电力系统谐波研究综述.pdf

6 4 工业仪表与自动化装置 2 0 1 1年第 5期 电力 系统 谐 波研 究综述 骆鹤松 ， 骆水莲 ( 兰州理工大学 电气工程与信息工程学院， 兰州 7 3 0 0 5 0 ) 摘要 ： 随着电力工业的发展和 电力市场的开放 ， 各种非线性元件在 电力 系统 中大量使 用， 这些 非线性元件产生大量的谐波导致电压和 电流的波形产生畸 变， 严重威胁着电网安 全和 经济运行 。 同时谐波对 电力系统其他用电设备也产生了严重的危害及影响。因此设计一种更精确的谐波检测 方法和设计合理 高效的滤波装置将成为未来谐波研 究的主要方向。该文从分析谐波的产生与危害 出发 ， 归纳总结 了目前在谐波研究领域 中常见的几种谐波的检测方法和各种治理谐波的措施 ， 为谐 波的检测和治理提供 了有效的参考路径。 关键词 ： 谐波； 谐波检测 ； 谐波治理 ； 电力 系统 中图分类号 ： T M 7 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 0 6 8 2 ( 2 0 1 1 ) 0 5 0 0 6 4 0 4 Th e o v e r v i e w o f s t u dy o n ha r mo n i c s i n e l e c t r i c po we r s ys t e m L UO He s o n g ，L UO S h u i l i a n ( C o l l e g e o f E l e c t r i c a l a n d I n f o r ma t i o n E n g i n e e r i n g， L a n z h o u U n iv e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，L a n z h o u 7 3 0 0 5 0，C h i n a ) Ab s t r ac t ： W i t h t h e d e v e l o p me nt o f e l e c t r i c a l i n d us t r y a n d t h e o p e n i n g o f t he e l e c t ric i t y ma r k e t ，v a r i O US e l e c t ric c o mp o n e n t s o f n o n l i n e a r t h a t c a n g e ne r a t e h i g h - o r d e r ha r mo n i c s a r e wi d e l y u s e d i n t he p o we r s y s t e m ， t h e ha rm o n i c s c a u s e t he v o l t a g e a n d c u r r e n t wa v e f o rm di s t o r t i o n a nd i t ha s be e n a t hr e a t e t o t he s a f e o p e r a t i o n a n d e c o n o mi c o p e r a t i o n o f p o we r g r i d s Me a n whi l e，h a r mo n i c s h a v e i n f l u e n c e a nd ha rm t o o t he r e l e c t r i c a l e q ui p me n t o f p o we r s y s t e mS o d e s i g n i n g a mo r e a c c u r a t e ha rm o n i c de t e c t i o n me t h o d s a n d r e a s o n a b l y e ffi c i e n t fil t e r i n g e q u i p me n t wi l l b e t h e ma i n d i r e c t i o n i n h a rm o ni c s t u d y fie l d s T hi s p a p e r ma k e s g e n e r a t i n g a n d h a r m o f h a r mo n i c s a s s t a rti n g