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摘要：谐波对于电网的影响来说是深远的，充分分析谐波对电网的影响有重要意义，本文主要对电力谐波对电网的影响及其解决措施进行了探讨。
关键词：谐波电网治理
Abstract: the influence of the power network harmonic it is profound, the full analysis of the influence of the harmonic power grid has an important meaning, this paper mainly to the power grid and the influence of the harmonic wave to solving measures are discussed.
Keywords: harmonic power grid management
中图分类号：U665.12文献标识码：A 文章编号：
0 前言
随着电力电子装置应用的迅速普及，其非线性的负荷特性给电网带来丰富的谐波电流，使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波亦增加了公用电网的附加损耗、降低了发电、输电及用电设备的效率。谐波不仅影响了输配电和用户电力设备的正常使用，致使用户的无功功率电费支出增加，而且对其它设备组件也产生了危害。下面将对电力系统谐波的产生原因与危害影响做出分析，提出了治理电力系统谐波的主要措施。
1 谐波对电网的主要影响及谐波治理的意义
1.1谐波对电网设备的影响
（1）电网谐波污染，导致输电线路、变压器和电机损耗增加，浪费日趋宝贵的能源；（2）变压器、旋转电机等铁芯磁感应环流增加，大大加大电气设备发热损耗，增加功耗；加速绝缘老化，影响设备寿命；甚至发生机械谐振，旋转电机转速不稳，烧毁旋转电机；
（3）电线电缆等集肤效应增大，发热损耗增加；加速绝缘老化，影响寿命；
（4）电力系统继电保护误启动，误动作跳闸，拒动和损坏，常引起事故或扩大停电事故；
（5）电能表等计量装置误差增大，不能正确计量电能。无功补偿电力电容器组的谐波电压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，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗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，使得电容器及熔断器因过热、过电压等而不能正常运行甚至烧毁。
1.2谐波对电网负荷的影响
(1)对线性负荷而言，当系统电源电压无畸变时，电压、电流均为工频正弦波，负荷仅消耗基波电能，所有电能表的计量是准确的，负荷所消耗的有功电能的计量值均在其误差范围之内；电源电压畸变时，电压中存在高次谐波分量，导致负荷电流中也出现谐波分量，负荷不仅消耗基波有功电能，还会消耗谐波有功电能，相当于系统向线性负荷输送谐波有功电能，使得线性负荷所吸收的综合电能大于基波电能。
(2)对非线性负荷而言，当电源电压无畸变时，尽管电压为工频正弦波，但是由于负荷的非线性，负荷电流中存在高次谐波分量。此时，非线性负荷虽然只消耗基波有功电能，但是非线性负荷将作为谐波污染源，向系统注入谐波电流。当电源电压畸变时，电压、电流中均存在高次谐波分量。此时，非线性负荷不仅消耗基波有功电能，还消耗部分谐波有功电能，同时还向系统注入部分谐波电能，就目前理论分析和试验的结果来看，非线性负荷的综合电能小于基波电能，向系统注入了谐波电能，所以非线性负荷对系统造成了谐波污染。
1.3谐波治理的意义
(1)降低线损和变损，安装无功补偿装置后功率因数提高，线路电流会下降，这样线路损耗降低，变压器的有功损耗也会降低。对于高压计量的用户，在低压侧安装无功补偿装置，可降低安装点与计量点间的线损；
(2)提高设备使用效率；
(3)提高线路终端电压，输送功率不变，负载功率因数越高，线路输电电流越小，导线的阻抗压降越小，输电线路终端或者负载端电压越高，并因此提高了设备利用率。
2 谐波治理的措施
2.1 谐波治理的机理
（1）对谐波的全补偿
补偿前由于负载电流中含有大量的5次、7次、11次、13次等谐波成份，致使电网侧的电流波形严重畸变，补偿后电网侧的电流中所含有的谐波成份减少。（见图一）
图1 补偿后电流波形图2 单次补偿后电网电流波形
（2）对单次谐波的补偿
有源电力滤波器仅对负载电流中的5次谐波成分进行补偿的电流指令和变流器输出电流波形，有下图可以看出此时滤波器端口电流中仅含有5次成份和少量的用于调整直流侧电压的基波成份。（见图二）
（3）对谐波和负序的补偿
有源电力滤波器对谐波和负序进行补偿后电网侧的电流波形。（见图三）
图3 谐波和负序补偿后电网电流波形 图4 谐波和负序及无功补偿后电网电流波形
（4）对谐波和负序及无功的补偿
有源电力滤波器对负载电流中的谐波、负序及无功全部进行补偿后电网电流的波形。（见图四）
2.2谐波源的科学管理
