第一篇：劇場電氣設計中的諧波抑制措施

劇場電氣設計中的諧波抑制措施

由于非線性特性電氣設備的使用，產(chǎn)生了周期性非正弦電量。對這些周期性非正弦電量進行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量即稱為諧波。民用建筑電氣設備中存在著眾多的非線性特性負載諧波源，如：熒光燈、氣體放電燈、計算機、UPS裝置、電子調(diào)速裝備、軟起動設備等。劇場電氣設備中，另有大量的諧波源,尤其是舞臺燈光的可控硅調(diào)光裝置引起的電流波形畸變，使諧波問題尤為嚴重。

1.劇場電氣諧波的產(chǎn)生及其特性分析

可控硅調(diào)光器是目前舞臺上的主流調(diào)光器。舞臺燈光用的各種調(diào)光器實質(zhì)上就是一個單相的相位控制交流調(diào)壓器。

在正弦交流電壓過零后的某一時刻t1（或某一相位角wt1），在可控硅的門極上加一觸發(fā)脈沖，使可控硅導通，這一導通將維持到正弦波正半周結(jié)束。因此在正弦波的正半周（即0～p區(qū)間）中，0～wt1范圍可控硅不導通，這一范圍稱為控制角，常用a表示；而在wt1～p間可控硅導通，這一范圍稱為導通角，常用?表示。同理在正弦交流電壓的負半周，對處于反向聯(lián)接的另一個可控硅（對兩個單向可控硅反并聯(lián)而言）在t2時刻（即相位角wt2）施加觸發(fā)脈沖，使其導通。如此周而復始，對正弦波的每一半周期控制其導通，獲得相同的導通角。如改變觸發(fā)脈沖的施加時間（或相位），即改變了導通角?（或控制角a）的大小。導通角越大調(diào)光器輸出的電壓越高，燈就越亮。從上述可控硅調(diào)光原理可知，調(diào)光器輸出的電壓波形已經(jīng)不再是正弦波。

對該周期性非正弦電量進行傅立葉級數(shù)分解可知,可控硅調(diào)光過程中輸出的負荷電壓除含有與電源同頻率的基波成分外，還含一系列頻率為電源頻率奇次倍的高次諧波，這些高次諧波向空中大量幅射，也會通過導線傳導到其它負載，引起電源電壓波形畸變。

2.諧波的危害

電源電壓波形畸變造成電網(wǎng)諧波污染，使電力系統(tǒng)的發(fā)供用電設備出現(xiàn)許多異?，F(xiàn)象和故障。諧波的危害是多方面的，就劇場電氣系統(tǒng)而言,主要來有以下幾個方面：

2.1.對供配電線路的危害

三相配電線路中，相線上的3的整數(shù)倍諧波在中性線上會疊加，使中性線的電流值可能超過相線上的電流。相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率與無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費電網(wǎng)的容量。繼電器在諧波影響下不能全面有效地起到保護作用，產(chǎn)生誤動或拒動，將嚴重威脅供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運行。

隨著諧波次數(shù)高頻率的上升，電纜導體趨膚效應越發(fā)明顯，從而導致導體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減小。另外，電纜的電阻、系統(tǒng)母線側(cè)及線路感抗與系統(tǒng)串聯(lián)，提高功率因數(shù)用的電容器及線路的容抗與系統(tǒng)并聯(lián)，在一定數(shù)值的電感與電容下可能發(fā)生諧振。

2.2.對電力設備的危害

當電網(wǎng)存在諧波時，投入電力電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，使電容器損耗功率增加，加速絕緣介質(zhì)老化。在諧波嚴重的情況下，還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴大現(xiàn)象。

諧波使電力變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗與導體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。諧波還使變壓器的鐵耗增大，這主要表現(xiàn)在鐵心中的磁滯損耗增加。同時由于以上兩方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實際使用容量，或者說在選擇變壓器額定容量時需要考慮留出電網(wǎng)中的諧波含量。

