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摘要：随着科学技术蓬勃发展，各种新型电气设备和家用电器逐渐投入使用，随之而来的谐波对电网的危害也显得越发严重。本文主要介绍谐波的基本概念，谐波产生的机理，谐波的危害等相关基本理论为谐波检测与治理工作打下良好基础。
关键词：电力系统；谐波；分析检测抑制；方法
在电力的生产应用中，干扰性负荷接入电力系统后向其注入谐波电流，严重影响电压波形，给电网和用户带来了大量经济损失，谐波检测与治理已经成为电力科研人员和工程管理部门的严峻任务之一。
1 谐波的特征分析及电网谐波制定标准
1.1 谐波的定量分析
电力系统正常的工作电压波形是一个频率为50HZ的正弦波，它的数学表达式如1所示：
（1）
式中：ω=2πf=2π/T，ω，f，t分别为工频的角频率、频率和周期；U为电压的有效值，其幅值为 ；α为初相角。
根据式（1）可以看出，理想的电力系统提供的电能其电压水平必须保证单一、稳定的频率和固定的幅值。实际电网要达到这两点要求较为困难。由于非线性负荷的存在，电网中的电压波形时常会发生畸变，不再保持呈现一个正弦波形。这种畸变波形是由频率不同的多种正弦波形组成，即都是由一个基波正弦波掺杂着一系列其它频率的波形。
1.2 谐波的特征量分析
当电力系统提供给非线性设备的电压是理想的正弦电压时，而设备流过的电流不是正弦波形，即有谐波电流存在。含有半导体的非线性元件遍布于电力系统中，它们是电力系统的主要谐波源，如晶闸管、各种整流装置等。目前电力系统广泛使用一些含有铁磁非线性元件的电气设备，如电压互感器、变压器、旋转电机等，这也是造成谐波现象发生的主要因素。谐波分析常用的特征量包括谐波含量、谐波总畸变率和第n次谐波的含有率，它们是便于用来表示波形发生畸变后偏离正弦波形的程度。
1.3 电力系统谐波的制定标准
（1） 低电压配电网谐波电压总畸变率允许值
低电压配电网的谐波电压总畸变率允许值的设定，为更高电压等级的电力系统（中压、高压）谐波电压总畸变率的确定提供基础。根据国外对谐波制定标准，并结合我国电力系统具体情况，一般不高于380V的低压配电网，它的谐波电压总畸变率一般允许在5%左右。
（2） 各级电网谐波电压制定标准
由于低压配电网的谐波电压总畸变率允许值为5%，随着电压等级的升高，各级电压下的谐波电压总畸变率应该随之降低，即应小于5%。根据我国的实际情况，国家制定的公用配电系统谐波电压的标准允许值如表1所示。表中数据还参考了奇数次谐波所占谐波总量较大这一影响因素。
表1 公用配电系统谐波电压（相电压）的允许值
配电系统标
称电压（kV） 配电系统电压总谐波畸变率（%） 各次谐波电压含有率（%）
奇 次 偶 次
0.38 5 4 2
6、10 4 3.2 1.6
35、66 3 2.4 1.2
110 2 1.6 0.8
2 谐波产生机理
在理想状态下，用电负荷需要电力部门提供给它们优质的电能，即具有正弦波形的电压，以保证企业生产的正常的运作，提高社会的经济效益。但由于某些因素的影响，往往电力系统提供的电压偏离正弦波形，从而产生谐波现象。电网产生谐波的根本原因是电网中电气设备和用电负荷的阻抗特性呈非线性。这些谐波源向电网注入谐波，导致电能质量下降，电压、电流波形出现一定程度的畸变。因此谐波含量是衡量电能质量的标准之一。谐波会在电力系统各个环节中产生，如发电、输电、电能转换以及电能使用等过程。
3 电力系统谐波检测方法
（1） 模拟滤波器原理谐波检测与分析
它是早期的谐波检测与分析方法，并建立在频域理论基础之上。
