系统谐波范文

系统谐波范文（精选12篇）

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。

电力系统谐波及滤波技术 第2篇

摘要：主要针对电力系统谐波的危害及其检测分析技术，归纳总结了目前电力系统中进行谐波抑制常用的方法。

我们知道，在电力系统中采用电力电子装置可灵活方便地变换电路形态，为用户提供高效使用电能的手段。但是，电力电子装置的广泛应用也使电网的谐波污染问题日趋严重，影响了供电质量。目前谐波与电磁干扰、功率因数降低已并列为电力系统的三大公害。因而了解谐波产生的机理，研究消除供配电系统中的高次谐波问题对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着非常积极的意义。

谐波及其起源

所谓谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。周期为T＝2π/ω的非正弦电压u（ωt），在满足狄里赫利条件下，可分解为如下形式的傅里叶级数：式中频率为nω（n＝2，3„）的项即为谐波项，通常也称之为高次谐波。

应该注意，电力系统所指的谐波是稳态的工频整数倍数的波形，电网暂态变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴；谐波与不是工频整倍数的次谐波（频率低于工频基波频率的分量）和分数谐波（频率非基波频率整倍数的分数）有定义上的区别。

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，电流因而发生了畸变，由于负荷与电网相连，故谐波电流注入到电网中，这些设备就成了电力系统的谐波源。系统中的主要谐波源可分为两类：含半导体的非线性元件，如各种整流设备、变流器、交直流换流设备、PWM变频器等节能和控制用的电力电子设备；含电弧和铁磁非线性设备的谐波源，如日光灯、交流电弧炉、变压器及铁磁谐振设备等。

国际上对电力谐波问题的研究大约起源于五六十年代，当时的研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。进入70年代后，随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题日趋严重，从而引起世界各国的高度重视。各种国际学术组织如电气与电子工程师协会（IEEE）、国际电工委员会（IEC）和国际大电网会议（CIGRE）相继各自制定了包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。我国国家技术监督局于1993年颁布了国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》，标准给出了公用电网谐波电压、谐波电流的限制值。

如国内某轧钢厂的4000kW交流变频同步电机的调速系统，在某种工况下5次谐波含量达到15.88%，7次谐波含量达7.9%。另外，低于电网频率的次谐波和大量的分数次谐波，使电流总谐波畸变率最高时可达25.87%，电压总谐波畸变率最高时可达6.19%。远高于国家标准GB/T14549－93《电能质量公用电网谐波》，可见，谐波对电网的污染是相当严重的。高次谐波的危害

谐波污染对电力系统的危害是严重的，主要表现在：

（1）谐波影响各种电气设备的正常工作。对如发电机的旋转电机产生附加功率损耗、发热、机械振动和噪声；对断路器，当电流波形过零点时，由于谐波的存在可能造成高的di/dt，这将使开断困难，并且延长故障电流的切除时间。

（2）谐波对供电线路产生了附加损耗。由于集肤效应和邻近效应，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。

（3）使电网中的电容器产生谐振。工频下，系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要大得多，不会产生谐振，但谐波频率时，感抗值成倍增加而容抗值成倍减少，这就有可能出现谐振，谐振将放大谐波电流，导致电容器等设备被烧毁。

（4）谐波将使继电保护和自动装置出现误动作，并使仪表和电能计量出现较大误差。

谐波对其他系统及电力用户危害也很大：如对附近的通信系统产生干扰，轻者出现噪声，降低通信质量，重者丢失信息，使通信系统无法正常工作，影响电子设备工作精度，使精密机械加工的产品质量降低；设备寿命缩短，家用电器工况变坏等。

为了有效补偿和抑制负载产生的谐波电流，首先必须对含有的谐波成分有精确的认识，因而需要实时检测负载电流中的谐波分量。现有的谐波电流检测和分析方法主要基于以下几种原理：（1）带阻滤波法

这是一种最为简单的谐波电流检测方法，其基本原理是设计一个低阻滤波器，将基波分量滤除，从而获得总的谐波电流量。这种方法过于简单，精度很低，不能满足谐波分析的需要，一般不用。（2）带通选频法和FFT变换法

带通选频方法采用多个窄带滤波器，逐次选出各次谐波分量。利用FFT变换来检测电力谐波是一种以数字信号处理为基础的测量方法，其基本过程是对待测信号（电压或电流）进行采样，经A/D转换，再用计算机进行傅里叶变换，得到各次谐波的幅值和相位系数。

这两种方法都可以检测到各次谐波的含量，但以模拟滤波器为基础的带通选频法装置，结构复杂，元件多，测量精度受元件参数、环境温度和湿度变化的影响大，且没有自适应能力；后一种检测方法其优点是可同时测量多个回路，能自动定时测量。缺点是采样点的个数限制谐波测量的最高次数，具有较长的时间延迟，实时性较差。（3）瞬时空间矢量法

1983年日本学者赤木泰文提出的瞬时无功功率理论，即“p-q”理论，对电力谐波量的检测做出了极大的贡献，由于解决了谐波和无功功率的瞬时检测和不用储能元件就能实现抑制谐波和无功补偿等问题，使得电力有源滤波理论由实验室的理论研究走向工作应用。根据该理论，可以得到瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，p和q中都含有直流分量和交流分量，即：式中分别为p、q的直流分量，即为对应的交流分量。由可得被检测电流的基波分量，将基波分量与总电流相减即得相应的谐波电流。因为该方法忽略了零序分量，且对于不对称系统，瞬时无功的平均分量不等于三相的平均无功。所以，该方法只适用于三相电压正弦、对称情况下的三相电路谐波和基波无功电流的检测。