p o i n t a n d s u mma riz e s s e v e r a l h a rm o n i c d e t e c t i o n me t h o d s a n d t h e v a rio u s me a s u r e s o f h a rm o n i c t r e a t e me n i n h a rm o n i c s t ud y fi e l d s，i t c a n p r o v i d e e f f e c t i v e r e f e r e n c e p a t h t o d e t e c t i o n a nd t r e a t e me nt o f h a r mo n i c K e y wo r ds： ha r mo n i c s ；ha r mo ni c s d e t e c t i o n；h a r mo n i c s t r e a t e me n t ；p o we r s y s t e m 0 引言 2 O世纪 8 0年代后期 ， 伴随着计算机技术 、 通信 技术 、 控制技术 3大技术的发展 ， 电子技术得到迅速 发展 ， 各种 电子产品更新换代用于各行各业 ， 电子产 品中各种非线性元件的大量使用 ， 对带动经济的发 展起到了积极作用 ， 同时它们作为 电源与用电设备 之间的非线性接 口， 都不可避免的产生非正弦波注 入 电网 ， 对 电力系统元件 的安全经济运行造成严重 的威胁 ， 所 以电力系统谐波问题 已经成 为工程管理 人员和电力科技领域的重大问题。电力系统谐波含 量严重上升的原因主要是各种非线性元件的大量使 用和电容器 组对谐波 的放大 和谐 振作用 。未来几 收稿 日期 ： 2 0 1 1一O 3一 O 3 作者 简介 ： 骆 鹤松( 1 9 7 9 ) ， 女 ， 天水武 山人 ， 助教 ， 研究 方 向为电 力系统 自动化 ， 电网谐 波治理。 年 ， 电力电子技术作为 电力市场的支柱 产业将迅速 发展 ， 不可避免的会带来电网谐波的污染问题 ， 所以 谐波的检测和治理成为当前人们关注的热点问题。 1 谐波的来源 1 1 整换流装置 整换流装置在换流过程 中， 使得输入 电流 、 电压 失去比例关系 ， 引发非正弦的负荷电流波形 ， 整换流 装置产生的谐波容量相对较大 ， 是 电力系统 中的主 要谐波源。 1 2 变压器 变压器 中的谐波电流是 由励磁回路的非线性引 起的 ， 正常情况下 ， 所加 电压为额定 电压 ， 铁芯工作 在线性范围内， 谐波 电流含量不大， 但在轻载时电压 升高 ， 铁芯工作在饱和区， 此时谐波电流就会大大增 加。在变压器正常工作过程 中， 如果有暂态扰动 、 负 2 0 1 1 年第 5期 工业仪表与自动化装置 6 5 载剧烈变化都会产生大量谐波。 1 3电弧炉和 电弧焊设备 由于电弧炉在工作 的时候反复的将电极开路和 短路 ， 导致 电弧不稳定 ， 负载不平衡 ， 从而产生谐波 。 1 4电力机车 电力机车不仅要消耗电能还要 向供电系统注入 大量的谐波 ， 同时产生不平衡电流 ， 与此同时电力机 车也被看做是单相整流 负荷 ， 它是谐波治理领域较 大的污染源。 1 5 家 用 电器 家用电器 中含有大量 的非线性元件 ， 它会产生 大量 的谐波 ， 如电视机 中桥式整流电容平波 电路产 生的谐波对系统的影 响较大， 电视机谐波 的特点是 谐波的峰值与基波峰值重合。 2 谐波 的危 害 2 1 对电力 系统发、 输、 配电系统的危害 同步电机感应出的谐波电流在转子表面形成环 流 ， 使转子温度升高 ， 高次谐波 电流在发 电机 的定子 中产生集肤效应 ， 使得导体对谐波电流的有效 电阻 增加 ， 增加了设备 的功率损耗 、 电能损耗 ， 使导体 的 温度升高 ； 谐波不仅要增加感应 电动机损耗 ， 使电机 温度升高 ， 特别是在 当电机 的谐波电流的频率与某 零件 的固有频率很接近时， 电动机产生机械振动 ， 发 出噪音 ， 影响电机 的寿命 ； 负载 电流中的谐波在变压 器中造成 的附加损耗使 变压器温度升高 ， 降低 了变 压器带负载的能力 ， 除此之外 ， 谐波还会引起变压器 外壳 的钢片和某些附属 零件局部严重过热 ； 谐波 的 产生增加 了输电线路的损耗 ， 缩短 了电缆 的使用寿 命 ， 谐波在流过中性线时 ， 导线过载， 绝缘老化 ， 发生 短路 ， 容易引起火灾 ( 因为正常情况 下 中性线 电流 比各相 电流小 的多 ， 因而设计时 中性线较 细 ) 。