摘要：在国家大力发展新能源技术应用的同时，随着用电设备的增加带来了一系列的能源信号污染，这些污染随用电设备的增加而不断升高并通过线路反馈回电网从而污染其他的用电设备，本文对电源系统谐波抑制的方法及发展方向进行了研究
关键词：整流器；有源滤波；无源滤波；谐波抑制；配电网
当今用电设备大部分都具有整流模块，当整流模块将交流电转变为直流电的时候，由于开关器件的高速开启或者闭合或多或少都会造成输电线上电压相位的畸变产生一定量的谐波。所谓谐波，简单的说就是与设备所设计需要的输入电压频率（基波频率）所不相符的电压物理量，其形成是由于谐波电流在输电线路上由于输电线自身电阻而产生的压降造成输入电压波形失真，即电路中有谐波产生。
1 谐波检测
用来测量电力谐波的设备通常是一台加了快速傅里叶变换算法（fastfourier transform algorithm 简称FFT）的功率计，首先将电流和电压的信号进行离散数字化采样，再经内部的微处理器执行谐波计算功能计算出0-N次谐波。
2谐波计算方法
所谓波是帮助人们理解物理现象的一种数学模型，谐波是描述电压模型除基波外各种频率的电压模型，其在各个领域均有存在，包括声学、流体学、信号学、电力电子学等，任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多高次的正弦波，在电力领域中常用UTHD、ITHD分别表示总电压失真和总电流失真，根据IEC（国际电工委员会）规定的计算公式如下：
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注：U1：基波电压成分 UN：N次谐波电压成分
I1：基波电流成分 IN：N次谐波电流成分
3 谐波的危害
电力谐波分为电压谐波和电流谐波，电压谐波与基波的比值比电流谐波与基波的比值要小很多。影响电压谐波的主要因素为负载瞬态尖峰电流，由于供电线路存在电阻值，从而使得电流流过线路时产生电压压降，此电阻与负载串联，导致负载电压波形有瞬间噪音波形出现从而产生谐波。电流谐波根据负载的特性产生，在电力系统中谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致，所有的非线性负载都能产生谐波电流，产生谐波的设备有很多种类型，生活中常见的部分设备类型有：开关电源（SMPS）、调速传动装置、电子镇流器、不间断电源（UPS）、磁性铁芯设备及某些家用电器如家用计算机、电视机等。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，产生振动和噪声、使电气设备过热导致绝缘层加速老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量被放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。频率较低的谐波主要通过电源线传导干扰影响外部设备。频率较高的谐波不仅通过电源线传导干扰，还通过空间辐射影响外部设备。高次谐波对于电力系统外部的通信设备和电子设备会产生严重干扰，特别是对于一些医用仪器设备，必须加以重视，防止测量、控制错误。
4谐波抑制方法
谐波抑制的基本方法主要分为两种：有源滤波和无源滤波，无源滤波的基本思路是利用电感、电容及电阻的组合形成对特定波形通路的旁路结构从而达到滤波的效果，有源滤波的基本思路主要是通过对电网系统谐波电流的测量之后通过计算产生与谐波大小相等方向相反的波形进行抵消进行滤波通常还会对系统无功功率进行补偿。
4.1无源滤波器（PassivePowerFilter，简称PPF）
无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成无源网络，吸收负载产生的谐波电流。无源滤波器分单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器，单调谐滤波器和双调谐滤波器用于吸收单一次数或相邻的两次谐波，高通滤波器用于吸收某一次及以上各次谐波。无源滤波器滤除谐波以外还利用基波电压的作用向谐波负载提供容性基波无功功率，同时兼顾谐波源无功补偿的需要。在实际应用中，无源滤波装置一般由一组或数组单调谐滤波器再加一组高通滤波器组成。单调谐滤波器利用R、L、C电路串联谐振构成，滤波器对n次谐波阻抗如下：
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这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的缺点是补偿效果受电网阻抗和运行状态影响且只能补偿固定频率的谐波，易和系统发生并联谐振导致谐波被放大使滤波器过载甚至烧毁。
4.2有源滤波器（Active Power Filter，简称APF）
有源滤波装置主要由指令运算电路、电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路4个模块构成。有源滤波器的工作原理是先通过电流控制电路对输电线的电流及主电路的反馈电压进行测量，再将数据传送给指令运算电路进行分析计算，指令运算电路通过对驱动电路的控制带动主电路对输电线的谐波进行吸收抑制。与无源滤波器相比，APF具有更高的可控性和更快速的响应性，能根据需要补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，消除与系统阻抗发生谐振的危险，自适应功能滤波效果不受系统阻抗的影响，可自动跟踪补偿变化着的谐波具有有一机多能的特点。
5谐波抑制发展方向
早在20世纪20年代起，电力谐波就受到了人们的注意。现代电网谐波的增多，其原因很大程度是由于大量开关电源设备连接在电网系统所产生的。随着近些年电动汽车的兴起，充电系统将大量的高功率开关电源并接入电网，这些谐波源使得电网的谐波负荷达到了一个新高度。更高效经济的谐波抑制方法变得越来越重要。在电子技术不断发展的帮助下，如今APF设备可以做到小型化集成化到更多的电力电子设备上。在不久的将来有望大量的取代PPF设备，通过对电网用电设备自身的谐波抑制及功率补偿，最后再通过接入电网的总APF设备进行集中谐波抑制及功率补偿，更加纯净的电网系统变成可能。未来的电力网络系统会接入更多的开关电源设备，同时也会接入更多的谐波抑制设备，更高效的有源滤波（APF）设备将会大量的取代无源滤波（PPF）设备。
参考文献：
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[5] 国家标准：GB/T-14549-93.电能质量标准.1993.
论文作者:梁航
论文发表刊物:《基层建设》2019年第28期
论文发表时间:2020/1/13
标签：谐波论文; 无源论文; 滤波器论文; 电压论文; 电流论文; 基波论文; 设备论文; 《基层建设》2019年第28期论文;