，不过由于无源滤波器(PPF)存在诸如易受系统参数影响、只能消除特定次谐波等缺陷。因此有源滤波器(APF)因其动态赔偿谐波优越性能已经成为一项热门研究课题。不过我国有源滤波器技术目前还没有进入实用阶段，多数只是进行理论上探讨研究。本文分析了基于瞬时无功理论谐波检测措施，在这种理论下得到法、检测法措施，并对这两种措施进行了仿真分析。
为了提高APF电流跟踪性能，本文提出了滞环比较法、三角波法和周期采样控制法三种APF电流控制方式。并进行了Matlab仿真试验，仿真成果验证了该滤波装置良好赔偿性能。
关键词: 电力系统谐波；有源电力滤波器；检测；克制；非线性负荷
Detection Method for Reactive and Harmonic Current in Power System
Abstract： Following the development of the national economy and the living standard of people, the electric power electronics product is broadly applied to the control realm in the industry. These electric powers electronic equips to make a harmonic pollution problem with the electrics power system is serious gradually. Therefore, the analysis and suppression of harmonic has been an important topic in the electric power system.
This paper first of all made a review and prospective study of the detection and analysis approaches of the harmonious wave both in China and abroad，specified the basic concepts and characteristic parameters of power harmonics，and discussed the generation of harmonics in the terms of power generation, electricity transmission, electricity utility. The harmonic harm was described in terms of following aspects：the increase of additional supplementary load loss of transmission, distributed equipment and electrical installations；the influence on measurement meter, the operation reliability of relaying protection and automatic devices as well as the use and life span of household electrical appliances.
At the moment, in harmonic suppress aspect, it has had practical and mature passive technique, but it has many disadvantages. Therefore, these years much research turns to the active power filter for its prior function of compensating harmonics dynamically. and a harmonic detection method of the three-phase three-line parallel active power filter-the harmonic current detection method p—q and ip—iq based on the instantaneous reactive power theory, and performs simulation analyses in two different case，the steady system and the abrupt load changes.