由 此可知谐波对电力发输配系统 中的危害主要是通过 增加损耗 ， 使设备发热 ， 影 响设备 的使用寿命 ， 降低 了发 、 输 、 用电设备的效率 ， 降低 电能输送过程 中的 功率 因数 。 2 2对电力系统中主要电气元件的危害 电力系统 中主要的电气元件有 电容器组和整换 流装置 ， 谐波会引起电容器局部放电， 加速电容器介 质老化， 缩短使用寿命。在一定条件下谐波极易与 无功补偿电容器组引起谐振或谐波放大， 从而导致 电容器因过负荷或过电压而损坏 ； 交 流电网的电压 畸变可能引起常规变流器控制角的触发脉冲间隔不 等 ， 并通过正反馈而放大系统的电压畸变 ， 使整流器 的工作不稳定 ； 而对逆变器则可能发生连续的换 相 失败而无法正常工作 ， 甚至损坏换相设备 。 2 3 对继电保护和电气测量仪表的影响 谐波会改变继 电保护 的性能 ， 引起继电保护误 动作或紊乱 。工业中的大多数电气测量仪表是按照 工频正弦波来设计的， 当有谐波时会产生测量误差 。 2 4 对通信 系统的干扰 谐波对通信系统的干扰 ， 小则产生噪音 ， 降低通 信的质量 ， 干扰严重时会 丢失信息。在基波和谐 波 的共同作用下 ， 可能会触发电话 响铃 ， 危及设备和操 作人员安全 。 2 5对其他设备的影响 电压互感器 因谐振损坏 ； 电视机 图像 模糊 ， 翻 滚 ； 收音机声音不 清晰有杂音 ； 断路器开关 能力 降 低 ； 录波系统出现丢失波形 ， 波形异常等现象 。 3 谐 波的各种检测技术 谐波是一个周期 电气量的正弦波分量 ， 其频率 为基波频率 的整数倍 。它明确 了谐波次数 r t 必须是 一 个正整数 ， 目前国内对谐波 的研究只是集 中在频 率为基波频率整数倍 的谐波 ， 而对频 率为基波非整 数倍间谐波的研究未能深入到一定 的研究水平。随 着对电能质量研究水平的提高 ， 对问谐 波的研究也 会进一步得 到重 视。随着 电力 系统体制 的逐 步完 善 ， 先后出现了几种谐波 的测量方法。 3 1 模拟 滤 波器 它是谐波检测 中使用最早 的一种方法 ， 主要是 通过滤波原理来得到谐波分量 。 优点 ： 原理和电路结构简单 ， 造价低 ， 能滤除一 些 固有 频率 的谐 波， 输 出阻 抗低 ， 品质 因素易 于 控制。 缺点 ： 滤波器中心频率易受外界环境 的影响， 难 以获得理想 的幅频特性和相频特性 ， 当电网频率发 生波动时 ， 大量 的基波分量会包含在 检测 出的谐波 分量中。此种方法 目前使用的可能性很小。 3 2基于快速傅里叶变换的检测方法 是利用复指数 函数的周期性和对称性 ， 充分利 用 中间运算结果 ， 使计算工作量大大减少 。 优点 ： 测量精度较高 ， 计算速度快。 缺点： 计算时间长， 计算量大， 检测结果实时性 较差， 当信号频率和采样频率不一致时会出现频谱 泄漏效应和栅栏效应 1 J ， 此种方法计算出的相位误 差很大 ， 需要使用锁相器来锁定信号频率和采样频 率的同步 。 6 6 工业仪表与 自动化装置 2 0 1 1 年第 5期 3 3 基于三瞬时无功功率理论的检测方法 是 由日本学者 H A k a g i 在 1 9 8 4年提 出的瞬时 无功功率理论。此方法不仅适用于正弦波也适用于 非正弦波的情况 。目前基于瞬时无功功率 的检测方 法已经成为谐波实时检测的主要方法 ， 也是有 源电 力滤波器中应用最广泛的一种谐波检测方法 。 优点 ： 测量电路简单 ， 时延小 ， 实时l 生高。 缺点 ： 硬件多 ， 花费相当大。 3 4 基于小波变化的检测方法 小波分析是近代应用数学中迅速发展 的一个新 领域 ， 它包含 了现代分析学中诸如泛函分析、 数值分 析、 傅里叶分析、 样条分析、 调和分析等众多分析方 法的精华 ， 并包罗了它们各 自的特色 。 优点 ： 克服 了傅里叶变换在频域完全局部性 ， 而 在时域完全无局部性 的缺点 ， 能够准确把握信号的 局部细节 ， 计算精度高 ， 可 以分析稳态信号 ， 也可 以 分析暂态的时变信号 ， 还 可以检测动态型和突发型 的谐波。 缺点 ： 窗 口能量不集中造成频谱混叠 ， 引起测量 误差 ， 只能检测基波和谐波， 算法复杂 ， 运算速度慢 ， 实时性差 。 3 5神经 网络检测方法 神经网络是一种从不同角度、 功能来模拟动物神 经的技术 ， 由大量处理单元广泛互联而成 ， 基于现代 神经生物学和认知科学对人类信息研究成果的网络。 