电力系统中的谐波分析及消除方法 附配电网的高次谐波及其测量

电力系统中的谐波分析及消除方法

摘要：本文针对电力系统中普遍存在的谐波问题进行了分析研究，首先概述

了谐波的危害，然后介绍了三种谐波检测的方法，最后从改造谐波源的角度提出

了几种谐波抑制方法。

关键词：电力谐波检测治理

0引言

目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害，因而了

解谐波产生的机理，研究和清除供配电系统中的高次谐波，对改于供电质量、确

保电力系统安全，经济运行都有着十分重要的意义。

1电力系统谐波危害

1.1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。

1.2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。

1.3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。

1.4谐波会导致继电保护和自动装置误动作，造成不必耍的供电中断和损失。

1.5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。

1.6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。

1.7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。

L8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。

2谐波检测方法

2.1模拟电路消除谐波的方法很多，即有主动型，又有被动型；既有无源的，

也有有源的，还有混合型的，目前较为先进的是采用有源电力滤波器。但由于其

检测环节多采用模拟电路，因而造价较高，且由于模拟带通滤波器对频率和温度

的变化非常敏感，故使其基波幅值误差很难控制在1()%以内，严重影响了有源

滤波器的控制性能。

2.2傅立叶变换利用傅立叶变换可在数字域进行谐波检测，电力系统的谐波

分析，目前大都是通过该方法实现的，离散傅立口一变换所需要处理的是经过采样

和A/D转换得到的数字信号，设待测信号为x⑴，采样间隔为At秒，采样频

率f=l/At满足采样定理，即f大于信号最高频率分量的2倍，则采样信号为

x(nAt),并且采样信号总是有限长度的，即n=0,1.1…N・l。这相当于对无限长

的信号做了截断，因而造成了傅立叶变换的泄露现象，产生误差。此外，对于离

散傅立叶变换来说，如果不是整数周期采样，那么即使信号只含有单一频率，离

散傅立叶变换也不可能求出信号的准确参数，因而出现栅栏效应。通过加窗可以

减小泄露现象的影响。

2.3小波变换电力谐波是由各种频率成分合成的、随机的、出现和消失都非

常突然的信号，在应用离散傅立叶变换进行处理受到局限的情况下，可充分发挥

小波变换的优势。即对谐波采样离散后，利用小波变换对数字信号进行处理，从

而实现对谐波的精确测定。小波可以看作是一个双窗函数，对一信号进行小波变

换相当于从这一时频窗内的信息提取信号。对于检测高频信息，时窗变窄，可对

信号的高频分量做细致的观测；对于分析低频信息，这时时窗自动变宽，可对信

号的低频分量做概貌分析。所以小波变换具有自动"调焦”性。其次，小波变换是

按频带而不是按频点的方式处理频域信息，因此信号频率的微小波动不会对处理

产生很大的影响，并不要求对信号进行整周期采样。

3电力系统谐波治理

限于篇幅问题，本文在此只介绍基于改造谐波源本身的谐波抑制方法，基于

改造谐波源木身的谐波抑制方法一般有以下几种.

3.1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诸波，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tK±l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nl2K±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，该方法多用于太容量的整流装置

负载。

3.2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4/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

然就被糯制而不存在。但将导致铁心内出现3的倍数次高次谐渡磁通《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，将能量消耗在绕缀的电阻中，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3nfn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。

3.3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，用该方法构威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。