對于配電用斷路器來說，受諧波電流的影響,導體的集膚效應與鐵耗增加而引起發(fā)熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低,可能因諧波產(chǎn)生誤動作。

2.3.對弱電系統(tǒng)設備的干擾

對于計算機網(wǎng)絡、通信、有線電視、火災自動報警與樓宇自動化等弱電設備，電力系統(tǒng)中的諧波通過電磁感應、靜電感應與傳導方式耦合到這些系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾。其中電磁感應與靜電感應的耦合強度與干擾頻率成正比，傳導則通過公共接地耦合，有大量不平衡電流流入接地極，從而干擾弱電系統(tǒng)。

3.劇場電氣諧波抑制措施

為抑制上述干擾應采取一定的措施。在劇場電氣設計中，主要可采取以下幾種措施：

3.1裝設濾波器。在可控硅的輸出回路上加高頻電感電容濾波器，使電流上升的時間從幾微秒增至200微秒以上，這樣可以大大降低高次諧波的分量。目前實際裝置中大多采用L-C無源濾波器。它在吸收高次諧波的同時，還具有改善功率因數(shù)的功能。然而，由于調(diào)諧偏移及濾波器阻抗的存在，大大防礙了濾波效果。而且，對于多種諧波電流，需分別設置多個L-C濾波支路，彼此相互干擾，可能顧此失彼。裝設有源濾波器可彌補這些不足，但單獨使用做補償諧波時，其要求容量約為補償對象容量的25～40％，成本高。實際設計中，應進行技術經(jīng)濟分析，根據(jù)諧波的嚴重性及危害程度，裝設必要的L-C無源濾波器、有源濾波器或二者混和使用，從源頭上減少諧波的對外干擾。

3.2對配電線路的要求?！秳鼋ㄖO計規(guī)范》JGJ67-2001第6.4.6條中規(guī)定：由可控硅調(diào)光裝置配出的舞臺照明不宜采用多回路共用零線方式。采用每回路燈雙線配，火線從調(diào)光柜引出，零線返到調(diào)光柜附近的匯流排，實踐證明，可有效抑制調(diào)光回路上產(chǎn)生的高次諧波磁場?！睹裼媒ㄖ姎庠O計規(guī)范》JGJ/T 16-92第8.4.11條中規(guī)定：采用可控硅調(diào)光的三相四線或二相三線配電線路，N線或PEN線的導線截面不應小于相線導線截面的兩倍。這是因為，三次系列諧波是零序諧波，各相的三次系列諧波在中性線（N線）上的相位是相同的。它們在中性線（N線）上相互疊加，使中性線（N線）電流大于相線電流。試驗表明，當可控硅移相調(diào)壓至半壓并滿載輸出時，中性線（N線）零序電流可為相線電流的1.86倍左右。

3.3采用合適的變壓器接線方式?！秳鼋ㄖO計規(guī)范》JGJ67-2001第10.3.3條中規(guī)定：當舞臺照明采用可控硅做調(diào)光設備時，其電源變壓器宜采用接線方式為Δ/Y0的變壓器。由于Δ回路為不對稱零序電流構(gòu)成通路，零序磁通互相抵消，使三次諧波系列產(chǎn)生的變壓器鐵件熱損失僅為變壓器額定容量的0.024％左右，變壓器可滿載運行。

3.4合理布線，降低干擾?！秳鼋ㄖO計規(guī)范》JGJ67-2001第6.4.6條中規(guī)定：由可控硅調(diào)光裝置配出的舞臺照明線路應遠離電聲、電視及通訊等線路。當兩種線路必須平行敷設時，其間距應大于1m；當垂直交叉時，其間距應大于0.5m；并應采用屏蔽措施。屏蔽地線應具有良好的接地，與電氣裝置接地可共用一接地裝置，接地電阻不應大于1歐姆。電聲、電視及通訊設備的電源宜由與舞臺照明不同的變壓器引接。

