浅谈电力系统谐波特点及控制方法

[摘 要]从电力系统就谐波、电网污染和综合治理的工程实际问题出发，通过对国内外发展动态的分析和对当前普遍关注的研究课题的综述，探讨了综合治理谐波的规律与方法，并提出了应用基础研究方面的若干建议。

[关键词]电力系统；谐波；电网；污染；综合治理

中图分类号：TM761 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）08-0149-01

概述

90年代以来，电力电子学已经逐渐成为一门新兴交叉边缘科学，与此相对应的现代电力电子技术也得到迅速发展。以计算机技术和功率半导体制造技术为基础和先导，开关器件功率处理能力和切换速度领域正在不断扩大，越来越多的电气用户对采用的电能形态和功率流动的控制与处理提出了新的要求。因此，合理开发利用能源已成为当代世界共同关心的问题。电力电子技术在上述现实需求中正发挥着日益重要的作用。

但是，由于电力电子装置是一种非线性时变拓扑负荷，由其造成的谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，给周围电气环境带来极大影响，被公认为电网的一大公害。因此，电力系统谐波及治理的研究已经严峻地摆在了电力科技工作者面前。

1、电力系统谐波研究的重要性和必要性

在传统电力系统中正弦波形被畸变的现象早已存在，由于其功率相对不大，因而危害并不明显。可是现代电力系统对电能形态提出了新的要求，具体表现为借助电力电子装置引入功率变换技术，对功率电子的流动进行通断控制，以满足用户对频率、电压、电流、波形及相数的要求。还需注意到，随着超大容量的电力电子装置的使用，现代电力系统正试图将其快速、实时可控性应用于电网的电能输送及运行，正在出现着像动态无功补偿（ASVG，STATCOM）、有源电力滤波（APE）、可控移想装置（TCPA）和统一潮流控制（UPFC）等独具电力领域特色的应用。

概括来讲发展的动力来自巨大的技术经济效益。国内有专家统计，我国目前电能的30%是经过各类功率变换后供用户使用的。但是，作为供电电源与用电设备间的非线性接口电路，在实现功率控制和处理的同时，所有电力电子装置都不可避免地会产生非正弦波形，向电网注入谐波电流，使公共连接点（PCC）的电压波形严重畸变，产生很强的电磁干扰（EMI）。并且随着功率变换装置容量的不断增大、使用数量的迅速上升和控制方式的多样性等，电力电子装置的潜在负作用日益突出。

由于谐波问题逐渐被人们认识和了解，因此对其产生的原因、计算方法的分析、危害与影响的机理、测量与评估标准的制定，以及综合治理的实施等方面的探索也在不断深入。人们发现电力系统谐波作为电工学科的一个分支技术，还广泛渗透和交叉在其它相关学科领域中，是一门新兴的跨学科的学问和尚待加强的重点研究方向。

近年来，全世界科技界普遍关注被称为世界性的两大问题，即能源（节能、合理开发和应用）和环境（意识、改善和环境保护）。

电力工业是一个生产最佳能源产品（电力的生产、输送、分配、转换同时进行）的大系统。如何符合用电负载需求进行有效的能量转换，确已成为当今电力系统日益关注的焦点。而原有的传统的电能形态，在电能的合理有效使用上，受到了很大的约束和限制（甚至浪费）。采用电力电子装置等高技术，在高效使用电能上已越来越多地被人们所认识。例如，充分地开发频率资源，使原来依靠机械传动变换旋转电机转速（低效率）的过程，通过变频调速得以迅速灵活的变化，利用高频开头电路实现的开关直流电源，使所消耗的铁磁材料大为减少，设备尺寸明显减少。然而，电力电子装置的使用，出现的谐波问题反过来又使换流电路的功率因数下降，造成效率降低，与合理有效使用能源相悖。因此，相应的改善措施必然成榱硪恢匾研究课题。

