电力系统谐波范文（精选12篇）

电力系统谐波 第1篇

由于电力系统中大量非线性设备的存在,导致它们在工作时不仅会产生基波频率的整数次谐波,还可能产生基波频率的非整次谐波,即间谐波,这会对电能造成严重的污染,增加能量损失,威胁电力设备的安全运行[1,2,3,4]。因此,谐波和间谐波的分析对于电力系统的监控与保护都具有十分重要的意义。

传统的正交小波包变换在电力系统谐波分析与检测中有着广泛的应用。但是由于小波包变换固有的性质,如小波包变换的混叠现象比小波变换的混叠现象更为直观形象,其影响也比小波变换严重,这主要是由于分解滤波器之间存在频带混叠现象,小波频谱的起始频率和截止频率之间存在过渡带[5]。谐波小波变换是一种基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)及其逆变换(Inverse Fast Fourier Transform,IFFT)的快速算法,在数值上容易实现,其算法快,精度高,具有很好的工程实用价值[6,7,8]。通常的小波算法(如Mallat算法,Daubechies小波)在分解信号时要隔二取一,从而使得在小波分解时各层的数据点数和采样频率随尺度的增加逐渐减小。谐波小波相对于传统的小波函数而言,具有更普遍意义上的正交性以及优异的视频分解能力,其明显优势就是信号任意频段的“细化”能力,虽然它在时域中的局部化能力一般,但在频域分析中对精度有特殊要求的场合,这种优势就非常符合需求[9,10]。

1 谐波小波分析

1.1 经典谐波小波

设时域函数he(t)和ho(t)的傅里叶变换所对应的频域函数为$\widehat{{\rm H}}$e(ω)和$\widehat{{\rm H}}$o(ω),它们的表达式见式(1)[11]:

$\begin{array}{l}\widehat{{\rm H}}{}_{\text{e}}(\omega )=\{\begin{array}{l}1/(4\text{π}),\omega \in [-4\text{π},-2\text{π}]{\displaystyle \cup [}2\text{π},4\text{π}]\\ 0,\text{其}\text{他}\end{array}\\ \widehat{{\rm H}}{}_{\text{o}}(\omega )=\{\begin{array}{l}\text{i}/(4\text{π}),\omega \in [-4\text{π},-2\text{π}]\\ -\text{i}/(4\text{π}),\omega \in [2\text{π},4\text{π}]\\ 0,\text{其}\text{他}\end{array}\end{array}(1)$

式中:下标e和o分别表示该函数是变量ω的偶函数和奇函数。

将频域函数$\widehat{{\rm H}}$e(ω)和$\widehat{{\rm H}}$o(ω)组成复合函数$\widehat{{\rm H}}$(ω),可得:

$\widehat{{\rm H}}(\omega )=\widehat{{\rm H}}{}_{\text{e}}(\omega )+\text{i}\widehat{{\rm H}}{}_{\text{o}}(\omega )=\{\begin{array}{l}1/(2\text{π}),\omega \in [2\text{π},4\text{π}]\\ 0,\text{其}\text{他}\end{array}(2)$

$\widehat{{\rm H}}$(ω)具有良好的紧支撑特性和盒形特征。对式(1)作广义的傅里叶逆变换(忽略系数1/(2π)),可得:

$\{\begin{array}{l}h{}_{\text{e}}(t)={\displaystyle {\int }_{-\infty }^{\infty }\widehat{{\rm H}}}{}_{\text{e}}(\omega )\exp (\text{i}\omega t)\text{d}\omega =\frac{\sin (4\text{π}t)-\sin (2\text{π}t)}{2\text{π}t}\\ h{}_{\text{o}}(t)={\displaystyle {\int }_{-\infty }^{\infty }\widehat{{\rm H}}}{}_{\text{o}}(\omega )\exp (\text{i}\omega t)\text{d}\omega =\frac{\cos (2\text{π}t)-\cos (4\text{π}t)}{2\text{π}t}\end{array}(3)$

将时域函数he(t)和ho(t)组成复合函数h(t),可得:

$h(t)=h{}_{\text{e}}(t)+\text{i}h{}_{\text{o}}(t)=\frac{\exp (\text{i}4\text{π}t)-\exp (\text{i}2\text{π}t)}{\text{i}2\text{π}t}(4)$

由此定义的复合函数h(t)称为谐波小波函数,亦称为经典谐波小波或二进谐波小波,其实部he(t)和虚部ho(t)的波形如图1所示。

由图1可以看出,谐波小波h(t)是由相差90°的实部偶小波和虚部奇小波构成。虚部奇小波所构成的滤波器都是零相移滤波器,具有锁定信号相位的功能。它在时域上的衰减速度较慢(与时间t成反比),导致其时域局部化特性较弱。

为了获得谐波小波h(t)的二进伸缩平移系,令:

$t=2{}^{j}t-k(5)$

式中:j为非负整数;k为整数。

把式(5)代入式(4),可得:

$h(2{}^{j}t-k)=\frac{\exp [\text{i}4\text{π}(2{}^{j}t-k)]-\exp [\text{i}2\text{π}(2{}^{j}t-k)]}{\text{i}2\text{π}(2{}^{j}t-k)}(6)$

在式(6)中,小波的形状没有改变,只是在水平尺度上被压缩了2j,并且位置在新的尺度上被平移了k个单位,这与二进小波变换的形式是一致的。其j值决定谐波小波的尺度或层数。例如当j=0时,谐波小波的傅里叶变换位于[2π,4π]频带中;若在第j层时,则谐波小波的傅里叶变换位于[2j+1π,2j+2π]频带之间。即随着j值的增大,其频谱的带宽以二进方式逐渐加大。谐波小波对信号的分解从低频到高频是以2倍的关系逐渐增加的,它对信号的低频部分划分比较细,而对信号的高频部分划分比较粗,这说明经典谐波小波分解也属于二进小波分解的范畴。

1.2 谐波小波的改进

为了使分析频带的选取更为灵活,不受二进方式的限制,对经典谐波小波加以改进,拓宽谐波小波的概念及应用范围。引入正整数m=2j,n=2j+1(m<n),把m,n代入式(4),并通过伸缩平移生成的谐波小波族为:

$\Psi {}_{m,n}(t)=\frac{\exp (\text{i}n2\text{π}t)-\exp (\text{i}m2\text{π}t)}{\text{i}2\text{π}(n-m)t}(7)$

其频域表达式为:

$\widehat{\Psi }{}_{m,n}(\omega )=F[\Psi {}_{m,n}(t)]=\{\begin{array}{l}\frac{1}{2\text{π}(n-m)},\omega \in [2\text{π}m,2\text{π}n]\\ 0,\text{其}\text{他}\end{array}(8)$

由式(7)可以看出,实际上m,n既可以取正整数,也可以取负整数,这样它们之间就不必满足n=2m这一条件的限制(二进限制),只要保证m<n即可,这就使得谐波小波在分析频带的选取上具有更大的灵活性。这就是改进的谐波小波相对于经典谐波小波的一个明显优势。

若给定谐波小波的位移步长为k/(n-m),k为整数,对式(7)进行平移变换可得:

$\begin{array}{l}\Psi {}_{m,n}\left(t-\frac{k}{n-m}\right)=\\ \frac{\exp \left[\text{i}n2\text{π}\left(t-\frac{k}{n-m}\right)\right]-\exp \left[\text{i}m2\text{π}\left(t-\frac{k}{n-m}\right)\right]}{\text{i}2\text{π}(n-m)\left(t-\frac{k}{n-m}\right)}(9)\end{array}$

其频域表达式为:

$\begin{array}{l}\widehat{\Psi }{}_{m,n}[(n-m)\omega ]=F\left[\Psi {}_{m,n}\left(t-\frac{k}{n-m}\right)\right]=\\ \{\begin{array}{l}\frac{1}{2\text{π}(n-m)}\exp \left(-\text{j}\omega \frac{k}{n-m}\right),\omega \in [2\text{π}m,2\text{π}n]\\ 0,\text{其}\text{他}\end{array}(10)\end{array}$

由此可见,式(10)是分析频率带宽为(n-m)2π,分析时间中心在t=k/(n-m)处的谐波小波一般表达式。文献[12]证明了谐波小波族Ψm,n(t)是一个正交的解析信号,它构成了空间L2(R)的一组正交基[13]。

1.3 谐波小波包

由式(9)可知,谐波小波的关键在于尺度参数m,n的选取。令信号的奈奎斯特频率为fs,则第j(j为非负整数)层各小波的分析频率带宽为:

$B=f{}_s/2{}^{j+1}(11)$

这样可以设定分析频带的上、下限频率分别为:

$\{\begin{array}{l}m=rB,\\ n=(r+1)B,\end{array}r=0,1,2,\cdots ,2{}^j-1(12)$

随着分解层数j的逐渐增大,可以体现出谐波小波包对信号任意频段的“细化”能力。如果要对信号的某一频段进行重点分析,则先由式(11)确定信号的分解层数j,再由式(12)确定所要分析频带的上、下限频率,也就是定义谐波小波的尺度参数m,n。

由于谐波小波没有尺度函数,因此谐波小波包的思想与传统的小波包理论有所不同,不能采用正交滤波器组对信号进行频带分解[14]。由式(9)可知,谐波小波具有可调的尺度参数m,n,对在不同频带的信号进行分解时采用不同的m,n,这样就可以将谐波小波良好的滤波效果应用到谐波小波包的分析中。信号经过小波包分解后,在各个频带中的信号仍具有与原始信号相同的频率分辨率,而且分解后信号的数据长度并没有减少,这克服了Mallat算法的小波包分解带来数据长度减少的问题。由于小波滤波器不具有理想“盒形”的频谱特性,起始频率和截止频率之间存在过渡带,这导致在信号的分解过程中往往会发生频带间的能量冗余,造成误差,而谐波小波包滤波器则完全可以克服以上问题。具体方法是首先得到待分析信号的频谱,确定谱线的频点数值,然后根据预设的窗宽来确定尺度参数。

2 谐波小波变换及算法

2.1 谐波小波变换

根据小波变换的定义,对某一尺度的小波函数Ψm,n(t),信号x(t)∈L2(R)的小波变换可表示为[15]:

$W(t)={\displaystyle {\int }_{-\infty }^{\infty }x}(\tau )\Psi {}_{m,n}^{*}(t-\tau )\text{d}\tau (13)$

信号x(t)的谐波小波变换为:

$W(m,n,k)=(n-m){\displaystyle {\int }_{-\infty }^{\infty }x}(t)\Psi {}_{m,n}^{*}\left(t-\frac{k}{n-m}\right)\text{d}t(14)$

对式(14)进行Fourier变换,可得:

$\widehat{W}(m,n,\omega )=\widehat{X}(\omega )\widehat{\Psi }{}_{m,n}^{*}[(n-m)\omega ](15)$

式(14)和式(15)分别称作信号x(t)在m,n尺度下的时域和频域的谐波小波变换表达式。

对于离散信号序列x(r),r=0,1,2,,N-1,其谐波小波变换为:

$W(m,n,k)=\frac{n-m}{{\rm N}}{\displaystyle \sum _{r=0}^{{\rm N}-1}x}(r)\Psi {}_{m,n}^{*}\left(r-\frac{k}{n-m}\right)(16)$

