浅淡谐波治理

【摘要】随着电力电子器件的广泛应用，电力系统的谐波问题日益严重，对于中高压系统的谐波问题，大容量混合型有源电力滤波器是有效的治理手段。本文对有源电力滤波器、谐波检测算法、谐波检测分析系统等做了简单介绍。

【关键词】谐波治理；半导体器件；谐波源；有源电力滤波；无源电力滤波

一、课题的背景及意义

（一）谐波的产生

谐波是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的。造成系统正弦波形畸变、产生谐波的设备和负载都称为谐波源。这些非线性设备或负载，向系统注入大量的谐波电流，使电力系统的电压波形也发生畸变，电能质量降低。按照非线性元件的类型，电力系统谐波源可以分为两大类：

1.含有半导体器件的电力电子装置谐波源

随着电力电子装置的应用越来越广泛，它已成为公用电网最大的谐波源。在目前主要应用的各种电力电子装置中，整流装置占的比例是相当大的。常见的整流电路都是采用晶闸管相控整流或二极管不控整流，其中以三相桥式和单相桥式整流电路较为常见。带阻感负载的整流电路产生的谐波污染和较低的功率因数己被人们熟知。而直流侧采用大电容滤波的整流电路也日益成为严重的谐波污染源，虽然其输入电流的基波分量功率因数接近1，但其中的谐波分量却很大，给电网造成了严重的污染，也使总的功率因数很低。

2.含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源

这类设备主要包括有旋转电机、变压器、电弧炉和电焊机等。在电力电子装置大量推广应用之前，公用电网最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机。变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性特性引起的。

（二）谐波的危害

理想的公用电网所提供的电压应该是单一且固定的频率以及规定的电压幅值。谐波的出现，对公用电网来说是一种污染，它使用电设备所处的电网环境变差，也对周围的通信系统和设备带来一定的危害。

（三）谐波的治理

谐波治理的措施有三种：一是受端治理，即从受到谐波影响的设备出发，提高它们抗谐波干扰能力；二是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源尽量不产生谐波；三是被动治理，即外加滤波器，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入负载。因被动治理是目前应用最多的谐波治理方式，这里着重介绍被动治理。被动治理谐波的措施主要有以下几种：

1.无源电力滤波器

在谐波源附近或公用电网节点装设单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿，运行维护也简单。

2.有源电力滤波器

在谐波源附近和公用电网节点装设并联型或串联型APF，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并联型还可以进行无功功率补偿。

3.混合型有源滤波器

HAPF兼具PPF成本低廉和APF性能优越的优点，属于APF的分支和发展。

二、谐波检测算法的研究现状

根据APF和HAPF的工作原理，要控制功率变换电路产生期望的谐波，首先要通过检测电路获取谐波作为控制的参考信号，再利用控制电路产生信号去控制功率变换电路。因此，谐波检测算法的好坏直接影响到补偿精度和补偿速度，是APF和HAPF的关键环节。现有谐波检测算法按原理可分为：

（一）基于瞬时无功功率理论的谐波检测法

（二）基于傅立叶变换的谐波检测法

（三）基于神经网络的谐波检测法

（四）基于自适应对消原理的谐波检测法

（五）基于小波分析的谐波检测法

三、谐波监测分析系统的发展现状

为保证供电质量，保证电力系统和用电设备的安全正常运行，进行谐波治理之前，必须要了解电网中谐波的次数及其含量，即必须进行谐波的实时监测和分析。目前，我国谐波分析仪的研制工作也取得了一定成果。用单台微机监测多条线路，并将谐波检测、分析及故障录波集成于一体，实现一台微机监测多条线路的谐波并进行故障录波，具有价廉、实用的特点。同时，无人监控也是现代控制的发展方向，它使电力监测系统的设计必须考虑到无线通信及网络技术在电力系统中的应用。可以预计，新一代数字化、自动化和智能化谐波监测分析系统将成为发展方向。

四、有源电力滤波器的发展概况

早在70年代初，日本学者就提出了有源电力滤波器的概念。1976年，美国西屋电气公司的L.Gyugi提出了用大功率晶闸管组成的PWM逆变器构成“有源电力滤波器”来消除电网谐波。其基本原理和电路拓扑结构已确定，但由于受到当时功率半导体器件水平及控制策略的限制，有源电力滤波器的研制一直处于试验阶段。直到进入80年代以来，随着新型电力半导体器件的不断发展、脉宽调制技术的不断进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，为有源电力滤波器的实用化提供了必要的条件，使之在工业上得到了广泛的应用。近20年来APF技术得到了长足的改善，越来越多的APF投入运行，不论是实现功能还是运行功率上都有明显改善。目前，有源电力滤波器已用在提高电能质量、电压波动抑制以及谐波消除和无功补偿等问题上，近些年来对有源滤波器的拓扑也进行了较为深入的研究。

在我国，有源电力滤波器的研究起步较晚，对APF的研究始于80年代末期，1989年才见这方面研究的文章。从90年代中期起，我国对APF的研究全面展开，包括谐波检测、拓扑研究、系统建模、控制方法等都进行了研究。目前，有源电力滤波器研究工作的关键所在是进一步提高有源电力滤波器在生产实践中的实际应用水平，促进科研成果向工业成型产品的快速转化。

参考文献：

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