1 电力谐波问题及其治理技术

理想的电力系统是以单一而固定的频率、规定固定幅值的电压，以及完整的正弦波形供应电能的，但是实际上这些条件没有一个能满足。电压和频率偏移问题以及如何使它们处于控制之下的方法，是常规的电力系统分析与控制的课题。波形畸变(即谐波)问题在电力系统中原来是不具体探讨的，但随着社会的发展和科技的进步，一方面谐波污染随着非线性负载的数量和容量日益增加而日趋严重，另一方面供电方及其电力系统设备、用户方及其用电设备对电能质量的要求越来越高，因此人们对这个问题也越来越重视。如何有效地治理谐波，将谐波控制在允许限值以下，是具有重要现实意义的课题。

1.1  谐波问题研究概述
　　
“谐波”这一名词起源于声学，在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基波频率的倍数频率振动。电气信号也是如此，谐波被定义为一个信号，该信号的频率是实际系统频率(即电网额定频率)的整数倍。在国际电工标准(IEC555-2)与国际大电网会议(ClGRE)的文献中定义:“谐波分量为周期量的傅立叶级数中大于1的h次分量”。IEEE标准519-1981中定义为:“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。

早在18世纪和19世纪，几位数学家，特别是FourierJ.B.J.，为谐波计算奠定了基础。电力系统的波形畸变也并不是个新现象，从交流电的出现到21世纪的今天，如何将其限制在可以接受的范围内一直是电力工程师所关心的问题。在20世纪20年代和30年代的德国，研究者由静止变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波的概念。当时最有影响的是RissikH.所著的《TheMercuryArcCurrentConverter》，另一篇有关静止变流器产生谐波的经典论文是ReadJ.C.在1945年发表的《TheCalculationofRectifierandConverterPerformance》，至今仍被研究者广泛引用。上世纪50年代和60年代在高压直流输电方面促进了变流器谐波的研究。在这一时期发表了大量的论文。KimbarkE.W.在其著作《DirectCurrentTransmission》中对此进行了总结，该书包括了电力系统谐波方面60篇以上的参

考文献。上世纪70年代以后，国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，其中从1984年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议(ICHPS)，极大地推动了谐波领域的研究和交流。不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定，同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发展起来。

我国对谐波问题的研究起步较晚。吴竞昌等1988年出版的《电力系统谐波》一书是我国有关谐波问题早期较有影响的著作。随后，许克明等也于1991年出版了《电力系统高次谐波》，张一中等1992年出版了《电力谐波》，夏道止等1994年出版了《高压直流输电系统的谐波分析及滤波》，林海雪等1998年出版了《电力网中的谐波》，这些著作都对人们认识和研究谐波做出了很大的贡献。此外，唐统一等和容健纲等分别于1991年和1994年独

立翻译了ArrilagaJ.等的《电力系统谐波》，也在国内有较大的影响。1998年，王兆安等出版的《谐波抑制和无功功率补偿》是国内迄今为止较为全面的介绍谐波分析和治理方法的著作，特别是其中关于有源滤波器的分析和阐述，被国内许多研究者广泛引用和参考。近些年来，国内期刊和有关会议上发表的谐波相关问题的研究论文也非常多，谐波问题已经成为研究热点。因此可以说，我国对谐波问题的研究起步于上世纪80年代，在90年代有了长 足的发展，与国外研究水平的差距正在不断减小。

谐波问题的研究可以分为以下四个方面: 
(1)与谐波有关的功率理论的研究， 
(2)谐波标准的研究， 
(3)谐波测量和分析， 
(4)谐波治理。

当电网电压或电流中含有谐波时，如何定义各种功率是一个至今尚未得到圆满解决的问题。这是一个关系到电量计量、分析及控制的重要问题。如何使定义科学严谨，又能满足各种工程和管理的需要，还有许多问题需要研究。传统的平均功率理论在系统存在谐波时是不完全适用的，容易造成诸如电能计量偏差等问题。针对有源滤波器APF而提出的瞬时无功功率理论，目前是解决谐波相关问题使用得最为广泛的功率理论，当然该理论也并不是放之天下皆准的，也存在一定问题。近年来，这方面的工作主要集中在将传统功率理论与瞬时无功功率理论进行统一，这是一条研究问题的较好的途径。

为了保证电网和用电设备安全、经济、稳定的运行，目前许多国家、国际组织以及一些大电力公司都制定了相应的谐波标准，其中较有影响的是IEEE519-1992和IEC555-2。我国水利电力部早在1984年就颁发了《电力系统谐波管理暂行规定》(SD126-84)，到1994年，国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》正式颁布。虽然各个谐波标准不尽相同，但都是大同小异，且所有标准都基于以下三个目的: 
(1)将电力系统电流和电压波形的畸变控制到系统及其所接设备能够允许的水平； 
(2)以符合用户需要的电压波形向用户供电； 
(3)不干扰其它系统(如通讯系统)的正常工作。