由式(13)～式(16)可以看出,信号的谐波小波变换非常简洁,容易实现。同时,由于谐波小波对信号各次谐波分量的相位有保持功能,所以对信号进行谐波小波分解后,也可以对信号进行重构,从而实现信号的滤波和降噪。

2.2 谐波小波算法

首先对谐波源信号x(t)进行FFT运算,对变换得到的结果$\widehat{X}$(ω)进行频率搜索,以确定谐波小波的尺度参数mj,nj,进而确定谐波小波函数hmj,nj(t),然后将谐波小波函数hmj,nj(t)进行FFT运算的结果$\widehat{{\rm H}}$mj,nj(ω)与$\widehat{X}$(ω)相乘,再对其相乘的结果$\widehat{W}$(mj,nj,ω)进行IFFT运算,通过对时域的小波系数W(mj,nj,t)进行重构,得到各次谐波和间谐波的瞬时值,最后利用最小二乘法对各频率分量进行拟合,得到谐波小波分析的结果,其流程图如图2所示。

3 仿真实验与结果分析

为了更好地验证谐波小波算法在电力系统谐波与间谐波分析中的有效性,进行如下的仿真实验。

设电网中的谐波源信号为:

$u(t)={\displaystyle \sum _{i=1}^{6}A}{}_i\sin 2\text{π}f{}_i+e(t)(17)$

式中:基波频率为50 Hz,并且含有3,5,7,9次谐波和频率为75 Hz(基波频率的1.5倍)的间谐波共6个频率分量以及随机噪声e(t),具体的参数设置如表1所示。

设采样频率fs=1 250 Hz,采样点数N=1 024。利用谐波小波变换(Harmonic Wavelet Transform,HWT)对谐波源信号u(t)进行分解,通过Matlab仿真得到分解后各频率分量的波形如图3所示。

由图3可以看出,谐波源中的各次谐波和间谐波分量被分解到了不同的频带中,这表明利用谐波小波算法来实现电力系统谐波和间谐波信号的分离是完全有效的。下一步需要对分解出的各个频带分量进行参数提取,以计算出各次谐波的频率和幅值。

最小二乘法拟合是一个基于全局观念的拟合方法,针对某一样本数据集合,利用该方法可以求得该集合中的主流趋势。利用最小二乘法对6个频带内的谐波和间谐波分量进行拟合,并且定义频率和幅度的误差率分别为:

$\begin{array}{l}\delta {}_f=(f{}_i^{´}-f{}_i)/f{}_i(18)\\ \delta {}_A=(A{}_i^{´}-A{}_i/A{}_i(19)\end{array}$

其计算结果如表2所示。

由表2可以看出,利用HWT法分解并拟合出的各次谐波频率的误差率在10-4数量级,幅度的误差率在10-2数量级,完全符合谐波分析的精度要求。由此可见,HWT法在谐波频率和幅值的检测中具有非常明显的优势。

4 结 语

将谐波小波引入电力系统的谐波分析中,首先阐述了经典谐波小波及其改进及谐波小波包的概念,接着利用推导出的谐波小波算法对电网中的谐波源信号进行谐波参数提取。仿真结果表明,谐波小波变换可以快速有效地对电力系统中的电压谐波以及间谐波进行检测,并能准确地分解出各次谐波分量。可以预计,随着谐波小波理论的不断发展和完善,谐波小波变换必将在电力系统间的谐波分析中发挥更大作用。

摘要：电力系统中的谐波对电网危害巨大,对其进行监测和分析就显得非常重要。在谐波小波以及谐波小波包的基础上,提出谐波小波变换的表达式以及谐波小波算法,给出电力系统谐波分析的仿真示例。仿真结果表明,利用谐波小波变换分解,并通过最小二乘法拟合出的各次谐波频率和幅度的误差率完全符合谐波分析的精度要求。在电力系统谐波的分析中,谐波小波算法具有其他算法无可比拟的优越性。

电力系统谐波检测和治理论文 第2篇

关键字：电力谐波检测治理

前言

随着我国工业化进程的迅猛发展，电网装机容量不断加大，电网中电力电子元件的使用也越来越多，致使大量的谐波电流注入电网，造成正弦波畸变，电能质量下降，不但对电力系统的一些重要设备产生重大影响，对广大用户也产生了严重危害。目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害，因而了解谐波产生的机理，研究和清除供配电系统中的高次谐波，对改于供电质量、确保电力系统安全、经济运行都有着十分重要的意义。

一、电力系统谐波危害

①谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，严重的甚至可能引发火灾。

②谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变质，设备寿命缩减，直至最终损坏。

③谐波会引起电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。

④谐波会导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和损失。

⑤谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来直接的经济损失。

⑥谐波会对设备附近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量;重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

⑦谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。

⑧谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能，造成噪声干扰和图像紊乱。

二、谐波检测方法

1.模拟电路

消除谐波的方法很多，即有主动型，又有被动型；既有无源的，也有有源的，还有混合型的，目前较为先进的是采用有源电力滤波器。但由于其检测环节多采用模拟电路，因而造价较高，且由于模拟带通滤波器对频率和温度的变化非常敏感，故使其基波幅值误差很难控制在10%以内，严重影响了有源滤波器的控制性能。近年来，人工神经网络的研究取得了较大进展，由于神经元有自适应和自学习能力，且结构简单，输入输出关系明了，因此可用神经元替代自适应滤波器，再用一对与基波频率相同，相位相差90度的正弦向量作为神经元的输入。由神经元先得到基波电流，然后检测出应补偿的电流，从而完成谐波电流的检测。但人工神经网络的硬件目前还是一个比较薄弱的环节，限制了其应用范围。

2.傅立叶变换

利用傅立叶变换可在数字域进行谐波检测，电力系统的谐波分析，目前大都是通过该方法实现的，离散傅立叶变换所需要处理的是经过采样和A/D转换得到的数字信号，设待测信号为x(t)，采样间隔为t秒，采样频率=1/t满足采样定理，即大于信号最高频率分量的2倍，则采样信号为x(nt)，并且采样信号总是有限长度的，即n=0，1……N-1。这相当于对无限长的信号做了截断，因而造成了傅立叶变换的泄露现象，产生误差。此外，对于离散傅立叶变换来说，如果不是整数周期采样，那么即使信号只含有单一频率，离散傅立叶变换也不可能求出信号的准确参数，因而出现栅栏效应。通过加窗可以减小泄露现象的影响。

3.小波变换

小波变换已广泛应用于信号分析、语音识别与合成、自动控制、图象处理与分析等领域。电力谐波是由各种频率成分合成的、随机的、出现和消失都非常突然的信号，在应用离散傅立叶变换进行处理受到局限的情况下，可充分发挥小波变换的优势。即对谐波采样离散后，利用小波变换对数字信号进行处理，从而实现对谐波的精确测定。小波可以看作是一个双窗函数，对一信号进行小波变换相当于从这一时频窗内的信息提取信号。对于检测高频信息，时窗变窄，可对信号的高频分量做细致的观测；对于分析低频信息，这时时窗自动变宽，可对信号的低频分量做概貌分析。所以小波变换具有自动“调焦”性。其次，小波变换是按频带而不是按频点的方式处理频域信息，因此信号频率的微小波动不会对处理产生很大的影响，并不要求对信号进行整周期采样。另外，由小波变换的时间局部可知，在信号的局部发生波动时，不会象傅立叶变换那样把影响扩散到整个频谱，而只改变当时一小段时间的频谱分布，因此，采用小波变换可以跟踪时变和暂态信号。

三、电力系统谐波治理

限于篇幅问题，本文在此只介绍基于改造谐波源本身的谐波抑制方法，基于改造谐波源本身的谐波抑制方法一般有以下几种。

(1)增加整流变压器二次侧整流的相数

对于带有整流元件的设备，尽量增加整流的相数或脉动数，可以较好地消除低次特征谐波，该措施可减少谐波源产生的谐波含量，一般在工程设计中予以考虑。因为整流器是供电系统中的主要谐波源之一，其在交流侧所产生的高次谐波为tK1次谐波，即整流装置从6脉动谐波次数为n=6K1，如果增加到12脉动时，其谐波次数为n=12K1(其中K为正整数)，这样就可以消除5、7等次谐波，因此增加整流的相数或脉动数，可有效地抑制低次谐波。不过，这种方法虽然在理论上可以实现，但是在实际应用中的投资过大，在技术上对消除谐波并不十分有效，该方法多用于大容量的整流装置负载。

(2)整流变压器采用Y/或/Y接线

该方法可抑制3的倍数次的高次谐波，以整流变压器采用/Y接线形式为例说明其原理，当高次谐波电流从晶闸管反串到变压器副边绕组内时，其中3的倍数次高次谐波电流无路可通，所以自然就被抑制而不存在。但将导致铁心内出现3的倍数次高次谐波磁通(三相相位一致)，而该磁通将在变压器原边绕组内产生3的倍数次高次谐波电动势，从而产生3的倍数次的高次谐波电流。因为它们相位一致，只能在形绕组内产生环流，将能量消耗在绕组的电阻中，故原边绕组端子上不会出现3的倍数次的高次谐波电动势。从以上分析可以看出，三相晶闸管整流装置的整流变压器采用这种接线形式时，谐波源产生的3n(n是正整数)次谐波激磁电流在接线绕组内形成环流，不致使谐波注入公共电网。这种接线形式的优点是可以自然消除3的整数倍次的谐波，是抑制高次谐波的最基本方法，该方法也多用于大容量的整流装置负载。

(3)尽量选用高功率因数的整流器

采用整流器的多重化来减少谐波是一种传统方法，用该方法构成的整流器还不足以称之为高功率因数整流器。高功率因数整流器是一种通过对整流器本身进行改造，使其尽量不产生谐波，其电流和电压同相位的组合装置，这种整流器可以被称为单位功率因数变流器(UPFC)。该方法只能在设备设计过程中加以注意，从而得到实践中的谐波抑制效果。

(4)整流电路的多重化

整流电路的多重化，即将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦波，但其电路也越复杂，因此该方法一般只用于大容量场合。另外，该方法不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可以减少直流输出电压中的谐波幅值，并提高纹波频率。如果把上述方法与PWM技术配合使用，则会产生很好的谐波抑制效果。该方法用于桥式整流电路中，以减少输入电流的谐波。

当然，除了基于改造谐波源本身的谐波抑制方法，还有基于谐波补偿装置功能的谐波抑制方法，它包括加装无源滤波器、加装有源滤波器、装设静止无功补偿装置(SVC)等等，在此就不再详细论述。

随着现代信息技术，计算机技术和电子技术的发展，电能质量问题已越来越引起用户和供电部门的重视。应用先进的电能质量测试仪器不仅能大大提高电能质量的监测

与治理水平，同时还可建立先进可靠的电能质量监测网络，及时分析和反映电网的电能质量水平，找出电网中造成电能质量谐波及故障的原因，采取相应的措施，为保证电网的安全、稳定、经济运行提供重要的保障。

参考文献：

电能质量－公用电网谐波 GB／T14549-1993[J]