第二篇：淺析供電系統(tǒng)中諧波的危害及其抑制措施

淺析供電系統(tǒng)中諧波的危害及其抑制措施

[摘 要]簡要論述了諧波是如何產(chǎn)生的，為什么諧波的出現(xiàn)會影響電力設備，以及總結(jié)和提出了抑制諧波的措施。

[關鍵詞] 電力諧波 危害 抑制措施諧波是怎樣產(chǎn)生的

電力系統(tǒng)的諧波是電力系統(tǒng)電壓波形產(chǎn)生畸變的表征。諧波的產(chǎn)生來自于電力電子設備、非線性阻抗設備和其它方面的干擾。

其中電子設備諧波源的基本元件大部分采用非線性元件，工作波形為非正弦波，有的產(chǎn)品是切削正弦波執(zhí)行工作的，如可控硅整流電源等；有的產(chǎn)品是將直流源變換成方波工作，如變頻器、開關電源等。這些產(chǎn)品與電力系統(tǒng)發(fā)生關系時，都能使電力系統(tǒng)的基波產(chǎn)生大量的畸變。而非線性阻抗設備常利用感抗渦流工作或利用容性電離做功，如電焊機、電抗器、感應爐、電弧爐等，這些產(chǎn)品在運行時可使電流產(chǎn)生大幅度地浪涌、尖脈沖，造成電力系統(tǒng)的基波產(chǎn)生畸變，形成電源污染。

2電力諧波造成的危害

對于電力系統(tǒng)來說，電力諧波的危害主要表現(xiàn)有以下幾方面：

2.1 增加輸、供和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過熱，降低設備的利用率和經(jīng)濟效益。

由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過導體時，因集膚效應的作用，使導體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設備的功率損耗、電能損耗，使導體的發(fā)熱嚴重。2.1.1增加輸電線路的功耗

諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡諧振點附近的諧振區(qū)內(nèi)時，對輸電線路會造成絕緣擊穿。由于諧波次數(shù)高頻率上升，再加之電纜導體截面積越大趨膚效應越明顯，從而導致導體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減小。與架空線路相比,電纜線路對地電容要大１０～２０倍，而感抗僅為其１／３～１／２，所以很容易形成諧波諧振，造成絕緣擊穿。

2.1.2對變壓器的危害

諧波會大大增加電力變壓器的銅損和鐵損，降低變壓器有效出力，諧波導致的噪聲，會使變電所的噪聲污染指數(shù)超標，影響工作人員的身心健康。由于以上兩方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實際使用容量。除此之外，諧波還導致變壓器噪聲增大，有時還發(fā)出金屬聲。2.1.3對電力電容器的危害 含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負荷甚至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。

2.2 影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性

特別對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

2.3 對用電設備的危害

①電力諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機內(nèi)的元件溫度出現(xiàn)過熱，使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，嚴重甚至損害機器。

此外，電力諧波還會對測量和計量儀器的指示不準確及整流裝置等產(chǎn)生不良影響，它已經(jīng)成為當前電力系統(tǒng)中影響電能質(zhì)量的大公害。

②感應電動機。

和變壓器中的道理一樣，諧波畸變會加大電動機中的損耗。然而，由于勵磁磁場的諧波會產(chǎn)生附加的損耗，每個諧波分量都有自身的相序(正序、逆序、零序)，它表示旋轉(zhuǎn)的方向(在感應電動機中相對于基波磁場的正向而言的)。

諧波次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

相

序 ＋－ 0 ＋－ 0 ＋－ 0 ＋ － 0

零序諧波(3次及3的倍數(shù)，即“3N”次諧波)產(chǎn)生不變的磁場，但是因為諧波頻率較高，故磁性損耗大大增高而將諧波能量以熱的方式放出。負序的諧波產(chǎn)生反方向旋轉(zhuǎn)的磁場(相對于基波而言)，而使電機的力矩下降，并和零序諧波一樣，產(chǎn)生更多的損耗。正序諧波產(chǎn)生正向旋轉(zhuǎn)磁場來加大力矩，它和負序分量一起，可造成電機的振動而降低電機壽命。2.4影響電網(wǎng)的質(zhì)量