To improve the tracking performance of the current APF proposed in this paper hysteresis method, triangular wave method and periodic sampling control method three kinds of APF current control. And make a Matlab simulation.
Keywords：Power system harmonics; active power filter; suppression; nonlinear loads;
目 录
第一章 绪论 4
1.1谐波提出及研究意义 4
1.2国内外电力谐波检测与分析措施研究现实状况 5
1.3 电力谐波检测与分析措施发展趋势 7
1.4 谐波克制技术发展现实状况 7
1.4.1国外克制技术研究现实状况 7
1.4.2国内克制技术研究现实状况 9
1.5本文重要研究工作 9
第二章 电力谐波分析 11
2.1电力谐波基本概念 11
2.1.1电力谐波表达措施 11
2.1.2谐波特性量 12
2.2电力谐波产生原因 13
2.3 谐波导致危害 14
2.3.1 对供配电线路危害 14
2.3.2对电力设备危害 14
2.4本章小结 16
第三章 谐波克制技术及有源滤波技术研究 17
3.1电力谐波克制途径 17
3.1.1积极型谐波克制途径 17
3.1.2 被动型谐波克制途径 18
3.2有源电力滤波器工作原理和构造 20
3.2.1有源电力滤波器工作原理 20
3.2.2并联有源滤波器 21
3.2.3串联型有源电力滤波器 23
3.3有源电力滤波器双向赔偿特性 24
3.4本章小结 25
第四章 有源电力滤波器常用检测与控制措施 26
4.1有源并联电力滤波器基本构造及工作原理 26
4.2有源并联电力滤波器谐波检测常用措施 28
4.2.1三相电路瞬时无功功率理论 28
4.2.2 p—q检测法 31
4.2.3 检测法 33
4.3有源电力滤波器电流控制常用措施 34
4.3.1周期采样控制法 35
4.3.2滞环比较控制法 35
4.3.3 三角波比较方式 36
4.4本章小结 37
第五章并联有源谐波电流检测及控制仿真分析 38
5.1 基于瞬时无功功率理论谐波检测措施仿真研究 38
5.1.1 基于瞬时无功功率理论谐波检测措施仿真模型建立 38
5.1.2 基于瞬时无功功率p—q和检测法仿真成果分析 41
5.2 并联型有源电力滤波器电流跟踪控制技术仿真 43
5.2.1 三角波比较方式仿真成果 43
5.2.2 滞环比较控制方式仿真成果 45
5.3 本章小结 46
第六章结论与展望 47
6.1结论 47
6.2展望 47
参照目录 49
致 谢 53
第一章 绪论
1.1谐波提出及研究意义
“谐波一词来源于声学。有关谐波数学分析早在18世纪和19世纪就己奠定了良好基础。傅立叶等人提出谐波分析措施至今仍在广泛采用。
电力系统谐波问题早在20世纪代和30年代就引起人们关注。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而导致了电压、电流波形畸变。1945年J.C.Read刊登有关变流器谐波论文是初期有关谐波研究经典论文[1]。70年代以来，由于电子技术飞速发展，多种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中应用日益广泛，谐波所导致危害日益严重。
谐波研究具有重要意义，首先是谐波危害十分严重。谐波使电能生产、传播和运用效率减少，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁．另一方面，谐波研究意义还可以上升到治理环境污染、维护绿色环境角度来认识．对电力系统这个环境来说，无谐波是“绿色”重要标志之一。在电力电子技术领域，规定实行“绿色电力电子”呼声也日益高涨．目前，对地球环境保护己成为全人类共识。对电力系统谐波污染克制也已成为电工科学技术界所必须处理问题。在国际上，许多国家都先后对电两中电压畸变，各次谐波电压、谐波电流数值、测量措施及非线性负荷管理等制定了对应规定来加以严格限制。我国过去对电网中谐波问题未加重视和研究。不过近年来由于电气化铁路大量出现，以及可控硅整流装置广泛应用，不少电网中高次谐波含量数值已大大超过了国际上公认原则。据我国电力科学院系统研究所对西南、西北、华中、华北等地区重点电网测试成果来看，我国电网谐波污染已很严重。为了更好采用措施对电网谐波含量加以限制，必须具有对应监测手段。为此，除了引进发达国家研制谐波监测仪器外，还应当研究符合我国电网现实状况谐波分析方案，以提高电网谐波监测分析水平，这对于克制高次谐波含量是十分必要和有价值。
1.2国内外电力谐波检测与分析措施研究现实状况