在电网谐波量较高的地点，以及主要谐波源用户与电网的公共连接点应配备谐波监测装置，并按要求进行监视和测量；用户新、扩、改建的用电设备接入电网前，必须先采取有效措施限制其谐波对电网的影响程度在允许范围内，才能准予接入电网运行；且在接入电网前，调度部门应掌握用户的下列信息：
（1）设备形式、参数、电气结线和运行方式
（2）谐波源设备的结线方式、控制方式和脉冲数
（3）设备出厂的谐波指标
（4）用户改善功率因数和限制谐波电流而安装的电容器组的参数
（5）谐波分析计算或实测报告；
如在运行中发现某处谐波超过规定值时，应采取如下的措施：
（1）改变谐波源用户与电网的连接方式
（2）退出有谐波放大作用的电容器组
（3）调整谐波源用电设备的用电时间
（4）停止谐波源设备用电，直至采取限制措施后再允许用电。
2.3 采用滤波器设备治理谐波
（1）有源电力滤波器
当电网供电中使用了较大的非线性负载时（例如：可控硅、二极管电源等），就会给电网产生严重的电流谐波，极大地破坏了供电环境。并联有源电力滤波器可有效的解决电网严重的电流谐波，同时也改善电压谐波。由于三相电压不平衡造成运行温升过高，出现机械噪音，以及单相负载造成的3次谐波，不但浪费了电能，还对用电设备带来损坏，给供电电网造成很大的隐患。使用三相四线并联有源电力滤波器，不但可解决三相不平衡，还可消除有单相负载造成的3次谐波。
（2）无源电力滤波器
一般来说，加装电容器组可以解决功率因数过低的问题，但电容器组投入的同时很容易将某次的电流谐波放大，严重时还可能出现供电开关跳闸的情况。将电容器组改为无源滤波器既提高功率因数又能消除一部分谐波。在中压10kV、35kV的供电电网中，无源滤波器已大量使用并且有很好的滤波效果，但无源滤波器在较复杂的供电系统中可能会产生谐振或为躲避谐振点而降低了滤波效果。
（3）混合有源电力滤波器
大功率供电电网无功与谐波的治理：大型工矿企业中，大功率非线性负载较多，各种交流电机也较多，因此所需无功也较多，谐波和功率因数都存在很大的问题。将无源电力滤波器与有源电力滤波器混和使用，根据供电系统的要求，设计合理的混合方案，做到性价比最优。使用者不但提高功率因数而且有效降低供电电网的谐波，是大功率供电系统的优选方案。
参考文献：
【1】吴安岚．谐波治理基础及新技术的采用【M】．北京：中国水利水电出版社，2008．
【2】张有顺，冯井岗．电力系统谐波概述【M】．北京：中国计量出版社，2008．
【3】吴竞昌，孙树勤，宋文南，等．电力系统谐波【M】．北京：水利电力出版社，2009．
【4】许克明，徐云，劉付平．电力系统高次谐波【M】．重庆：重庆大学出版社，2007．
【5】张直平．城市电网谐波手册【M】．北京：中国电力出版社，2009．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：谐波电网治理
Abstract: the influence of the power network harmonic it is profound, the full analysis of the influence of the harmonic power grid has an important meaning, this paper mainly to the power grid and the influence of the harmonic wave to solving measures are discussed.
Keywords: harmonic power grid management
中图分类号：U665.12文献标识码：A 文章编号：
0 前言
随着电力电子装置应用的迅速普及，其非线性的负荷特性给电网带来丰富的谐波电流，使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波亦增加了公用电网的附加损耗、降低了发电、输电及用电设备的效率。谐波不仅影响了输配电和用户电力设备的正常使用，致使用户的无功功率电费支出增加，而且对其它设备组件也产生了危害。下面将对电力系统谐波的产生原因与危害影响做出分析，提出了治理电力系统谐波的主要措施。
1 谐波对电网的主要影响及谐波治理的意义
1.1谐波对电网设备的影响
（1）电网谐波污染，导致输电线路、变压器和电机损耗增加，浪费日趋宝贵的能源；（2）变压器、旋转电机等铁芯磁感应环流增加，大大加大电气设备发热损耗，增加功耗；加速绝缘老化，影响设备寿命；甚至发生机械谐振，旋转电机转速不稳，烧毁旋转电机；
（3）电线电缆等集肤效应增大，发热损耗增加；加速绝缘老化，影响寿命；
（4）电力系统继电保护误启动，误动作跳闸，拒动和损坏，常引起事故或扩大停电事故；
（5）电能表等计量装置误差增大，不能正确计量电能。无功补偿电力电容器组的谐波电压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，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗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，使得电容器及熔断器因过热、过电压等而不能正常运行甚至烧毁。
1.2谐波对电网负荷的影响