電力系統(tǒng)中的諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費電網(wǎng)的容量。電力諧波的抑制措施

為了減少供電系統(tǒng)的諧波問題，從管理和技術上可采取以下措施：

3.1 嚴格貫徹執(zhí)行有關電力諧波的國家標準，加強管理 我國1998年12月14日發(fā)布了國家標準GB17625.1-1998《低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值(設備每相輸入電流16A)》，要求購置的用電設備，經(jīng)過試驗證實，符合該標準限值才允許接入到配電系統(tǒng)中。此外,1993年頒發(fā)的國家標準GB/T14549-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，規(guī)定了注入公共連接點的諧波電流允許值的用戶，必須安裝電力諧波濾波器，以限制注入公用電網(wǎng)的諧波。3.2加強諧波污染源的監(jiān)測

主管部門對所轄電網(wǎng)進行系統(tǒng)分析，正確測量，以確定諧波源位置和產(chǎn)生的原因，為諧波治理準備充分的原始材料；在諧波產(chǎn)生起伏較大的地方，可設置長期觀察點，收集可靠的數(shù)據(jù)。對電力用戶而言，可以監(jiān)督供電部門提供的電力是否滿足要求；對于供電部門而言，可以評估電力用戶的用電設備是否產(chǎn)生了超標的諧波污染。

3.3 在諧波源處加裝濾波裝置吸收諧波電流

這類方法是對已有的諧波進行有效抑制的方法，這是目前電力系統(tǒng)使用最廣泛的抑制諧波方法。主要方法有以下幾種：

①無源濾波器。簡單的LC濾波器是由電容器、電抗器和電阻器適當組合而成。難以濾除頻率較低、幅度較大的畸變波。LC濾波器一般采用與諧振源并聯(lián)方式接入配電系統(tǒng)，三相連接可接成Y型或D型。但三次諧波濾波器有一點特殊，因為三次諧波主要為零序諧波，大部分流經(jīng)N線，因此有些三次諧波濾波器采用在N線上串接的方式。如ABB公司的THF，其工作原理與并聯(lián)型LC濾波器的相反，是在150Hz的諧振頻率產(chǎn)生高阻抗，而對非150Hz的其它頻率電流阻抗很小，其結(jié)果是大部分三次諧波電流被阻斷。

無源濾波器安裝在電力電子設備的交流側(cè)，由L、C、R元件構(gòu)成諧振回路，當LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。由于具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點，無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補償?shù)闹饕侄?。但無源濾波器存在著許多缺點,如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響；對某些次諧波有放大的可能；耗費多、體積大等。因而隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器。

②有源濾波器。早在70年代初期，日本學者就提出了有源濾波器APF的概念，即利用可控的功率半導體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應性，能補償各次諧波，可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點；在性價比上較為合理；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。目前在國外高低壓有源濾波技術已應用到實踐，而我國還僅應用到低壓有源濾波技術。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術作為改善電能質(zhì)量的關鍵技術，其應用范圍也將從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展。3.4加裝靜止無功補償裝置,提升功率因數(shù)cosф

快速變化的諧波源，如：電弧爐、電力機車和卷揚機等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設靜止無功補償裝置，可有效減小波動的諧波量，同時，可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡，還可補償功率因數(shù).。

3.5防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大

在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當諧波存在時，在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設備的安全?？刹扇〈?lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對諧波的放大。3.6增加換流裝置的相數(shù)

