西安理工大学研究生课程论文/研究报告课程名称：电能质量分析与控制任课教师：余健明论文/研究报告题目电力系统谐波综述完成日期：2014年 4 月 5 日学科：电力系统及其自动化学号：1308080916姓名：魏帅成绩：摘要:随着电力工业的发展和电力市场的开放，各种非线性元件在电力系统中大量使用，这些非线性元件产生大量的谐波导致电压和电流的波形产生畸变，严重威胁着电网安全和经济运行。
同时谐波对电力系统其他用电设备也产生了严重的危害及影响。
本文主要介绍了谐波基本概念、评价指标，并联电容器对谐波放大的分析及无源滤波器的原理、参数和设计方法。
关键词: 谐波；谐波放大；无源滤波器Abstract: With the development of electrical industry and the opening of the electricity market，various electric components of nonlinear that can generate high-order harmonics are widely used in the power system，the harmonics cause the voltage and current waveform distortion and it has been a threat to the safe operation and economic operation of power grids．Meanwhile，harmonics have influence and harm to other electrical equipment of power system．This paper introduces the basic concepts of harmonic, evaluation, principles of shunt capacitors for harmonic analysis and amplified passive filter, parameters and design methods.Keywords: harmonic; harmonic amplification; passive filter0 引言20 世纪80 年代后期，伴随着计算机技术、通信技术、控制技术3 大技术的发展，电子技术得到迅速发展，各种电子产品更新换代用于各行各业，电子产品中各种非线性元件的大量使用，对带动经济的发展起到了积极作用，同时它们作为电源与用电设备之间的非线性接口，都不可避免的产生非正弦波注入电网，对电力系统元件的安全经济运行造成严重的威胁，所以电力系统谐波问题已经成为工程管理人员和电力科技领域的重大问题。
电力系统谐波含量严重上升的原因主要是各种非线性元件的大量使用和电容器组对谐波的放大和谐振作用。
因此本文将主要分析电容器组对谐波的放大作用及无源滤波器的工作原理及设计方法。
1 谐波的基本概念及评价指标1、1谐波的概念谐波是一种频率为基波整数倍的系列正弦波。
这些不同频率、幅值的系列正弦波, 使系统正弦电流、电压产生不对称。
1、2谐波的产生当电力系统向非线性设备及负荷供电时, 这些设备和负荷在传递、变换、吸收系统发电机所供给的基波能量的同时, 又把部分基波能量转换为谐波能量,向系统倒送大量的高次谐波。
使电力系统中的电压和电流波形发生了严重畸变。
1、3谐波的评价指标1 谐波电压限值：公共电网谐波电压（相电压）限值见表1。
表1第h 次谐波电压含有率h HRU ：)1(%1001⨯=U U HRU hh 式中 h U ——第h 次谐波电压(方均根值)；I U ——基波电压(方均根值)。
电压总谐波畸变率u THD ：)2(%1001⨯=U U THD Hu 其中H U 为谐波电压含量：)3()(22 ∑∞==h hH UU2 谐波电流允许值（1）公共联接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过表2种规定的允许值。
当公共联接点处的最小短路容量不同于基准短路容量时。
表2 注入公共联接点的谐波电流允许值（第1部分）注：220kV基准短路容量取2000 MVA。
（2）同一公共联接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许治按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。
分配的计算方法见附录C（补充件）。
2 并联电容器对谐波的影响在用户供电系统中，并联电容器作为无功功率补偿设备得到广泛的应用。
通过无功补偿装置可以提高供电系统的功率因数，有益于电能的充分利用和电能的节约。
同时,由于供电系统中有大量的非线性负载,电网又接有冲击性、波动性负荷，如电弧炉、大型轧钢机等,在运行中会产生大量的高次谐波。
一方面由于电容器谐波阻抗小,系统高次谐波电压会在其中产生显著的高次谐波电流，,使电容器过热，,严重影响其使用寿命；另一方面，电容器在高次谐波的作用下，只要参数配合适当， 都可能引起系统谐波严重放大。
因此， 必须采取措施加以限制。
2、1 电容器对谐波的放大原理图1为供电系统并联电容后的简图，图2 为此供电系统的等值电路，根据等值电路可以求出各支路的谐波电流。
设并联电容器基波电抗为C X ，S X 为系统等值感抗，R 为系统等值电阻，h I 为谐波源注入的h 次谐波电流。