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，在此就不再详细论述。

4总结

随着现代信息技术，计算机技术和电子技术的发展，电能质量问题已越来越

引起用户和供电部门的重视。应用先进的电能质量测试仪器不仅能大大提高电能

质量的监测与治理水平，同时还可建立先进可靠的电能质量监测网络，及时分析

和反映电网的电能质量水平，找出电网中造成电能质量谐波及故障的原因，采取

相应的措施，为保证电网的安全、稳定、经济运行提供重要的保障。

配电网的高次谐波及其测量

摘要：关键字：谐波；谐波测量；谐波数据处理

1概述

目前，配电网中的高次谐波的治理已经成为我国电力环保工作的十分重要的

内容之一。高次谐波有着显著的特点：①随机性的变化，即为小周期、短间隔的

不规则性变化，反映出谐波为随机变量的特征；②规则性的变化，其大小随谐波

源负荷的大小

关键字：谐波；谐波测量；谐波数据处理

1概述

目前，配电网中的高次谐波的治理已经成为我国电力环保工作的十分重要的

内容之一。高次谐波有着显著的特点：①随机性的变化，即为小周期、短间隔的

不规则性变化，反映出谐波为随机变量的特征；②规则性的变化，其大小随谐波

源负荷的大小、系统运行方式等作大周期的变化。

谐波测量对抑制谐波有着重要的指导作用：检定实际网络谐波源用户的谐波

水平是否符合标准的规定；了解和掌握各种电力设备投运前、后相关系统的谐波

水平及其变化、检验谐波对有关设备的影响；谐波故障和异常的原因测量，以找

到应采取的相应对策；谐波专题测试还可以便于了解谐波源特性、系统谐波阻抗、

谐波潮流分布和谐波放大现象等。

2谐波国家标准的具体规定

2.1测量条件

国标GB/T14549—1993《电能质量・公用电网谐波》明确谐波测量应在最严

重的条件下进行，即选择在电网正常供电时系统可能出现的最小运行方式，且在

谐波源工作周期中产生的谐波量大的时段内进行，例如电弧炉应在熔化期、可控

硅轧机应在轧钢大负荷期、电气化铁道应在电力机车集中的高峰期测量。

当测量点附近安装有电容器组或存在其它谐波滤波器组时，有可能会产生某

次谐波放大或谐振，应在电容器组，或滤波器组的各种运行组合的方式下进行测

；（；■

实际测量时，并不一定达到最严重的条件，例如测点附近有多个谐波源，系

统在某些方式下会形成谐振等，可在多种方式和测量的基础上进行评价。

2.2监测点和测试量

原则上选取谐波源用户接入公用电网的公共连接点作为谐波的监测点、测量

该点的谐波电压和谐波源用户注入公用电网的谐波电流，要求监测点的谐波水平

必须符合谐波国家标准的规定。谐波电压和谐波电流的谐波次数一般测量第2〜

19次，但根据谐波源的特点和测试分析结果，可以适当变动谐波次数测量的范

围，前者用含有率（％）表示，后者用有效值（A）表示；标准还规定，谐波电

压必须测取总谐波畸变率THDu（%）。

2.3测量间隔和持续时间

对于负荷变化快的谐波源（例如：炼钢电弧炉、晶闸管变流设备供电的灯机、

电力机车等），测量的间隔时间不大于2min,测量次数应满足数理统计的要求，

一般不小于3（）次，以使测量值平均数的分布接近于正态分布所需的最低样本数。

对于负荷变化慢的谐波源（例如：化工整流器、直流输电换流站等），测量

间隔和持续时间不作规定。

为了区别暂态现象和谐波，对于负荷变化快的谐波，每次测量结果可为3s

内所测得的平均值。推荐采用下式计算：

Un=l/m•(1)

式（1）中，Unk为3s内第k次测得的n次谐波的方均根值；m为3s内取

得均匀间隔的测量次数，m>6«

式（1）的值即可作为持续测量过程中的一次谐波测量值。

2.4测量数据的处理及谐波水平值的确定

由于谐波源的多样性和多变性，数据处理必须根据对象有所区别，在测量时

段内所测得的各测量值均为随机变量，应按统计的方法确定其谐波水平。标准规

定：取测量时段内各相持续测量过程中实测值的95%概率值，并取三相中最大

•相的值，作为该测试时段的谐波水平值，并以此作为判断谐波是否超标的依据。

为了实用方便，实测值的95%概率值可近似按实测值由大到小的顺序排列，舍

弃前面5%个大值，取剩余实测值中的最大值。

但对负荷变化慢的谐波源，可选五个接近的实测值，取其算术平均值作为谐

波水平值。

3IEC对谐波测量方法的规定

国际电工委员会（IEC）标准的规定，把谐波按其波动快慢和性质分为四类:

