打开文本图片集
摘 要我国电力系统中理想的电压、电流波形都是频率为50Hz的正弦波，但是由于非线性用电设备的大量应用产生了畸变谐波电流，从而耦合产生谐波电压。谐波是电能质量的重要指标，谐波的存在将对电力系统中精密仪器及通信设备产生干扰、降低电力系统效率、继电保护误动作等危害，谐波的治理方式可采用无源滤波和有源滤波两种方式，本文從基于有源滤波的工作原理、治理方式、容量计算等方面阐述对电能质量的检测与治理。
【关键词】电力系统 谐波 有源滤波
1 引言
近年来，我国的电力行业逐渐对谐波电流有了一定的认识，在通信行业的最新标准中，增加了对UPS设备输入电流谐波含量的要求，规定根据UPS容量的大小和使用场所的重要性等情况将谐波含量指标分为3个等级，即5%、15%和25%，在通讯领域，为了降低谐波对通信设备运行产生干扰，使整个供电系统更安全可靠，将整个系统中各点的电流谐波含量均控制在5%以内是最佳的选择。因此，在新建项目中，均已对各种设备专门提出谐波指标相关的要求，以保证系统中的谐波在建设时就得到控制；对于现有系统，由于其正在运行，改造的难度和投资都相对大一些，因此，可考虑在能够保证整个系统基本安全的前提下，适当降低谐波治理的要求。
2 谐波危害分析
评价电能质量标准有三方面：
（1）系统电压，包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等；
（2）频率波动；
（3）电压的波形质量，即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率，也就是谐波所占的比重。
谐波的危害主要有使电力系统中产生损耗，降低用电效率，如果大量三次谐波流过中性线会使线路过热，甚至发生火灾；引起电网谐振，使谐波电流放大，对系统特别是电容电抗造成影响；导致继电保护特别是微机综合保护器与自动装置误动作，同时使电气测量仪表计量产生误差；对通信设备及信号处理设备产生干扰，降低通信质量，干扰精密仪器正常工作等。
3 有源滤波器工作原理分析
电力有源滤波器的主电路一般由PWM逆变器构成，根据逆变器直流侧储能元件的不同，可分为电压型APF（储能元件为电容）和电流型APF（储能元件为电感）。电压型APF在工作时需对直流侧电容电压控制，使直流侧电压维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电压波；而电流型APF在工作时需对直流侧电感电流进行控制，使直流侧电流维持不变，因而逆变器交流侧输出为PWM电流波。
图1是有源滤波器（APF）的工作原理图，假设电力系统负荷电流为，其中高次谐波为，若APF产生与幅值相等、相位相反的补偿电流，则电源侧的补偿后电流则为标准正弦波形。
为实现上述功能，电力有源滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路，应由高次谐波电流的检测、调节、控制和补偿等环节组成，其结构原理图如图2所示。
4 谐波治理方式
电能质量检测与治理方式针对不同的场合可分为集中治理、局部治理和就地治理三种方式。
4.1 集中治理
如图3所示，该方式为在整个电力配电系统前端设置有源滤波器，采用集中治理的方式抑制谐波，适用于单台设备谐波含量小，但数量大、布局分散的场合，虽然单台设备谐波电流小，谐波含量低，但整个电力系统的总电流大，总谐波电流大。
4.2 局部治理
如图4所示，该方式为在谐波源前端设置有源滤波器，采用局部治理方式抑制谐波，适用于谐波源集中在某一条或者几条配电线路，如精密仪器，高性能计算机等，虽然单台设备的谐波电流小，但为防止其他非线性设备产生的谐波对其产生危害，采用局部治理。
4.3 就地治理
如图5所示，该方式为在主要谐波源的前端设置有源滤波器，采用就地治理抑制谐波，适用于谐波源比较明确且单台设备谐波含量较大的配电系统，如大型综合体的泛光照明、剧场的可控硅调光设备等，单台设备电流大，谐波含量高，为防止谐波电流污染电力系统，影响其他用电设备，采取就地治理。
5 有源滤波器容量计算
由于谐波是因非线性设备产生，而用电设备在实际工作中实时状态不同，因此实际谐波电流需采用专用设备进行测量。在项目电力系统设计阶段，设计谐波治理的额定谐波补偿电流应略大于系统谐波电流，但是谐波电流的测量和计算比较复杂，且在设计是不可能采集足够的用电设备使用中的实际谐波数据。可根据以下方式估算谐波电流进行有源滤波器选型，然后在实际运行中根据采集的谐波数据进行补偿。
5.1 根据负载额定电流选型
Ih=Ii* THDi
其中：Ih为谐波补偿电流；Ii为电力系统负载额定电流；THDi为电流总谐波畸变率。
5.2 根据变压器容量选型
Ih=（ST*K1*THDi）/（1.732*Us*）
其中：ST为变压器容量；K1为变压器负荷率，通常取0.6～0.8；Us为低压系统电压；THDi为电流总谐波畸变率。
参考值详见表1。
6 结束语
随着我国经济的快速发展，电力行业越来越重视系统电能质量，谐波治理在项目设计阶段便进行设计或预留，结合有源滤波方式的优点，更多的项目采用该方式进行电能检测与治理，但已投入运行的项目仍还不多，电力系统质量的实际治理效果还待反馈与提高，因此需在系统运行中尽早采取切实有效的谐波治理措施，通过滤波装置抑制谐波，提高电能质量，加快建设低碳环保型社会。
参考文献
[1]吴竞昌.供电系统谐波[M].北京：中国电力出版社，1998.
[2]尹慧，许彦.有源滤波器的研究现状及前景展望[J].电力电容器与无功补偿，2010，31（03）：27-32.
[3]李战鹰，任震，杨泽明.有源滤波装置及其应用研究综述[J].电网技术，2004，28（22）：40-43.
作者简介
全蜀（1986-），男，湖北省武汉市人。大学本科学历。现为中建三局集团有限公司工程师。研究方向为建筑电气。
作者单位
中建三局集团有限公司 湖北省武汉市 430000