理论进一步发展和完善了“p-q”理论，该理论提出的检测方法解决了三相电压非正弦、非对称情况下三相电路谐波和基波负序电流的检测。

该方法基于自适应干扰抵消原理，将电压作为参考输入，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量。该自适应检测系统的特点是在电压波形畸变情况下也具有较好的自适应能力，缺点是动态响应速度较慢。在此基础上，又有学者提出一种基于神经元的自适应谐波的电流检测法。

对于一般的谐波检测，如电力部门出于管理而检测，需要获得的是各次谐波的含量，而对于谐波的时间则不关心，因此，傅里叶变换就满足要求。然而在对谐波电流进行动态抑制时，不必分解出各次谐波分量，只需检测出除基波电流外的总畸变电流，但对出现谐波的时间感兴趣，对于这一点，傅里叶变换无能为力。小波变换由于克服了傅里叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在时域和频域同时具有局部性，因此通过小波变换对谐波信号进行分析可获得所对应的时间信息。

从以上检测方法看，基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法简单易行，性能良好，并已趋于完善和成熟，今后仍将占主导地位。基于神经元的自适应谐波电流检测法和小波变换检测法等新型谐波检测方法能否应用于工程实际，还有待进一步验证。

谐波抑制方法

在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：（1）降低谐波源的谐波含量 也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有： ①增加整流器的脉动数整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：n＝Kp±1，则可知脉冲数p增加，n也相应增大，而In≈I1/n，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。如：整流相数为6相时，5次谐波电流为基波电流的18.5%，7次谐波电流为基波电流的12%，如果将整流相数增加到12相，则5次谐波电流可下降到基波电流的4.5%，7次谐波电流下降到基波电流的3%。②脉宽调制法

采用PWM，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。在PWM逆变器中，输出波形是周期性的，且每半波和1/4波都是对称的，幅值为±1，令第一个1/4周期中开关角为γi（i＝1，2，3„„m），且0≤γ1≤γ2≤„„≤γm≤π/2。假定γ0＝0，γm＋1＝π/2，在（0，π）内开关角α＝0，γ1，γ2，„„，γm，π－γm，„„，π－γ2，π－γ1。PWM波形按傅里叶级数展开，得
    由式可知，若要消除n次谐波，只需令bn＝0，得到的解即为消除n次谐波的开关角α值。

③三相整流变压器采用Y－d（Y/Δ）或D、Y（Δ/Y）的接线

这种接线可消除3的倍数次的高次谐波，这是抑制高次谐波的最基本的方法。

（2）在谐波源处吸收谐波电流

这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种： ①无源滤波器

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

②有源滤波器

早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF（Active Power Filter）的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。

与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。③防止并联电容器组对谐波的放大

在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。④加装静止无功补偿装置

快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。

（3）改善供电环境

选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。

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.

系统谐波 第4篇

关键词：电机,电能质量,间谐波

0 引言

典型的非线性负载———交流电机调速系统包含整流器和逆变器等谐波源单元电路,因此电机驱动系统中存在除基波电流外的谐波分量,尤其是间谐波和次谐波。电力系统的谐波问题由来已久,然而间谐波和次谐波问题的研究时间并不长[1],因此间谐波的分析方法、危害程度以及治理的特殊性等问题正引起极大关注。本文应用MATLAB分析工具对电机驱动系统的电流谐波、间谐波和次谐波进行分析,旨在说明在变频驱动的电机调速系统中存在除谐波以外的间谐波和次谐波,以便引起注意和采取措施,从而提高电机驱动系统的性能。

1 电力系统间谐波

研究发现,电力系统中除基波和谐波分量外,还存在非基波整数倍频率分量[2],这部分分量被称为间谐波。间谐波的谐波频率并不是基波的整数倍,定义为:

式中,ω1为基波角频率;n为大于0的整数。

同时具有谐波和间谐波分量的波形如图1所示。在这个电力系统信号的波形中,一个不被期望的谐波和间谐波分量,引起了电压或电流波形的急剧变化。

间谐波产生的主要来源是具有开关器件的大功率电力装置,如交交变频器、整流器等。在频率为50Hz的电力系统中,典型的交交变频器的电流频谱如图2所示。

由图2可知,除了50Hz基波分量或基波整数倍的谐波外,在50Hz基波频率分量以下也有相应的电流幅值。这是一种特殊类型的间谐波,称之为次谐波。次谐波频率并非基波频率的整数倍,且小于基波频率,即0<f<f1(式中,f1为基波频率)。

在配电系统中,往往会有多个大功率非线性负载同时工作,产生的间谐波会对电网和其它用电负荷造成不良影响,因此需要采取措施来消除。

2 间谐波与次谐波分析方法

2.1 最小二乘法

最小二乘法最早由高斯提出并应用于运行轨道问题的研究,目前已被广泛应用于需要进行估计的众多领域[3,4]。为了描述最小二乘法,首先给出线性观测方程:

通过方程(2)和方程(3)可确立两个关系。状态残差的数学关系表达式定义为:

测量残差的数学关系表达式定义为:

二次型函数为:

将状态残差和测量残差分别代入方程(6)和方程(7)就可得出最小二乘估计量,即:

这种最小二乘估计法通过计算平方误差和的最小值来得到最优解。

2.2 卡尔曼滤波

卡尔曼滤波的实质是由量测值重构系统的状态向量。它以“预测—实测—修正”的顺序递推,根据系统的量测值来消除随机干扰,再现系统的状态,或根据系统的量测值从被污染的系统中恢复系统的本来面目[5]。卡尔曼滤波器使用一系列的线性方程组,这些线性方程组类似于状态空间的方法组建的方程组。控制系统方程为:

式中,H为测量系统的参数,对于多测量系统,H为矩阵;wk和vk分别为过程和测量的噪声。

为了使卡尔曼滤波器能正确工作,系统噪声和仪器噪声都必须遵循标准高斯分布,即:

其中p(-)是协方差估计外推。最后的估计量为:

3 谐波分析

电机驱动系统由50Hz电压源、感应电机、不可控的六桥整流器、三相逆变器组成。在MATLAB的Simlink环境下建立的交流电机调速系统图如图3所示,仿真结果如图4所示。

通过分析电机定子电流频谱分析图(如图5所示)可知,对于调速电机,在电机定子电流主频为18Hz时,除含18Hz整数倍的谐波外,还含有不是整数倍的间谐波和小于18Hz的次谐波。间谐波和次谐波的存在同样会影响电机的性能,尤其是间谐波的存在,会影响电机基波产生的电磁转矩,增加电机的震动,减少电机轴承的使用寿命。

4 谐波消除

电力谐波影响电气设备的性能和寿命,因此应采用电力滤波器进行消除。电力滤波器主要有无源滤波器和有源滤波器两种形式。

4.1 无源滤波器

在电力系统中消除谐波最简单的方法是采用无源滤波器。一般情况下,希望通过滤波器获得比较干净的基波分量信号,因此需设计一个对电力系统的谐波、间谐波和次谐波分量具有衰减功能的滤波器。滤波器的选择主要是考虑成本和滤除间谐波、次谐波的效率问题。电力系统中无源滤波器通常被设计成并联单调谐滤波器(如图6所示)和二阶阻尼滤波器(如图7所示)。

4.2 有源滤波器

有源滤波器相比于无源滤波器最显著的优点就是具有消除间谐波和次谐波的能力。有源滤波器连接形式有串联连接(如图8所示)和并联连接(如图9所示)。

图8和图9所示的有源滤波器拓扑结构均可通过应用电力电子器件的方法来实现,实际应用中大多会将一个无源滤波器和有源滤波器结合,使无源滤波器为谐波电流提供一个流通通路。尽管有源滤波器受限于其功率电力电子器件所造成的高成本问题,但随着半导体技术的不断发展,逆变器模块的价格也会随之下降,因此有源滤波器的高成本缺陷也将不再是问题。

5 结束语

本文采用MATLAB仿真软件对变频调速电机进行仿真,研究电机定子电流的谐波成分,阐述了间谐波和次谐波概念和分析方法,介绍了无源滤波器和有源滤波器。

参考文献

[1]Kushare,B.E.,A.A.Ghatol,and M.S.Aphale.Survey of interharmonics in Indian power system network[C].in Power Engineering Conference,2007.IPEC 2007.International.2007

[2]Sasaki,H.and T.Machida,A New Method to Eliminate AC Harmonic Currents by Magnetic Flux CompensationConsiderations on Basic Design[J].Power Apparatus and Systems,IEEE Transactions on,1971.PAS-90(5):p.2009~2019

[3]孟玲玲,孙常栋,韩宝如.基于最小二乘法和独立分量分析的间谐波检测算法[J].电力系统保护与控制,2012,40(11):76~80

[4]孙常栋.电力系统中谐波/间谐波检测算法的研究[D].秦皇岛:燕山大学,2012

系统谐波 第5篇

SD126～84 第一章 总则

第一条 电力系统中的谐波主要是治金、化工、电气化铁路等换流设备及其他非线性用电设备产生的。随着硅整流及可控硅换流设备的广泛使用和各种非线性负荷的增加，大量的谐波电流注入电网，造成电压正弦波形畸变，使电能质量下降，给发供电设备及用户用电设备带来严重危害。为保证向国民经济各部门提供质量合格的50赫兹电能，必须对各种非线性用电设备注入电网的谐波电流加以限制，以保证电网和用户用电设备的安全经济运行，特制订本规定。

第二条 本规定适于电力系统以及由电网供电的所有电力用户。

第三条 电网原有的谐波超过本规定的电压正弦波形畸变率极限值时，应查明谐波源并采取措施，把电压正弦波形畸变率限制在规定的极限值以内。在本规定颁发前已接入电网的非线性用电设备注入电网的谐波电流超过本规定的谐波电流允许值时，应制订改造计划并限期把谐波电流限制在允许范围以内。所需投资和设备由非线性用电设备的所属单位负责。

第四条 新建或扩建的非线性用电设备接入电网，必须按本规定执行。如用户的非线性用电设备接入电网，增加或改变了电网的谐波值及其分布，特别是使与电网连接点的谐波电压、电流升高，用户必须采取措施，把谐波电流限制在允许的范围内，方能接入电网运行。

