电力系统中谐波的发生

在电力系统中，理想的电压和电流波形应该是单一频率（通常为50Hz或60Hz）的正弦波。然而，在实际应用中，由于多种因素的影响，这些波形可能会发生畸变，产生谐波。谐波是基波频率的整数倍频率成分，它们的存在会对电力系统的运行造成不利影响。以下是谐波的主要来源：

非线性负载：这是最普遍的谐波源，包括但不限于变频器、整流器、开关电源、荧光灯等1。当电流流经这类负载时，与所加的电压不呈线性关系，形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。

电力电子装置：如逆变器、不间断电源（UPS）、LED驱动器等设备，由于其工作原理涉及快速开关操作，也会引入大量的高次谐波1。

感应电动机和发电机：特别是在启动和停止过程中，可能产生短暂但强烈的谐波11。

电网故障：短路或其他类型的电气故障也可能导致暂时性的谐波问题1。

此外，输配电系统中的变压器由于铁心饱和，磁化曲线的非线性等因素，也会产生一定量的谐波2。

谐波治理的工作原理和方案

为了有效治理谐波，确保电力系统的稳定性和电能质量，可以采取以下几种技术手段：

1. 源头控制

选择低谐波产生率的设备：在设计和采购阶段优先考虑那些具有较低谐波产生率的电气设备，例如采用PWM技术的变频器11。

优化设备运行参数：调整非线性负载的工作条件，减少不必要的谐波产生11。

2. 被动滤波器

被动滤波器主要依赖于电感（L）和电容（C）元件来实现特定频率的谐波过滤。具体类型包括：

LC滤波器：通过串联或并联LC回路的方式，针对特定次数的谐波进行调谐，从而达到抑制效果。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。但是它存在补偿特性受电网阻抗和运行状态影响的问题，易与系统发生并联谐振，导致谐波放大1。

多调谐滤波器：设计多个谐振点以覆盖更多谐波次数，提高对多种谐波的有效抑制11。

3. 有源滤波器（Active Filters, AF）

有源滤波器是一种基于电力电子技术的动态补偿装置，它能够实时监测电网状态，并根据检测结果生成相应的补偿电流或电压，以抵消谐波、无功功率或其他扰动。其工作原理如下：

实时检测：利用高精度传感器对电网中的电流和电压进行采样，获取原始波形数据11。

指令计算：通过内置的微处理器或DSP（数字信号处理器），对采集的数据进行快速傅里叶变换（FFT）等算法分析，提取出基波和谐波成分，并计算出所需的补偿电流11。

补偿电流生成：由IGBT（绝缘栅双极型晶体管）或MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）等高速开关器件组成的逆变器电路将直流电转换为交流电，生成补偿电流。该补偿电流应与检测到的谐波电流大小相等但相位相反，以实现相互抵消11。

并网注入：设计合理的连接点和保护机制，确保补偿电流可以安全地注入电网而不影响现有电力设施11。

自适应调节：一些先进的有源滤波器具备自学习功能，可以根据电网条件自动调整参数，优化性能11。

4. 混合滤波器（Hybrid Filters）

混合滤波器结合了被动和有源滤波的优点，通常包含一个被动滤波部分处理主要的谐波成分，而有源部分负责精细调节，处理剩余的小幅度谐波和无功功率补偿。相比纯有源滤波器，这种方法降低了整体成本，同时提高了系统的可靠性和稳定性11。

5. 系统级治理

加强电网结构：通过优化电网拓扑结构，增强电网对谐波的承载能力，减少谐波传播11。

安装隔离变压器：使用隔离变压器可以有效地将谐波限制在一个局部区域，防止其扩散到整个电力系统11。

分布式能源管理：合理规划分布式发电资源的位置和规模，避免因接入点不当而引起的谐波放大效应11。

实施步骤

评估现状：首先进行全面的电力系统谐波分析，识别出主要的谐波源及其影响程度11。

制定计划：根据评估结果，选择合适的治理技术和设备，制定详细的实施计划11。

安装与调试：按照计划安装滤波器或其他治理设备，并进行必要的调试，确保其正常工作11。

持续监控：建立在线监测系统，实时跟踪谐波水平和治理效果，及时调整策略11。

定期维护：确保设备处于良好状态，延长使用寿命，并保持最佳的治理效果11。

综上所述，谐波治理是一个综合性的过程，需要从源头控制、技术选择、系统优化等多个方面入手，通过合理的方案设计和技术应用，实现对电力系统中谐波的有效管理和控制。对于具体的电力系统而言，应当根据实际情况选择最适合的技术方案，以确保电能质量和系统的稳定运行。