电力谐波

Power harmonic system and summary of development

摘要：谐波产生的根本原因是由于非线性负载。本文主要利用技术手段和管理手段，从源头上完善对客户端谐波问题的监管，减少谐波所带来的影响，保证电网的安全运行进行了分析。 Abstract: The root cause of harmonic is non-linear loads.This paper designs the use of technologies and management means. Analysis is based on the improvement of the client harmonic problem of supervision , harmonics from the source, reduce the effects of harmonic,and guarantee the network security operation.

关键词：客户端 谐波 危害 监管 治理

Keywords ： Client Harmonic Harm Supervision Governance 1 谐波的定义

谐波产生的根本原因是由于非线性负载。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶

(M．Fourier)分析原理证实，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。谐波可以I区分为偶次与奇次性，第3、5、7次编号的为奇次谐波，而2、14，6、8等为偶次谐波，如基波为50Hz时，2次谐波为lOOHz，3次谐波则是150Hz。一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。 2 谐波的危害

理想的电网所提供的电压，应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值，但当一用户设备产生较大谐波电流时，对电网是一种污染，它使本身设备所处的环境恶化，也对周围的用户和公共电网设备带来危害，大致有以下几个方面：

2.1 谐波使电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率（如电流谐波增加了电动机的铜耗、电压谐波增加了电动机的铁耗等）。大量的3次谐波流过中性线时会使线理路过热甚至发生火灾。

2.2 谐波影响各种电气设备的正常工作，谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波也会引致电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

2.3 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振从

而使谐波放大，这使上述2.1和2.2危害大大增加，甚至引起严重事故。

2.4 谐波会导致继电，保护和自动装置误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

2.5 干扰计算机系统正常工作，对电子线路设备造成不稳定工作状态，严重时以致无法正常工作，或因设置的参数波动较大，影响正常使用。

同时，因系统中谐波电流普遍存在，谐波电流造成的电气设备故障及受电设备故障与日俱增，对其潜在的危害，容易诱发事故，提高成本代价，对经济效益造成损失。据权威部门统计，在我国每年有近数百亿元的损失。种种迹象表明，谐波已逐渐成为影响电网稳定运行、劣化电能质量的潜在威胁。 3 谐波干扰实例

案例：鹤山某工厂自投产以来，在供电网正常供电的情况下发生多次设备自动跳闸故障，造成生产线非计划停运，给工厂带来重大的经济损失。为此，技术人员对厂内供电系统进行了故障分析和研究。根据工厂记录，导致停电事故的电网瞬间电压异常现象，但相邻的其他工厂同时段并没有出现相同跳闸故障。经过该厂的用电设备进行了统计和分析，发现该厂主要生产塑胶印刷制品，属于连续性生产企业，低压配电网中使用了大量变频调速电机，可能存在较为严重的谐波污染。

为此，在厂内低压供电系统设了6个监测点，包括两台专

用变压器的低压出线和四路馈线，接线图如图1－1： 通过连续的监测，发现6个监测点的电流波形顶部都出现了较大的畸变

电流波形的顶部产生了较大的畸变，波型呈明显的矩形波，表明电路中存在较多的非线形负载，受其影响电流产生的谐波波成份较多，波形也产生了严重的畸变，实测中峰值电流为4.55KA，电压在325V至-337V之间波动。

＃1号变压器出线电流总畸变率达到34.1%，远超出国家标准的5%。谐波分布主要为3、5、7、9、11次，可能对设备损造成严重冲击。谐波分量主要为高次谐波，谐波的产生使用电设备效率下降，产生能源浪费。

从上述的监测结果分析可知，其电网公共接入点谐波含量超标，从波型上看应该是典型的变频调速装置造成的。变频设备虽然会产生容性无功，可抵偿部分电感性动力设备的无功需求，但会产生大量的谐和波电流，同时该厂使用了大量的电子式节能灯具，此类灯具也会对系统产生大量的谐波污染。各类谐波在某瞬间叠加后可能会产生较明显的浪涌冲击，由于客户的设备大多数使用PLC（Programmable Logic Control的缩写，意思是可编程逻辑控制器，），当由于谐波引起的浪涌冲击严重影响了该电子模块的正常运行，出于设备的自动保护特性，出现设备停机的现象。

4 谐波的治理现状

4.1 客户谐波污染问题认识不足

我国1993年颁布GB/T14549《电能质量公用电网谐波》规定：注入公共连接点的谐波电流允许值的用户，必须安装电力谐波滤波器，以限制注入公用电网的谐波。《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流≤16安）》，要求购置的用电设备，经过试验证实，符合该标准限值才允许接入配电系统中。《电业营业规则》第5章第55条也明确规定：电网公共连接点电压正弦波畸变率和用户注入电网的谐波电流不得超过国家标准GB/T14549的规定。用户具有非线性阻抗特性的用电设备接入电网后运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点电压正弦波畸变超过标准时，用户必须采取措施予以消除。否则，供电企业可中止对其供电。