2、谐波的综合治理

对自然界可能出现的各种危险与隐患，科学的处理方法通常是以预防为主，即所谓的防患于未然。而事实上，正像世界上对自然环境污染的治理环境情形一样，对电力系统的滤波危害也出现了“先污染，后治理”的状况。但不管怎么讲，谐波的综合防治已成为电力电子技术中及至电力系统领域周公，不可缺少的重要组成部分和应尽早及时开展的主要研究课题。

关于谐波综合治理中“综合”的内涵，有人认为用范围广泛、普遍推广来描述；也有人认为用集合的、一体化的来表述更实际；笔者认为综合治理的工作应包含以下两方面：

2.1 加强科学化、法制化管理

（1）供电部门从全系统出发，全面规划，采取有力措施不断加强技术临界监督与管理，审核尚待投入负荷的谐波水平，以已投运的谐波顺手负载，要求用户加装滤波装置；

（2）普遍采用具有法规和经济约束的手段，改变先污染后治理的被动局面。例如对电力设备、电子设备的技术规范中应有谐波以含量指标、否则不得出厂和投入电力系统使用。

2.2 采纳有效的技术措施

（1）抑制谐波电流的发生与注入；

（2）改善装置的功率因数与无功功率的补偿；

（3）滤波器最待安装拉杆的合理选择；

（4）电磁干扰的消除与电磁兼容性性；

（5）多种补偿功能一体化处理。

从某种意义上讲，电力谐波防治更主要的是针对供电系统的谐波源共同作用的结果，因此在用户端采服治理时，在公共连接点的谐波指标分配和滤波器安装的具体实施等问题要首先解决。其次，要加强抑制效果的检测和评估，准确的实时临界测形态质量这两方面的实施都会遇到很大困难和障碍。

3、国内外谐波研究工作的动态

3.1 共同关注的研究问题

（1）对换流器谐波源进行广泛深入的研究。如对PWM换流器提出了采用空间矢量泽使斯民产生谐波电量最小化的方法；对于不对称角发的AC/DC揣流器，提出了采用离散小信号模型的分析方法；

（2）在测量技术上提出了在不同谐波情况下，提出了谐波测量精度的方法研制了多通道谐波分析仪和电能质量测量仪等；

（3）在分析与计量技术方面，分析了电网参数变化、模型与原件参数的精度对谐波计算的影响；针对非稳态波形畸变，寻求新的数学方法，如今年发展较快的小波变换等；

（4）在滤波技术上，提出了时域/频域相结合的参数设计和修正方法；对无源与有源混合电路结构，研制了具有综合性能的新型电路线调节器。

3.2 目前更为关注的研究方向

（1）滤波抑措施，对无源与有源滤波混合方式的研究更加广泛和深入。认为混合滤波器可以低治理投资源、改善传统滤波器的技术性能，和未来抑制谐波的应用方向。

（2）电能质量测量和评估方法，对测量评估中涉及到一些电氖参数从新进行定义，继续提出新的测量方法和测量手段。

4、建议

在以下几个方面加强研究：

（1）有源电力滤波器检测算法和控制算法及新理论的研究；

（2）电力系统谐波补偿新型电力线调节器的方式的研究；

（3）有源与无源滤波混合方式补偿的研究；

（4）畸变波形的评估方法，谐波标准规范化和实用化的研究；

（5）各种电力电子装置和非线性负荷谐波特性的研究；

（6）电能测量临界测量方法和仪器；

（7）谐波潮流的计算和滤波器容量及最佳安装位置的设定；

（8）功率因数和波形校正器；

（9）PWM技术在改善波形质量上的作用；

（10）功率半导体材料技术的研究和开发。

5、结语

现代电力系统具有功率处理与控制的特点，与传统电力系统相比，由于大量电力电子装置的投入，造成了日益严重的谐波以污染问题综合治理已经迫在眉睫。谐波问题的研究涉及到许多相关学科，因此，必须努力加强在应用基础方面的研究工作，跟踪赶超世界发达国家在滤波以治理方面的先进技术，促进我国电力系统谐波综合治理的进程。