吕润馀．电力系统高次谐波．[M]．北京：中国电力出版社，1998

浅谈电力系统谐波 第3篇

【关键词】电力谐波；谐波危害；谐波治理

随着电力电子技术的发展，电力系统中增加了大量的非线性负荷，由其产生的高次谐波的危害对电力系统安全带来的极大影响。因此，有效地治理谐波就成为输配电技术中迫切需要解决的一个问题。

一、谐波产生的原因

所谓谐波，即理想的电力系统向用户提供的应该是一个恒定工频的正弦波形电压，但是由于各种原因，使这种理想状态在实际中无法存在。因此通过对周期性电压或电流的傅立叶分解，所得到的频率为基波整数倍分量的含有量，称为谐波。谐波是一个非正弦周期量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。其周期为T=2∏/W的非正弦电压U(W)t。

电网的谐波源可分为谐波电压源和谐波电流源两种，发、变电设备一般为谐波电压源；而变流装置、电弧炉和电抗器等为谐波电流源。电力电网中的谐波产生主要源于各种非线性用电负荷，谐波主要由谐波电流源产生，当正弦基波电压施加于非线性设备时，设备吸收的电流与施加的电压波形不同，且与所加的电压不呈线性关系，电流因而发生畸变，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。非线性设备是主要的谐波源。当前,电力系统的谐波源主要有三大类。

1.铁磁饱和型:各种铁芯设备,如变压器、电抗器等,其铁磁饱和特性呈现非线性。由于铁芯的饱和，使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁芯的饱和程度越高，谐波电流也就越大。主要谐波为3、5、7次。

2.电子开关型:主要为各种交直流换流装置(整流器、逆变器)以及双向晶闸管可控开关设备等,在化工、冶金、矿山、电气铁道等大量工矿企业以及家用电器中广泛使用。晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。

3.电弧型:各种冶炼电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间,其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性,使电流不规则的波动。其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随机变化的伏安特性。对于电力系统三相供电来说,有三相平衡和三相不平衡的非线性特性。后者,如电气铁道、电弧炉以及由低压供电的单相家用电器等,而电气铁道是当前中压供电系统中典型的三相不平衡谐波源。主要谐波为2、3、4、5、7次。

二、谐波对电网的危害

谐波的污染和危害主要表现在对电力与信号的干扰和影响上。主要表现在以下方面：

1.对电力电容器的危害。由于电容器的容抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变比谐波电压的波形畸变大得多，即使电压中谐波电压所占比例不大，也会产生明显的谐波电流。特别是在产生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流，从而导致电容器因过流而损坏。

2.增加变压器的损耗。变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时使铁耗相应增加。特别是３次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对Ｙ形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的３次谐波电流会使中性线发热。增大变压器绕组和铁芯的损耗，降低电网电压，降低变压器的实际使用容量。谐波还导致变压器噪声增大，使变压器出现过热，缩短使用寿命。

3.影响继电保护装置的可靠性。谐波能够改变保护继电器的动作特性，当有谐波畸变时，谐波对过电流、欠电压、距离、频率、等继电器均会引起拒动和误动。保护装置失灵和动作不稳定。

4.增加输电线路功耗。如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。

5.引起电力测量的误差。谐波会使电气测量仪表测量不准确，造成计量误差。

三、谐波的治理

谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为几波频率的整数倍。目前滤波方式有很多种，主要有两种：（1）无源滤波器治理，即在电网上并联无源调谐滤波器组；（2）有源滤波器治理，即在电网上并联电力有源滤波器等。

1.装设无源滤波器

1）无源滤波器也称为LC调谐滤波器，原理是由电容器和电抗器串联而成，设定电感和电容的值，将其设计为某频率下极小阻抗,,对相应频率谐波电流进行清除。滤波器相当于短路，此次谐波通过，而其他波不能通过，完成滤波。避免其流入系统。目前主要技术方案有分组投切调谐电容器组、静止无功补偿器（SVC）两种。

2）采用无源滤波器治理谐波是一个非常普遍和基本的方法。技术成熟，价格低廉。但滤波效果不很理想。只能抑制固定的几次谐波，由于电网中的复杂化和非线性负荷的增多，不仅谐波含量波动比较明显，谐波成分也变得多样化，包括了偶次谐波和更高次谐波。而无源滤波器设置好参数就基本不能再变。另外，无源滤波还会产生谐振问题，电网处于谐振状态或接近状态时，谐波将被大幅度的放大，引起事故。

2.装设有源滤波器

1）有源滤波器（APF）：基本工作原理为检测电路检测出补偿对象的电压和电流后，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流及无功电流相抵消，最终得到期望的电源电流。保证电源侧的负载电流为正弦波。

2）有源滤波以实时监测的谐波电流为补偿对象，补偿效果和通用性良好。能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，无谐波放大危险，相对体积重量较小。已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段。

四、实例分析

某变电站上级220kV变电站带有铁路机车的牵引变电站，铁路机车的牵引变电站产生的谐波电流及负序分量，造成变电站电能质量恶化。2010年在变电站试运行谐波治理装置MARS，MARS系统主要由断路器、谐波变压器、MARS装置组成。MARS装置利用双桥PWM技术实现的电流发生器，是有源滤波器。MARS装置投运前后对主变低压侧各次谐波电流进行测试，运行方式为：1#主变、2#主变投运，3#主变备用，35kV母线并列运行，各35kV变电站均采用分列运行方式。测试数据如下：

根据上述数据对比显示，1#主变低压侧，2、3、5、7、9、13和15次谐波电流均已超过国家标准，在MARS投运之后，经过一期调试，系统电压不平衡度、电压总谐波畸变率和各次电流谐波情况较MARS投运之前都有了较为明显的改善。1#主变低压侧2、3、5、7、13和15次谐波电流，得到了明显的抑制，均在国家标准要求限值之内。

五、结语

综上所述，谐波已成为电能质量另一个重要指标，因此，无论是从保障电力系统安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制值允许范围内，已成為迫切的问题之一，研究电网谐波问题具有十分重要的意义。

参考文献

[1]德拉罗萨著,赵琰,孙秋野译.电力系统谐波.机械工业出版社,2009.

[2]中华人民共和国能源部.进网作业电工培训教材.沈阳:辽宁科学技术出版社,2006.

电力系统谐波 第4篇

离散傅里叶变换DFT(Discrete Fourier Transform)和快速傅里叶变换FFT(Fast Fourier Transform)是分析谐波、间谐波的主要工具。由于信号分析时被截断,对应频域就存在频谱泄漏和栅栏效应;当信号中各分量的频率与傅里叶变换的离散频点对应时,信号中各分量的检测误差为零。但实际往往满足不了上述要求,主要有两个原因:(1)电网频率的波动导致采样对谐波不同步。(2)即使采样同步,若信号中存在间谐波分量,谐波和间谐波之间,各个间谐波分量之间的频谱干扰依然存在。针对上述问题,目前主要采用加窗插值[1~11]手段来修正谐波、间谐波参数,但是此类方法的采样窗口长度一般要二十个周期以上,不能满足IEC61000-4-7的推荐标准(十个基波周期),且要预先知道间谐波的频率分布估计值,同步采样条件下得到的谐波参数也是不准确的。

现在对谐波的采样同步化问题可以通过锁相环或时域插值技术[12~14]解决,这方面已经比较容易实现;目前的关键问题是如何抑制谐波和间谐波之间以及各间谐波之间的频谱干扰问题。文献[15]提出了一种同步采样下基于时域平均TDA(Time Domain Averaging)的谐波间谐波检测方法[14,15],该方法大大抑制了谐波和间谐波的频谱干扰,特别是在间谐波的频率分布估计上有着较大的优势。但是此方法有如下缺陷:(1)间谐波对谐波在频谱上仍有干扰,其计算所得谐波参数与直接DFT/FFT所得谐波参数完全相等。(2)未考虑到间谐波分量较多时,各个间谐波之间的频谱干扰;因此通过CZT(Chirp Z transform)或补零法得到的间谐波参数仍会有较大误差。

本文以同步采样下谐波和间谐波的频谱干扰为出发点,研究了它们在频谱上的相互关系。提出分两步分别进行谐波和间谐波的检测。对于谐波,利用同步采样下谐波频谱在非整数次谐波频点上的值为零这一特点,提出邻近谱线抵消法抑制间谐波对谐波频谱的干扰。对于间谐波,其时域信号对应TDA后的差分信号,考虑到各间谐波频谱之间的相互干扰,通过加Rife-Vincent(Ⅲ)窗[9]插值修正各分量的频率、幅值和相位;当某一个间谐波频率与某一谐波频率较为接近时,提出加窗TDA的方法抑制拟谐波偏差信号的主瓣对间谐波的影响,并指出在间谐波DTFT主瓣对谐波频点没有影响的前提下,优先选择旁瓣跌落较快的窗函数。通过仿真分析证明了此方法的有效性,优越性和可行性。

1 谐波间谐波之间的频谱干扰

考虑信号:

对上述信号进行离散化,并通过长度为wT的矩形窗对其进行截断处理。得到:

其中:Δt=1/fs为采样周期,fs为采样频率,fp为谐波或间谐波频率,M为采样窗口对应的基波周期数,N为每周波采样点数。

信号x[k]的离散时间傅里叶变换(DTFT)为:

其中:Ω=2πfΔt,其DFT为:

对方程(3)和方程(4)进行比较,立即可得到:

忽略负频率频谱的影响,DFT结果X[n]和DTFT结果X(ejΩ)表示如下:

X(ejΩ)在任何频率点的值都是信号中各个分量在此点对应的值的叠加,从而各个分量之间的频谱干扰就会发生。

1.1 间谐波对谐波频谱的干扰

令谐波信号:

k=0,1,,MN-1,1f为基波频率,fs为采样频率,pA为信号幅值。具体参数如表1。其频谱如图1所示。

DFT/FFT是对信号DTFT频域采样。当信号中只含谐波成分且同步采样时,DFT/FFT所得谐波参数是完全准确的(如图1所示),不存在相互干扰。

当信号中存在间谐波时:

由于此时采样对间谐波而言是非同步的,其DTFT在谐波对应的离散频点上不为零,此时通过DFT/FFT检测到的谐波参数就会有误差,如图2所示。根据时域频域的相互关系,可以通过加长采样窗口的长度使各分量频谱接近脉冲信号以减小间谐波对谐波的干扰,但是,这正是矛盾所在,IEC标准规定为十个周波,因此如何在十个周波条件下作准谐波检测是本文要讨论的。

1.2 谐波对间谐波频谱的干扰

从图2看出谐波对间谐波频谱存在干扰,但这只是对于连续频谱DTFT而言的;对DFT/FFT而言,由于谐波频谱在除了整数倍基频点外的其他频点上为零,因此,以5 Hz为频率分辨率的各个离散频谱(去除谐波对应频点)为间谐波单独作用的结果。换句话说,当谐波与间谐波的频率差大于半个主瓣宽度时(对应矩形窗为10 Hz),谐波在DFT/FFT结果上对间谐波主瓣内谱线没有影响,间谐波检测的误差主要是由栅栏效应和各个间谐波之间的频谱干扰所引起。但当所加窗的主瓣较宽时,或间谐波的频率与某一谐波频率之差小于主瓣宽度时,谐波在DFT/FFT结果上就会对间谐波产生影响。

