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电力系统谐波的深入剖析与高效抑制策略研究

一、引言

1.1研究背景与意义

随着现代工业和电力电子技术的飞速发展，电力系统的规模不断扩大，结构日益复杂。在电力系统中，谐波问题逐渐凸显，成为影响电能质量的重要因素。谐波是指频率为基波频率整数倍的电压或电流成分，其产生主要源于各种非线性负载，如整流器、变频器、电弧炉等设备的广泛应用。

谐波对电力设备、电网运行和用电设备都有着诸多负面影响。在电力设备方面，谐波会使变压器的铜耗和铁损明显增加，导致变压器工作温度升高，长期过热加速绝缘材料老化，缩短使用寿命。以存在大量3次谐波的情况为例，变压器绕组损耗可能比正常情况高出20%-30%。对于电力电容器，谐波会使投入后的端电压增大，电流增加更明显，损耗功率上升，可能导致电容器过电流、过负荷、异常发热，甚至鼓肚、击穿或爆炸。谐波还会使电力电缆的交流电阻增大，允许通过电流减小，并且可能引发谐振。

从电网运行角度来看，谐波会引起电网电压的畸变。当大量非线性负载接入电网时，产生的谐波电流注入电网，在电网阻抗上产生谐波电压降，导致电网电压波形发生畸变。在一些工业区域，多个大型电力电子设备同时运行，可能使电网电压的总谐波畸变率（THD）超过标准规定的5%，严重影响其他电气设备的正常运行。谐波还可能引发电力系统的谐振，当电网的电感和电容参数与谐波频率满足一定条件时，发生谐振，导致电网中的电压和电流急剧放大，对电网中的设备造成严重的过电压和过电流损坏。

对于用电设备，谐波对异步电动机的影响显著，会增加附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，减少电动机出力，且当谐波电流频率接近某零件固有频率时，会使电动机产生机械振动和很大噪声。谐波还会影响低压开关设备的正常工作，使配电用断路器、漏电断路器、电磁接触器、热继电器等可能出现误动作。对于弱电系统设备，如计算机网络、通信、有线电视等，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰，影响其正常运行。

因此，抑制谐波对保障电力系统安全、稳定、经济运行至关重要。有效的谐波抑制可以降低电力设备的损耗和故障率，延长设备使用寿命，减少维修成本；能够提高电网的电能质量，确保各类电气设备的正常运行，减少因谐波导致的生产中断和经济损失；还可以避免谐波对通信系统等弱电设备的干扰，保障信息传输的准确性和可靠性。所以，对电力系统谐波及其抑制方法的研究具有重要的现实意义和工程应用价值。

1.2国内外研究现状

在国外，对电力系统谐波的研究起步较早。早在20世纪20年代和30年代，德国因使用静止汞弧变流器造成电压、电流波形畸变，使得谐波问题开始受到关注。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文，成为早期谐波研究的经典文献。此后，随着高压直流输电技术在50-60年代的发展，大量关于变流器引起电力系统谐波问题的论文相继发表。70年代以来，电力电子技术飞速发展，谐波危害日益严重，促使国外对谐波的研究更加深入和全面。

在谐波源建模与分析方面，国外研究者通过建立干扰源等效电路模型、统计模型等，深入分析谐波源对电力系统的影响。在谐波传播与衰减研究中，利用仿真和实验手段，详细探究谐波在电力系统中的传播规律和衰减机制，包括线路参数对谐波传播的影响、谐波滤波器的设计等。在谐波控制与抑制领域，研发出多种控制策略和装置，如有源滤波器、无源滤波器、谐波抑制变压器等。有源滤波器由于其高度可控性和快速响应性，能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，成为研究热点。

在国内，随着电力工业的快速发展和电力电子设备的广泛应用，对电力系统谐波的研究也逐渐深入。早期主要集中在对谐波危害的认识和传统谐波抑制方法的应用上。近年来，随着技术的进步和对电能质量要求的提高，国内在谐波研究方面取得了显著成果。

在谐波检测技术方面，国内学者不断探索新的方法。航天建筑设计研究院等单位的研究人员杨逸帆、赵兵兵等提出基于改进希尔伯特-黄变换的谐波检测方法，通过改进镜像延拓方法抑制端点效应，基于自适应噪声完全经验模态分解方法克服模态混叠效应，实现对谐波参数的有效检测，可对具有间断点的谐波信号、含高次谐波衰减、突变谐波信号进行灵敏、准确检测。湖南师范大学等单位的李建闽、曹远远等提出一种基于自适应移频滤波的电力系统谐波分析方法，该方法在弱幅值谐波信号、基波频率偏差、白噪声影响等条件下表现出较高的准确性和可靠性，在鲁棒性和实时性方面具有明显优势。

然而，现有研究仍存在一些不足。在谐波抑制装置方面，传统的无源滤波器虽然结构简单、成本较低，但只能滤除设定次数的谐波，且易与电网产生串、并联谐振。有源滤波器虽有优势，但存在成本较高、容量有限等问题。在谐波分析方法