谐波检测措施是谐波检测关键环节，也是各文献着重论述和互相区别所在。谐波测量一般包括三个环节：信号预处理；谐波幅值和相位测量；成果再处理。其中信号预处理和成果再处理是辅助算法，为谐波测量服务，以优化测量性能，到达实际应用目。谐波测量措施虽然在算法设计和现实中占据主导地位，但辅助算法在很大程度上决定了其能否预期执行和装置可靠性，故不能忽视对它设计。实践表明，获得一种时滞性小，去噪声能力强，同步为后续分析提供高精度谐波特性辅助算法并不轻易．辅助算法选择重要取决于如下原因：实际输入信号动态特性与所规定理想信号符合程度；数据处理性能；给定时间响应和精度规定；软硬件实现约束条件。
目前国内外谐波检测与分析措施可分为[2]
(1) 采用模拟带通滤波器测量谐波
最早谐波测量是采用模拟滤波器实现。即采用滤波器将基波电流分量滤除，得到谐波分量，或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。该检测法长处是构造简朴，造价低，输出阻抗低，成果易于控制。该措施也有许多缺陷，如滤波器中心频率对元件参数十分敏感，受外界环境影响较大，难以获得理想幅频和相频特性．当电网频率发生波动时，不仅影响检测精度，并且检测出谐波电流中含较多基波分量，大大增长了有源赔偿器容量和运行损耗。
(2) 基于傅立叶变换谐波检测与分析
伴随计算机和微电子技术发展，基于傅立叶变换谐波检测是当今应用最多也是最广一种措施。它由离散傅立叶变换过渡到迅速傅立叶变换基本原理构成。模拟信号经采样，离散化为数字序列信号后，经微型计算机进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波幅值和相位，并可获得更多信息，如谐波功率、谐波阻抗以及对谐波进行多种记录和分析等，多种分析计算成果可在屏幕上显示或按需要打印输出。使用此措施测量谐波精度较高，功能较多，使用以便。其缺陷是需要一定期间电流值，且需进行两次变换，计算量大，需花费较多计算时间，从而使得检测措施具有较长时间延时，检测成果实际是较长时间前谐波和无功电流，实时性不好。并且算法中存在频谱泄漏效应和栅栏效应，使计算出信号频率、幅值和相位不准，尤其是相位误差很大，无法满足测量精度规定，必须对算法进行改善，以到达规定值。
(3) 小波变换检测法
对谐波电流进行动态克制时，不必分解出各次谐波分量．只需检测出除基波电流外总畸变电流，但对出现谐波时间问题，傅里叶变换就无能为力。小波变换由于克服了傅里叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性缺陷，即它在时域和频域同步具有局部性。因此通过小波变换对谐波信号进行分析可获得所对应时间信息。
(4) 基于神经网络谐波检测与分析法
神经网络理论是近来发展起来十分热门交叉边缘学科，它波及生物、电子、计算机、数学和物理等学科，有非常广阔应用前景，它发展对未来科学技术发展将有重要影响，神经网络就是采用物理可实现系统来模仿人脑神经网络构造和功能系统，它之因此受到人们普遍关注，是由于它具有本质非线性特性、并行处理能力、强鲁棒性以及自组织自学习能力。将神经网络应用于谐波测量，重要波及网络构建、样本确实定和算法选择，目前己有某些研究成果。文献[3]提出了基于人工神经网络电力系统谐波测量措施。该措施运用多层前馈网络函数迫近能力，通过构造特殊多层前馈神经网络，建立了对应谐波测量电路，并给出了电路训练算法和环节，提出了训练样本形成措施。仿真成果表明了此措施有效性。文献[4]将神经网络理论和自适应对消噪声技术相结合，ADLINE矩阵作为输入，建立对应测量电路，这种措施自适应能力较强。
(5) 自适应检测法
该措施基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参照输入。负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相似有功分量，得到需要赔偿谐波与无功分量。该措施特点是在电压波形畸变状况下也具有很好自适应能力。缺陷是动态响应速度较慢。
(6) 瞬时空间向量法
运用瞬时无功功率理论。即“州”理论，对电力谐波量进行测量。即将基波分量与总电流相减得到对应谐波电流，不过此措施忽视了零序分量，且对于不对称系统，瞬时无功平均分量不等于三相平均无功。因此．此措施只合用于三相电压正舷、对称状况下三相电路谐波和基波无功电流检测。
1.3 电力谐波检测与分析措施发展趋势
谐波检测算法向智能化、多功能实用化发展，求解措施从直观函数解析过渡到精确分析和信号处理；谐波检测效果向高精度、高速度和实时性好方向发展。既有措施中检测精度高则速度慢，检测速度快则精度低或实时性不好．故必须研究新谐波特性辨识措施和数学措施，以满足高精度测量规定；谐波检测及分析与控制目相结合，测量、分析与控制一体化、集成化，使测量系统低成本、高性能和多功能化；完善既有谐波检测理论体系并建立新体系，提出新谐波检测措施[2]。
1.4 谐波克制技术发展现实状况
1.4.1国外克制技术研究现实状况