2 谐波检测邻近谱线抵消法

可以证明,通过基于TDA方法检测到的谐波参数与信号直接做DFT所得结果完全相同[14]。通过TDA来抑制间谐波对谐波干扰,其本质只是延长采样窗口,窄化各分量的频域信号。下面就如何进一步减小间谐波对谐波的频谱干扰,提出简单可行的邻近谱线抵消法。

现对式(9)所示信号,分别从实部和虚部分析间谐波对谐波频谱的干扰;间谐波频谱在谐波对应频点及邻近频点的影响如图3、图4所示。

现对50 Hz及其附近的45 Hz和55 Hz三个频点做分析,对应DFT值X(9)、X(10)、X(11)。X(ejΩ)在任何频率点的值都是信号中各个分量在此点对应的值的叠加,这里对应谐波和间谐波两个分量。

由于同步采样,谐波在除了整数倍次基频频点上有值外,其他频点上为零;因此其他频点上的值都为间谐波单独引起的泄漏值,得到式(11):

从图3、图4中看出,实部和虚部旁瓣对应的邻近几个点,可以认为呈近似的线性关系,因此得到:

当信号中存在多个间谐波成分时,根据线性关系,式(10)依然成立。得出谐波检测通用公式:

式中:l=0,1,,N/2-1,1T为基波周期。

现对式(1)所示信号做仿真分析,信号具体参数如表2所示。

2

采样频率为3 200 Hz,采样窗口长度为M=10个基波周期。分别采用三种方法对谐波参数进行计算:

1)方法1为基于TDA的方法[15]。

2)方法2为双谱线插值法。

3)方法3为邻近谱线抵消法。

奇次和偶次谐波的计算结果及误差分别如表3、表4所示。方法1和方法2计算所得误差较大;方法1的误差主要由间谐波对谐波频谱的干扰引起,方法2的结果验证了当信号同步采样时,通过插值修正后所得谐波参数也是不够准确的。而本文方法通过巧妙的修正,利用邻近谱线及同步采样的特点,计算得到的谐波参数精度较高,且计算量要小于方法2。

3、表4所示。方法1和方法2计算所得误差较大;方法1的误差主要由间谐波对谐波频谱的干扰引起,方法2的结果验证了当信号同步采样时,通过插值修正后所得谐波参数也是不够准确的。而本文方法通过巧妙的修正,利用邻近谱线及同步采样的特点,计算得到的谐波参数精度较高,且计算量要小于方法2。

3 间谐波检测双谱线插值及加窗TDA

基于TDA的间谐波检测方法,先将TDA后的单周期信号进行周期延拓,构成M个基波周期长度的拟谐波信号x'har[k],再把原始信号x[k]减去x'har[k]得到差分信号x'interhar[k],对应拟间谐波信号,通过对差分信号做CZT或补零来分析得到间谐波参数。此时间谐波之间的频谱干扰依然存在,这是产生间谐波检测误差的主要原因,本文采取对差分信号加窗插值来修正各间谐波参数,窗函数采用文献[9]提出的Rife-Vincent(Ⅲ)窗,其旁瓣跌落较快,可以很好地抑制间谐波之间的频谱干扰。对应的参数修正公式如下:

Rife-Vincent(Ⅲ)窗的表达式如下:

3.1 拟谐波信号的准确性对加窗插值的影响

由于:

差分信号与真实间谐波信号之间差异的大小主要取决于拟谐波信号的准确程度。真实的间谐波信号为:

与差分信号之间相差一个偏差量Δxhar[k],称之为拟谐波偏差信号。这是由间谐波对谐波频谱的干扰所引起的,如1.1节所述。因此对差分信号进行加窗插值时,实际还包含了一个Δxhar[k]分量。由于Δxhar[k]和谐波信号一样是周期的,若所加的窗为矩形窗,正如1.2节所述,对DFT而言,其对除了整数倍基频以外的频点的干扰为零。但是若所加窗主瓣较宽,旁瓣跌落较快,主瓣跨越多个频点,如Rife-Vincent(Ⅲ)窗,且间谐波频率与某次谐波频率很接近时,Δxhar[k]就会对间谐波离散频谱(对应插值的双谱线)产生干扰,影响加窗插值结果,如图5所示。

3.2 加窗TDA法

进行间谐波分析的双谱线的误差来源不仅有间谐波之间频谱干扰的因素,还存在拟谐波偏差信号对其的干扰。两种手段可以减少拟谐波偏差信号的干扰:

1)对差分信号加主瓣较窄的窗函数。

2)采取措施提高拟谐波信号x'har[k]的估计精度,减小Δxhar[k]。

方法1)会加大各间谐波之间的频谱干扰,因为主瓣窄的窗函数,其旁瓣必然会增大。采取方法2)更为合理,要得到更为准确的拟谐波信号x'har[k]的唯一手段就是减小间谐波对谐波的频谱干扰,这里提出加窗TDA法。具体步骤如下:

1)对原始信号x[k]加窗,所加的窗要防止间谐波主瓣对谐波频点的影响,但其旁瓣要小于矩形窗。

2)对加窗后的信号做TDA,并做周期延拓。从而得到更为准确的x'har[k]。

3)最后对x'har[k]加Rife-Vincent(Ⅲ)窗插值修正得到间谐波参数。

3.3 间谐波仿真计算

现对表2所示信号进行间谐波分析。分别采用四种方法计算间谐波参数:

1)方法1直接对TDA后差分信号补零峰值搜索进行计算[15]。

2)方法2对直接TDA后所得差分信号加Rife-Vincent(Ⅲ)窗插值计算。

3)方法3对加Hanning窗TDA后所得差分信号加Rife-Vincent(Ⅲ)窗插值计算。

4)方法4对加Blackman窗TDA后所得差分信号加Rife-Vincent(Ⅲ)窗插值计算。

计算所得相对误差如表5所示。方法4对应的间谐波频谱如图6所示,从差分信号的频谱图可以很清晰地看到间谐波的分布情况,而文献[9]对原始信号采用CZT法密化频谱的手段对间谐波信号做频率分布估计是不够准确的,如图7所示。

从计算误差来看,直接基于TDA及补零法的间谐波检测误差较大,特别是相角误差。通过对差分信号加窗插值修正,各参数总体误差有所下降。方法2、3、4对24 Hz、173 Hz两个间谐波计算所得结果都是一样的,这是因为拟谐波偏差信号Δxhar[k]没有对这两个间谐波对应频点产生干扰;而对于337 Hz、383 Hz两个频率的间谐波,拟谐波偏差信号(对应350 Hz和400 Hz处)会对其产生干扰,如图8所示。通过加窗TDA后,计算误差进一步降低,采用Blackman窗要好于Hanning窗。

4 结论

1)同步采样下,基于TDA的谐波间谐波检测方法在计算谐波时,与直接对信号做DFT所得结果完全相等,间谐波对谐波频谱的干扰依然存在;计算间谐波时,未考虑各个间谐波之间的频谱干扰。

2)加窗插值方法,在同步采样情况下计算得到的谐波参数也是不准确的,且其采样窗口长度一般不能满足IEC推荐标准。

3)本文利用单一频率信号DTFT实虚部的特点,根据同步采样下谐波DTFT在非整数倍基频频点上为零,提出邻近谱线抵消法大大抑制了间谐波对谐波的干扰,提高了谐波的检测精度,计算简单快速。对TDA后的差分信号采用加旁瓣跌落较快的Rife-Vincent(Ⅲ)窗插值减小间谐波之间的相互干扰,且当某一间谐波成分在谐波频点附近时,拟谐波偏差信号主瓣会对间谐波频谱产生干扰,提出加窗TDA法提高差分信号与间谐波信号的拟合度,从而减小拟谐波偏差信号对间谐波的影响。从计算结果来看,此方法有着较高的检测精度。

4)如何精确检测多个邻近间谐波成分是下一步研究的重点之一。

摘要：提出了一种新的基于邻近谱线抵消及加窗TDA的谐波间谐波两步检测法。IEC对于谐波间谐波检测推荐的采样窗口长度为十个周波,在此前提下,研究了同步采样下谐波和间谐波之间的频谱干扰特性,提出采用两步法对谐波和间谐波分开进行分析。对于各次谐波,利用邻近谱线抵消手段抑制了间谐波对其频谱的干扰;间谐波的时域对应TDA后的差分信号,考虑到各间谐波频谱之间的干扰及栅栏效应,通过加窗双谱线插值提高间谐波检测精度;当某一间谐波频率与谐波频率较为接近时,提出加窗TDA法抑制拟谐波偏差信号主瓣对间谐波的影响。通过仿真分析表明,在同步采样条件下,此方法对于谐波和间谐波有着较高的检测精度。

电力电子技术与谐波抑制 第5篇

电力电子技术在电力系统中的应用不仅能够提高系统的输电能力，而且还可以在降低系统能耗的同时，改善输电质量，提高电力输送的灵活性和稳定性。

但在电力电子技术得以应用的同时，其相关设备也成为了电力系统运行当中的谐波源，并在运行过程中对系统的无功功率进行消耗，从而对电力系统的正常运行产生严重影响。

因此，加强对谐波问题和无功功率损耗问题解决方法的研究力度，已成为电力生产、输送领域需要面对和解决的主要问题。

1 配电系统中谐波与无功功率概述

对配电系统中的水泵异步电机和荧光灯与支撑计算机系统运行等负载进行分析可知，其必须消耗系统产生的无功功率方能实现正常工作。

但变频器、整流器等电力电子装置通常采用的是相控方式工作的，这种控制方式使得此类设备的交流侧电压常滞后于系统运行电压，其不仅会消耗大量的无功功率，而且在运行的同时还会产生谐波电流，从而影响电力系统的正常运行。

给出有功功率P、无功功率Q和视在功率S三者的关系式：

S2=P2+Q2 (1)

其中，P为系统瞬时功率在单位周波中积分得平均值，即系统交流平均功率，S为各类电器设备的最大可利用容量，具体来说就是电压U和电流I的有效值乘积，分别由设备的绝缘性和导线横截面积决定;Q表示具备储能性质的电气元件功率交换的幅度，通常单相电路功率互换大都发生在储能设备和电源中，而三相电路功率互换则以在具有储能性质的三相设备中的往复流动为主，需要说明的是任意时刻内，三相无功功率的和恒定为零。

2 无功功率和谐波对电力系统的影响

2.1 无功功率对电力系统的影响

(1)无功功率的加将会使得供电设备的视在功率S增加，同时，也会引发启动设备、控制设备和仪表等测量设备的尺寸与规格扩增;

(2)无功功率的增加必将使得电力系统设备与线路损耗更加严重，缩短电气设备寿命;

(3)无功功率增加将会引发变压器与线路压降的扩大，从而使电网电压产生剧烈波动，影响电力系统的稳定性。

2.2 谐波的主要危害

(1)变频器和整流器等所产生的谐波将引起电气设备附加谐波的损耗，同时，使得供配电设备的工作效率下降;

