电网谐波测量与谐波源状态识别方法研究

电网谐波测量与谐波源状态识别方法研究

胡敏

云南文山电力股份有限公司 云南省 文山市663000

摘要：谐波会影响各种电力设备正常工作，引发设备寿命缩短、网损增大、继电保护装置误动等诸多问题，一直是电力系统中影响电能质量的一大“公害”。当前，电力系统“双高”特征不仅对电网传统稳定性产生较大影响，也可能引发谐波谐振等新型稳定性问题，给电网安全稳定运行带来挑战。

关键词：电网；谐波测量；谐波源；状态识别方法

1新形势下电网谐波呈现新特征

新电力系统的“双高”特性使电网中的谐波呈现出新的特点：谐波工作频率从低频扩展到高频和超高频，谐波源从用户侧传播到适用于发电、输变电的各个环节，谐波危害从影响电能质量的分析扩展到危害电网安全稳定运行。

过去，谐波源主要由磁铁饱和和电气隔离控制。第一类通常是各种带变压器铁芯的电气设备，第二类通常是各种炼铁高炉、焊机组等。该谐波源引起的谐波通常为3、5、7等低频次谐波，监测和修复技术相对完善。近年来，许多以绝缘栅双极晶体管（IGBT）为代表的电力工程电子系统被用于太阳能逆变器、开关电源电路、变频调速器和变频节能电气设备。其开关频率可达数百kHz或更高，可产生40～3000次超高频谐波。电网中的谐波数量低于10倍，高于1000倍，并且覆盖工作频率很宽，这使得谐波检测和校正变得困难。

此前，谐波源主要集中在用户侧，而风力发电、太阳能发电、储能技术和（软）直流输电的大量应用，逐渐凸显了供电侧和输变电工程各个环节的谐波问题。此外，随着新能源汽车的普及和直流适用电和变频节能用电技术的快速发展，用电侧的谐波源也越来越多、复杂和广泛。

风电的普遍并网也使得谐波治理形势日益不容乐观。谐波对交直流电源保护设备和关键机器设备构成潜在风险。当谐波分量超过标准时，此类敏感机械和设备可能会误操作或拒绝操作，导致安全性降低。此外，谐波串联谐振会引起宽屏振荡，导致离心风机离线安全事故。这表明，谐波不仅会危害负荷侧的电能质量分析，还会考验电网的安全稳定运行。

2当前谐波治理仍存在难点

针对电网电力工程数字化的宽屏特点，中国电网有限公司开展了宽屏信号采集和精确测量技术的研究与开发，并推出了可完成0～2500Hz谐波重量测试的宽屏测量装置。在电网谐波检测层面，现阶段的方法仍存在较大盲点。目前，谐波检测的重点是在核心区域的配电站、高压直流输变电电站和关键谐波源的母线槽中进行。监测点相对有限，数据监测基本上是定点精确测量。由于无法确保准确测量数据的同步，收集的数据缺乏同期性，因此很难预测、分析或区分谐波的动态发展趋势。

谐波跟踪是谐波评估和处理的前提和基础，是谐波研究领域的热点和难点问题之一。目前，谐波跟踪方法一般采用谐波源实体模型来准确定位谐波源，但传统的谐波源模型必须充分了解谐波源的内部结构和元件的主要参数。分布式系统新能源电源和电力电子技术负载的许多连接使得准确获取各种谐波源内部结构元件的基本参数成为一项艰巨的任务。同时，由于谐波源引起的配对t检验非常常见，模型目标可能是各种谐波源的复杂组成。然而，目前的科学研究对谐波传输方法和规律的分析、谐波相互作用的危害方法不够深入，谐波源的组成不能全方位准确溶解。因此，很难选择传统的谐波建模来完成谐波跟踪。

在此阶段，谐波抑制的关键是局部组装滤波器，包括无源滤波器和有源滤波器。无源滤波器仅抑制先前设计方案所需的谐波分量。有源滤波器可以动态滤除多个谐波，但受元件带宽的控制，不适用于高频、超高频、高压和大功率场合。此外，由于滤波器通常是局部组装的，谐波调节的实际效果限制在一定范围内，不可能处理电网中的谐波耦合和谐波串联谐振等动态综合问题。