目前，谐波研究仍是一种非常活跃领域。发达国家经验和预测表明，伴随科学技术发展，非线性负荷用电设备种类、数量和用电量迅猛增长。针对谐波大量出现，目前国外已经研制成功多种谐波测量分析仪，知德国产NOWA.I谐波分析仪、美国产F40/41手持式谐波分析仪和英国产PA系列高精度电力谐波分析仪等[5]。克制谐波可以从治理谐波源自身入手，使其不产生谐波，且功率因数为1。单使功率因数变流器就是可以实现这种功能电力电子装置。由于谐波源多样性，在电网中一般还是加装滤波器措施来克制高次谐波，这些装置一般可分类为无源滤波器和有源滤波器两种。
(1) 光源滤波装置。老式无源滤波通过使用RLC无源元件串并联方式构成无源单调谐、高遥或低通等滤波器，均到达滤除谐波目，这种谐波克制装置还可以起无功赔偿和电压调整作用。由于它具有成本低、技术成熟、构造简朴、轻易实现等长处，因此它仍然是目前广泛使用谐波克制技术。但它也有其某些局限性之处[6,7,8]，重要体现为：1、由于系统中电源和线路都存在阻抗，因此会影响赔偿特性：2、单调谐无源滤波器仅在其调谐点及附近具有很好滤波效果，偏离调谐点后，滤波效果将明显变差。
(2) 有源滤波装爱。伴随20世纪60年代以来新型电力半导体器件如现，脉宽调制(PWM)技术发展，以及基于瞬时无功功率理论地提出，针对无源滤波器缺陷，在1969年Bird和Marsh等人提出了向电网中注入三次谐波电流以减少电源系统中电流谐波成分，这是(Active Power Filter)APF思想萌芽[9]。之后，在1976年Gyugyi L等人提出了用大功率晶体管PWM变换器构成有源滤波器，并正式提出了有源滤波概念。20世纪80年代由于大功率全控型功率器件成熟，PWM技术进步，以及基于瞬时无功功率理论谐波电流实时监测措施提出，使APF得以迅猛发展。APF通过向电网注入谐波及无功或变化电网综合阻抗频率特性，以改善波形，除了具有响应速度快，具有很好动态实时赔偿功能等长处外，还具有可进行无功赔偿，克制电压闪变等多种功能。因此APF逐渐成为了一种具有很大潜在应用价值谐波赔偿装置，并开始得到迅速发展。但由于全控型功率器件成本及性能，制约了APF实际应用，目前只有在日本得到比较广泛推广[10-14]。
APF一般分为并联型、串联型和混合型三种。从赔偿角度来看，APF可以分为无功赔偿、谐波赔偿、平衡三相系统电压或电流以及多重赔偿。常规并联型APF可以同步赔偿谐波电流和无功，属于多重赔偿。混合APF只能赔偿谐波电流，属于谐波赔偿[15-20]。
电力系统谐波及克制研究问题近几十年来在世界范围内得到了十分广泛关注，国际电工委员会(OEC)、国际大电网会议(CIGRE)、国际供电会议(CIRED)及美国电气和电子工程师学会(IEEE)等国际性学术组织，都相继成立了专门电力系统谐波工作组，并已制定出了限制电力系统谐波有关原则。并且从1984年开始，每两年召开一次电力系统国际谐波会议(ICHPS)为这个领域国际交流提供了直接渠道，正推进着谐波研究工作深入开展[15]。
1.4.2国内克制技术研究现实状况
我国在APF方面研究仍处在起步阶段，到1989年才有这方面文章。研究APF重要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。研究最成熟是并联型，并且重要以理论研究和试验研究为主。理论上波及到了功率理论定义、谐波电流检测措施、有源电力滤波器稳态和动态特性研究等[21-27]。1991年北方交通大学王良博士研制出3KVA无功及谐波动态赔偿装置；同年，华北电力科学院和冶金自动化研究院联合研制了用于380V三相系统33KVA双极面结型晶体管(BJT)电压型有源滤波器；采用多重化技术，西安交通大学研制出120KVA并联型有源滤波器试验样机。此外，清华大学、华北电力大学、重庆大学等高等院校也对APF展开了深入理论和试验研究。我国虽然在理论上获得了一定进展，由于多方面条件限制，我国有源滤波技术还处在研究试验阶段，工业应用上只有少数几台样机投入运行，至今未有并联型有源电力滤波器正式产品用于实际。因此我国有源滤波技术具有广泛发展和应用前景[28-30]。
从近年研究和应用中我们可以看出APF具有如下发展趋势[31,32]
(1) 通过采用PWM调制技术和提高开关器件等效开关频率多重化技术，实现对高次谐波有效赔偿和系统大容量实现。
(2) 从经济上考虑，可以采用APF与PF构成混合型滤波系统，以减少APF容量，到达减少成本、提高效率目。
(3) 从长远角度看，伴随半导体器件制造水平迅速发展，混合型滤波系统低成本优势将逐渐消失，而串并联APF由于其功能强大、性价比高，将是很有发展前途有源滤波装置。
1.5本文重要研究工作
对电能质量规定已经越来越引起人们注意，谐波及其克制重要性友好波治理刻不容缓。在电力系统中，应用有源滤波器对系统进行谐波克制是目前研究重要课题之一，并联型有源滤波器可以有效对负载谐波进行赔偿。本文重要工作如下：
(1) 在绪论中简介谐波分析、检测和克制研究背景、意义、现实状况和发展趋势。
(2) 在第二章中，对电力谐波基本概念和特性参数进行了论述，研究了谐波产生原因友好波危害。
(3) 对谐波检测中重要低通滤波环节，研究低通滤波器选用和参数设置对其工作性能影响，并且运用仿真辅助分析。