(2)谐波对各类电气设备的影响也较为严重，例如，引起系统的过电流和过电压，从而增加变压器的负担，引发电缆过热和绝缘装置老化;

(3)谐波的另一危害体现在对公用电网的影响上，由于电网中的电流大都是以正弦的形式存在的，而谐波的产生会导致非正弦电流电路的功率因数增加，从而在电场中产生非正弦电流，导致公用电网的局部谐波被进一步放大，甚至将会导致串、并联谐振，增加电力设备的安全风险。

3 电子电力技术的应用现状

由于电子电力技术在无功功率补偿和谐波抑制方面具有较为鲜明的作用，故对电子电力技术的应用情况进行了解是极为必要的。

3.1 高压直流输电技术――HVDC

此项技术对容量较大且距离较远的电力传输工作而言具有较强的优越性。

由于在输电过程中，基于HVDC技术输电时产生的电能损耗要远低于以传统交流输电技术为主所产生的电能损耗，且HVDC在支持电力传输时所需的传输线缆更少，在减少占地的同时，也省去了传统交直流输电转化所需的特殊设备，故而在远距离传输时具备良好的经济性。

现阶段，全球HVDC工程拥有50余个，技术支持的总设备容量达到了3.6×104MW，考虑到我国的地域辽阔且能源分布不均等情况，加大对HCDC技术的研发和投入力度极为必要。

3.2 静止无功补偿器――SVC

将以晶闸管为基础元件的固态开关取代原有的机械开关，通过对抗电器与电容器进行控制，从而实现快速且频繁地对输电系统导纳功能进行改变的目的。

通常，SVC由固定或可变电容器支路同系统中的可控支路并联组成，分为TCR、TCT以及TSC和SSR四种类型，其中，TCR型SVC的反应速度最快，可达5-20ms，且不仅运行可靠，而且在分相调节和价格与使用范围方面也具有较大的优势。

目前，全球已拥有220余套配置SVC的输配电系统，总容量已达到3.5×104var，随着SVR优势的进一步普及，其在输配电领域和工业用电方面必将得到全面的发展和推广。

4 无功功率补偿与谐波抑制现状

电力系统中的无功功率补偿方法主要包括了同步发电机、调相机、电动机的引用补偿和并联电容器与SVC补偿，由于多数工程供电系统中，阻感性负载占据绝大部分，使得总等效负载呈现感性，故而可采用并联电容器的方式对无功功率进行补偿，从而提高功率因数。

根据电容器在系统中安装位置的差异，其并联补偿方式主要包括以下几种：

(1)将电容器组集中安置在电源母线上，从整体上提高变电装置的功率因数，降低馈出线路的无功损耗。

(2)分区补偿。

在功率因数较低区域的母线上分别装置电容器组，以此来增强无功功率补偿的效果，但缺点是同集中补偿相比，分区补偿的范围有所减小。

(3)就地补偿。

对异步电动机等感性设备进行功率补偿时，将电容器组安置在负载设备周边进行无功补偿，在提高用电设备在供电回路功率因数的同时，改善用电设备的电压质量。

供电系统谐波抑制的方式主要有两种，一种是利用无缘LC滤波器或是有源电力滤波器对系统运行过程中所产生的谐波进行过滤;另一种是对谐波源进行改造，例如将变流器的相数提高或更换具有较高功率因数的整流器等。

其中，LC无源滤波器抑制谐波的方法较为常见，采用电力电容器以及电抗器电阻对具备某一特征的次谐波进行抑制，在次谐波频率下滤波器的逐鹿进行串联谐振，同时，写成具有较低阻抗的通路，从而使次谐波电流尽可能少地流入到电网当中，最大限度地降低谐波对电网的影响。

5 结论

本文通过对配电系统中的谐波和无功功率产生的原因进行分析，在结合无功功率以及谐波对电力系统影响的基础上，从电子电力技术应用现状的角度出发，提出了无功功率补偿和谐波抑制的相关方法。

可见，未来加强对电子电力技术以及无功功率补偿与谐波抑制方法的研究和应用力度，对于促进电力产业的健康、稳定发展具有重要的现实意义。

参考文献

[1]李志远.无功补偿装置SVG技术研究及应用[J].科技风，，10(12)：70.

[2]张生龙.浅谈电力系统中无功补偿的重要性和其主要方式[J].科技创新导报，2014，02(23)：76-77.

电力系统中谐波的产生与危害分析 第6篇

【关键词】电力谐波；产生；危害

一、研究背景及意义

电能是现代社会生产和生活中不可缺少的重要能源，电气化程度和管理现代化水平的高低是衡量一个国家发达与否的重要标志。电力生产的特点是发电厂发电、供电部门供电、用电部门用电这三个环节连成一个系统，不间断的同时完成。

近些年来，随着工业的发展和科技的进步，电力电子技术被广泛应用于生产和生活中。现代工业生产中使用的大容量整流换流设备以及家用照明和加热设备等非线性负荷导致电网中产生了大量的谐波电压和谐波电流，对电网造成严重的危害，给国家造成了一定的经济损失。在电能计量中，由于谐波的存在，使工业及日常生活中电能计量装置的误差加大，导致电能计量数据不准确，从而影响到发、供、用电三方的利益以及交易的合理性。

因此，充分分析谐波在电力系统中产生的原因及其危害，对研究电网中存在谐波时合理的电能计量方法、开发和选用适宜的计量装置、对供电部门不断改善城市供电质量和提高城市用电服务水平有重要的意义。

二、电力系统中谐波的产生

国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率是基波频率的整倍数”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，因此称为高次谐波。根据这个定义，频率不是基波频率整数倍的畸变波形称为间谐波。谐波次数定义为：“谐波频率和基波频率之比”，规定电力系统中的工频为基波频率。

在电力系统中，谐波的产生主要是由于大容量电力设备和用电整流或换流设备，以及其他电力电子设备等非线性负荷造成的。当正弦基波电压施加于非线性负荷时，所加的电压与产生的电流不成线性关系造成了波形畸变。畸变的电流影响电流回路中的配电设施，如变压器、导线、开关设备等。畸变电流在阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压，畸变电压将对负荷产生影响。这些电力设备或用电设备负荷从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量，这样就产生了谐波电流，这些谐波电流注入电网，就形成了电网谐波。其主要的来源有：

（1）发电源质量不高产生谐波。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致等原因，发电源多少也会产生一些谐波，但是一般来说很少。

（2）输配电系统产生谐波。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和特性，铁心的磁化曲线的非线性，再加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密選择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。

（3）用电设备产生的谐波。如晶闸管整流设备、变频装置、电弧炉、气体放电类电光源、家用电器等。在上述三类谐波源中，用电设备产生的谐波最多。

三、电力系统中谐波的危害

谐波使电能生产、传输和利用的效率降低；使电气设备过热，产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命降低，甚至发生故障或烧毁。危害主要表现在以下三个方面：

（1）对电力设备的危害主要表现在造成设备损坏、缩短设备寿命，降低出力和增加损耗等。如对电机和变压器的影响主要表现为引起附加损耗、产生机械振动和谐波过电压。由于引起附加损耗，从而产生附加温升，产生局部过热，加速绝缘老化，缩短电机的使用寿命。谐波对输电系统的影响是由于增加了电流的有效值而引起的附加输电损耗和谐波电流在各种电路阻抗上产生谐波电压降。另外，对电容器组的影响更加严重，主要是引起谐波电流和电压放大，有时还可能发生串联和并联谐振，从而大大增加电容器的损耗，常常导致电容器击穿和损坏。

（2）对电网中电子设备的危害主要是对继电保护、自动装置、仪表和通信等设施的影响，它可以造成设备的工作失误或性能劣化。如继电保护和自动装置受谐波的影响表现为：当装置动作于电压或电流信号时，还未达到整定动作值的基波分量能和较大谐波分量叠加，使它形成的综合动作值超过整定值而误动作。

（3）对供电线路产生了附加损耗。架空线路谐波电流产生热损，较大的高次谐波电流分量能显著地延缓潜供电流的熄灭，导致单相重合闸失败。电缆中的谐波电流会产生热损，使电缆介损、温升增大。由于肌肤效应和邻近效应，使线路电阻随频率增加而提高，造成电能的浪费；由于中性线正常时流过电流很小，故其导线较细，当大量的三次谐波流过中性线时，会使导线过热，损害绝缘，引起短路甚至火灾。

四、小结

随着我国国民经济的快速发展、电气化程度的不断提高，电力电子技术和微电子器件和现代工业中大量非线性负荷正在广泛使用，导致了电力系统中谐波电压和谐波电流成份不断增加，并造成了电网环境的严重污染。这些污染会对继电保护装置、计算机、测量仪器以及通信系统产生不利影响，并危及电力系统安全和经济运行，影响用户的正常工作。本文对电力系统中谐波产生的原因和危害进行分析，希望对从事电力系统工作的人员了解和掌握谐波提供有益的参考。

参考文献：

[1]吕润如.电力系统高次谐波[M].北京：中国电力出版社，1998

[2]李红，杨善水.电力系统谐波检测方法综述[J].现代电力，2004，21（4）

浅谈电力系统谐波问题 第7篇

1 电力谐波造成的危害

对于电力系统来说, 电力谐波的危害主要表现有以下几方面:

(1) 降低了发电, 输电及用电设备的效率, 增加输、供电线路和用电设备的额外附加损耗, 使设备的温度过热, 降低设备的利用率和经济效益。

(2) 谐波分量较大时, 造成有的继电机构误动或拒动故障, 影响继电保护和自动装置的工作可靠性, 不利于电网的稳定运行。特别对于电磁式继电器来说, 电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动, 使其动作失去选择性, 可靠性降低, 容易造成系统事故。

(3) 对通讯系统工作产生干扰:电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流时, 会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压, 干扰通信系统的工作, 影响通信线路通话的清晰度。

(4) 对用电设备的影响:电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变, 画面亮度发生波动变化, 并使机内的元件温度出现过热, 使计算机及数据处理系统出现错误, 严重甚至损害机器。

(5) 对测量和计量仪器仪表的影响:谐波还会对测量和计量仪器仪表产生测量误差造成指示不准确, 造成不能准确计量。

2 测试设备与方法

(1) 目前采用的较先进的测试设备有FLUKE1760、LEM PQPT1000 (TOPAS1000) 、日置3196等;测试数据中应包括谐波电压、含量谐波电流含量、电压偏差、电流偏差、闪变等。

(2) 谐波普测, 测试是为了了解目前本地区的谐波状况, 测试应选择在电网正常运行方式下, 无停电工作, 测量地点一般为主变中压、低压侧仪表回路或计量回路, 测试时间选择在负荷高峰期, 测试周期为每测试点连续测试24小时。

(3) 电力用户谐波测量, 测试是为了掌握谐波源的各种情况, 重点检测向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备。

(4) 电力敏感用户谐波测量, 测量是为了给该用户提供设备安全运行的电网背景资料为目的的。

(5) 验证性谐波测量, 测试是为了验证谐波分析计算的结果或为进一步的谐波计算提供依据, 则要对各种运行工况下的谐波进行测试, 包括电容器分组投入、切除, 谐波源投入断开, 测试周期应实际情况而确定。