（2） 基于傅里叶变换理论的检测与分析
傅里叶变换的典型用途是信号分解，将模拟信号经采样，离散化为数字序列信号，信号分解后得到各次谐波的幅值分量和频率分量，在通过计算机对谐波进行各种统计和分析。该方法的优点是检测谐波精度高，使用方便，方法简单实用，所以它是谐波检测领域中运用最广泛的方法之一。
（3） 基于瞬时无功功率理论的检测与分析
1984年日本学者H.Akagi等人提出了瞬时无功功率理论，该理论突破时间平均值概念扩展为瞬时之后，系统地定义了瞬时有功、无功功率。根据该理论提出了两种检测和分析谐波电流的方法即： p-q法和ip-iq法。这两种方法的优点是物理意义明确，电路结构简单，硬件实现不繁琐。
（4） 基于小波变换理论的检测与分析
小波变换是一种新的时频分析工具，在时域分析中被广泛运用。利用FFT检测分析谐波时，无法描述信号的时域局部性质，对于用来检测变化速度快、持续时间短的谐波来讲缺乏合理有效方法。电网谐波是一种非平稳信号，而小波变换时频局部性质良好，在处理谐波信号时效果显著。小波变换在处理过程中，采用不同尺度对其分析，可以获得信号的最佳时域和频域分辨率，大大提高了检测精度。但是小波变换由于自身的缺陷在检测分析中也存在着不足，选择合适的小波基函数目前仍比较繁琐，从而增加了其计算量，而且小波变换在频域上时常出现频率混叠现象，频率分辨率不高。在分离谐波中所含的不同频率的信号时，该方法不能准确的检测各次谐波参数。
总之，不同的谐波检测分析方法各有优缺点，且电力系统又是一个很复杂的系统，在实际运用中会出现各式各样的问题。在实际应用中要根据具体的环境因素来确定适用的分析方法，这方面的需求促进了电力谐波分析技术的不断往前发展。
4 电力系统谐波的抑制措施
（1） 严格执行谐波制定的国家标准，加强对谐波源的监测。
（2） 在谐波源的位置上装设滤波装置。
目前利用滤波装置抑制谐波的方法被广泛运用到电力系统中，滤波装置主要有以下几种：无源滤波器、有源滤波器和混合滤波器等。
图1是典型的混合型有源电力滤波器原理图，混合滤波器是由无源 滤波器和有源电力滤波器组成。其中谐波源是负载， 为交流电源。其中无源滤波器进行谐波补偿，有源滤波器所起的作用是改善滤波器滤波特性，克服无源滤波器在电网中发生谐振的缺点。 电路中指令电流运算电路用来检测谐波成分。电路跟踪控制电路对指令信号进行处理，控制驱动电路工作，补偿电流 是由驱动电路产生，从而抵消了电流中的谐波成分。该装置对谐波补偿属于动态补偿，响应速度快，当谐波电流很大时，也不会发生过载现象，滤波效果不受系统阻抗特性的影响。
图1混合型有源电力滤波器原理图
（3） 加装静止无功补偿装置
某些谐波源会引起电网电压波动和闪变，甚至电弧炉还会造成系统三相电压不平衡，严重影响电力系统的电能质量。在谐波源位置处并联装设静止无功补偿装置，再消除谐波的同时也可以有效抑制电压波动和闪变，保持了三相电压平衡，提高了系统的电能质量。
（4） 限制电容器组的投入数量
在电力系统中并联电容器可以有效调节电压，校正功率因数。它对系统的阻频特性影响很大，当谐波注入后，在一定条件下电容器会对谐波起放大作用，损坏电气设备，严重时会危及人身安全。所以应限制电容器组的投入容量，在允许的条件下也可以投入串接的電抗器，避免谐波放大。
（5） 增加换流装置的相数
换流装置是电力系统常见的谐波源之一，整流装置产生的谐波电流成分与脉动数 有关， 。由于谐波电流与谐波次数成反比，因此通过增加脉动数量来使整流装置产生谐波次数增大，这样可以大大降低谐波产生的谐波电流，消除了一系列频率较低，幅值高的谐波成分。
参考资料：