換流裝置是供電系統(tǒng)的主要諧波源之一。理論分析表明，換流裝置在其交流側(cè)與直流側(cè)產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)分別為pk±1和pk(p為整流相數(shù)或脈動數(shù)，k為正整數(shù))。當脈動數(shù)由p=6增加到p=12時，可以有效的消除幅值較大的低頻項，(其特征諧波次數(shù)分別為12k±1和12k)，從而大大地降低了諧波電流的有效值。4 結(jié)束語

（1）在治理系統(tǒng)諧波時，應充分考慮系統(tǒng)中各種因素的影響，兼顧各個指標，選擇合理有效的濾波方案；

（2）采用LC濾波器，應以濾波器組的綜合濾波效果為原則，嚴格避免諧波放大現(xiàn)象的發(fā)生；

（3）濾波電容器電容量的選擇既要滿足濾波的要求，也要考慮無功補償?shù)男枰?，還應使電容器能承受過電流和過電壓的影響；

（4）有源濾波器是一種新型動態(tài)濾波器，其諧波抑制能力大大優(yōu)于LC濾波器。隨著對電網(wǎng)諧波問題的日益重視和其成本的逐步降低，將具有廣闊的應用前景。

參考文獻

［1］吳競昌.供電系統(tǒng)諧波[M].中國電力出版社,1998.5

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第三篇：供電系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生及抑制

供電系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生及抑制

[摘要]本文主要介紹了供電系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生原因和它的危害，及抑制諧波的一般對策。

[關鍵詞]電網(wǎng) 諧波 危害 抑制措施 發(fā)展 標準

引言

近年來，產(chǎn)生諧波的設備類型及數(shù)量均已日劇增，并將繼續(xù)增長。本文主要介紹諧波產(chǎn)生的原因和它的危害，以及抑制供電系統(tǒng)諧波的一般對策。

一、概述

在理想情況下，優(yōu)質(zhì)的電力供應應該提供有正弦波的電壓。但在實際中供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形，即產(chǎn)生諧波。我們所說的供電系統(tǒng)中的諧波之一是一些諧波為基波頻率（在我國取工業(yè)用電頻率50HZ為基波頻率）整數(shù)倍的正弦波分量，又稱為高次諧波。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波，導致供電系統(tǒng)的電壓，電流波形畸變，使電力變壞。諧波還會引起電氣設備附加損耗和發(fā)熱,縮短使用壽命，甚至損壞。諧波注入電網(wǎng)后使無功加大，功率因數(shù)降低，甚至有可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設備以及干擾通信線路的正常工作。因此，諧波是電力質(zhì)量的重要指標之一。所以諧波問題引起各界的廣泛關注，為保證供電系統(tǒng)中所有的電氣、電子設備能在電磁兼容意義的基礎上進行正常諧波的工作，必須采取有力的措施，抑制并防止電網(wǎng)因諧波危害所造成的嚴重后果。

二、什么是諧波？供電系統(tǒng)的諧波是怎么定義的？

“諧波”一詞起源于聲學。有關諧波的數(shù)學分析在18世紀和19世紀奠定了良好的基礎。傅利葉等提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945 J.C.Read發(fā)表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經(jīng)典論文。到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術的發(fā)展，發(fā)表了有變流電力系統(tǒng)、工業(yè)、交流及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分和關注。國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設備諧波的標準和規(guī)定。

供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅利葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1)稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波(Non-harmonics)或分數(shù)諧波。諧波實際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。電工技術領域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制。

三、諧波的產(chǎn)生

在理想的干凈供電系統(tǒng)中，電流和電壓都是正弦波的。再致函線性元件（電阻、電感及電容）的簡單電路里，流過的電流與施加的電壓成正比，流過的電流是正弦波。

在實際的供電系統(tǒng)中，由于有線性非負荷的存在，當電流流過與所加電壓不成線性關系的負荷時，就形成非正弦波電流。任何周期頂波形均可分解為一個基頻正弦波加上許多諧波頻率的正弦波。諧波頻率是基頻的整數(shù)倍，例如基頻為50Hz，二次諧波為100Hz，三次諧波則為150Hz。因此畸變的電流波形可能有二次諧波、三次諧波……可能直到第三十次諧波組成。