3 电力谐波的抑制措施

为了减少供电系统的谐波问题, 从管理和技术上可采取以下措施:

(1) 严格贯彻执行有关电力谐波的国家标准, 加强管理:要求购置的用电设备, 经过试验证实, 符合国家标准限值才允许接入到配电系统中。

(2) 增加整流变压器二次侧的相数, 三相整流变压器采用Y/△或△/Y的接线形式, 这样可以消除3的整数倍次的电力谐波, 从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11等次谐波。

(3) 其负荷是冲击性的, 而且是随机的, 因此宜装设能吸收动态谐波电流的静止无功补偿装置, 提高供电系统承受谐波的能力。

(4) 对于大容量的电力设备, 特别是大容量的电容器组, 回路内增设限流装置或串联电抗器, 以抑制电力谐波的产生。

(5) 对容量在100 k VA及以上整流装置和非线性设备的用户, 必须装设分流滤波装置, 就近吸收电力谐波。

(6) 选择合理的供电电压, 并尽可能保持三相电压平衡。

(7) 换流装置是供电系统的主要谐波源之一, 可以采用增加换流装置的相数, 有效的消除幅值较大的低频项, 从而大大地降低了谐波电流的有效值。

(8) 消除谐波污染最有效的方法就是在谐波的污染源上安装滤波装置, 就地进行治理 (主要有:有源型电力滤波装置和无源型电力滤波装置) , 电力滤波补偿装置是一种高效节能装置。装置主要通过滤波与无功补偿原理, 减少因谐波及无功冲击造成的用电设备的附加损耗, 提高用户的电能使用率, 进而消除无功罚款。电力滤波补偿装置是一种抑制电网谐波、消除电网污染、提高电能质量、降低电能损耗、提高功率因数的电气成套装置。

高次谐波与电力系统 第8篇

电力系的基本电压波形的失真日增大, 对电源系统污染也使得对电力系统自身和对广大用户侵害有着扩大延伸的趋势。对于电动力系高次谐波电压的抑制方略己经成为世界各的紧急课题之一。

由于谐波干扰和无功损耗导致电网污染日益严重, 应用有源滤波器对此进行治理已成为一个受到广泛关注的问题。

2、高次谐波的产生 (1) 电源本身谐波

(1) 电源本身谐波

发电机制造工艺的问题, 致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波, 继而导致生的电流稍偏离正弦电流。

(2) 非线性负载

当电流流经线性负载时, 负载上电流与施加电压呈线性关系;而电流流经非线性负载时, 则负载上电流为非正弦电波, 即产生了谐波。

而其中主要的非线性负载装置包括:

A:开关电源的高次谐波;

B:变压器空载合闸涌流产生谐波

C:电压互感器铁磁谐振过电压

D:电弧炉运行引起电压波动

高次谐波的产生原因是多方面的, 甚至可以说存在于整个电力系统和供电电网的各个装置和设施中, 而从设备角度而言, 交流同步发电机、电力变压器、交直流交换设备以及交流电弧炉产生的高次谐波最为主要也最为严重, 必须从各个方面把关一直高次谐波对电力系统和电网的影响。

3、高次谐波的危害

随着大功率整流器和变频调速装置的推广应用, 愈来愈多地将非正弦波形引入电网中, 由于其非线性工作特性决定的电流基波滞后谐波的消极影响也越来越严重:增加了无功功率消耗和铜耗, 在电流波形变的情况下, 电力系统的视在功率应为:

(1) 式中;S为视在功率, P为有功功率, Q无功率, T为畸变功率。谐波电将使电力系统中的元件如电动机产生谐波耗、谐波杂散损耗及谐波铁耗。谐波损耗的在使得电动机总损耗增加, 稳升增加及效率低。电动机将多吸收无功功率, 导致功率因下降。

(2) 对系统中的控制、保护及检测装置造成一定的影响使电气设备铁损增加 (如电力变压器、电动机、发电机等) 效率下降, 温升增高, 甚至由于过热而烧毁。

(3) 对电动机除了引起附加发热外, 还会使启动性能变坏, 对直流电动机还会引起换向恶化、增加噪声;对发电机还会产生强烈振动。

(4) 对邻近通讯设备, 特别是和输电线路平行的通讯线路产生干扰。

(5) 使接入电网运行的晶闸管不能及时关断, 可能造成晶闸管短路而烧毁。

4、高次谐波的抑制与分析

真正的抑制谐波, 必须达到的目标是:

限制电流和电压的畸变程度, 使电力系统和附属设备都能承受。使电力系统供给用户的电压波形能够满足各种用电设备的特殊要求。保证电力系统不会干扰其它系统的运行。具体方法如下:

(1) 在谐波源处安装交流滤波器

交流滤波器有以下2种.

a) 无源滤波器。它由L、C、R元件构成单通和高通滤波器.单通滤波器用来抑制11次及以下的谐波分量, 而高通滤波器用来抑制13次及以上的谐波分量, 当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时, 产生谐振可阻止该次谐波注入电网。如图所示:

b) 有源滤波器。它利用可控的半导体器件向电网注入与谐波电流幅值相等、相位相反的电流, 使电源的总谐波电流为零, 以达到实时补偿谐波电流的目的.

(2) 增加换流装置的相数。换流装置是供电系统主要谐波源之一。当脉动数由p=6增加到p=12时, 其特质谐波次数分别为可以有效的清除幅值较大的低频项, 从而大大的降低了谐波电流的有效值。

(3) 谐波抵消法例如由两台6脉动桥式变流装置供电的矿井提升机, 整流变压器分别采用D, d与D, y或Y, y与D, y的接线方式, 则5、7及17、19等各次谐波电流相互抵消, 故可利用这种变压器接线方式的配合, 达到消除部分谐波的目的。

(4) 加强电力系统的谐波管理。

5、结束语

随着电力电子技术的发展, 各种电子设备的广泛使用, 使电力系统谐波问题日趋严重, 引起了国内外电力行业的普遍重视。

只有供电、用电部门齐心协力, 才能搞好治理谐波的这项系统工程, 提高电能质量, 提高电网的经济效益。

摘要：本文阐述了高次谐波在电网、电力系统及电力设备上产生的原因, 分析了高次谐波对电力系统中的设备造成的危害, 并提出部分限制电力系统中高次谐波的方法。

关键词：电力系统,电气设备,高次谐波,抑制技术

参考文献

[1]何早红.电力网中的谐波及其抑制技术[J].电气应用, 2005, 24 (6) :65-69。

[2]陶红勇.电气设计中的谐波抑制措施小论[J].建筑电气, 2004, (3) :14-16。

浅谈电力系统谐波问题 第9篇

谐波是电能质量的一项重要指标, 它影响到电网安全运行和广大用户各种用电设备的正常工作, 因此, 对电网谐波的测试非常重要。根据现场的各项技术参数和实测结果, 当超过国标规定值时, 应采取有效措施。

1 谐波危害

电力系统谐波来自于两个方面:一是来自于输配电系统;二是用电设备。用电设备是产生谐波主要原因。其危害主要表现有以下几方面:

(1) 大大降低电力设备效率, 增加电力设备的损耗, 使设备过热。

(2) 使电磁式继电器动作失去选择性, 造成保护装置误动或拒动, 影响继电保护和自动装置的动作可靠性, 造成系统事故, 不利于电网的安全稳定运行。

(3) 干扰通信系统, 使通信系统工作不稳定, 影响通话的质量。

(4) 使电视机等图形畸变, 使元件温度过热;造成计算机及数据处理系统发生错误, 严重时会损害机器。

(5) 对测量和计量仪器仪表产生测量误差, 造成计量不准确。

2 谐波监测

谐波不仅严重影响电力系统的合理经济运行, 对电力系统和用电设备产生重大影响和危害, 而且还会导致电力测量不准确, 直接影响供电企业的经济效益。为减少谐波对电能质量和计量的影响, 开展谐波测试是治理谐波的重要措施。

测试方法:

(1) 谐波普测能了解该地区的谐波状况, 测试应选择在电网正常运行方式下。

(2) 电力用户谐波测量能及时掌握谐波源的各种情况, 重点检测向电网输入谐波电流或电压的设备。

(3) 测试重要污染源用户接入点的电压和电流时, 应采集该接入点的线路PT和线路CT的二次侧电流、尽可能在负荷高峰时开展测试。

(4) 验证性谐波测量, 是验证谐波分析计算的结果以及计算提供依据, 如:分组电容器投入、切除, 谐波源投入断开等。

3 电力谐波的抑制措施

防止和减少用户谐波源对电网的污染, 使电气设备有一个良好的运行环境, 保证电网的电能质量, 治理谐波干扰是供电企业一项很重要的工作, 重点可采取以下措施:

(1) 严格执行有关电力谐波的国家标准, 严把入网关, 增强监督检查的力度, 严格审查新建谐波源, 把好新增谐波源用户的业扩增容环节。

(2) 对于用电负荷具有冲击性、随机性的用户, 为了提高供电系统承受谐波的能力, 可以装设能吸收动态谐波电流的静止无功补偿装置。

(3) 对于大容量设备, 如电容器组, 可采用串联电抗器的方式, 以抑制电力谐波的产生。

(4) 对容量在100k VA及以上整流装置和非线性设备的用户, 必须加装分流滤波装置, 达到就近吸收谐波的目的, 否则不能入网送电。

(5) 根据实际情况合理选择电压, 并尽可能保持电压稳定及三相电压的平衡。

(6) 换流装置是系统主要的谐波源之一, 对于换流装置可采用增加相数来降低谐波电流的有效值。

4 谐波治理

谐波治理本着“谁污染, 谁治理”的原则, 为电网的安全、稳定、经济运行发挥了一定的作用。从负载变化和负载产生谐波电流变化总趋势来看, 当负载减少, 负载产生谐波电流呈下降趋势, 虽然TCR产生的谐波电流有所增加, 但供电臂上谐波源所产生的总谐波电流通常都小于负载谐波源95% 谐波电流, 滤波器仍然能够满足滤波要求, 滤波器与它联用是理想的方案, 目前是理想的调节方法。

SVC的实时动态无功补偿效能, 有效降低了因机车所引起的电流冲击及电压波动, 使电能质量得以优化。

举例:某钢厂的主要谐波源用电设备为中频炉, 对于中频炉来说, 工作时的功率因数比较高, 所以只要考虑能够满足滤波要求就可以, 而不必考虑基波时的无功补偿, 根据电弧炉产生谐波的情况, 提出了在110k V进线侧安装针对3 次、5 次和6 次单调谐滤波器, 采用三套单回路调谐滤波器的方案解决谐波超标问题, 滤除3 次、5 次、6 次谐波并兼作高通, 这种方式接线简单, 投资少, 安装调试方便、效果好。在实际治理过程中, 由于治理费用问题, 在其使用的部分设备低压侧进行电能质量治理, 经过初步治理后测试数据显示3、6 次谐波得到了一定的控制, 谐波电流总含量抑制在允许值以下, 但5 次谐波电流反而有所扩大, 在连续两年的测试中发现钢厂最关键的问题是闪变问题, 只有在闪变问题解决后才能更好的治理谐波问题。目前, 对抑制因钢厂电弧炉引起的闪变存在一定技术难度, 但可采用SVC的方法来抑制电压下跌、电压上升、过电压及电压波动与闪变, 对谐波与闪变同时及有效的治理有一定的效果。炼钢电弧炉采用SVC后还可以提高功率因素, 降低损耗, 缩短钢的熔炼时间, 降低单位电耗, 提高钢产量等优点, 此方法在这种类型中应用效果较好, 应用得也比较多, 技术上相对比较成熟。

5 结束语

谐波治理面临诸多困难, 非线性负荷每时每刻都在发生着变化, 如电弧炉、中频炉在出炉时会停运, 在熔化和冶炼过程中, 出力又有变化, 而目前有源滤波器尚未全面推广。从技术上说, 目前对谐波治理有一定难度, 只能加强用电设备的治理工作。谐波的治理任重道远, 还要求我们加强监测, 及时将数据上报给需求侧中心、客户服务中心及生技部门, 大家共同探讨拿出治理方法并及时与用户沟通解决, 更好的服务于电网建设, 提高供电质量。

摘要：电力系统中三相交流电压, 其波形基本是正弦波形。但是随着受各种用电设备的影响, 对电力系统电能质量造成了破坏, 对供用电设备安全运行造成不良影响, 甚至造成严重危害。因此, 谐波治理对改进电能质量有积极的作用。

关键词：谐波危害,测试方法,治理方法

参考文献

[1]张晓东, 杨洪耕.SVC在电铁谐波抑制中的研究[M].四川电力技术, 2004.