第五条 进口设备和技术合作项目亦应执行本规定。但如对方的国家标准或企业标准的全部或部分规定比本规定严格，则应按对方较严格的规定执行。

第六条 谐波对通讯等的影响应按国内有关规定执行。

第七条 用户用电设备对谐波电压的要求较本规定的电压正弦波畴变率极限更严格时，由用户自行采取限制谐波电压的措施。

第二章 电压正弦波形畸变率极限值和谐波电流允许值

第八条 电网中任何一点的电压正弦波形畴变率均不得超过表1规定的极限值。

表1 电网电压正弦畸形畸变率极限值(相电压)如110千伏电网电压正弦波形畸变率已接近或超过1.5%，但经过测量和计算，下一级电网的电压正弦形畸变率未超过表1规定的极限值时，110千伏电网电压正弦波形畸变率可限制在2%以内。

第九条 限制用户非线性用电设备注入电网的谐波电流是控制电网电压正弦波形畴变的关键。任一用户注入电网连接点的各次谐波电流均不得超过表2规定的允许值。

第十条 用户与电网连接点原有的总电压正弦波形畸变率未超过表1规定的极限值的75%，且新增非线性用电设备向电网注入的谐波电流不超过表2规定的允许值，则允许该用电设备接入电网。

第十一条 用户与电网连接点原有的总电压正弦波形畸变率已超过表1规定的极限值的75%，或新增非线性用电设备向电网注入致谐波电流超过表2规定的允许值时，应由电力部门经过核算，确定该用电设备接入电网的技术措施和供电方案。

第十二条 单台换流设备或交流调压装置的容量不超过表3的规定值时，供电部门可不进行谐波核算即允许接入电网。但是，在公共连接点接入多个换流设备或交流调压装置，总容量超过表3的规定值时，应按第十条、第十一条和附录中(二)的有关规定办理。

第十三条 电流冲击持续时间不超过2秒钟，并且两次冲击之间的间隙时间不小于30秒钟，这种短时间的冲击电注所包含的谐波分量称为短时间谐波电流(或暂态谐波电流)。注入电网的短时间谐波电流，不属于本规定第九条和第十二条的限制范围。

表3 单台三相换流设备和交流调压装置接入电网的允许容量

注：因三相三脉冲换流器向低压电网注入直流，因此必须经过适当的隔离变压器才允许接入0.38千伏电网。第十四条 单相或三相不对称非线性用电设备接入电网，按第十条和第十一条的规定执行。但考核其注入电网的谐波值，应以谐波电流最大的一相作为依据。

用户注入电网的谐波电流允许值 表2 见附表中(2)之3。第十五条 对由110千伏及以上电压供电的用户在接入电网前，应计算非线性用电设备注入的谐波电流在电网中的分布和电压正弦波形畸变率，以便采取措施使电网各部分电压正弦波形畸变率均不超过表1规定的极限值。还应检验并采取措施防止发生谐振和谐波放大。

第十六条 计算电网各部分电压正弦波形畸变率时，应采用电网最小运行方式时该用户接入点的最小短路容量。

第三章 谐波管理

第十七条 各级电力部门对电网的谐波情况，应定期进行测量分析。当发现电网电压正弦波形畸变率超过表1的规定时，应查明谐波源并按第三条的规定，协助非线性用电设备所属单位采取措施，把注入电网的谐波电流限制在表2规定的允许值以下。在新的非线性用电设备接入电网前后，均要进行现场测量，检查谐波电流、电压正弦波形畸变率是否符合本规定。

第十八条 电力部门和用户均应校核接入电网的电力电容组是否会发生有害的并联谐振、串联谐振和谐波放大，防止电力设备因谐波过电流或过电压而损坏。为此，电力部门和用户所安装的电力电容器组，应根据实际存在的谐波情况，采取加装串联电抗器等措施，保证电力设备安全运行。

第十九条 应概括据谐波源的分布，在电网中谐波量较高的地点逐步设置谐波监测点。在该点测量谐波电压，并在向用户供电的线路的送电端测量谐波电流。

测量或计算谐波的次数应不少于19次。即需测量或计算2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19次谐波电压和谐波电流。

第二十条 在正常情况下，谐波测量应选拔在电网最小运行方式和非线性用电设备的运行周期中谐波发生量最大的时间内进行。谐波电压和电流应选取5次测量接近数值的算术平均值。

牵引供电系统谐波过程的仿真研究 第6篇

关键词：车网耦合；电流谐波；谐振特性；牵引供电系统

0 引言

电力机车产生的谐波经由牵引网和牵引变电所送往牵引供电系统。谐波对电力系统的影响主要分为直接影响和间接影响，直接影响主要是指对系统元件（如：断路器、变压器、容性装置）、监测装置（如：继电保护装置、传感装置和仪器仪表装置）及其他用户造成的影响，间接影响则是指在共用走廊上对通信线设备产生的影响。

处于运行状态的电力机车的基波功率和谐波功率会因机车位置或数量的不同而不断变化，三者之间会相互影响。牵引网供电系统属于分布参数的系统，流经牵引網的谐波电流可能会产生谐振现象，使得侵入到电力系统的谐波含量倍增。