但在实际工作中，由于客户都对此认识不足，谐波治理工作往往被认为是供电部门的工作，使客户端的谐波问题一直得不到有效的控制。当供电部门提出要客户端进行数据监测时，往往很难得到客户的支持和配合。 4.2 缺乏有效的管理机制

尽管国家已经明确规定了，谐波治理依据“谁污染，谁治理”的原则。但由于缺乏有效的制约手段，在实际工作中，供电部门往往只能对有治理意愿的用户采取措施，用户处在谐波管理的主导地位，这使客户端谐波管理显得十分的被动。

同时，由于谐波治理往往需要投入较大的资金，这使谐波

治理面临着实际运作的困难，目前电网中大量用户中存在谐波源，但真正落实措施治理的却屈指可数。 4.3 缺乏有效的技术支持

谐波治理工作是一项专业性极强的工作，需要有专业力量去完成监测、分析和治理。而事实上，供电部门，尤其是基层供电单位，极度缺乏此类专业人才，造成谐波治理工作瓶项。 5 加强谐波治理的措施

谐波治理是个系统工程，谐波问题的解决需要供电部门、用户及设备制造商的协调合作。为了减轻和限制谐波的影响，可以从管理措施和技术措施方面加强对谐波治理。 5.1 管理措施

5.1.1 加强对谐波管理工作的常态化 供电部门必须把谐波管理纳入日常的生产管理中，通过制定《客户端谐波管理办法》，明确谐波管理的管理机构、管理方式、管理标准等主要方向，从制度上强化谐波监督管理。

5.1.2 加强对谐波治理队伍建设 由于谐波的产生复杂多样，专业性、技术性强，因此，必须建立专业的谐波治理队伍完成对客户端谐波的监测、分析和治理。对没有条件建设谐波治理专业队伍的，可以选择与社会上具有较强技术力量专业机构合作，完成对谐波管理技术支持。

5.1.3 建立设备准入制度 变频器、整流器的结构、型号各式各样，生产厂家亦良莠不齐，所以有必要建立供电系统的准入

制度，把设计落后的产品、达不到抑谐标准的设备拒于系统外。 5.1.4 建立良好的客户关系 用电客户作为谐波治理重要的参与力量，是谐波治理的基础。大力向用户宣传谐波的危害，争取用户的支持合作。可通过走访用户、举办电能质量讲座等形式，提高用户对电力系统的了解及电能质量问题的认识，建立双赢的供用电关系。 5.2 技术措施

5.2.1 改造整流设备的换流装置 对于改造整流设备的换流装置，采取特殊的接线方式或将相数较少的换流变压器联结成等效的多相形式，增加换流器相数，或利用相互间有一定移相角的换流变压器，有效的消除较大的低次谐波。

5.2.2 动态无功补偿装置（简称SVC装置） 对于中频炼钢炉、电弧炉、电力机车、卷扬机、轧机等用电负荷不稳定，变动频率较高的设备，不仅会产生较强的高次谐波，而且极易引起电业电压的波动和闪变。甚至造成系统三相严重的不平衡，严重影响电网的供电质量。采用SVC与谐波源并联，不仅有效的减少谐波量，而且具有抑制电压波动、闪变，增加系统阻尼，提高系统功率因数，保证电网质量的功能。

5.2.3 采取技术措施加强电容器管理 由于当频率增加时电容性电抗就减少的特性，电容器对供电电压的谐波分量特别敏感，即相对较小比例的谐波电压可以引起很大的电流流入电容回路。如果电容器组或电力系统所连接的电抗的自然频率接近与一

个特定的谐波，就会发生局部谐振，在这种情况下，增高的电流就会引起电容器的过热，可以采用以下的方法：①并联谐波滤波器或谐波抑制电抗器；②有源电力滤波器；③混和滤波器。 5.2.4 交流滤波装置能够有效的吸收谐波源所产生的谐波电流，降低谐波电压，是抑制谐波“污染”的有效措施之一。由于其一般由电容器、电抗器、电阻器等根据一定技术要求组合而成，因其结构简单，运行可靠，维护方便，一次性投资较少等特点而得到广泛应用。