优点 ： 实时 l生好 ， 计算量小 ， 检测精度高 ， 对数据 流长度的敏感性低于 F F T r 。 缺点 ： 理想的训练样本提取困难 ， 影响了网络的 训练速度和训练质量 。网络结构不易优化 ， 隐含层 节点 的选取带有一定 的盲 目性 。 3 6 基于同步测定的检测方法 它用于改善单相电路的传输 电流波形和功率因 数 ， 它是一种使补偿后 的线路传输 电流和 电源 电压 波形相 同、 相位相等 的补偿电流检测的方法。 优点 ： 信号干扰能力强、 波形跟踪快 ， 可实现对 三相不平衡系统无功 和谐波 电流 的检测 ， 还能校正 功率因数 ， 减少线路损耗 ， 平衡线路电流。 缺点 ： 时延较大， 电路波形发生畸变时将影响检 测精度 ， 不能单独检测无功 电流和谐波电流 ， 也不能 获得各次的谐波含有率 ， 从而限制了应用 的范围。 4 电力 系统谐波抑 制的措施 4 1受端治理 从受到谐波影响的设备或系统 出发 ， 提高设备 或系统的抗谐波干扰能力。 1 ) 改善供 电环境 ， 选择合理 的供 电方式 ： 将谐 波源 由较大容量 的供 电点 或高一级 电压 的电网供 电， 可以减少谐波对系统或其他设备的影响 ， 这些必 须在电网规划和设计时考 虑( 高一级 电网的短路容 量均大于同系统低一级 电网的短路容量 ) ， 保 持负 荷的三相平衡 ， 有助于减少 3次谐波 ， 对谐波源负荷 由专门的线路供电， 减少谐波对其他负荷的影 响， 有 助于集 中抑制和消除谐波。 2 ) 避免 电容器对谐波放大 改变电容器 的安装 位 置 ( 避 免并联 谐 振 的发 生 ) ； 限定电容器组的投切容量( 减少电容器对谐波 的放大) ； 改变电容器的串联电抗器 ( 相 当于改变 了 系统的阻抗 ， 避免谐波 电流放大) ； 将 电容器组 的某 些支路改为滤波器 。 3 ) 减少发电机谐波电动势畸变率 ， 减少谐波 电 动势的措施 。 同步电机采用星型连接 ( 此连接不会 出现 3次 或 3的倍数次 的各 次谐 波) ， 凸极 同步 电动机采用 适 当极靴宽度和不均匀气隙长度(目的是使得气 隙 磁场波形尽可能接近正 弦分布 ， 减少谐波 电动势 的 产生 ) 短距绕组 ， 增加每极每相槽数 ， 水轮发 电机等 多极电机 ， 转子励磁绕组常采用分数槽绕组 ， 实现了 极对与极对之间的分布 ， 减少谐波的产生。 4 ) 变压器采取措 施 ， 抑制谐 波产生 ( 变压器绕 组一侧接成三角形 ， 可 以有效消除 3次及 其倍数 次 谐波) 。 5 ) 提高设备 抗 干扰能 力 ， 研制 新 型抗谐 波 的 设备 6 ) 改善谐波保护性能( 对谐波敏感设备采用灵 敏的谐波保护装置 ， 保证谐波含量超标情况下 ， 设备 不至于被损坏 ) 4 2主动治理 从谐波源本身 出发 ， 使谐波源不产生谐波或降 低谐波源产生的谐波含量 1 ) 增加整流装置的脉动数。谐波电流近似与 谐波次数成反 比， 脉动数增加时谐波次数也增加 ， 一 系列次数较低， 幅值较大的谐波得到消除， 谐波电流 将减少。 2 ) 改变谐波源 的配置或者工作方式 ( 具有谐波 互补性的装置应集中， 不然会产生谐波的工作方式) 。 3 ) 采用 多重化技 术 ( 多个 变 流器联 合 起来使 用 ， 将多个方波叠加 ， 以消除频率较低 的谐波 ， 近似 得到正弦波 ， 但是成本太高 ， 装置复杂 ) 。 2 0 1 1 年第 5期 工业仪表与自动化装置 6 7 4 ) 谐波叠加注入采用 3次谐波源 ， 把谐波电流 加到产生的矩形波形上 ， 降低某些 给定 的运行点处 的谐波。 5 ) 采用 P WM技术使得变流器产生的谐波频率 较高 ， 幅值较低 ， 波形接 近正弦 ， 此方法只适用于 自 关断器件构成 的变流器 。 6 ) 设计 或者采用高功率 因数变流器可 以使 得 变流器产生 的谐波非常少 ， 但功率因数 可控制为 1 ( 如采用矩阵式变频器和四象限变流器等 ) 。 4 3被动治理 外加滤波器 ， 阻碍谐波源产生的谐波注入 电网 ， 或者阻碍 电力系统 的谐波流人负载端 。 1 ) 采用 L C滤波 器 ( 无 源滤波器 P a s s i v e P o w e r F i l t e r ， 简称 P P F ) 它是几种元件按照一定 的参数配置一定的拓扑 结构连接成的滤波装置 ， 组成它的元件为 电容元件 、 电感元件 、 电阻元件。