(4) 在分析多种PWM控制措施基础上，对法、检测法措施及滞环比较和三角波比较两种跟踪控制电路进行分析阐明。
(5) 结合前面所研究谐波检测措施和控制部分并联有源电力滤波器和无源滤波器，进行了Matlab仿真试验，仿真成果验证了该有源滤波装置良好赔偿特性能。
(6) 对全文进行了总结和展望

第二章 电力谐波分析
2.1电力谐波基本概念
国际上通行谐波定义为[33]：“谐波是一种周期电气量正弦波分量，其频率为基波频率整数倍。谐波次数必须为正整数。在某些暂态现象中，电力系统会出现某些非整多次分多次谐波，如：间谐波、次谐波和分多次谐波等，这些概念与谐波概念完全不一样。
2.1.1电力谐波表达措施
供用电系统中，一般认为电网稳态交流电压和交流电流呈正弦波形。在进行谐波分析时，正弦电压一般由下数学式表达[34]：
(2-1)
式中U－电压有效值；
a－初相角；
w－角频率；
－频率； T－周期。
正弦电压施加在线性无源元件如电阻、电感和电容上，其电压和电流分别为比例、微分和积分关系，仍为同频率正弦波。但当正弦 电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波．对于满足狄里赫利条件非正弦电压分解为如下傅立叶级数：
(2-2)
其中

或 (2-3)
式中、和关系为：

在式(2-2)或式(2-3)傅立叶级数中，频率为分量称为基波，频率为整数倍基波频率分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率整数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流状况也完全合用，把式中转成即可。
2.1.2谐波特性量
为了表达畸变波形偏离正弦波形程度，最常用特性量有谐波含量、谐波总畸变率和第n次谐波具有率。
1、谐波含量
所谓谐波含量，就是各次谐波平方和开方。谐波电压、电流谐波含量为：
(2-4)

(2-5)
2、谐波总畸变率
谐波总畸变率可分为电压总畸变率THDU，和电流总畸变率， 可分别定义为：
(2-6)

(2-7)
式中: U－基波电压有效值，I－基波电流有效值。
3、第n次谐波具有率
第次谐波电压具有率以以表达：
(2-8)
式中 Un－第次谐波电压有效值(方均根值)；
第n次谐波电流具有率以表达：
(2-9)
式中 In－第次谐波电流有效值(方均根值)；
公用电网电压总畸变率应当被限制在3～5％之内。当电力系统中存在具有非线性用电设备时，虽然给这些设备供应理想正弦波电压，它取用电流也是非正弦，即有谐波电流存在．含半导体非线性元件谐波源是电力系统重要谐波源，如多种硅整流装置、晶闸管等，它们遍及于电力系统中，按一定规律开闭不一样电路，将谐波电流注入系统。此外尚有其他会产生谐波设备，重要是具有铁磁非线性元件设备，如旋转电机、变压器等。
2.2电力谐波产生原因
谐波重要从如下几种方面产生。
(1) 发电源质量不高。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝缘对称，以及其他某些原因，发电源多少也会产生某些谐波,但一般很少。
(2) 输配电系统。输配电系统中重要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁芯饱和，磁化曲线非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密度选择在磁化曲线近饱和段上，这样就使得磁化电力城尖顶波形，因而具有奇次谐波。
(3) 用电设备。当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸取电流与施加电压波形不一样，电流波形因而发生了畸变。由于负荷与电网相连。谐波电流注入到电网中，这些设备就成了电力系统谐波源。这些设备重要包具有相控晶闸管整流设备、变频装置、电弧炉、荧光灯等气体放电类光源及家用电器等。
2.3 谐波导致危害
电网谐波导致电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统发供用电设备出现许多异常现象和故障，状况日趋严重。电力系统中谐波危害是多方面，概括起来有如下几种方面[35]：
2.3.1 对供配电线路危害
(1) 影响线路稳定运行
供配电系统中电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障状况下能保证线路与设备安全。谐波会使电磁式继电器、感应式继电器和晶体管继电器产生误动或拒动，将严重威胁供配电系统稳定与安全运行。
(2) 影响电网质量
电力系统中谐波能使电网电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量奇次谐波；三相配电线路中，相线上 3整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线电流值也许超过相线上电流。此外，相似频率谐波电压与谐波电流要产生同次谐波有功功率与无功功率，从而减少电网电压，挥霍电网容量。