由等值电路图可得：)4()( h c s c sh I h X hX j R hjX i -+-=)5()( h C S Sc I h X hX j R jhX R i -++=图1 图2从上面两个式子中可以得到，当h X hX C s =时， 满足谐振条件， 并联电容器与系统阻抗会发生并联谐振，由于s X 比R 大许多， 发生谐振时Sh I 和C I 均大于h I ，即谐波电流被放大，并且全部通过电容器使其过负荷。
特别是当h X hX c s -时，即电容器组回路呈容性时，谐波的扩大可能使母线电压波形发生畸变。
由h X hX C s =可以得到，谐振点的谐波次数为S C X X h =2，即当谐波源中含有次数为S C X X 的谐波时,将引起谐振。
若谐波源中含有次数接近S C X X的谐波，虽不会发生谐振，但也会导致该次谐波被放大。
无功补偿电容器会使谐波放大，而谐波放大又会危害到电容器，电容器由于超温和过压而损坏，同时， 还会危及电网中的其他电气设备， 严重时会造成电气设备损坏， 甚至破坏电网的正常运行， 因此， 必须要解决好电容器对谐波电流的放大问题。
2、2 串联电抗器防止谐波放大并联电容器能够引起谐波放大， 是由于电容器回路在谐波频率范围内呈出容性。
如果在并联补偿电容器回路中串接一个电抗器， 通过选择电抗值使各次谐波过补偿， 也就是使电容器回路的总电抗呈现出感性而不是容性， 则可消除谐波放大现象。
串联电抗器的电路图和等值电路图如图3 和图4 所示。
图3 图4由等值电路图可得：)6()( h C L S C L Sh I h X hX hX hX hX I -+-=)7()( h X hX hX hX I C L S SC -+=)8( SC L hX hX hX -=α)9(11 α+=h ch II)10(1 αα+=h sh I I α≤0时，谐波放大，且当α=-1时，谐波放大的程度最大。
3 无源滤波器的设计在谐波的治理方法中， 采用无源滤波装置是一个非常普遍和经济的方法，它通过调整电容器和电抗器的参数， 对某次谐波（单调谐滤波器） 或某个频率范围的谐波（高通滤波器、低通滤波器） 呈现非常低阻抗的通道， 从而避免其流入系统。
根据无源滤波器滤除的谐波频率特点， 可分为单调谐滤波器、双调谐滤波器、三调谐滤波器和高通调谐滤波器以及失谐滤波器。
单调谐滤波器，见图1（a ），主要滤除某一次频率的谐波电流，做成在某次频率下串联谐振回路，即0=-Ln Cn X X 。
双调谐滤波器，见图1（b ），有两个谐振频率，同时吸收两个频率的谐波，相当于两个并联的单调谐滤波器。
高通调谐滤波器又称阻尼滤波器，在某一特定的频率以上时呈现低阻抗，以下时则呈现高阻抗。
高通调谐滤波器从结构上有一阶、二阶、三阶和C 型之分， 二阶高通滤波器见图1（c ）， 型滤波器见图1（d ），常用的为二阶高通调谐滤波器。
失谐滤波器的谐振频率通常低于电网的最低次特征谐波频率， 通常设定为基波频率的3． 8 ～ 4． 2 倍， 只能吸收少量谐波， 主要用途是防止谐波放大， 其结构和阻抗特性类似于单调谐滤波器， 只是谐振频率有区别。
双调谐和三调谐滤波器由于占地少、损耗小，常用于高压直流输电系统， 但结构复杂、调谐困难，很少用于低压系统。
低压系统常采用单调谐、失谐以及二阶高通调谐滤波器。
\图1 单调谐滤波器 图3 二阶高通滤波器图2 双调谐滤波器 3、1单调谐滤波器的参数及设计方法单调谐滤波器如图1所示， 滤波器对h 次谐波的阻抗为：)11()1( Ch L h j R Z s s fh fh ωω-+=式中: 下标h f 表示第h 次单调谐滤波器的频率；s ω为基波角频率。
工作原理: 单调谐滤波器是利用串联L 、C 谐振原理构成的,谐振次数h 为:)12(1 LCh s ω=在谐振点处, fh fh R Z =, 因fh R 很小, h 次谐波电流主要由fh R 分流, 很少流入电网中, 对于其他次数的谐波, fh fhR Z >>, 谐波分流很少。
因此, 只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样, 则该次谐波将流入无源滤波器, 从而起到滤除该次谐波的目的。
单调谐滤波器的设计：单调谐滤波器由电感L 、电容器C 和电阻R 组成, 它的工作原理是利用电感和电容对某次谐波频率产生串联谐振使得滤波器的阻抗很小, 从而把负载中的该次谐波电流引入滤波器。
滤波器对h 次谐波的阻抗为式（8）所示，滤波器的谐振频率如式(9)所示。
从式( 3)和式( 4)可以看出, 单调谐无源滤波器对基波的阻抗是呈容性的, 也就是说, 单调谐无源滤波器能够提供一定的无功功率。
为减少因电网频率偏差原因使滤波器与系统在特征频率上出现并联谐振的几率, 在确定单调谐滤波器的调谐频率时应将其设置为稍低于相应的特征频率, 即使滤波器从感性域上接近串联谐振。
在根据谐波治理对象的谐波含量特点确定单调谐无源滤波器的具体滤波次数后, 电容器C 和电感L 具体参数设计主要由以下几个方面考虑:①确定电容器容量C Q (单位为Mvar) 等于补偿谐波源所需要的无功功率。
②由C Q 来确定电容器的电抗为:)13(2 CCC Q U k X =③滤除h 次谐波, 电抗器大小为:)14(2 hX X CL =④电抗器的电阻为:(15) QX R h=式中： Q 为滤波器的品质因数, 一般取30<Q < 100。