[2]董其国.电能质量技术问答[J].中国电力出版社.

[3]程浩忠, 艾芹, 张志刚, 朱子述.电能质量[H].清华大学出版社.

[4]袁晓东.电能质量问题探讨.

电力系统谐波状态估计研究综述 第10篇

随着国民经济和电力工业的发展,高压直流输电、柔性交流输电和客户电力技术的不断进入工程应用以及电弧炉、调速电动机等非线性负荷的大量增加,不仅使得电力系统谐波污染问题越来越严重,而且谐波源也正在迅速由局部地区向整个电网进行扩散。为了构建绿色电网,及时解决电网谐波治理难题,达到准确分清谐波责任,简单有效的治理目的,必须先明确电力系统中的谐波分布或谐波状态。若系统中的谐波源是已知的,电力系统中的谐波分布问题即为谐波的扩散分布问题;若系统中的谐波源是未知的,但系统中某些点上的谐波量是可以测量的,则上述问题即为谐波状态估计问题。

电力系统谐波状态估计技术的根本目标在于建立谐波情况下三相电力系统的数学模型,进而提出一套适合于电力系统谐波状态估计的计算方法,根据安装在选定母线和线路上的同步谐波量测设备所提供的数据,通过所选择的估计器实现对谐波源位置、类型和注入电流大小的识别,从而为电力系统谐波的管理和抑制提供依据[1]。基于全球定位系统(GPS)的同步相量测量单元(PMU)使得全系统范围内的同步相量测量成为了可能。

1 谐波状态估计算法

传统的电力系统状态估计算法和结论都是建立在异步量测和单相模型的基础上,量测值也为电压和功率,而谐波状态估计技术则采用了同步量测和三相模型,量测值也选择了电压和电流相量,因此电力系统的谐波状态估计问题不能直接套用传统的状态估计方法,必须根据谐波测量的特点,重新选择和研究适合于谐波状态估计的新算法。

1989年Heydt首先提出了谐波状态估计问题并给出了一种利用最小方差估计器的谐波源识别算法[2]。他选用注入视在功率和线路视在功率作量测量,利用广义逆求解欠定方程组,从而获得对状态变量的最优估计。但是,在波形畸变的情况下,谐波无功功率的定义存在争议且其测量装置没有统一的标准,因而采用视在功率的方法没有说服力。

文献[3]提出了一种基于最小方差法的谐波源识别和传感器的优化配置算法。它根据母线的负荷水平和对此母线成为谐波源的先验似然估计,决定了量测变量和状态变量(电压或电流)的方差。然后,采用枚举法,逐次计算在谐波传感器不同配置条件下被估计参量的协方差矩阵,通过寻找使协方差矩阵的迹最小的传感器组合方式,获得谐波传感器的最优配置方案并进而获得状态变量的最优估计。由于这种方法估计结果的准确度对人们的经验依赖较大,因此其应用是受许多条件限制的。

文献[4]提出了以谐波电压作为状态变量,电压和电流为量测量的最小二乘谐波状态估计算法,具有一定的普遍性。该算法将所有的母线电压都选为未知的状态变量,利用了大量的冗余量测数据和状态估计器作为噪声滤波器的优点,但是增益矩阵的求逆运算量会大大增加,对于实际应用来讲,它的监控投资将是巨大的。同时,文章还描述了谐波量测系统的基本结构,指出了谐波状态估计需要研究的基本问题。

文献[5-6]提出了电力系统连续谐波的状态估计算法。该算法不仅利用关联矩阵的概念建立起谐波量测量与状态变量的数学模型,而且考虑了电力系统中谐波分布的实际情况,将母线分为非谐波源母线和可能的谐波源母线两类,而可能的谐波源母线又分为测量母线和未测母线两类。通过以上两步的处理,不仅估计算法的计算量大为减少,而且谐波估计方程也由欠定变为超定,估计结果的可信度大为增加。

文献[7]提出了一种基于相量量测的电力系统谐波状态估计算法。文中选择节点电压相量作状态量,以节点电压、支路电流和注入电流相量作量测量,分别建立起不同量测配置方案的量测方程,并在此基础上建立起谐波状态估计问题的数学模型。然后,从分析谐波状态估计问题的特点入手,提出了一种新型的谐波状态估计问题分层算法。该算法通过优化量测方程和母线的节点编号,将整个系统的状态估计问题简化为许多单母线的状态估计问题,大大简化了谐波状态估计问题求解的难度。

文献[8-9]提出在冗余量测和基本量测时,采用便于工程实际应用的乔累斯基算法来求解线性谐波状态方程,其计算量只有高斯消元法的一半,且不用考虑选主元,大大减少了计算时间;在量测矩阵欠定时,则可以通过奇异值分解法(Singular Value Decomposition,SVD)来求解,其计算量比正交变换法和混合法要少得多。采用奇异值分解法,不仅可以为欠定的状态方程提供可靠和稳定的最小二乘解,而且该算法本身具有可观性分析的功能,极大地简化了谐波状态估计的难度。

文献[10]综合考虑了测量误差和参数误差,提出利用总体最小二乘估计法(TLS)进行电力系统谐波状态估计。作者通过IEEE-14节点系统进行仿真计算,从测量和参数误差的概率分布入手,分析了谐波网络参数误差和测量误差的影响。

Ma和Girgis提出了一种应用卡尔曼滤波器识别和寻找谐波源的新算法[11],主要用于非平衡三相电力系统中谐波测量仪表的优化配置和谐波源位置及其注入电流大小的最优动态估计。通过将谐波电流分解为实部和虚部两部分,并取其作为状态变量,母线谐波电压和注入谐波电流作为测量量。在测量点的数目一定的情况下,通过对不同测量点分布时的误差协方差矩阵迹的计算,得到最优的测量配置以及谐波电流注入的最优估计,然后根据谐波电流的注入来判定含有谐波源的支路。

文献[12]采用自适应卡尔曼滤波算法进行谐波状态估计。文中选择零矩阵和单位矩阵作为两个假定基本白噪声协方差矩阵Q,自适应卡尔曼滤波器可以在两种基本的Q阵模型之间转换。当系统处于稳态时,将Q置为0;系统处于暂态时,将Q置为1;系统是处于稳态还是暂态通过假设检验来确定。滤波器的自适应功能考虑到了卡尔曼增益的重新设定,避免了卡尔曼滤波在稳定状态切换到暂态情况不能快速地跟踪系统变化的分歧问题。

2 谐波状态估计的可观性问题

可观性分析就是在给定的网络拓扑结构和量测配置的前提下,判断利用量测数据确定母线状态的能力和程度。当收集到的量测量通过量测方程能够覆盖所有母线的电压幅值和相角(或电流的幅值和相角)时,则通过状态估计可以得到这些值,称为网络是可观的。谐波状态估计问题的可观性依赖于测量值的性质、数量、位置以及网络的拓扑结构。可观性分析是确定状态估计算法是否可行的重要依据。

在传统状态估计问题中,可观性分析主要沿着数值方法和拓扑方法两条路线发展,谐波状态估计技术现有的可观性算法大都延用了传统状态估计的这些基本算法。然而,量测值性质的变化使得谐波状态估计技术的可观性分析问题与传统状态估计明显不同。

文献[13]介绍了基于矩阵初等变换的数值分析法。该算法的优点就是可以调用状态估计算法的子程序,在可观性分析的同时得出状态估计的结果,缺点就是比较繁琐,需要太大的计算量。

文献[14]不仅将传统状态估计问题的可观性分析算法应用到谐波状态估计领域,而且还根据量测配置的特点和性质提出了基于相关性理论的量测矩阵搜索算法与基于逻辑判断原理的谐波状态估计可观性分析方法,大大简化了算法的难度。

3 谐波状态估计技术工程应用情况

目前,我国的谐波状态估计技术还并没有用于实践,美国、日本等国家已有关于谐波状态估计技术应用的公开报道。

1992年美国纽约供电局和帝国电能研究公司发起在纽约州高压输电系统中应用相量量测技术部署同步量测网络的系统工程,对谐波进行状态估计[15]。这项工程共包括150个测量量,其中138个是三相测量量,因而需要46个相量量测。目前,谐波量测系统(HMS)的数据采集系统安装在纽约州的6个地点。每一个HMS设备由一个PMU和一台个人计算机组成。PMU单元包括GPS功能,用以提供精度为1μs的公共时间基准,每秒采样2 880个点,对于频率为60 Hz系统来说,能使直到20次谐波的相位量测精度都控制在1°以内。主机工作站安装在亚特兰大,它通过拨号电话线同前置计算机系统通信并每隔15 min下载其采集的数据。谐波状态估计的软件部分由可观性分析、加权最小二乘法和质量评估3部分构成。谐波状态估计除了用于监测整个系统的波形畸变情况,还可以用于估计传输线参数和变压器不平衡监测。

2005年,日本Hokuriku Electric Power Company(HEPCO)发表了其谐波状态估计实验及数据[15]。HEPCO电力系统是一个8母线、含7个可疑谐波源负荷的小型供电系统。测量设备每隔30 min测取谐波次数到15次的谐波,其采样频率为3 840 Hz,采样间隔为8个周期(512点),各次谐波的幅值和相角通过FFT变换进行计算。HEPCO公司也采用加权最小二乘法对测量的数据进行谐波状态估计,当系统接线发生改变时,最小二乘法可以很快地重新适应新拓扑结构。

4 研究展望

电力系统谐波状态估计问题随着人们对谐波问题的不断深入了解和重视而被提出来,其研究和应用将为电力系统谐波监测和治理提供有效的支撑。同时,其研究对于电力系统基波状态估计也有重要参考价值。通过以上对电力系统谐波状态估计技术发展情况的综述,我们认为应尽快开展以下几方面的工作:

(1)谐波状态估计技术基础工作的进一步研究,包括同步发电机、电力变压器、输电线路、并联补偿装置、负荷等三相谐波模型及谐波源模型的建立和PMU功能单元的研究与推广。

(2)谐波状态估计算法的进一步深入研究,借鉴已有的研究成果,提出更具实用性和普遍性的新算法。

(3)提出电力系统谐波状态估计可观性分析的新方法,确定最小的谐波测量集,研究使谐波状态不可观测的网络变为可观测网络的可能性。

电力系统谐波 第11篇

【关键词】谐波；测试；治理技术

1.电力系统谐波的危害

自二十世纪七十年代后，世界各国对电力系统谐波问题展开了广泛的研究，国际电工委员会（IEC）和国际大电网会（CIGERE）相继组成了专门的工作组，制定了包括供电系统、各项电力设备和用电设备以及家用电器在内的谐波标准，并将谐波干扰问题列入EMC范围内。为了提高电力系统的供电质量，我国分别在1984年和1993年颁布了SD126-1984《电力系统谐波管理暂行规定》和GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》，就电力系统谐波的相关标准和管理办法进行了详细阐述。

毋庸置疑地，谐波的存在会对电力系统的供电可靠性和质量造成危害，具体体现在如下方面：首先，谐波的存在会使公用电网中的元件产生附加功率损耗，此附加功率损耗不仅会引发元件的发热而造成其使用寿命的缩短，而且会增加电量系统的损耗，从而造成输电设备、发电设备和用电设备效率的降低；其次，谐波的存在会使电网电压发生畸变，造成继电保护系统动作特性的改变，引发继电保护系统的拒动或误动，这对于确保电力系统的安全运行是极为不利的；再次，谐波的存在会对邻近通信系统产生电磁干扰，使通信系统的通信质量大打折扣，严重时还会引起通信数据的丢失，使通信系统无法正常运行；最后，谐波的存在会使公用电网产生局部的串联谐振和并联谐振，这会导致谐波的放大，从而使谐波对电力系统的危害被进一步扩大。

2.电力系统谐波的测试技术

目前对电力系统谐波进行测试时，使用较多的是PX5三相谐波分析仪、FLUKE41B单相谐波分析仪、FLUKE435三相电能质量分析仪等测试仪表，但这些测试仪表主要是针对具体谐波源用户进行测量，从测量范围和功能上都存在一定的局限性（如主要是针对变电站10kV配电母线或具体的谐波源用户进行测量），因此无法为全面掌握整个地区的谐波源状况提供数据支持。

在对电力系统谐波进行测试时，要求仪表测试所生成的图表能够准确反映任一时刻谐波的状态，同时对谐波电压会谐波电流的采样频率也有着极为苛刻的要求，要求采样时间间隔最小要能够达到1s，从而确保对电力系统谐波状况的实时和全过程监控。

下面以FLUKEl760电能质量分析仪为例，分析电力系统谐波的测试方式：（1）测试仪器的设置。将FLUKEl760電能质量分析仪设置为自动定时测量方式，每隔10min测量一次，设置谐波次数为第2～25次，进行超过24h的连续谐波测量；（2）测量信号的抽取。从被测线路测量CT的二次回路试验端子接入FLUKEl760电能质量分析仪的电流输入端，抽取电流信号；从被测线路测量PT的二次回路试验端子接入FLUKEl760电能质量分析仪的电压输入端，抽取电压信号；（3）数据的处理方法。FLUKEl760电能质量分析仪测量完毕后，通过使用仪器自带的后台分析功能，对定时测量的存盘数据进行分析和处理，得到电流电压总畸变率、电流电压瞬时值、各次谐波电流电压的最小值、各次谐波电流电压的最大值、各次谐波电流电压的平均值及95%概率值，并以最大相的95%概率值作为最终测量结果，与国标的允许值或限值进行比对，以此来判断电力系统的谐波电流是否超标。

使用FLUKEl760电能质量分析仪对电力系统谐波进行测量，具有如下功能：FLUKEl760电能质量分析仪能够对电能质量事件（如浪涌电流、电压闪动等）进行检测和记录，用户还可以根据需要设定相应的自动记录时间；FLUKEl760电能质量分析仪能够与计算机相接，在线进行谐波记录，并且通过计算机提供的功能对电流系统谐波进行分析和处理；FLUKEl760电能质量分析仪能够对电压电流波形或谐波频谱进行大屏幕显示。

3.电力系统谐波的治理技术

目前，解决谐波污染问题的基本思路主要有如下两条：（1）在电力系统中装设谐波补偿装置（无源滤波和有源滤波两类），让谐波补偿装置来补偿电流系统的谐波和无功功率；（2）对电力电子装置进行改进，让电力电子装置具有较高的输入功率因素（尽量趋近于1）并使其少产生甚至不产生谐波。

以往电力系统谐波治理的技术主要是采用无源滤波技术，也就是使用LC滤波器（LC滤波器由滤波电抗器、滤波电容器和电阻等无源器件构成）。无源滤波技术既能够补偿无功功率，又能够补偿谐波，此外还具有投入成本小、结构简单、效率高及维护方便的优点，因此是较长一段时间内人们广泛采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但是它也存在以下缺点：只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大；只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；其滤波特性受系统参数影响较大，且其滤波特性有时很难与调压要求相协调；重量与体积较大，有效材料消耗多等。

为解决无源滤波器的局限性，人们做了许多研究与探索，其中具有代表意义的就是有源电力滤波器技术的提出。与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有以下优点：对功率器件工作频率以内的各次谐波都有较好的滤波效果；当系统阻抗和频率变化时，滤波特性不受影响；不会与电网发生串、并联谐振现象，且能有效地抑制系统与无源滤波器之间的谐振；不存在过载现象，当负载谐波电流较大时，仍能继续运行。

为了做好电力系统谐波的治理工作，供电局要认真做好以下几方面的内容：（1）在用户报装时，供电局要认真调查用户的用电性质和用电设备，在规划设计时认真考虑电力系统面向的用户需求，尤其是用户为工矿企业时，供电局要认真开展通电验收时的谐波检测工作，从而针对性制定相应的谐波抑制对策，力求为工矿企业提供优质的电力；（2）供电局要向用户大力宣传谐波治理的重要性，让用户明白谐波的治理绝不仅仅是供电局自身的事情，鼓励用户积极参与到谐波治理的工作中来，从而降低供电局的工作强度；（3）为了提高用户参与谐波治理的积极性，供电局可以采用分别计量基波电能和谐波电能的方式，对注入谐波电能的用户在电价上给予一定的成本分担，对吸收谐波电能的用户在电价或用电量上给予一定的谐波分量补偿；（4）供电局对配电网的线损进行定期统计，对线损率较高的区域进行重点调查和分析，如果怀疑是因谐波导致线路线损率过高，那么要在找到谐波源后加装相应的治理设施（如有源滤波器应用在逆变器产生的谐波治理上）。

4.小结

从全文的分析可知，谐波会对电力系统造成很大的危害，因此近年来供电局纷纷开展谐波测试与治理技术的研究工作，取得了一定的进展，这对于提高电力系统的电能质量及确保用户的用电可靠性是至关重要的。

参考文献

[1]张直平，李芬辰等.城市电网谐波手册[M].中国电力出版社，2003.

[2]王兆安，杨君等.谐波抑制和无功功率补偿（第二版）[M].机械工业出版社，2006.

[3]王见乐.10kV配电母线谐波超标原因分析[J].科技信息，2009（33）.

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谈谐波对电力系统的危害 第12篇

一、对供电线路的危害1影响线路的稳定

由于输电线路阻抗的频率特性, 线路电阻随着频率的升高而增加, 在集肤效应的作用下, 谐波电流使三项供电线路的附加损耗增加, 在电网的损耗中, 变压器和输电线路的损耗占了大部分, 所以谐波使电网网损耗增大, 导致中性线过载。谐波源和电力系统中的某些电感、电容元件构成串联或并联回路, 将可能产生串联或并联谐振, 造成谐波电压升高、谐波电流增大将会引起机电保护装置出现误动, 以致损坏设备, 与此同时还可产生相当大的谐波网损。对于电缆线路, 由于电缆对地电容比空架线路约大10~20倍, 而感抗约为架空线路的1/2~1/3, 因此更容易激励出较大的谐波谐振和谐波放大, 造成绝缘击穿的事故。

2影响电网的质量

电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生崎变, 同频率的谐波中压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率, 从而降低电网电压。

二、对电力设备的危害1对电力设备的危害

随着谐波电压的增高, 会加速电容器的老化, 使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加, 从而容易发个故障和缩短电容器的寿命。其次, 电容器的电容与电网的电感组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时, 就会产生谐波电流放大, 使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。另外, 谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形, 尖顶电压波易在介质中诱发局部放电, 且由于放电变化率大, 局部放电强度大, 对绝缘介质起到加速老化的作用, 从而缩短电容器的是用生命。

2对电力变压器的危害

谐波电流使变压器的铜耗增加, 其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外部因漏磁引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁损耗增大, 谐波使电压的波形变得越差。则磁损耗越大。特别是3次及其倍数次谐波对三角地连接的变压器, 会在其绕组中形成环流, 是绕组过热;对全行星连接的变压器。当绕组中性点接地, 而改侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时, 可能形成3次谐波谐振, 使变压器附加损耗增加。

3对电力电缆的危害

由于谐波次数高频率上升, 再加之电缆导体裁面积越大趋肤效应越明显。从而导致导体的交流组抗增大, 使得电缆的允许通过电流减小。另外, 谐波电流在电缆中产生附加损耗, 将加速电缆的绝缘老化, 造成电压击穿, 影响电缆的使用寿命。

三、对用电设备危害1对电动机的危害

谐波对电动机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于磁滞、涡流等随着频率的增高而使在电动机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加, 效率降低, 严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场, 形成与电动机旋转方向相反的转矩, 起制动作用, 从而减少电动机的出力。

2对抵压开关设备的危害

对于电磁式的短路器谐波电流的影响是铁耗增大而发热, 同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难, 且谐波次数越高影响越大, 热磁型的断路器, 又与导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热, 使得额定电流降低与脱扣电流降低, 电子型的断路器, 谐波也要使其额定电流降低, 尤其是检测峰值的电子断路器, 额定电流降低得更多。上述三种配用断路器都可能因谐波产生误动作。对于电流断路器异常发热, 出现误动作或不动作。对于电磁接触器来说, 谐波电流使磁体部件温升增大, 影响接点, 线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说:受谐波在电流的影响也要使额定电流降低。在工作中他们都有可能造成误动化。

四、影响机电保护和自动装置的工作和可靠性

谢波对电力系统中的继电保护和自动装置的影响十分严重, 由于这些保护装置的整定值小、灵敏度高。谐波使电压升高、电流增大。造成继电保护和自动装置的误动作, 严重威胁电力系统的安全运行。

五、影响电力测量的准确性

目前采用的电力测量议系中有磁典型和感应型。由于电力计量装置都是按50H2的标准的正弦波形设计的, 它们受谐波的影响较大。特别是电能表, 当谐波较大时将产生计量混乱, 测量不准确。

六、对于设备的影响