维普资讯 http://www.cqvip.com ・专题讲座・ 低压电器（现代建筑电气篇 ２００７Ｎｏ１０） 电能质量讲座 第五讲 谐波治理 程浩忠 （上海交通大学电气工程系，上海２００２４０） 摘要：电力系统谐波是影响电力系统安全、经济运行的重要因素之一。如何有 效地抑制谐波，保证电力系统的正常运行是广大电力用户亟待解决的问题。阐述了电 力系统的谐波治理方法，并对其原理进行了分析。从产生谐波的非线性负荷以及受危 程浩忠（１９６２一）， 男，教授，博士生导 害的电力设备和装置两个方面对谐波治理进行了详细介绍。 师，主要从事电能 关键词：谐波治理；非线性负荷；交流滤波器；有源滤波器 质量、无功补偿、电 中图分类号：ＴＭ７１文献标识码：Ａ文章编号：１００１－５５３１（２００７）１０－００５７－０４ 压稳定等方面的教 学和研究工作。 Ｌｅｃｔｕｒｅ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｅｒｇｙ Ｑｕａｌｉｔｙ Ｖ．Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ＣＨＥＮＧ Ｈａｏｚｈｏｎｇ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２００２４０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒ ｗｈｉｃｈ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅｓ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｈｏｗ ｔｏ ｓｕ－ ｐｒｅｓｓ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｎｄ ａｓｓｕｒｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ ｒｕｎ ｎｏｒｍａｌｌｙ ａｒｅ ｔｈｅ ｕｓｅｒｓ ｎｅｅｄ ｔｏ ｒｅｓｏｌｖｅ ｑｕｉｃｋｌｙ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｓ ａｎｄ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗｅｒｅ ｅｘｐｏｕｎｄｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ｆｒｏｍ ｔｗｏ ａｓｐｅｃｔｓ，ｏｎｅ ｉｓ ｔｈｅ ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄ ｐｒｏｄｕｃｉｎｇ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｎｄ ａｎｏｔｈｅｒ ｉｓ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔｓ ｔｏ ｂｅ ａｆｆｅｃｔ－ ｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ；ｎｏｎ－ｌｉｎｅａｒ ｌｏａｄ；ａｌｔｅｒｎａｔｉｎｇ ｃｕｒｒｅｎｔ ｉｆｌｔｅｒ（ＡＣＦ）；ａｃｉｔｖｅ ｐｏｗｅｒ ｉｆｌ－ ｔｅｒ（ＡＰＦ） ０ 引 言 生谐波的非线性负荷；二是受危害的电力设备和 装置。这两个方面应该相互配合，统一协调，作为 近年来，随着配电网中整流器、变频调速装 一个整体来研究，采用技术、经济最合理，符合社 置、电弧炉、路灯启辉器、电气化铁道以及各种电 会发展和历史条件的方案来治理和消除谐波。 力电子设备的广泛应用，电网的谐波污染和低功 率因数问题日益严重，影响了供电的质量，已成为 １ 减少谐波源的谐波含量 电力系统的一大公害。