6 谐波测量方法

6.1 傅里叶变换是检测谐波的常用方法，用于检测基波和整数次谐波。但是傅里叶变换会产生频谱混叠、频谱泄漏和栅栏效应。怎样减小这些影响是研究的主要任务，通过加适当的窗函数，选择适当的采样频率，或进行插值，尽量将上述影响减到最小。

6.1.1 延长周期法是在补零法的基础上，把在一个采样周期内采到的N个点扩展任何整数倍。他的表达式为： 与传统的补零法相比，既简化了步骤，又可以获得同样准确或更准确的频谱图。在达到同样的0.973 5分辨率情况下，测量起来步骤更简洁，而且频谱图更准确。

6.1.2 基于Hanning窗的插值FFT算法基于Hanning窗的电网谐波幅值、频率和相位的显示计算公式：

仿真结果证明，应用上述分析结果，电网谐波幅度、频率和相位的估计达到了预期的分析精度。其中，频率分析 精度可控制在0.01%以内，幅值分析精度可在0.5%以内，相位估计精度可达5%。而且随着采样长度的增加，估计精度还可进一步提高。本算法的不足之处是分析窗的宽度一般要达十几个信号周期，参数估计的实时性不够理想。另外，当信号中包含噪声时，如何提高参数估计准确度和精度还值得做进一步的研究 6.1.3改进的快速傅里叶算法是将基2分解和基4分解揉合在一起，而复数加法次数相同，另外将采样的2个实序列组合成复序列进行变换，将结果按公式转换为2个实序列的FFT变换结果。模拟试验表明，此种方法具有检测实时性好，测量精度高等优点。基于此种方法研制的16路电力谐波在线监视、分析装置，谐波测量精度达到2%。

6.1.4基波有功分量剔除法从傅里叶变换出发，通过检测负载电流基波有功分量来检测谐波和无功电流。有畸变电流：

其中：iL(t)为单相电路中非线性负荷电流，ifp为基波电流有功分量;A1为基波有功分量幅值。

该方法由于算法简单、所用器件少、适时性较高，不仅能适用于单相电路，而且也适用于三相四线制电路。 6.2基于瞬时无功功率理论的检测方法

瞬时无功功率理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测及不用储能元件实现谐波和无功补偿等问题，对治理谐波和研发无功补偿装置等起到了很大的推动作用。

6.2.1用Kaiser滑动时窗截取谐波电流信号[5]，通过对窗函数参数的选定，能实时检测出基波及各次谐波电流的正序和负序分量，尤其是对信号中谐波含有率较小的频率分量 有较高的检测精度。Kaiser窗函数的表达式为：

经过试验测量，选取β=8时，对信号中谐波含有率较小的频率分量的检测精度可与日置公司的谐波分析仪HIOKI3193达到一致或更好的精度。实际应用中，优化选择窗谱的主瓣宽度和旁瓣衰减的比例，以获得最佳的检测效果。对该方法利用Matlab建立仿真模型，并以检测7次正序电流分量为例，在研制的30 kVA有源电力滤波器中验证了有效性和实时性。 6.2.2数字化的实时检测方法

通过对影响谐波电流检测精度的因数进行分析，可以看出低通滤波器是影响计算精度的主要原因之一。本方法 用复化积分提高检测直流分量的计算精度，用Hamming窗消除直流分量检

测过程产生的频谱泄漏。该方法不仅能实时提供有源电力滤波器所需的电流补偿指令信号，还能以较高的精度检测基波和各次谐波电流的正序及负序分量有效值。仿真结果证明了该方法的正确性，并且检测精度可达0.3%以内，在研制的30 kVA有源电力滤波器中得到了成功的应用。该方法特别适合在DSP编程实现，不仅能提供APF所需的电流补偿指令信号，还能以较高的精度计算谐波电流的正序和负序分量有效值。该方法也同样适用于谐波电压检测。

6.3基于广义瞬时电流的方法

在三相四线制系统下，考虑零序电流分量的存在，选择并给出了αβO坐标系下广义瞬时电流的定义：

假设三相四线制电路中三相电压对称，将瞬时无功功率的补偿转换成对瞬时无功电流的补偿。将iαβO的瞬时有功电流分解成基波瞬时有功功率和包含因不对称引起的零序电流瞬时有功功率及高次谐波瞬时有功功率分量在内的电流两部分。并给出了该系统下谐波电流和无功功率补偿电路，基于此电路的仿真结果表明，该补偿方法能有效消除电流谐波及无功功率。 6.4基于神经网络的检测方法

将神经网络应用于谐波测量，主要涉及网络构建、样本的确定和算法的选择，目前已有一些研究成果。人工神经网络(ANN)

具有人脑的某些功能特征，可以用来解决模式识别与人工智能中用传统方法难以解决的问题。 参考文献

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