[1]王敬禹，贺剑，田晨.基于瞬时无功功率理论的APF仿真设计[J].价值工程，2013（26）
[2]周敬尧.瞬时无功功率理论在配电网电能质量控制中的应用[J].黑龙江科技信息，2013（24）
关键词：电力系统；谐波；分析检测抑制；方法
在电力的生产应用中，干扰性负荷接入电力系统后向其注入谐波电流，严重影响电压波形，给电网和用户带来了大量经济损失，谐波检测与治理已经成为电力科研人员和工程管理部门的严峻任务之一。
1 谐波的特征分析及电网谐波制定标准
1.1 谐波的定量分析
电力系统正常的工作电压波形是一个频率为50HZ的正弦波，它的数学表达式如1所示：
（1）
式中：ω=2πf=2π/T，ω，f，t分别为工频的角频率、频率和周期；U为电压的有效值，其幅值为 ；α为初相角。
根据式（1）可以看出，理想的电力系统提供的电能其电压水平必须保证单一、稳定的频率和固定的幅值。实际电网要达到这两点要求较为困难。由于非线性负荷的存在，电网中的电压波形时常会发生畸变，不再保持呈现一个正弦波形。这种畸变波形是由频率不同的多种正弦波形组成，即都是由一个基波正弦波掺杂着一系列其它频率的波形。
1.2 谐波的特征量分析
当电力系统提供给非线性设备的电压是理想的正弦电压时，而设备流过的电流不是正弦波形，即有谐波电流存在。含有半导体的非线性元件遍布于电力系统中，它们是电力系统的主要谐波源，如晶闸管、各种整流装置等。目前电力系统广泛使用一些含有铁磁非线性元件的电气设备，如电压互感器、变压器、旋转电机等，这也是造成谐波现象发生的主要因素。谐波分析常用的特征量包括谐波含量、谐波总畸变率和第n次谐波的含有率，它们是便于用来表示波形发生畸变后偏离正弦波形的程度。
1.3 电力系统谐波的制定标准
（1） 低电压配电网谐波电压总畸变率允许值
低电压配电网的谐波电压总畸变率允许值的设定，为更高电压等级的电力系统（中压、高压）谐波电压总畸变率的确定提供基础。根据国外对谐波制定标准，并结合我国电力系统具体情况，一般不高于380V的低压配电网，它的谐波电压总畸变率一般允许在5%左右。
（2） 各级电网谐波电压制定标准
由于低压配电网的谐波电压总畸变率允许值为5%，随着电压等级的升高，各级电压下的谐波电压总畸变率应该随之降低，即应小于5%。根据我国的实际情况，国家制定的公用配电系统谐波电压的标准允许值如表1所示。表中数据还参考了奇数次谐波所占谐波总量较大这一影响因素。
表1 公用配电系统谐波电压（相电压）的允许值
配电系统标
称电压（kV） 配电系统电压总谐波畸变率（%） 各次谐波电压含有率（%）
奇 次 偶 次
0.38 5 4 2
6、10 4 3.2 1.6
35、66 3 2.4 1.2
110 2 1.6 0.8
2 谐波产生机理
在理想状态下，用电负荷需要电力部门提供给它们优质的电能，即具有正弦波形的电压，以保证企业生产的正常的运作，提高社会的经济效益。但由于某些因素的影响，往往电力系统提供的电压偏离正弦波形，从而产生谐波现象。电网产生谐波的根本原因是电网中电气设备和用电负荷的阻抗特性呈非线性。这些谐波源向电网注入谐波，导致电能质量下降，电压、电流波形出现一定程度的畸变。因此谐波含量是衡量电能质量的标准之一。谐波会在电力系统各个环节中产生，如发电、输电、电能转换以及电能使用等过程。
3 电力系统谐波检测方法
（1） 模拟滤波器原理谐波检测与分析
它是早期的谐波检测与分析方法，并建立在频域理论基础之上。
（2） 基于傅里叶变换理论的检测与分析
傅里叶变换的典型用途是信号分解，将模拟信号经采样，离散化为数字序列信号，信号分解后得到各次谐波的幅值分量和频率分量，在通过计算机对谐波进行各种统计和分析。该方法的优点是检测谐波精度高，使用方便，方法简单实用，所以它是谐波检测领域中运用最广泛的方法之一。