由于谐波加剧了电网中电 １．１增加晶闸管变换装置脉冲数 压、电流波形畸变水平，故导致了电能质量的下 对于整流、换流设备，增加晶闸管变换装置脉 降。谐波的存在可能导致多种不良效应，如串联、 冲数是降低谐波最基本的一种方法。其输出波形 并联谐振引起的过电压、过电流、机械振动，从而 如图１所示。在正常对称情况下，换流装置产生 使多种设备出现过热、绝缘老化、轴扭振等问题。 的谐波电流次数为 另一方面，现代工业、商业、服务业及居民用户的 ｎ＝ｍｐ±１ （１） 用电设备对电能质量提出了更高的要求。因此， 式中ｍ——从ｌ开始的任意正整数 谐波抑制和治理已成为近年来电力系统和电力用 ｐ——换流装置的脉冲数 户需要解决的热点问题。 各次谐波电流的有效值为 对谐波的治理应该从两方面来考虑，一是产 ， ＝Ｋｎ，１ （２） 一５７— 维普资讯 http://www.cqvip.com 低压电器（２Ｏ０７№１０）现代建筑电气篇 式中Ｋ ——谐波系数 ， ——基波电流有效值 一了一 ＼．．一／ 书 审世 酱 辩：：： ：： ： ｆａ１直流时 （ｂ）交流时 图１ 增加晶闸管变换装置脉冲数的输出波形 一般Ｋ ≤１／ｎ，因此，得 Ｉ， ≤＿ Ｌ （３） 由式（２）、（３）和图１可知，整流、换流装置的 脉冲数愈多，谐波电流的次数愈高，即不产生较低 次谐波（如Ｐ＝１２时，只产生１１次和１３次以上谐 波电流）。同时，由于谐波电流与谐波次数成反 比，故谐波次数愈高，谐波电流值愈小。可见，增 加换流装置脉冲数，可消除较低次谐波，减少产生 的谐波电流。 增加换流装置脉冲数的有效方法是利用２台 绕组接法不同（Ｙ，ｙ和Ｙ，ｄ）的变压器二次侧电压 相差为３０。的原理，将２台三相６脉冲全波换流器 分别接入上述２台不同接线方式的变压器。这 样，就将两组６脉冲换流器变成了１２脉冲换流 器。由于１２脉冲换流器不产生５次和７次谐波， 因此也就不需再投资安装５次和７次滤波器。 当然，如果采用２４脉冲换流器，产生的谐波 电流就会更少。目前，国际上有些国家正在研制 产生少量谐波电流的换流器。基本原理就是在不 过多增加换流变压器技术复杂程度的前提下，把 三相６脉冲全波换流器变成３６脉冲换流器。 １．２改变供电系统运行方式 适当改变供电系统的运行方式可达到抑制谐 波影响的目的。尽可能地保持三相负荷电流的平 衡，可以减少ｍｐ±１次以外的非理论高次谐波电 流。运行中需尽量减少变压器空载，避免运行电 一５８一 ・专题讲座・ 压过高，改善电网电压质量。在系统参数不当、可 能造成谐波共振时（实测），采用倒换系统错开共 振点或改变无功补偿容量的办法来消除谐波共 振。在存在较大容量的谐波源负荷的情况下，可 采用提高供电电压等级或采用专线供电的方法， 例如专用１台主变压器对该条线路进行供电等。 ２安装滤波器 ２．１安装交流滤波器 在谐波源设备已经确定的情况下，防止谐波 电流注入电网的有效措施是在谐波源处就近安装 滤波器。靠近谐波源吸收谐波电流是安装滤波器 的基本原则。这是因为谐波电流进入高压电网后 再采取措施，无论是在技术上还是经济上都是不 合理的。 若谐波源．ｓ 由２２０ ｋＶ区域变电站的１１０ ｋＶ 母线输送电至１１０ ｋＶ变电站，再降压为１０ ｋＶ供 电，则安装滤波器的地点有如下３种方案，如图２ 所示。 滤 波 器 方案Ⅲ 方案Ⅱ 方案Ｉ 图２安装滤波器的３种方案 ①方案Ｉ：将滤波器安装于１１０ ｋＶ变电站 １０ ｋＶ母线上。 ②方案Ⅱ：将滤波器安装于２２０ ｋＶ区域变 电站１１０ ｋＶ母线上。 ③方案Ⅲ：将滤波器安装于２２０ ｋＶ区域变 电站１０ ｋＶ母线上。 方案Ｉ，滤波器和谐波源．ｓ 之间没有阻抗联 系，可直接吸收谐波源．ｓ 产生的谐波电流，此方 案最为有效。 方案Ⅱ，需要１１０ ｋＶ的滤波装置和开关等控 制设备，不仅技术要求高，而且增加造价。 方案Ⅲ，在技术上更加不合理。