2.3.2对电力设备危害
(1) 对电力电容器危害
当电网存在谐波时，投入电容器后其端电压增大，通过电容器电流增长得更大，电容器损耗功率也增长，使电容器异常发热，在电场和温度作用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变电网中时，还也许使电网谐波加剧，即产生谐波扩大现象。此外，谐波存在往往使电压展现尖顶波形，尖顶电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化作用，从而缩短电容器使用寿命。一般来说，电压每升高10%，电容器寿命就要缩短1/2左右。再者，在谐波严重状况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。
(2) 对电力变压器危害
谐波使变压器铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中涡流损耗与导体外部因漏磁通引起杂散损耗都要增长。谐波还使变压器铁耗增大，这重要表目前铁心中磁滞损耗增长，谐波使电压波形变得越差，则磁滞损耗越大。同步由于以上两方面损耗增长，因此要减少变压器实际使用容量，或者说在选择变压器额定容量时需要考虑留出电网中谐波含量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，变压器振动噪声重要是由于铁心磁致伸缩引起，伴随谐波次数增长，振动频率在 1KHz左右成分使混杂噪声增长，有时还发出金属声。
(3) 对电力电缆危害
由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体交流电阻增大，使得电缆容许通过电流减小。此外，电缆电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用电容器及线路容抗与系统并联，在一定数值电感与电容下也许发生谐振。
(4)对用电设备危害
谐波会使电视机、计算机图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用镇流器和提高功率因数用电容器荧光灯及汞灯来说，会由于在一定参数配合下，形成某次谐波频率下谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管变速装置，谐波也许使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。
(5) 对电动机危害
谐波对异步电动机影响，重要是增长电动机附加损耗，减少效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反转矩，起制动作用，从而减少电动机出力。此外电动机中谐波电流，当频率靠近某零件固有频率时还会使电动机产生机械振动，发出很大噪声。
(6) 对低压开关设备危害
对于配电用断路器来说，全电磁型断路器易受谐波电流影响使铁耗增大而发热，同步由于对电磁铁影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型断路器，由于导体集肤效应与铁耗增长而引起发热，使得额定电流减少与脱扣电流减少；电子型断路器，谐波也要使其额定电流减少，尤其是检测峰值电子断路器，额定电流减少得更多。由此可知，上述三种配电断路器都也许因谐波产生误动作。 对于漏电断路器来说，由于谐波汇漏电流作用，也许使断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流减少。对于热继电器来说，因受谐波电流影响也要使额定电流减少。在工作中它们均有也许导致误动作。
(7) 对弱电系统设备干扰
对于计算机网络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电磁感应与静电感应耦合强度与干扰频率成正比，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。
(8) 影响电力测量精确性
目前采用电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波影响较大，尤其是电能表，当谐波较大时将产生计量混乱，测量不精确。
(9) 谐波对人体有影响
从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生迅速电波动或可逆翻转，其频率假如与谐波频率相靠近，电网谐波电磁辐射就会直接影响人脑磁场与心磁场。
2.4本章小结
本章对电力谐波基本概念和产生机理进行了讨论，研究了电力谐波产生原因，谐波传递友好波危害。为进行电力谐波分析及检测和克制奠定了基础。
第三章 谐波克制技术及有源滤波技术研究