（1）准稳态（慢变化）谐波；

（2）波动谐波；

（3）快速变化谐波；

（4）间谐波（interharmonICs）及其它虚拟部分。

标准中规定的谐波主要指前三类。该文件中对不同波动性质的谐波测量间

隔，即测量时段及由测量值确定谐波值的方法提出如下建议：

（1）很短间隔：TVS=3s；

（2）短间隔:Tsh=10min；

（3）长间隔：TL=lh；

（4）日间隔:Td=24h；

（5）周间隔：Tw=7d

第（1）种很短间隔测量的谐波取值、对于产生瞬时影响的波动和快速变化

的谐波，取Tvs=3s中各点测量值中的最大值，对于产生长期影响的谐波，取

3s中各点测量值的均方根值作为各次谐波的评估值。对于后四种间隔的测量，

一般采用对实测数据按累积概率P作统计计算，P为谐波取值不超过某一给定值

的百分数。根据不同的波动和影响情况，可用测量间隔内每个Tvs=3s内的测量

值确定的最大值或均方根值，再取不超过概率P的最大值，第（2）、（3）种测量

的P值选取为P=l%、（10%）、50%、（90%）、95%、99%,第（4）、（5）种

测量的P值至少选取为95%和99%,测量统计数据至少为100个。

4谐波测量与监测仪器

数字式谐波分析仪是已广泛应用于实际的在线谐波测量、分析谐波分布的重

要工具，它是利用离散傅立口I•级数（DFT）,或由离散傅立叶变换过渡到傅立叶

变换（FFT）的基本原理构成。模拟信号经采样、离散化为数字序列信号后，经

微型计算机进行谐波分析和计算，得到基波和各次谐波的幅值和相位，并可获得

更多的信息，如谐波功率、谐波阻抗、以及对谐波进行各种统计处理和分析，各

种分析计算结果可在屏幕上显示或按需要打印输出。仪器精度较高，功能较多，

使用方便。

由于微机芯片的性能不断提高，利用FFT原理、多通道输入的谐波分析仪

渐已取代其它的分析仪，国产比较典型的是GXF—908A多功能电力谐波分析仪,

该仪器采用了较先进的MCS-8098单片计算机，使运算速度较快，实时性较强;

能实现三相电压和三相电流共六路信号同步采样；可以显示或输出三相2〜39

次谐波含有率、电压暗变率、相位关系，及谐波功率和阻抗等；可绘出被测信号

波形，谐波直方图和变化曲线，并可以从多次测量值中筛选出前五个大值；每次

测量结果可以为一个周期或3s平均值等，以适应国标的要求。

对谐波进行长期的监测，可以用功能较简单、造价较低、体积较小而又能作

为常规仪表接入电网的谐波检测仪，如谐波功率计，谐波电压、电流，谐波监测

仪和报警器等。

5测量仪器的功能和精度

测量仪器的功能至少应满足谐波国家标准的要求，基本测试量为谐波电压和

谐波电流。仪器的测量通道应能同时测取三相量，并具有国标要求的统计功能。

谐波测量仪器应具有一定的精度及满足系统现场使用的工作条件。国家标准

采用了国际电工委员会（IEC）关于谐波测量和仪器的通用导则。该导则规定了

用于谐波测量仪器的主要性能、准确度要求和对不同波动性质的谐波的测量方

法，并总结了TV和TA谐波测量的误差等，表1列出了仪器的最大允许误差。

«1谐波测■仪器的允计误差

等级被测豌条件允许误差

5%U.

电压

UV%UN0.05%U、

AA

5%L

电流

LV3%IN0.15%IN

U.23%UN5%U.

电压

UV3%U、0.15%U.

B