结构简单， 设备投资少， 运行可 靠性较高， 运行费用低， 但是补偿性受电网阻抗变化 和运行状态的影响， 只能对特定次的谐波进行补偿。 2 ) 采用电力有源滤波器 A P F ( A c t i v e P o w e r F l i t e r ) 有源滤波器与 L C滤波器最大的区别在于它是 一 种 向系统注入补偿谐波 电流 ， 以抵消非线性负荷 所产生的谐波 电流的能动式滤波装置 。即是一种用 于动态抑制谐波的新 型电力 电子装置 ， 它可对大小 和频率都变化的谐波进行补偿。A P F具有高度可控 制和快速响应 的特性 ， 并 能跟踪补偿各 次谐波 J ， 克服了无源滤波器的缺点。 3 ) 混合型有源滤波器( HA P F ) 将无源滤波器的低成本和有源滤波器 的优 良性 能相结合 ， 同时具备 了 P P F和 A P F的优点 ， 采取一 定 的控制方式后 ， 可使负荷的谐 波电流 由 A P F来提 供 ， 负荷的基波无功功率 由 P P F来 提供 。它是一种 有前途 的滤波及无功补偿方式。 4 ) 有源无源混合滤波器 将 2种滤波器相结合构成 的混合型滤波器 ， 用 A P F来补偿冲击性无功 和低频变化 的谐波 ， 用 P P F 补偿和吸收缓慢变化的无功功率和高频谐 波， 它是 目前电能质量研究的热点 。 5 总结与展 望 随着电力电子技术的迅速发展和电力市场规模 的不断扩大 ， 大量的非线性元件将会投入各个行业 使用 ， 一方面促进 了工业的发展 ， 另一方面不可避免 的要产生高次谐波 ， 这些高次谐波反过来又对电力 系统或者电气设备产生危害， 使 电气设备 的使用寿 命降低 。但是未来几十年 ， 电力 电子仍然是 电力行 业 的支柱产业 ， 将对带动 电力工业 的发展起到决定 性 的作用 ， 所 以如何将这些非线性 负载产生的谐 波 准确的测量 出来得到相应的治理将是谐波研究领域 的热点话题 。可 以看出 ， 不管是谐波 的测量方法还 是治理方法 ， 单一 的一种方法都有其利弊， 对谐波的 检测精度和治理效果是很有 限的 ， 为此 ， 在谐波源的 检测和治理过程 中要避免采用一种方法来检测和治 理谐波 ， 而是要综合考虑各种 因素， 例如利用场合 、 经济条件、 各 自的优缺点等 ， 将几种方法的优点集中 起来 ， 适 当克服各 自的缺点 ， 找出一种最优 的检测谐 波的方法和治理谐波的装置。就 目前的研究情况和 谐波领域 的大量研究资料表 明， 在谐波的检测方面 ， 最好能将小波变换 和傅里 叶快速变换结合起来 ， 分 析其利弊， 设计出一种能克服其缺点的检测算法 ； 在 谐波的治理方面除了要考虑治理的方式之外 ， 更多 的是将关注点放在滤 波器 的设计上 ， 设计出一种高 效 、 快速 、 经济、 可靠 的滤波器来治理谐波。 参考文献 ： 1 郝珂 电力系统谐波检测与治理 J 中国测试技术， 2 0 0 5， 3 1 ( 6 ) ： 6 4 6 7 2 王庆详 电网谐波的产生及其检测方法分析 J 电子 技术应用 ， 2 0 0 9 ( 9 ) ： 1 8 11 8 4 3 陈恺， 王如政 电力系统谐波治理与有源滤波器 J 华东电 力， 2 0 0 8 ， 3 6 ( 8 ) ： 5 5 5 7 ( 上接第 6 3页) 系统较好地保持 了输 出压力值稳定 ， 运行效果达到 设计要求 ， 系统调节时间短 ， 调节精度高 ， 稳定可靠。 提高了空压机的控制水平 。 参考 文献 ： 1 何凤有， 鲍卫宁 ， 汤场， 等 基于模糊 P I D控制器的空 压机恒压供气系统的设计 J 工矿自动化， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 3)： 919 3 2 胡应占， 冯硕 F u z z y P I D在传统空气压缩机改造中的 应用 J 新余高专学报， 2 0 0 5 ， 1 0 ( 5 ) ： 3 3 3 7 3 祁海禄， 樊小平 模糊 自整定 P I D控制器设计与仿真 研究 J 系统仿 真技术 及其应 用， 2 0 0 8 ， 1 1 ( 3) ： 70 270 5 4 李西， 李彬 ， 朱雪丹 模糊 自整定 P I D控制器的设计与 仿真 J 化工 自动化及仪表， 2 0 1 0 ， 3 7 ( 3 ) ： 2 5 2 8 5 胡包钢， 应浩 模糊 P I D控制技术研究发展回顾 J 自动化学报 ， 2 0 0 1 ， 2 7 ( 4 ) ： 5 6 7 5 7 9