供電網(wǎng)諧波來自三方面：

1．發(fā)電源質(zhì)量不高產(chǎn)生的諧波

發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕緣對稱，鐵心也很難做到絕對平均抑制和其他一些原因，發(fā)電源多少也會產(chǎn)生一些諧波，但一般很少。

2．輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波

輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵芯的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器是考慮經(jīng)濟性，其工作磁密度選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電力城尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵芯的飽和程度有關。鐵芯的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流的0.5%。

3．用電設備產(chǎn)生的諧波

晶閘管整流設備。由于晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源大等許多方面得到了越來越廣泛的應用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單向整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%；接容性負載時則有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值得增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈沖整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈沖整流器，也有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計表明：有整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

變頻裝置：變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中，由于采用了相位控制，諧波成分很復雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有份數(shù)次諧波，這類裝置的功率他、一般較大，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對電網(wǎng)造成的諧波也越來越多。

電弧爐、電石爐：由于加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高地不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負荷比平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。其中主要是2 7次的諧波，平均可達基波的8%、20%，最大可達45%。

氣體放電光源：熒光燈、高壓汞燈、高壓納燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分與測量也累電源的伏安特性，可知其非線性十分嚴重，有的還含有負的伏安特性，他們會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。

家用電器：電視機、錄像機、計算機、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有跳崖整流裝置，會生產(chǎn)較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調(diào)等有繞組的設備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數(shù)量巨大，也是諧波的主要來源之一。

隨著電力電子設備使用的不斷增加，同時這些設備產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅，所以目前它們是供電系統(tǒng)中的主要諧波源。

四、諧波的危害

以前由于接入供電系統(tǒng)的非線性設備較小，綁在系統(tǒng)中引起的諧波電流也很小，所以對電力質(zhì)量的影響不大。隨著電子技術的飛速發(fā)展人們的生活水平日益提高，使用大功率半導體開關器件以及此類開關電源的產(chǎn)品，如電視機、空調(diào)器、節(jié)能燈、調(diào)光器、洗衣機、微波爐，信息技術設備等雖屬涌入居民家庭，雖然每臺設備向電網(wǎng)注入的諧波電流不大，但這些設備數(shù)量大、分布廣。有些家用電器如電視機、空調(diào)器等在使用時具有集中的特點，在某些時段會使注入到電網(wǎng)的諧波電流對公用造成諧波問題特別突出，這不但使接入該電網(wǎng)的設備無法正常工作，甚至造成故障，而且還會使供電系統(tǒng)中性線承受的電流超載，影響供電系統(tǒng)的電力輸送。因此諧波問題得到各有關方面的高度重視。

供電系統(tǒng)中的諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（一）增加了發(fā)、輸、供和用電設備的附加損耗，使設備發(fā)熱，降低設備的效率和利用率。

由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過導體時，因集膚效率的作用，使導體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設備功率損耗、電能損耗、使導體的發(fā)熱嚴重。

1．對電動機的影響

諧波對電動機的危害主要是產(chǎn)生附加損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在電動機的鐵芯和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加.諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對電動機的平均轉(zhuǎn)矩的影響不大，但諧波會產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)軸扭曲振動的問題。這種振蕩力矩是電機的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振,會縮短電動機使用壽命，甚至損壞。

2．對變壓器的影響

諧波電流式變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱;對全星形連接的變壓器。當繞組中性點接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯(lián)電容器時。可能成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。

3．對輸出電線路的影響

諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡諧振點附近的諧振區(qū)內(nèi)時，對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿。

4．對電力電容器的影響

含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負荷甚至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成電力諧波諧振，使故障加劇。