处理电力电子装置和其他谐波源谐波污染问题，目前重要有两条途径[36]，积极型：就是在电力电子装置完毕自身重要功能任务同步，对电力电子装黄自身进行改造，使其同步也不产生谐波同步也不消耗无功功率，或者根据需要能对其功率因数进行校正，如有源功率因数校正技术和多种PWM整流技术；被动型：设计谐波赔偿装置，如多种无源，有源滤波装置。设法克制由多种非线性负荷所产生谐波；对于作为电力系统中重要谐波源电力电子装置，这两种措施有各自长处和合用范围，近年来都得到了较快发展。至于采用那种途径，应根据经济效益来决定。此外，对已经在运行工作装置只能通过加滤波器来实现。
3.1电力谐波克制途径
3.1.1积极型谐波克制途径
(1) 多脉整流及准多脉整流
大功率电力电子装置常采用12脉或24脉交流器以减小网侧谐波电流。理论上讲，伴随脉数增长，网侧电流谐波成分减少，电流波形靠近于正弦波，即对谐波克制效果愈好。不过脉数愈多，则整流变压器连线愈复杂，体积愈大，设备造价对应提高，因此脉数并非愈高愈好。准多脉整流[37]，其基本原理是运用移相触发来近似实现多脉整流。准多脉整流实际上是将主电路复杂性转移到控制电路，但克制谐波效果相似，因此很有发展前途。
(2) 运用脉宽调制(PWM)技术
采用PWM技术基本原理是在所需频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽系列交流输出电压脉冲，来到达克制谐波目。其基本思绪是控制PWM输出波形各个转换时刻，且保证每半波和1/4波都是对称，根据输出波形傅里叶级数展开式，使需要消除谐波幅值为零，基波幅值为给定量，构成非线性超越方程组计算各开关通断时刻，到达消除指定谐波和控制基波幅值目。PWM技术使得谐波频谱向高频移动，减少了谐波含量，可使得变流器输入为正弦波，从而提高了功率原因。不过，在运用PWM技术电力电子设备中，很高开关频率不仅会使PWM载波信号产生高次谐波，还会导致高电平传导和辐射干扰[38]。
(3) 运用多重化技术
目前在积极型谐波克制中，很重要发展趋势就是将多种方案融合在一起，使多种方案优势互补。例如，将变压器移相作用与PWM结合移相SPWM结合了PWM技术和多重化长处，而各个开关开关频率比较低，比较适合大功率应用。
(4) 增长电网短路容量，提高设备短路比，从而减少谐波对接在同网上其他设备影响。
3.1.2 被动型谐波克制途径
积极型谐波克制代表了电力电子技术发展方向，而被动型谐波克制则是本文研究重点，即安装电力滤波器。滤波器可分为无源滤波器和有源滤波器。
1、无源滤波器(Passive Power Filter)
无源滤器方案是目前采用得最为广泛谐波克制手段。无源电力滤波器(Passive Power Filter，简称PPF)由一组针对特定频率LC单调谐滤波器构成，既可以赔偿谐波，又可以赔偿无功功率，并且它具有成本低、构造简朴、技术成熟等长处，因此一直以来被广泛使用。如图3-1，LC滤波器即无源滤波器可分为单调滤波器、高通滤波器和双调滤波器等。在实际应用中常用几组单调滤波器和一组高通滤波器构成滤波器装置。

图3-1无源滤波器接线形式
虽然无源滤波器有诸多长处，但它却存在如下难以克服缺陷[39-42]：
(1) 谐振频率依赖于系统参数，因此只能对重要谐波进行滤波，LC参数漂移将导致滤波特性变化，使滤波性能不稳定。
(2) 由于调谐偏移和残存电阻存在，调谐滤波器阻抗等于零理想条件是不也许出现，阻抗变化大大阻碍了滤波效果。
(3) 电网参数与LC也许产生并联谐振，使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降；
(4) 滤波规定和无功赔偿、调压规定有时难以协调。
(5) 谐波电流增大时，滤波器承担随之加重，也许导致滤波器过载。
(6) 消耗大量有色金属，体积大，占地面积大。
为处理无源滤波器局限性，人们做了许多研究与探索，其中具有代表意义为有源电力滤波技术。从目前国内外使用状况来看，运用有源电力滤波器进行谐波和无功赔偿是此后一种发展趋势。
2、有源滤波器 (Active Power Filter)
有源电滤波器(Active Power Filter，简称APF)是一种动态克制谐波和赔偿无功新型电力电子装置，它能对频率和幅值都变化谐波和无功进行赔偿，可以弥补无源滤波器局限性，获得比无源滤波器更好赔偿特性。是一种理想谐波赔偿装置。
1971年H．Sasa和T.Machida初次完整地描述了有源电力滤波器基本原理：从被赔偿对象中检测出谐波电流，由赔偿装置产生一种与该谐波电流大小相等而极性相反赔偿电流，从而使电网电流中只含基波分量[43,44]。但由于当时是采用线性放大措施产生赔偿电流，损耗大，成本高，未能在工业中实用。伴随功率半导体制造技术发展，1976年L.Gyugyi等人提出采用功率晶体管和PWM逆变器来构造APF，从而确立了APF主电路拓扑构造和控制措施[45]。1983年，H.Akagi等人提出了瞬时无功功率理论，以该理论为基础谐波和无功电流检测措施APF中得到了成功应用．极大地增进了AP