综合以上分析可知，现有的文献在分析牵引供电系统中谐波的传输特性时，一般简单地将电力机车按其电流谐波含有率的不同等效为电流源，将电力系统中其他组成部分简化为等值阻抗，并未考虑电力机车与牵引网间存在的耦合特性关系。因此本文将利用机车-牵引网-等值电网联合电磁暂态仿真模型来研究车网耦合关系下的牵引网长度、机车位置和数量变化时对牵引网谐振特性以及注入电力系统的电流谐波含量的变化特点。

1 牵引网谐振理论分析

为了便于牵引网中谐波电流谐振特性的分析，现将牵引供电系统作相应的简化处理，如图1所示。假设供电臂全部长度为Lkm，该区间内现有一辆电力机车在运行，当其位于牵引变电所lkm远处时，机车产生的谐波电流设为n，经牵引网流向两侧供电臂后分别为ln和I′ln，Zsn为牵引系统等效谐波阻抗（由牵引变压器阻抗和电源阻抗组成）。

设牵引网单位长度的n次谐波阻抗、导纳分别为zn、yn，则其n次特征谐波阻抗Zcn和传播常数γn如式1所示：

因此，可得到牵引网谐波电流放大倍数如下式：

式（4）表征了电力机车产生的谐波电流与注入到牵引系统中的谐波电流之间的关系，其受到机车位置、谐波次数以及牵引网分布参数的影响。当上式分母为零时，谐波电流值会无限放大，此时的牵引网将发生谐振现象。

2 牵引网稳态电压仿真分析

Q电力机车在行驶过程中，其基波功率会因牵引网中电压的不同而变化。而确定牵引系统的供电方式以后，牵引网中的电压分布与电力机车位置以及机车的数量之间的关系将被确定，本文分别对表1所示的三种情况下接触线电压分布进行仿真分析，采用电磁暂态仿真模型，其由机车、牵引网、等值电网联合组成，仿真结果如图2所示：

分析上图可知，牵引系统接触网上的电压随着供电距离的增加而呈现出下降趋势，在机车位置处，电压降至最低。由于自耦变压器的补偿作用，电压又会略微上升，但就总体而言其仍另呈现下降趋势。另外，随着机车载荷的增加，牵引系统的整体电压水平也降低。

3 牵引网谐振特性仿真分析

由第1节的分析可知，当谐波电流注入到牵引网后，牵引系统会发生谐振现象，牵引网长度，机车位置、数量均会对其谐振特性和注入系统的谐波电流产生影响，接下来本文就这三个方面对牵引系统的谐振特性和谐波电流畸变率的影响进行仿真分析。

3.1 机车位置对系统谐波畸变率的影响

研究机车位置对牵引系统的谐振现象和谐波电流畸变率的影响，需进行实验来对比分析，在仿真过程中使电力机车处于距离变电所5km、15km、25km、35km、40km的位置。当机车在不同位置时其取流和牵引网的首端电流中各次谐波电流含量对比结果如图3所示，不同距离下机车谐波的电流放大情况如图4所示：

图3 机车不同位置时机车取流和牵引网首端电流各次谐波含量对比

由图3和图4可以看出，牵引系统发生谐振的频率不因机车位置的不同而变化，均为27次谐波，同时电力机车距牵引变电所距离越远时，其谐振点的电流放大倍数越高。

3.2 牵引网长度对系统谐波畸变率的影响

为了仿真分析牵引网长度对牵引网谐波传输特性和系统谐波畸变率的影响，将仿真模型中的牵引网长度分别设置为20km、30km、40km，同时电力机车始终处于牵引网末端。牵引网长度对首端电流谐振的影响如图5所示；不同牵引网长度的电压、电流谐波畸变率如表2所示。

由表2可知，尽管牵引网长度增加时，在第45次、33次和27次谐波处均出现谐振现象，但是由于谐波含量较低，110kV侧电压、电流总谐波畸变率仍然是降低的。

同时由图5可知当牵引网长度为20km时45次谐波处出现谐振现象；当牵引网长度为30km时谐振发生在第33次谐波处；当牵引网长度为40km时谐振发生在第27次谐波处。综上可知，牵引网谐振点随着牵引网长度的增加而逐渐降低。

3.3 机车数量对系统谐波畸变率的影响

牵引网长度为40km时，在牵引网左臂上分别接入2、3、4辆机车，牵引网首端谐振情况如图6所示，机车取流、牵引网首端电流、110kV母线处电流、电压谐波畸变率值如表3所示。

由图6可以看出，机车数量与牵引网谐振频率不存在明确的关系。尽管在25-31次谐波中，牵引网电压会随着电力机车数量的增加而下降，此时由机车注入到牵引网中的谐波电流含量也呈下降趋势，但是从图中也能看到110kV侧电压畸变率仍然是上升的，且增加值已超过国家的规定标准——2%。

4 结论

系统谐波 第7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。

电力系统谐波检测和治理 第8篇

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、电力系统谐波治理

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t K 1次谐波, 即整流装置从6脉动谐波次数为n=6K 1, 如果增加到12脉动时, 其谐波次数为n=12K 1 (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。