（二）影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性

特別對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

（三）影響電力測量和計量儀器的指示和計量準確性

在有諧波源的情況下，諧波源用戶處的電能表記錄了該用戶吸收的基波電能并扣除一小部分諧波電能，從而諧波源雖然污染了電網(wǎng)，卻反而少交電費；而與此同時，在線性負荷用戶處，電能表記錄的該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能，這部分電能不但使線性負荷性能變壞，而且還要多交電費。電子式表更不利于供電部門而有利于非線性負荷用戶。

（四）干擾通訊信息通的工作

電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會威脅著通信設備和人員的安全。

（五）對用電設備的危害

諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機內(nèi)的元件出現(xiàn)過熱，使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。對于帶有啟動鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用電容器的熒光燈及汞燈來說，會因為在一定參數(shù)的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過熱而損壞。對于采用晶閘管的變頻裝置，諧波可能使晶閘管誤動作，或使控制回路誤觸發(fā)。

（六）諧波對人體的影響

從人體生理學來說，人體細胞在受刺激興奮時，會在細胞膜靜息點為基礎上發(fā)生快速電波動可逆翻轉(zhuǎn)，其頻率如果與諧波頻率相近，電網(wǎng)諧波的電磁輻射就會直接影響人的腦磁場與心磁場。

五、抑制供電系統(tǒng)諧波的一般對策

諧波問題是關系到供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量的一個重要問題，它不但于供電部門有關，而且還關系到廣大電力用戶扣電氣設備制造廠的切身利益。為減少供電系統(tǒng)的諧波問題，一般從管理上和技術措施上采取以上幾種方面的對策：

1．貫徹性有關諧波的國家標準，加強諧波管理

我國于1998年12月14日發(fā)布了國家標準GB17625.1-1998 《低壓電器及電子設備發(fā)出的諧波電流限值（設備沒想輸入電流小于等于16A）》，等于采用IEC6100-3-2：1995，但在技術內(nèi)容上與該國際標準完全一致。GB17625.1規(guī)定了標準接入公用低壓配電系統(tǒng)中的電氣、電子設備（每相輸出電流小于等于16A）可能產(chǎn)生的諧波的限值。只有經(jīng)過實驗證實該電子產(chǎn)品注入系統(tǒng)的總體諧波電流水平加以限制。

該標準對一線四類設備確定諧波電流時流時發(fā)射限值：Ａ類設備：平衡的三項設備以及除Ｂ、Ｃ和Ｄ類設備；Ｂ類設備：便攜式電動工具；Ｃ類設備；包括調(diào)光裝置的照明設備：Ｄ類設備：輸入電流具有標準所定義的“特殊波形”且其有功功率步大于600W的設備。

該標準還規(guī)定了實驗電路和實驗電源的要求、對測量設備的要求和實驗條件的內(nèi)容。

目前，全國電磁兼容標準委員會正在組織有關專家對GB17625。1進行修訂，使該標準更加適應市場的需求和操作更容易、簡便。

此外，1993年頒發(fā)的國家標準GB/T1454

9-1993《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標準考慮了不同諧波源疊加計算的方法，規(guī)定了各級電網(wǎng)電壓諧波總畸變率和用戶諸如電網(wǎng)的諧波電流容許值，對限制公用電網(wǎng)中的諧波起到了積極的工作。

認真貫徹執(zhí)行有關國家標準關于限制諧波的規(guī)定，就能從總體上控制供電系統(tǒng)中的諧波水平，保證供電系統(tǒng)供給優(yōu)質(zhì)的電力質(zhì)量。

2．三相整流變壓器采用Y/△或△/Y的接線形式，這樣可以消除3的整數(shù)倍次的電力諧波，從而使注入電網(wǎng)的諧波電流只有5、7、11……等次諧波。

3．裝設靜止無功補償裝置，對大型電弧爐及晶閘管控制的軋鋼機等非線性設備，由于其負荷是沖擊性的，而且是隨機的，因此宜裝設能吸收動態(tài)諧波電流的靜止無功補償裝置，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。

