1 前言

    随着电力电子技术在电力系统中的广泛应用，电网中的谐波含量不断上升，谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，被公认为电网的一大公害。因而了解谐波产生的原因及危害，研究谐波的治理措施，对改善供电质量和确保电力系统安全经济运行有着十分重要的意义。

2 谐波产生的原因及危害

    电网谐波的产生，主要在于电力系统中存在各种非线性元件。即使电力系统中电源的电压为正弦波，但由于非线性元件的存在，从而电网中总有谐波电流或电压。产生谐波的元件很多，包括荧光灯和高压汞灯等气体放电灯、感应电动机、电焊机、变压器、电弧炉及晶闸管整流设备等，其中最为严重的是大型的晶闸管整流设备和大型电弧炉，它们产生的谐波电流特别突出。经统计表明，它们产生的谐波占总谐波量的近40％，是最大的谐波源…。

    电力系统中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，主要表现为引起电动机、变压器、电容器和输电线路等电气设备附加损耗和发热，使设备温度升高，效率降低；绝缘加速老化，缩短使用寿命，甚至遭到损坏；降低继电保护、控制以及检测装置的工作精度和可靠性；谐波注人电网后会使无功功率加大，功率因数降低；同时干扰通信线路及用电设备的正常工作；延缓断路器中电弧的熄灭等。

3 电网谐波治理的措施

    谐波治理的措施主要有三种：①主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；②被动治理，即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注人电网，或者阻碍电力系统的谐波流人负荷端；③受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰的能力。

3．1 主动治理谐波的措施

    这种方法比较积极，能够提高电网电能的质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有以下几种：

3．1．1 三相整流变压器采用Y，d或D，Y的接线

    由于3次及3的整数倍次谐波电流在三角形联结的绕组内形成环流，而星形联结的绕组内不可能产生3次及3的整数倍次谐波电流，因此采用Y，d或D，Y接线的三相整流变压器，能使注人电网的谐波电流中消除3次及3的整数倍次谐波电流，从而使注人电网的谐波电流只有5、7、ll…等次谐波。这是抑制谐波最基本的方法。

3．1．2 增加整流装置的相数或脉动数

    增加整流变压器二次侧的相数或使各台整流变压器二次侧有一定移相角，可有效减小谐波含量。多脉波变流技术大功率电力电子装置常将整流相数由6相增加成12相或24相。由计算知，当整流相数为6相时，出现的5次谐波电流为基波电流的18．5％ ，7次谐波电流为基波电流的12％ ；如果整流相数增加到12相时，则出现的5次谐波电流降为基波电流的4．5％ ，7次谐波电流降为基波电流的3％ ，都差不多减少了75％。由此可见，增加整流相数对高次谐波抑制的效果相当显著。理论上，整流变压器二次侧的相数越多，整流波形的脉动数越多，对谐波的抑制效果越好。但是相数越多，则整流变压器的结构越复杂，体积越大，其控制和保护变得困难，成本增加。

3．1．3 脉宽调制法

    脉宽调制(PWM)技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性。根据输出波形的傅立叶级数展开式，使需要消除的谐波幅值为零、基波幅值为给定值，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的。目前采用的PWM技术有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、三角形调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。

3．1．4 改变谐波源的配置或工作方式

    具有谐波互补性的装置应集中，否则应适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。

3．1．5 谐波叠加注人

    利用3次倍数的谐波和外部的3次倍数的谐波源，把谐波电流加到产生的矩形波形上，可用于降低给定的运行点的某些次谐波。要求必须保证使3次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生器的功率消耗大。

3．2 被动治理谐波的措施

    这种方法可对已有的谐波进行有效抑制，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种：

3．2．1 采用无源滤波器(PF)

    在谐波源附近或公共电网节点装设单调谐滤波器，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网，相当于吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波器是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点，如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

3．2．2 采用有源滤波器(APF)

    有源滤波器是由全控电力电子器件构成的采取PWM控制的变流器，提供与补偿电流(或电压)大小相等、极性相反的电流(或电压)，以抑制负载所产生的有害电流(或电压)在电力系统中传播的主动式综合补偿装置。即有源滤波器利用可控的电力电子器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。与无源滤波器相比较，APF具有高度的可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波；可以对多个谐波源进行集中治理。但价格昂贵。

3．2．3 采用混合型有源滤波器(HAPF)

    将APF优良性能和PF低成本相结合，即可构成混合型有源滤波器(HAPF)，它兼有APF和PF各自的优点，属于APF的分支和发展。通过采取适当的控制策略，可使负荷的谐波电流由APF提供，负荷的基波无功功率则由PF提供。按滤波器输出同样的无功功率比较，HAPF开关逆变器的容量只有常规APF容量的27％左右，逆变器容量明显减小，可大幅降低成本，因此HAPF是一种很有前途的滤波及补偿方式。

3．3 受端治理谐波的措施

3．3．1 选择合理的供电方式

    将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电压的电网供电，并尽可能保持三相电压平衡，可以减小谐波对电网的影响；对谐波源负荷由专门的线路供电，减小谐波对其他用电设备的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。

3．3．2 避免并联电容器组对谐波的放大

    在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量，避免并联电容器组对谐波的放大。

3．3．3 提高设备抗谐波干扰的能力

    按电磁兼容的有关标准改进设备性能，使其在谐波环境中能够正常工作，当然这是有一定限度的，谐波较大时设备仍将受到严重影响。

3．3．4 改善谐波保护性能

    对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能够保证在谐波超标情况下，设备不致于损坏，但不能保障设备的正常工作。

4 电网谐波治理的发展趋势

    在配电系统中，传统谐波抑制方法及无功功率补偿技术是将无源滤波器与非线性负荷并联，利用谐振原理为特定次数的谐波提供一个低阻通路，无源滤波器中电容为负载提供无功功率。同时，通过控制接人系统的等效电抗动态补偿系统所需无功功率。该类装置将谐波抑制和无功功率补偿二者分离开来，需要两套设备。现代的谐波抑制方法采用基于瞬时无功功率理论的有源滤波器，同时实现动态补偿谐波电流和无功功率。此类装置称为配电网动态补偿装置。该装置除逆变器外不需要其他的谐波电流和无功功率补偿通道，也不需要大容量电抗器和电容器储能，功能强大，结构简单。随着我国电网电能质量治理工作的深入开展，负荷对电能质量要求越来越高，配电网动态补偿装置必定是未来谐波抑制和无功补偿技术的发展趋势。

    要消除谐波污染，除了大力发展高效的滤波措施外，还必须在设计、制造和使用非线性负载时，采取有力的抑制谐波的措施，减少谐波侵入电网，从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济损失。随着谐波抑制技术的进一步发展和对高效利用能源要求的增强，谐波治理问题最终将会得到妥善的解决。