3电网谐波测量与谐波源状态识别方法

3.1改善供电系统

通过增加供配电系统短路电流、提高供配电系统额定电压、增加配电设备体积、尽可能保持三相负荷平衡的方法，可以提高电网的抗谐波工作能力。由于发电机组已固定很长时间，这种方法不适用。

3.2降低谐波源的谐波含量

降低谐波源的谐波成分，对线路中的谐波源采取有效措施，最大限度地防止谐波，可以提高电网质量，在很大程度上防止谐波造成的危害。这也可以采用脉宽调制（PWM）方法并增加电子整流器线路中的脉冲数。电子整流器可以减少谐波。由于设备的限制和高性价比的问题，这种方法也不适用。

3.3谐波抑制

消化和吸收谐波源处的谐波电流是现阶段使用最广泛的谐波抑制方法。关键点如下：1）选择无源滤波器进行抑制。无源滤波器安装在电力工程电子产品的通信侧和交流侧，谐振电路由50、R和C元件组成。当谐振电路的串联谐振与谐波频率相同或接近时，它可以阻止该数量的谐波进入电网。受地点困难的限制，这种方法对设备来说也不舒服。2）选择有源滤波器进行抑制，并使用可控输出功率半导体元件将与原始谐波电流相同位置的电流输入电网，使电网中的总谐波电流趋于零，从而实现即时谐波补偿的目标。一般来说，考虑到位置和高性价比，只能根据预防措施（如重新安装串联电抗器和过滤器）来选择最佳方案。由于地点和标准不同，选择的抑制方法也不同。3）有源滤波器技术是一种相对较新的高压电网谐波治理措施，其特性优于微波电感滤波技术，主要体现在以下几个方面：一是有源滤波器可以补偿频率和大小变化的谐波电流，并具有动态补偿效果；B有源滤波系统不易影响特性阻抗，这非常有利于实现工业化和通用化生产制造；C有源滤波器不易与电网特性阻抗产生串联谐振，具有抑制串联谐振波的作用；无功功率补偿输出功率不需要储能技术的电子设备。在同一设备中，可以实现多个谐波潮流和非负整数谐波潮流的补偿，可以完成一个谐波和无功电源的独立补偿，也可以完成多个谐波和无功电源的集中补偿；E它只能导出必须补偿的高次谐波电流，可以合理减少有源电力滤波器的总体积，还可以防止轻负荷下的无功功率反向传输；即使电网中的谐波电流增加，有源电力滤波器也不会产生负载，仍然可以正常发挥其全部作用。

3.4预防措施的实施

组织人员组装和放置过滤装置，以及设备干预供电系统和操作，抽样检查和测试，数据统计分析和认证。现场调节期间，绝大多数负荷未开启，因此仅为机器和设备配备基本参数，并进行简单的数据监测。根据有源电力滤波器机器设备集中监控屏检测到的有源电力滤波器启动前后的信息可知，电压波形基本趋于平滑的正弦波形，电流纹波率约为1.8%，满足国家行业标准5%的要求，从功率流频谱可以看出，系统软件包括5个子谐波，APF机设备开机后，5个子谐波基本消除。虽然有源电力滤波器的机械设备早已投入运行并得到充分发挥，但由于绝大多数离散系统负载在检测过程中没有开启，负载电流不大，有源电力滤波器的作用没有得到充分体现。在所有负载接通后，有源电力滤波器的滤波作用将得到充分体现。

结论

谐波调节的总体思路。谐波调节应首先考虑预防，控制谐波的根源，并尽可能减少系统中的谐波，以便更方便地调节或无需进行进一步调节。因此，在选择机器设备和建立系统软件时，应将谐波抑制作为主要标准。对于交直流电源系统的机器和设备：在其他标准相同或类似的条件下，UPS电源系统软件应首先选择12个单脉冲或希腊字母的第四个英文字母转换设施，直流系统应首先选择具有更快逆变器电路和声音滤波对策的货物。有源电力滤波器是新时期发展起来的一种物质。它集成了串联APF和并联APF的新型谐波补偿设备。由于生产预算昂贵，中国的生产设施并不多。然而，它在滤波谐波方面发挥了充分的作用，响应速度小于1秒，并且可以补偿三相谐波电流。谐波频率可达50倍。它是一种新型的电力工程电子系统，可以动态抑制谐波并补偿无功功率。它可以与各种过滤器一起使用。

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