高次谐波与电力系统 第9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。

低压供电系统谐波治理技术 第10篇

1 企业电网中谐波的分析

随着生产工具和技术的不断升级,日益提高的生产力使得电力负荷急剧增加,电网中各种变频调速装置、整流器等部件的负荷容量不断增长。大量电力电子功率器件和装置在电网中得到广泛应用,它们在为企业生产节约能源的同时,也为供电网络电能质量带来了严重的污染。大量的谐波和无功电流注入供电系统,造成系统效率降低、功率因数变差等后果,并对其他设备和装置产生扰动,严重影响电网的电能质量和电力设备的安全运行。因此,电能质量测试是电网安全运行评价与研究的一项重要内容,而对谐波处理的研究尤为重要。

选取某市某工业园区内大型医疗设备生产企业的低压供电系统,测试0.4 kV电网的电压和电流。主要利用Fluke435电能质量分析仪进行谐波测试。

1.1 电压测试情况

根据表1的检测结果可以发现,电网电压已经超过国家标准。在低压供电系统中,0.4 kV系统中电网电压畸变率不超过5%,究其原因,是电网中谐波电流流入电网带来的谐波电压。因此,需要进行电压谐波的治理。

1.2 电流测试情况

表2的检测结果显示,电网电流发生明显的畸变。畸变率和各处谐波含有量见图1所示。

造成电流畸变现象的原因是该企业采用了6脉动的变流器给电机供电,其特征次谐波是h=6k±1(k为正整数)次,这与现场实际情况相吻合。

在现代化企业供电系统中,谐波对电能质量的影响最大,主要的谐波源有各种变频器、整流设备、晶闸管变流设备和一些用于节能的电子控制装置。谐波会给各种用电设备带来不利影响,轻则增加能耗,缩短设备寿命;重则造成严重的用电事故,直接威胁到企业的正常生产。

2 企业谐波治理措施

谐波对通信和电网中几乎所有的设备都有不良影响,因此,谐波治理是目前急待解决的问题。消除谐波的方式:装设滤波器滤除谐波。

滤波器主要分为无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器是传统的谐波补偿装置,具有结构简单、稳定性强、投资较少、容易维护等优点,目前在老旧企业中有部分应用,但它存在体积大、易造成电压鼓包和电网电压恶化等缺点,不符合滤波器的发展趋势。

有源滤波器采用先进的谐波电流检测技术,实时检测谐波电流,通过瞬时电流控制,实现谐波电流的动态补偿。它可以自动地跟踪电网谐波电流变化,有着非常好的可控性和快速响应性。

有源滤波器的主电路主要由逆变电路、电感和直流侧储能元件组成。补偿电流主要由有源电力滤波器提供。针对企业供电系统各配电间配电容量较小和各处谐波电流大小不一的情况,可以开发小容量模块化有源滤波器进行灵活配置,从而起到更好的谐波治理效果。

模块化有源滤波器采用先进的数字化控制系统。单模块输出能力可设较小,但可以针对不同的供电系统配置不同数量的模块。这样可以根据需要灵活配置设备,从而实现资源的合理利用。据此,可以为该企业的供电系统配置两个30 A的模块化有源滤波器,采用主从控制方式,实时高效地补偿电网谐波。这样可以弥补机柜式有源滤波器不易于安装、体积较大的缺点。

补偿后电流波形如图2所示。

电流的畸变率明显下降,见图3所示。

投入2个模块化有源滤波器后,电网电流中各次谐波电流得到有效抑制,A,B,C三相电流总谐波失真(THD)分别由46.5%,46.3%和47.5%下降至7.4%,7.9%和6.8%,使电网电流波形趋近正弦波。同时,电网电压的畸变率也得到很大改善,A,B,C三相电网电压的畸变率分别降至1.5%,1.7%,2.1%,符合了国家标准限值的要求,由原来的不合格变为合格。

3 结束语

优良的电能质量对现代企业的运营有着非常重要的作用。我们要综合分析电网谐波产生的原因,结合相关治理谐波的经验,配置和开发更有效的滤波器,最大限度地降低谐波对电能质量的影响,使企业能更好地创造经济与社会效益。

摘要：电网谐波对低压配电系统中的电能质量有着非常重要的影响。认识企业电网中谐波的危害,找到各种电机拖动中谐波的主要来源,对无源滤波器和有源滤波器治理谐波进行了比较,并提出了一种容易安装的模块化配置方案。

关键词：低压配电系统,谐波,滤波器,电能质量

参考文献

[1]徐进,陈昊.石化低压配电系统中的谐波及其治理[J].电气时代,2005(12).

系统谐波 第11篇

关键词：城市轨道交通;低压配电系统;谐波治理

近年来，电力电子技术高速发展，并广泛应用于工业、交通、供电系统等各个领域。计算机、电机设备、变频空调等电气设备的广泛应用，造成了供电系统中的谐波量不断攀升，谐波污染已经成为威胁电网安全、稳定、经济运行的主要因素。在诸多公共服务领域，特别是城市轨道交通供电系统中，做好谐波治理是供电系统中一件非常重要的工作。

一、城市轨道交通供电系统中的谐波源及有源滤波装置特点

1、谐波，我们通常也称之为高次谐波：主要是指在运行中的电压、电流发生了波形畸变。在城市轨道交通供电系统运行中，存在大量非线性负荷，因此容易造成谐波污染。一般来说，城市轨道交通供电系统中，除牵引整流机组外，低压配电系统也存在很多非线性负荷。比较典型的谐波源有：变频调速装置如风机、中央空调、水泵用变频控制器和软启动器;LED广告牌;荧光灯;变电所直流屏、UPS电源屏;弱电系统电源，如信号系统、打印机等现代电子类设备等。

