牛国轩
中国石油天然气股份有限公司长庆石化分公司 河南南阳 712000
摘要：电网中，存在大量谐波源，入网的谐波电流不仅会产生额外的损耗，还可能造成设备的损坏。在当前优化电能品质、提倡节能减排的理念下，只有采取正确的方法来治理电网谐波，才能够让电力系统更加经济稳定的运行。本文对电力系统谐波电流的产生机理，其对电力系统的影响及治理方案进行分析，为电力系统的平稳运行提供相应参考。
关键词：谐波；电力系统；影响；治理方案
在电力系统运行过程中，存在大量非线性电力设备，由于设备中存在电力电子元器件，导致设备运行中产生高次的谐波，大量谐波进入到电网中，使电网的参数出现异常，并容易造成电气设备的损坏，甚至威胁电力系统的正常运行。
近年来，由于高压甚至是特高压直流输电网的大量建设，以及终端大型电力用户大量使用的非线性设备，致使电网谐波所引起的问题越来越多，所以就必须要对电网谐波加以重视，积极的制定相应治理方案，以此来避免电网谐波对于电力系统的影响。
一、谐波的产生
电网中谐波的产生有很多原因，但是归纳后，主要原因有以下三个方面：
（1）电源电能质量存在问题。正常情况下，发电机在制作三相绕组时，并不能够真正实现绝对对称，而且也无法保证其内部的完全均匀分布，这就容易出现谐波[1]。但是，在正常情况下，这类原因所产生的电网谐波量相对较少。
（2）输配电系统出现谐波。电力变压器在运行中产生的谐波是输配电系统中谐波的主要来源，变压器在运行过程中是一个电磁转换的过程，内部三相绕组的空间分布及绕组、铁芯材料特性将对变压器内部电磁耦合造成影响，运行中的电力变压器内部各处磁阻不尽相同，导致二次感应电流中出现基波外的不同波形，进而带来谐波。另外，由于变压器的设计需要考虑经济性，其铁心的磁化曲线处于非线性的饱和状态，使得工作时的磁化电流为尖顶型的波形，因而产生奇次谐波。谐波大小会受到铁心的影响，铁心饱和度越高，所产生的谐波分量越大。
（3）用电设备所产生的谐波。电力系统中存在大量整流、变频、非线性设备，这些设备其内部主要一次元件均为电力电子元件，电力电子元件运行时，将不可避免的带来大量谐波。
1)整流器带来的谐波。由于整流元件的单向导电作用，在正、反相电压作用下，其阻值不完全相同，从而导致电流波形的畸变。畸变的电流波形可分解为基波及一系列不同频率和幅值的谐波。
2）变频设备带来的谐波。电动机、电梯、水泵、风机等机电设备中广泛使用变频设备，变频设备输入端存在整流元件，而输出端电流多为通过PWM载波信号调制的脉冲波形对GTR大功率逆变元件或者IGBT大功率逆变元件进行控制产生的，这个过程中将不可避免的产生波形的畸变，导致谐波的产生。
3）气体放电类电光源。气体放电类电光源如高压钠灯、高压汞灯、荧光灯以及金属卤化物灯等，其伏安特性的非线性相当严重，有的电光源还具有负伏安特性，这些都会给输电网带来谐波组分。
4）家用电器设备。在空调器、冰箱、洗衣机、电风扇等含有绕组的用电设备中，由于不平衡电流的变化也能使电源波形发生改变。另外，计算机、电视机、温控炊具、调光灯具等，因其具有一定的调压整流功能，也会产生高次的谐波组分。
二、电网谐波对电力系统的影响
谐波对电力系统的影响是多方面的，主要体现在对变压器、线路、电容器、保护装置、低压系统、电动机等方面的影响，此处简述三项较为严重的影响：
（1）对变压器的影响
谐波造成的主要影响是导致铜耗增加，特别是次数较高的谐波会让变压器的线圈温度迅速升高[2]。另外谐波电流可引起励磁涌流中的谐波分量过大，当系统发生谐振时，设备将受到很大危害。
（2）对电力电容器的影响
容抗与角频率呈反比，电容器的谐波阻抗小，高次的谐波电流将导致电容器严重过负荷[3]。此外，在电容器出现谐振的时候，谐振的频率与谐波的频率相似，那么谐波就会有更大的电流，进而导致电容器的温度过高，影响设备正常运行。
（3）对线路影响
一方面由于谐波本身的高次特性加之输电线路的集肤效应增加了输电线路的损耗，特别是提供零序通路的有效接地系统；另一方面，谐波会造成低压系统中性线电流增加、中性点的电位偏移，造成额外的损失。
三、电网谐波的治理方案
（1）构建监控平台
构建监控平台来实时监控电能质量（如图1所示），基于实时数据进行分析，以达到更好的管理电能质量的目的[4]。根据重点节点数据来完成对电能质量的评估，了解以往的数据信息，为后续出现问题时查找故障提供参考，及时采取措施来避免电力系统故障的发生几率。
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图1监控平台显示界面
（2）建立隔离电源
隔离变压器通过各侧接线组别的选定，可有效消除电源谐波。特别是以三角形接法的Dyn11或者是Dzn0，前者由于高压侧无零序通路，消除3n次谐波的能力较强，后者由于采取了曲折式接线，对高次谐波的抑制作用较强，非线性负荷供电系统可根据谐波性质选择变压器接线（如图2所示）。
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图2隔离电源配置图
（2）使用滤波器
1）使用无源滤波器，无源滤波器是通过串联LC回路，使其在某次谐波产生串联谐振，从而使变压器的一次侧该次谐波分量变少，达到对该次谐波治理的目的。串联无缘滤波器多用于对特定次数谐波的治理，往往同时采用两组以上滤波器进行谐波处理。
2）使用有源滤波器（APF），有源滤波器的基本工作原理（图3所示）是把电源侧的电流波形与正弦波相比较，差额部分由有源滤波器进行补偿，这是谐波治理的发展方向[5] ，但目前由于功率电子元件容量及成本问题，限制了有源滤波器的大规模使用。
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图3有源滤波器（APF）原理图
结语：
对于电力系统中的谐波问题，需要长时间持续对其进行治理，本文给出了治理电网谐波的一些方法，以更好的保证电力系统的稳定运行。
参考文献：
[1]朱岩.刍议电力谐波对供配电系统的影响和治理策略[J].通信电源技术,2020,37(05):130-131+134.
[2]程丰平,李杰,程祥群.浅议电力计量中电力谐波的影响与措施[J].科学技术创新,2019(31):165-166.
[3]王雷.电力计量中电力谐波的影响与有效措施[J].中国新技术新产品,2019(19):78-79.
[4]闫海军.通信线路中电力谐波干扰及防护分析[J].中国新通信,2018,20(23):14.
[5]干玉成,吴炳照,赵振敏,万尧峰,黄建伟. 电网谐波对电力系统的影响和治理方案研究[A]. 浙江省电力学会、江苏省电机工程学会、安徽省电机工程学会、福建省电机工程学会.浙江省电力学会2018年度优秀论文集[C].浙江省电力学会、江苏省电机工程学会、安徽省电机工程学会、福建省电机工程学会:浙江省电力学会,2018:5.