智能电网中电力电子设备谐波抑制技术的应用与优化

引言

随着智能电网建设的推进，电力电子设备因其具备高效电能变换与控制能力，在电网中得到广泛应用。然而，电力电子设备的非线性特性导致大量谐波产生，对电网电能质量、设备安全及系统稳定运行造成严重威胁。谐波会引发电压畸变、增加设备损耗、干扰通信系统，甚至可能导致电网谐振，引发重大事故。研究和应用有效的谐波抑制技术，并对其进行优化，成为保障智能电网可靠运行、提升电能质量的关键。深入探索智能电网中电力电子设备谐波抑制技术的应用与优化策略，对推动电力行业可持续发展具有重要意义。

一、智能电网中电力电子设备谐波问题分析

（一）谐波产生的原因

电力电子设备内部广泛采用电力半导体器件进行整流、逆变、斩波等电能变换操作。这些器件的开关特性使其在工作时呈现非线性，打破了电流、电压的正弦规律。以整流电路为例，二极管或晶闸管的周期性导通与关断，使输入电流不再是平滑的正弦波，而是包含大量高次谐波分量。此外，设备控制策略、负载特性及电网运行工况等因素也会影响谐波的产生。当设备控制参数设置不合理，或负载发生突变时，会加剧电流波形的畸变，导致谐波含量增加。

（二）谐波造成的危害

在电能质量方面，谐波会导致电压波形畸变，降低电网电压稳定性，影响敏感设备正常运行。谐波还会增加电网线路和设备的功率损耗，降低输电效率，加速设备绝缘老化，缩短设备使用寿命。谐波电流注入电网后，可能引发电网谐振，造成过电压和过电流，威胁电网设备安全[1]。谐波还会干扰通信系统，使通信信号失真，影响信息传输的准确性与可靠性，阻碍智能电网中各类数据的实时交互与协同控制。

二、电力电子设备谐波抑制技术的应用

（一）无源滤波器技术

无源滤波器由电容器、电感器和电阻器等无源元件组成，通过设置特定的谐振频率，对特定次谐波进行吸收或旁路。单调谐滤波器针对某一特定频率谐波具有高阻抗特性，可将该次谐波电流引入滤波器回路，从而减少其注入电网；高通滤波器则对高于某一频率的谐波呈现低阻抗，能够有效抑制高频谐波。无源滤波器结构简单、成本较低、运行可靠，在电力系统中应用广泛。但无源滤波器的滤波特性受电网参数影响较大，容易与电网发生并联谐振，且只能针对固定频率谐波进行抑制，对宽频谐波的抑制效果不佳。

（二）有源滤波器技术

有源滤波器通过检测电网中的谐波电流，利用电力电子器件产生与谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而实现对谐波的抵消。其核心部分为控制电路和功率变换电路，控制电路实时监测电网电流，经算法计算出谐波分量，再驱动功率变换电路产生相应的补偿电流。有源滤波器具有动态响应速度快、补偿精度高、可对任意次谐波进行补偿等优点，能适应不同工况下的谐波抑制需求。然而，有源滤波器成本较高，需要复杂的控制算法和高性能的电力电子器件，运行过程中自身也会产生一定损耗。

（三）混合滤波器技术

混合滤波器结合了无源滤波器和有源滤波器的优点，旨在克服两者的局限性。它以无源滤波器作为主要的谐波补偿装置，承担大部分谐波抑制任务，降低系统成本；同时利用有源滤波器弥补无源滤波器的不足，如改善滤波特性、抑制谐振等。混合滤波器根据有源部分和无源部分的连接方式不同，可分为串联型、并联型和串并联混合型[2]。这种技术在保证较好谐波抑制效果的同时，能有效降低设备成本，提高系统可靠性，适用于谐波含量高、工况复杂的智能电网场景。

三、电力电子设备谐波抑制技术的优化策略

（一）技术融合创新

将有源滤波器与电力电子变压器相结合，利用电力电子变压器灵活的电能变换与控制能力，优化有源滤波器的补偿性能，使其能更好地适应电网变化。探索将超导磁储能技术与谐波抑制技术融合，利用超导磁储能装置快速的功率调节能力，提高谐波抑制系统的动态响应性能，增强对突发谐波的抑制能力。新型电力电子拓扑结构能够降低器件的开关损耗，提高装置的功率密度，配合先进的模型预测控制算法，可实现对谐波电流的快速、精准跟踪补偿。超导磁储能装置能在毫秒级时间内完成能量的吸收和释放，与谐波抑制装置协同工作时，可在电网出现谐波突变时迅速提供补偿能量，有效抑制谐波的扩散 。

（二）参数优化设计

针对无源滤波器，根据电网实际运行参数，如电压等级、负荷特性、谐波频谱等，精确计算滤波器元件参数，使其谐振频率与主要谐波频率匹配，提高滤波效率。对于有源滤波器，优化控制算法中的参数，如比例积分微分（PID）控制器参数、自适应算法参数等，提升补偿电流的跟踪精度和动态响应速度。在混合滤波器设计中，合理分配有源部分和无源部分的容量与参数，实现两者的最佳配合，达到最优的谐波抑制效果与经济效益[3]。采用遗传算法等智能优化算法，可以在复杂的参数空间中快速搜索到无源滤波器的最优元件参数组合，提高滤波器的滤波性能。对于有源滤波器的控制参数优化，利用自适应学习算法可根据电网谐波的实时变化自动调整控制参数，确保补偿电流始终能够准确跟踪谐波电流的变化 。

（三）智能控制策略应用

基于物联网技术，构建谐波抑制设备的远程监控与管理系统，实现设备状态的实时感知、故障诊断与远程控制。通过大数据分析技术，对电网谐波数据进行深度挖掘，总结谐波产生规律，为谐波抑制技术的优化和设备的运行维护提供数据支持，实现谐波抑制的智能化、精准化控制。神经网络强大的非线性映射能力可以准确地建立起电网运行参数与谐波特征之间的关系模型，实现对谐波的准确预测。物联网技术使运维人员能够通过移动终端随时随地获取谐波抑制设备的运行数据，及时发现设备异常，借助远程控制功能对设备进行参数调整或故障修复，大大提高了设备的运维效率 。

结语

智能电网中电力电子设备谐波抑制技术的应用与优化，是保障电网安全稳定运行、提升电能质量的重要手段。通过分析谐波产生原因与危害，合理应用无源滤波器、有源滤波器、混合滤波器等技术，并从技术融合、参数优化、智能控制等方面进行优化，能够有效降低谐波污染。未来，随着电力电子技术、智能控制技术的不断发展，需持续探索更高效、经济、智能的谐波抑制技术与策略，为智能电网的高质量发展提供坚实技术保障，推动电力系统向更清洁、高效、智能的方向迈进。

参考文献

[1]王岩，李其炎.智能电网建设中电力工程技术的应用[C]//中国电力设备管理协会.全国绿色数智电力设备技术创新成果展示会论文集（七）.北京华联电力工程咨询有限公司;，2024：17-19.

[2]赵甜.含分布式能源的微电网谐波检测及治理[D].昆明理工大学，2024.

[3]曾文博.面向智能电网的分布式电源并网逆变器控制策略优化研究[C]//中国智慧工程研究会.2024 人工智能与工程管理学术交流会论文集.浙江英策电力工程有限公司;，2024：502-504.