2、有源电力滤波器特点

有源电力滤波器，其应用可克服无源滤波器（LC滤波器）等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点（传统的只能固定补偿），实现了动态跟踪补偿，而且可以既抑制谐波又补偿无功。三相电路瞬时无功功率理论是有源电力滤波器发展的主要基础理论，且有并联型和串联型两种，前者用的多;并联有源滤波装置主要是治理电流谐波，串联有源滤波装置主要是治理电压谐波等引起的问题。有源滤波装置同无源滤波装置比较，治理效果好，主要可以同时滤除多次及高次谐波，不会引起谐振。

二、城市轨道交通供电系统的谐波危害

城市轨道交通供电系统的谐波危害，总的可以概括为电力危害和信号干扰两大方面。具体表现为：

（1）造成变压器过热，降低其带负载能力。运行中的变压器会因为谐波电流的存在而导致温度的增加，造成变压器过热，并进一步加速变压器绝缘的老化，损耗的增加，降低变压器的带负荷能力。

（2）干扰运行中的继电保护和自动控制装置，容易造成误动或拒动。

（3）对无功补偿电容器组引起谐波电流的放大，损坏无功补偿装置的投切开关，使内部电容器过流发热，严重时造成鼓胀甚至爆炸。

（4）对供电线路的影响。谐波的存在会导致供电线路运行损耗的增加，而且过大的谐波电流容易造成运行中的电力电缆产生过负荷或者过电压，造成电力电缆的击穿。

（5）造成运行设备的损毁。额外的谐波电流可能导致电网内器件过热甚至烧毁;导致中性线电流过大引发故障，造成中性线发热甚至火灾;影响电机效率和正常运行，产生震动和噪音，缩短电机寿命。

（6）敏感设备工作异常。谐波会使得精密仪器和敏感设备不能正常工作。比如计量设备，电能计量仪表通常是按工频正弦波设计的，当有谐波时将会产生测量误差。又如通信系统中的通信设备，会因为谐波的干扰产生噪声，造成通话清晰度的降低，甚至会导致信号的丢失，干扰保护与自动化设备的正常工作。

（7）电压畸变对照明设备等的寿命有一定的影响。

三、城市轨道交通低压配电系统谐波治理的措施

目前对谐波进行治理主要有以下两种方式：

1、无源方式为避免单体电容器放大谐波，一般采取的措施是改变与电容串联的限流电抗器。电抗率按照5 次谐波及以上呈现感性的原则确定。无功补偿装置采用串联电抗器的无功补偿装置（即电容器串联电抗器的方式）后，通过参数选取使装置在谐波频率下为一低阻抗回路以吸收谐波，在基波频率下提供容性无功。其工作原理如图1所示。本方式具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点。但由于其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而无源滤波装置存在以下缺点：①滤波特性受系统参数的影响较大;②只能消除特定的几次谐波;③谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成装置过载;④有效材料消耗多，体积大。

2、有源方式由于无源方式具有以上缺点，随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源电力滤波器。与无源方式相比，有源方式具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，其具体特点如下：①滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;②具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波;③通过适当的控制可以有效的抑制系统谐振。有源电力滤波器工作原理如图2所示，通过检测被补偿对象的电流瞬时值，经指令电流运算电路得出谐波补偿电流的指令信号，控制变流器产生所需要的补偿电流。补偿电流与负载电流中要补偿的谐波成份及无功电流相抵消，最终获得所期望的电源电流。随着0.4kV有源滤波装置的批量生产，该产品的价格已大幅降低，可以替代传统的无功补偿装置。该装置可跟随进线侧电流变化，输出反方向电流，既可以起到滤波作用，又可起到无功补偿功能，具有响应速度快，滤波频谱范围大的特点，满足地铁谐波治理需求。

四、结论

本文结合城市轨道交通低压系统的特点以及有源滤波技术的发展，从系统设计的角度，提出了城市轨道交通低压配电系统谐波治理的措施，避免无功补偿装置对谐波的放大，同时提高系统滤波的效率。

参考文献：

[1]李建民，徐坚.基于SVG 的城市轨道交通供电系统功率因数补偿研究[J].变压器，2008，2.

[2]李健民，徐彦.城市轨道交通牵引供电系统整流器机组功率因数分析[J].郑州铁路职业技术学院学报，2007，12.

配电系统的谐波危害及治理 第12篇

1谐波所产生的危害

1.1引发配电系统中的串联以及并联的谐振。特别是电容器件, 所造成的问题具有突出的表现。而引起的配电系统中的串联以及并联的谐振在谐波过电压以及过电流的同时将会对于无功补偿的设备进行巨大的损坏。

1.2对于电压以及电流所产生的波形的畸变, 会大大的增加测量仪器中的数值的误差, 并且从而促使相关的继电保护设施以及控制装置进行错误的动作。

1.3依据谐波电流以及电机旋转磁场之间所产生的相互作用, 并且以此形成的脉动转矩, 将会令电机的机械组件之间产生剧烈的振动, 大大的减低了点击的工作效率, 与此同时还会有强烈的噪声伴随而来, 造成噪声污染, 危害人类身体健康。