(1)对线性负荷而言，当系统电源电压无畸变时，电压、电流均为工频正弦波，负荷仅消耗基波电能，所有电能表的计量是准确的，负荷所消耗的有功电能的计量值均在其误差范围之内；电源电压畸变时，电压中存在高次谐波分量，导致负荷电流中也出现谐波分量，负荷不仅消耗基波有功电能，还会消耗谐波有功电能，相当于系统向线性负荷输送谐波有功电能，使得线性负荷所吸收的综合电能大于基波电能。
(2)对非线性负荷而言，当电源电压无畸变时，尽管电压为工频正弦波，但是由于负荷的非线性，负荷电流中存在高次谐波分量。此时，非线性负荷虽然只消耗基波有功电能，但是非线性负荷将作为谐波污染源，向系统注入谐波电流。当电源电压畸变时，电压、电流中均存在高次谐波分量。此时，非线性负荷不仅消耗基波有功电能，还消耗部分谐波有功电能，同时还向系统注入部分谐波电能，就目前理论分析和试验的结果来看，非线性负荷的综合电能小于基波电能，向系统注入了谐波电能，所以非线性负荷对系统造成了谐波污染。
1.3谐波治理的意义
(1)降低线损和变损，安装无功补偿装置后功率因数提高，线路电流会下降，这样线路损耗降低，变压器的有功损耗也会降低。对于高压计量的用户，在低压侧安装无功补偿装置，可降低安装点与计量点间的线损；
(2)提高设备使用效率；
(3)提高线路终端电压，输送功率不变，负载功率因数越高，线路输电电流越小，导线的阻抗压降越小，输电线路终端或者负载端电压越高，并因此提高了设备利用率。
2 谐波治理的措施
2.1 谐波治理的机理
（1）对谐波的全补偿
补偿前由于负载电流中含有大量的5次、7次、11次、13次等谐波成份，致使电网侧的电流波形严重畸变，补偿后电网侧的电流中所含有的谐波成份减少。（见图一）
图1 补偿后电流波形图2 单次补偿后电网电流波形
（2）对单次谐波的补偿
有源电力滤波器仅对负载电流中的5次谐波成分进行补偿的电流指令和变流器输出电流波形，有下图可以看出此时滤波器端口电流中仅含有5次成份和少量的用于调整直流侧电压的基波成份。（见图二）
（3）对谐波和负序的补偿
有源电力滤波器对谐波和负序进行补偿后电网侧的电流波形。（见图三）
图3 谐波和负序补偿后电网电流波形 图4 谐波和负序及无功补偿后电网电流波形
（4）对谐波和负序及无功的补偿
有源电力滤波器对负载电流中的谐波、负序及无功全部进行补偿后电网电流的波形。（见图四）
2.2谐波源的科学管理
在电网谐波量较高的地点，以及主要谐波源用户与电网的公共连接点应配备谐波监测装置，并按要求进行监视和测量；用户新、扩、改建的用电设备接入电网前，必须先采取有效措施限制其谐波对电网的影响程度在允许范围内，才能准予接入电网运行；且在接入电网前，调度部门应掌握用户的下列信息：
（1）设备形式、参数、电气结线和运行方式
（2）谐波源设备的结线方式、控制方式和脉冲数
（3）设备出厂的谐波指标
（4）用户改善功率因数和限制谐波电流而安装的电容器组的参数
（5）谐波分析计算或实测报告；
如在运行中发现某处谐波超过规定值时，应采取如下的措施：
（1）改变谐波源用户与电网的连接方式
（2）退出有谐波放大作用的电容器组
（3）调整谐波源用电设备的用电时间
（4）停止谐波源设备用电，直至采取限制措施后再允许用电。
2.3 采用滤波器设备治理谐波
（1）有源电力滤波器
当电网供电中使用了较大的非线性负载时（例如：可控硅、二极管电源等），就会给电网产生严重的电流谐波，极大地破坏了供电环境。并联有源电力滤波器可有效的解决电网严重的电流谐波，同时也改善电压谐波。由于三相电压不平衡造成运行温升过高，出现机械噪音，以及单相负载造成的3次谐波，不但浪费了电能，还对用电设备带来损坏，给供电电网造成很大的隐患。使用三相四线并联有源电力滤波器，不但可解决三相不平衡，还可消除有单相负载造成的3次谐波。
（2）无源电力滤波器
一般来说，加装电容器组可以解决功率因数过低的问题，但电容器组投入的同时很容易将某次的电流谐波放大，严重时还可能出现供电开关跳闸的情况。将电容器组改为无源滤波器既提高功率因数又能消除一部分谐波。在中压10kV、35kV的供电电网中，无源滤波器已大量使用并且有很好的滤波效果，但无源滤波器在较复杂的供电系统中可能会产生谐振或为躲避谐振点而降低了滤波效果。
（3）混合有源电力滤波器
大功率供电电网无功与谐波的治理：大型工矿企业中，大功率非线性负载较多，各种交流电机也较多，因此所需无功也较多，谐波和功率因数都存在很大的问题。将无源电力滤波器与有源电力滤波器混和使用，根据供电系统的要求，设计合理的混合方案，做到性价比最优。使用者不但提高功率因数而且有效降低供电电网的谐波，是大功率供电系统的优选方案。
参考文献：
【1】吴安岚．谐波治理基础及新技术的采用【M】．北京：中国水利水电出版社，2008．
【2】张有顺，冯井岗．电力系统谐波概述【M】．北京：中国计量出版社，2008．
【3】吴竞昌，孙树勤，宋文南，等．电力系统谐波【M】．北京：水利电力出版社，2009．
【4】许克明，徐云，劉付平．电力系统高次谐波【M】．重庆：重庆大学出版社，2007．
【5】张直平．城市电网谐波手册【M】．北京：中国电力出版社，2009．
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。