原因是：由于 为恒定谐波电流，因此可不计变压器１１０ ｋＶ侧 阻抗的影响。谐波等效电路如图３所示。 维普资讯 http://www.cqvip.com ・专题讲座・ 图３谐波等效电路图 图３中，经变压器２２０ ｋＶ侧注入电网的谐波 电流 和经变压器１ １０ ｋＶ侧进入滤波器的谐波 电流 的关系如下： ＩｓＩｃ ｎＸ１３＋（ｎＸｔ— ｃ／ｎ） ｎ ＝一ｎＸＴ１＋ｎＸｓ （４） 式中 ——变压器２２０ ｋＶ侧的基波等值阻抗 Ｂ——变压器ｌ０ ｋＶ侧的基波等值阻抗 ——系统基波阻抗 ——滤波器的基波感抗 。——滤波器的基波容抗 在１１０ ｋＶ侧，滤波器的失谐度不能很小（即 Ｑ值较高），故 ｎ ＞生 即 ＸｎＸｔ—ｃ＞０ （５） ｎ由于系统阻抗 很小，而变压器阻抗ＸＢ＞ ｎ，因此 Ｉｓ ｎＸ１３ Ｉｃｎ ｎＸＴ１ 一般地，变压器阻抗 １３ ÷ Ｔ１ 因此 Ｉｓ １ Ｉｃ ２ 即 Ｉ ｓ 一 Ｉｃ （６、） 在这种情况下，由于滤波器支路存在变压器 阻抗 ，因此流入系统的谐波电流仍然很大。 可见，由于滤波器安装地点选择不当，滤波器不能 起到应有的滤波作用。 由以上３种方案的分析比较可知，只有在谐 低压电器（２００７№１０） 现代建筑电气篇 波源处就近安装滤波器（即方案Ｉ谐波源与滤波 器之间没有阻抗联系）才是最有效的。 ２．２安装有源滤波器 安装交流滤波器的实质是组成一个对某次谐 波为低阻抗的谐振回路来吸收负荷所产生的高次 谐波电流，因此，它是一种无源滤波器。目前许多 国家正在研制利用时域补偿原理的有源滤波器。 这种滤波器的优点是能做到适时补偿且不增加电 网的容性元件，但造价较高。设置有源滤波器是 近年来采用的一种较为先进的抑制谐波的方法。 有源滤波器由具有自换向能力的半导体元件 ＧＴＯ和直流电流源组成。采用ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）控制方式，通过ＧＴＯ的导通调制出和 负荷产生的谐波电流大小相等、极性相反的输出 电流，与谐波电流相抵消，从而达到滤波效果。其 滤波原理和基本电路分别如图４和图５所示。图 ４中ｉ 为基波电流，ｉ 为高次谐波电流。 负荷电流（ｉｔ，＝ｉｌ＋ｉｎ）ｆＬ 二 补 （０＝ ） Ｉ 补偿后的 ｉｓ ／ 系统电流 ＼ 图４有源滤波器的滤波原理 高次谐波 一 负荷 （ｂ） 有源滤波器的基本回路 ３相数倍增法 电力系统中接入的非线性器件，有许多往往 正是利用非线性来达到技术上的某种目的，因此， 不能用降低甚至消除非线性来消除谐波。高次谐 波都是一些正弦交流量，其大小和方向与相位有 关，因此可设法让次数相同、相位相反的谐波相互 抵消。经分析推理证明，对于２组三相系统，如果 它们的相位相差３０。时，可以消除５、７、ｌ７、ｌ９、２９、 一５９— 高 次负 谐荷 波 维普资讯 http://www.cqvip.com 低压电器（现代建筑电气篇 ２００７￣１０） ・专题讲座・ ３１次谐波；相位相差１５。的４组三相系统，可以消 力系统中会产生更大的高次谐波畸变。这种后果 除１１、１３、３５、３７次等谐波。因此，用２个整流桥 是由于电容器投入阻抗为感性的电力系统时，形 组成的换流器分别接在有相位相差３０。的三相电 成在ｋ次谐波频率下的谐波放大作用和共振现象 路上，组成１２脉冲换流器，可以消除５、７、１７、１９、 所造成的。 ２９、３１次谐波。这样总的谐波量可由６脉冲换流 器时的０．２４６Ｉ 降到０．１１７Ｉ 。如果组成２４脉冲 【参考文献】 换流器，则谐波成分可降为０．０５３Ｉ 。以上方法就 ＤＵＲＡＮＴＥ Ｌ Ｇ，ＧＨＯＳＨ Ｐ Ｋ．Ａｃｔｉｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｍｅａｓ— 是相数倍增法。 ｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎ Ｎｏｎｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ『Ｊ］．ＩＥＥＥ 相数倍增法也可用普通换流变压器配合适当 Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０００，１５（３）：１ １４２— 的移相变压器组成１２相、１８相、２４相、３６相等换 １１４７． ＩＥＥＥ Ｐｏｗｅｒ Ｓｙ￣ｅｍ Ｈａｒｍｏｎｉｃｓ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ Ｒｅ— 流装置。这时移相变压器使各组换流装置获得 ３０。、２０。、１５。和１０。等的相位移。这种方式虽然克 ｐｏｒｔ．Ｐｏｗｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｈａｒｍｏｎｉｃ［Ｒ］．ＩＥＥＥ Ｔｕｔｏｒｉａｌ Ｃｏｕｒｓｅ，１９８４：１—１５７． 服了换流变压器复杂的困难，但增加了移相变压 ＧＢ／Ｔ １４５４９－－１９９３ 电能质量公用电网谐波 器的费用，这在经济性方面是否合理应进行具体 ［ ［ ｊ［Ｓ］． ； ［ ；的分析比较。可见，相数倍增法只有在各组整流 ］¨ Ｊ １Ｊ］ｊ程浩忠，艾芊，］ｊ朱子述，等．电能质量［Ｍ］．北京：］Ｊ 叫 一 一 ¨ 一 一器的负载完全一致时才能有效消除谐波。 清华大学出版社，２００６． ４ 结 语 吴竞昌．电力系统谐波［Ｍ］．北京：水利电力出版 社，１９８８． 本文从电力系统中产生谐波的非线性负荷和 西南电力试验研究所．电力系统高次谐波资料汇 受危害的电力设备和装置两个方面对电力系统谐 编『Ｇ］．１９８７． 波治理进行了阐述与分析，得出了以下一些结论。 西南电业管理局试验研究所．电力系统高次谐波 （１）在谐波源处就近安装滤波器，是在谐波 译文专辑（１，２，３，４）［Ｇ］．１９８４，１９８５，１９８６，１９８７． 源设备已确定的情况下防止谐波电流注入电网的 北京电机工程学会供用电专业委员会．电网高次 有效措施。靠近谐波源吸收谐波电流是安装滤波 谐波技术（讲义）［Ｇ］．１９８４． 器的基本原则。与交流滤波器相比，有源滤波器 曲涛．电力系统谐波的限值及其管理［Ｊ］．供用 电，１９８８（４）：４＿７． 能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件。 刘怀斌．硅整流所电力设计［Ｍ］．北京：冶金工业 （２）可对整流装置和变流变压器实施相数倍 出版社，１９８３． 增法，对某次谐波进行抑制。相数倍增法只有在各 浙江大学发电教研组直流输电科研组．直流输电 组整流器的负载完全一致时才能有效消除谐波。 ［Ｍ］．北京：电力工业出版社，１９８２． （３）要合理选择接人供电系统中的并联电容 ＳＤ １２６—１９８４ 电力系统谐波管理暂行规定［Ｓ］． 器的大小。如果错误地投入了并联电容器，在电 收稿日期：２００７－０３—１１ （上接第３２页） 项ＶＰＮ业务的扩展，需配置双引擎、双电源及防 【参考文献】 火墙模块。 ［１］Ｍａｔｔｈｅｗ Ｊ Ｃ．网络工程师手册［Ｍ］．袁国忠，译．北 京：人民邮电出版社，２００５． ５ 结 语 ［２］Ｍｅｉｆｋｅ Ｋａｅｏ．网络安全性设计［Ｍ］．２版．吴中福， 区县级“三网一库”的设计与实现中，要充分 译．北京：人民邮电出版社，２００５． 地将计算机网络通信和信息处理等新技术有机结 ［３］ 黎连业．网络工程和综合布线工程师手册［Ｍ］．北 京：清华大学出版社，２００３． 合，合理、充分地考虑各子系统之间的关联，提供 ［４］骆耀祖．网络系统集成与工程设计［Ｍ］．北京：电子 便捷的集成数据接口，最终实现电子政务信息资 工业出版社，２００５． 源的一体化应用。 收稿日期：２００６—１１—１３ 一６０一 Ｊ ］