1.4因为谐波会产生相应的附加损伤以及消耗, 因此会大大的加剧电气设备所产生的热能, 将自身的温度增加, 甚至会导致诱发局部器件或是位置过热有加速绝缘体等保护元件的老化程度, 是设备的使用寿命大大缩短以及运转的速率大大降低。

1.5根据电力线上的线路以及平行的通信的线路间的所存在的磁场与电场之间的契合。而谐波电流的所产生的磁场则会位于通信内部对其他元件电路产生相应的干扰以及影响, 对通信设施的工作质量大大的影响, 更有甚者在达到银锭的功率的同时会将通信设备造成巨大的严重的损害。

2治理对策

对于上述论据, 谐波所产生的对于电力系统所造成的“污染”是极为严重的, 而谐波也正是电力系统中的公害, 对于电能的做工质量是有着非常大的影响的, 而严重的时候还会对于电网的安全以及期间的运行造成致命的危害, 后果不容小觑。

2.1控制谐波的产生

配电系统中出现的谐波问题是不容忽视的, 理应受到相关政府部门的重视, 并且对于发现的问题需要提早发现提早处理, 将危险的萌芽扼杀在萌芽当中, 而对于谐波的治理也是应该从源头处加以解决处理的, 最为行之有效的方式方法即为减少非线性负荷所产生的谐波量[1]。 (1) 使三相整流的电路脉动波数集聚增加, 以促使三项整流的电路所产生的谐波主要是集中在特征谐波当中的。而不是特征谐波的含量则是很少的, 因为特征谐波的含量与整流电路的脉动波数之间事成反比关系的, 所以相应的对于整流电路的脉动波数进行相应的提升和增加就能够很好地将整流电路所产生的谐波电流进行很有效地减少。 (2) 对整流设备所拥有的容量进行限制。对于系统短路的容量同供电设施的供电的整流器容量之间的比重, 则将其称之为短路比。通常来说, 短路比越大, 则可以使其通过注入的谐波电流就越大。所以, 再据此数据进行装报审批的时候需要依据系统的短路容量的大小来对于刚刚接入的非线性负荷的容量进行限制性的工作。 (3) 串接电抗器元件在整流电路之中, 使其寓于整流电路中的感抗越大, 则使其换流的时间持续延长, 则电流的波形变化就越加的变得缓慢了。所以, 合理的串接适当的电抗器元件在整流电路之中, 则也是可以使其减少高次的谐波电流的。

2.2交流滤波器的设置与使用

无源滤波器、有源滤波器以及混合式滤波器是依据非线性符合的谐波的特性原理, 将交流滤波器也就是通常所说的谐波治理方法, 针对于该方法进行就近的安装, 而这种方式方法则也是当系比较常见的治理方法了, 并成为近年来的发展以及治理的热点性方法[2]。

2.2.1无源滤波器的使用。根据结构构造的不同, 将无源滤波器分成了为单调谐滤波器、双调谐滤波器以及高通滤波器。单调谐滤波器的元件构造是很简单的协调起来也是蛮方便的, 但是相对而言, 双调谐滤波器的元件的构造就比较繁琐了, 对于如此繁琐的构造, 对其使用于是就变得困难了许多, 因此应用的较少;而高通滤波器则使用有着能够综合滤波的功能, 可以将多种类的高次谐波同时进行过滤, 将其滤除, 所以, 通过滤波器来对于谐波的治理就应该具有针对性的, 尤其是对于非线性负荷的特点, 同时也要考虑无功补偿的需要, 制定并选择出更为适合的滤波方案, 根据当前的无缘滤波器的使用效果, 设置安排几组单调滤波器以及外加一组高通滤波器, 则是更为经济可行的方案了[3]。

2.2.2有源滤波器的使用。在非线性的负荷中, 部分是带有一定的波动性的, 例如电焊机等器具, 而这种所产生的谐波是极为不稳定的, 而频率以及振幅都是时时刻刻都在变化的, 为了对于此类的波动性负荷进行行之有效的控制, 20个世纪70年的相关技术工作者就开始利用电力电子技术研制有源滤波器。而进入了90年代, 该项技术在实际应用的方面已经走向成熟。因为配电的系统中很大一部分的谐波源是电流源, 因此其具有以下几点优点: (1) 对于谐波与基波无功电流的实时动态的跟踪是可以实现的, 而对于系统中的各种次谐波都是能够有效抑制的, 并且是不存在着过载的问题的。 (2) 对于系统中所发生的变化问题, 这类装置是不会发生并联谐振的危险问题的同时也不会影响到补偿的性能。 (3) 此类装置在接入系统之后, 是不会对于系统产生阻挡抗拒的影响的, 当然, 对于对于系统的阻碍以及抗拒串联以及并联的谐振问题当然也是不可能发生的。

结束语

伴随着时代的发展, 社会的进步, 针对配电系统的谐波危害的问题也会相应的增多, 而相对应的解决措施以及方式方法也会相应的被发现, 在本文的基础上对于配电系统的谐波危害问题也会不断的完善。

参考文献

[1]孟涛.对煤矿供配电系统谐波危害及治理的几点思考[J].中小企业管理与科技 (下旬刊) , 2013, 9:248.

[2]康亦娜.变频器对工厂配电系统的谐波污染及治理应用研究[J].科技传播, 2014, 7:175-176.

[3]杨建平.浅谈煤矿供配电系统谐波的危害及治理[J].科技创新导报, 2014, 28:80.