（3） 基于瞬时无功功率理论的检测与分析
1984年日本学者H.Akagi等人提出了瞬时无功功率理论，该理论突破时间平均值概念扩展为瞬时之后，系统地定义了瞬时有功、无功功率。根据该理论提出了两种检测和分析谐波电流的方法即： p-q法和ip-iq法。这两种方法的优点是物理意义明确，电路结构简单，硬件实现不繁琐。
（4） 基于小波变换理论的检测与分析
小波变换是一种新的时频分析工具，在时域分析中被广泛运用。利用FFT检测分析谐波时，无法描述信号的时域局部性质，对于用来检测变化速度快、持续时间短的谐波来讲缺乏合理有效方法。电网谐波是一种非平稳信号，而小波变换时频局部性质良好，在处理谐波信号时效果显著。小波变换在处理过程中，采用不同尺度对其分析，可以获得信号的最佳时域和频域分辨率，大大提高了检测精度。但是小波变换由于自身的缺陷在检测分析中也存在着不足，选择合适的小波基函数目前仍比较繁琐，从而增加了其计算量，而且小波变换在频域上时常出现频率混叠现象，频率分辨率不高。在分离谐波中所含的不同频率的信号时，该方法不能准确的检测各次谐波参数。
总之，不同的谐波检测分析方法各有优缺点，且电力系统又是一个很复杂的系统，在实际运用中会出现各式各样的问题。在实际应用中要根据具体的环境因素来确定适用的分析方法，这方面的需求促进了电力谐波分析技术的不断往前发展。
4 电力系统谐波的抑制措施
（1） 严格执行谐波制定的国家标准，加强对谐波源的监测。
（2） 在谐波源的位置上装设滤波装置。
目前利用滤波装置抑制谐波的方法被广泛运用到电力系统中，滤波装置主要有以下几种：无源滤波器、有源滤波器和混合滤波器等。
图1是典型的混合型有源电力滤波器原理图，混合滤波器是由无源 滤波器和有源电力滤波器组成。其中谐波源是负载， 为交流电源。其中无源滤波器进行谐波补偿，有源滤波器所起的作用是改善滤波器滤波特性，克服无源滤波器在电网中发生谐振的缺点。 电路中指令电流运算电路用来检测谐波成分。电路跟踪控制电路对指令信号进行处理，控制驱动电路工作，补偿电流 是由驱动电路产生，从而抵消了电流中的谐波成分。该装置对谐波补偿属于动态补偿，响应速度快，当谐波电流很大时，也不会发生过载现象，滤波效果不受系统阻抗特性的影响。
图1混合型有源电力滤波器原理图
（3） 加装静止无功补偿装置
某些谐波源会引起电网电压波动和闪变，甚至电弧炉还会造成系统三相电压不平衡，严重影响电力系统的电能质量。在谐波源位置处并联装设静止无功补偿装置，再消除谐波的同时也可以有效抑制电压波动和闪变，保持了三相电压平衡，提高了系统的电能质量。
（4） 限制电容器组的投入数量
在电力系统中并联电容器可以有效调节电压，校正功率因数。它对系统的阻频特性影响很大，当谐波注入后，在一定条件下电容器会对谐波起放大作用，损坏电气设备，严重时会危及人身安全。所以应限制电容器组的投入容量，在允许的条件下也可以投入串接的電抗器，避免谐波放大。
（5） 增加换流装置的相数
换流装置是电力系统常见的谐波源之一，整流装置产生的谐波电流成分与脉动数 有关， 。由于谐波电流与谐波次数成反比，因此通过增加脉动数量来使整流装置产生谐波次数增大，这样可以大大降低谐波产生的谐波电流，消除了一系列频率较低，幅值高的谐波成分。
参考资料：
[1]王敬禹，贺剑，田晨.基于瞬时无功功率理论的APF仿真设计[J].价值工程，2013（26）
[2]周敬尧.瞬时无功功率理论在配电网电能质量控制中的应用[J].黑龙江科技信息，2013（24）