浅谈电力系统的谐波电流及应用

摘要　简要介绍了工厂供电系统中的谐波电流及其计算方法。并在此基础上分析了电力有源滤波器的原理及谐波电流的抑制。

关键词　谐波电流：有源滤波器：工厂电系统

随着电力电子技术的不断发展。越来越多的大容量可控硅整流设备、各种变流器和变频器在工业生产中被广泛应用。这些非线性负载一方面向电网注入谐波电流。另一方面又是工厂供电系统中的终端用户。因此。可有效地就地抑制谐波电流，以减小其对整个电力系统造成的危害，具有十分重要的意义。

1　谐波定义

供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解。除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值(n=fn／f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2≤n≤40。

2　谐波源

向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源。例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备。例如晶闸管电路供电的直流提升机、交一交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关。故可视为恒流源。

各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形成有关，称为电路的特征谐波。对称三相变流电路的网侧特征谐波次数为：

n=kp±1　k=1、2、3…(正整数)

式中p为一个电网周期内脉冲触发次数(或称脉动次数)。除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，如5，7，11，13次等。

当电网接有多个谐波源时。由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同。其和将小于各分量的算术和。

变压器激磁电流中含有3，5，7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法。为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相激磁电流不平衡时，可使3次谐波的残余分量(最多可达20％)进入电网。

3　谐波限值

为使电网谐波电压保持在允许值以下，必须限制谐波源注入电网的谐波电流量。大多数工业发达国家相继制定了电网谐波管理的标准或规定。谐波管理标准的制定是基于电磁相容性的原则，即在一个共同的电磁环境中，电气设备既能正常工作，又不得过量地干扰这个环境

我国已于1993年颁布了限制电力系统谐波的国家标准《电能质量：公用电网谐波》，规定了公用电网谐波电压限值和用户向公用电网注入谐波电流的允许值。

电压或电流的正弦波形受谐波影响而畸变的程度用谐波电压或电流含有率表示：

HRVn=(Un/U1)100％

HRIn=(In/11)100％式中Un、In为第n次谐波电压、电流有效值；

U1、I1为基波电压、电流有效值。

4　谐波危害

谐波增加电气设备的热损耗。干扰其功能甚至引发故障。另外谐波可对信息系统产生频率藕合干扰。

1)电动机

谐波电压在电动机短路阻抗上产生的谐波电流和电动机负序基波电流I―起使设备产生附加热损耗，并且在电动机起动时容易发展成干扰力矩。谐波电流和负序基波电流有效值之和一般不得大于电动机额定电流Ie的5％－10％。

如果电动机不是按额定功率连续运行，可以允许短时超出上述限值。

2)电容器

谐波可使电容器过流发热。

有关规程规定电容器长期工作电流不得超过1.3倍额定电流(Ie=1CUn)。位于谐波源附近的电容器或者滤波电容器通常按较高的电流有效值特殊制造。

3)电子装置

谐波电压可使晶闸管触发装置发生触发错误，甚至导致设备故障。谐波也会对电网音频控制系统和计算机产和不良影响。

4)通讯系统

在2.5kHz以下导线间电感电容藕合作用随频率呈近似线性上升，特别是较高次谐波会对通讯及信息处理设备产生干扰。

在工厂供电系统中，一般设置无源滤波器来抑制谐波电流，由于滤波器中的电容器组成本较高。而且转折频率确定较为粗糙。因此滤波效果并不十分理想。电力有源滤波器作为一种用于动态抑制谐波电流和补偿无功功率的新型电力电子装置，它可以对大小、频率都在变化的谐波电流和变化的无功功率进行补偿。因此，有源滤波器具有良好的滤波效果。

最后通过由控制板、A/D板、I/O接口板、键盘，显示板、电源板及PWM逆变器主电路、驱动电路、保护电路、谐波源电路等组成的电力有源滤波器进行实验及数据的分析，当Rh=2时，滤波效果比较好。电流波形已接近正弦波。在整个控制过程中，必须实时检测谐波电流并控制逆变器。使之输出等效阻抗对基波阻抗为零而对谐波呈一定的阻抗，同时由于串联有源滤波器仅承受谐波电压。因此容量较小，适合于对大容量的谐波源进行补偿。

综上所述。供电系统中的有源滤波器可有效地抑制谐波电流。是工业生产中广泛应用的行之有效的措施之一。