4．對于大容量的電力設備，特別是大容量的電容器組，回路內(nèi)增設限流裝置或串聯(lián)電抗器，以抑制電力諧波的產(chǎn)生。

5．對容量在100kVA及以上整流裝置和非線性設備的用戶，必須增設分流濾波裝置，就近吸收電力諧波。

6．增加整流變壓器二次側(cè)的相數(shù)。

7．選擇合理的供電電壓，并盡可能保持三相電壓平衡。

8．換流裝置是供電系統(tǒng)的主要諧波源之一，可以采用增加換流裝置的相數(shù)，有效的消除幅值較大的低頻項，從而大大地降低了諧波電流的有效值。

總之，一方面要嚴格限制諧波的發(fā)射水平。另一方面還要設法提高設備自身的抗諧波干擾的能力，改善諧波保護性能，做到真正意義上的電磁兼容。

六、結(jié)束語

解決供電系統(tǒng)中的諧波問題，必須要供電部門、電力用戶和設備制造商三方面都已電磁兼容的理想為基本出發(fā)點。一方面，產(chǎn)生諧波的部門和單位要盡量限制諧波的發(fā)射水平；另一方面，供電部門和電力用戶都要想方設法提高設備抗御諧波騷擾的能力。只有這樣供、用、造三方才能搞好治理諧波這項系統(tǒng)工程的工作。

參考文獻

[1]郎維川，供電系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生、危害及其防護對策《高電壓技術》，2006.2

[2]GB 17625.1-1998 低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限值(設備每相輸入電流<=16A)(EQV61000-3-2:1995)

[3]吳競昌，《供電系統(tǒng)諧波》[M]，中國電力出版社，1998.5

第四篇：高次諧波及其抑制措施

高次諧波及其抑制措施

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2006-05-23 09:21:47

來源：電子查詢網(wǎng)

以前，人們基本上只根據(jù)電壓的幅值和周波的穩(wěn)定性來衡量電能的質(zhì)量。近年來，隨著工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，尤其是冶金、化工產(chǎn)品的開發(fā)、電氣鐵道系統(tǒng)的不斷擴大，以及電力電子技術的迅速發(fā)展，各種整流裝置、頻率變換裝置得到廣泛應用，大量的非線性負荷接入電網(wǎng)，使得電網(wǎng)電壓已不是人們所想象的正弦波，而是發(fā)生了較大畸變，即產(chǎn)生了高次諧波。高次諧波污染電網(wǎng)，會引起各種電氣設備過熱、振動、產(chǎn)生噪音甚至損壞，還會引起計量儀表失準，或?qū)е吕^電保護裝置誤動作，造成重要的生產(chǎn)過程中斷甚至重大事故的發(fā)生。所以近10多年來，世界上許多國家已相繼把電網(wǎng)電壓中高次諧波的含量當作衡量電能質(zhì)量的一項重要指標。在諧波抑制技術方面，有了許多成果，由交流電抗器和電容器組成的無源濾波器國內(nèi)外均已大量應用到工程保護項目中，而有源電力濾波器的初步應用實踐表明這一新型的諧波抑制裝置有著更為廣闊的發(fā)展前景。1 諧波及其產(chǎn)生

按國際上公認諧波定義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波的倍數(shù)”。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，也常稱它為高次諧波。

除了特殊情況外，諧波的產(chǎn)生主要是由于大容量電力和用電整流或換流，以及其他非線性負荷造成的。這些電力或用電設備從電力系統(tǒng)中吸收的畸變電流可以分解為基波和一系列的諧波電流分量。其諧波電流值實際上和50 Hz基波電壓值和供電網(wǎng)的阻抗幾乎無關。因此，對大多數(shù)諧波源視作為恒流源，它們與50 Hz基波不同，后者一般是恒流源。現(xiàn)代電力系統(tǒng)中發(fā)電機和變壓器在正常穩(wěn)態(tài)運行條件下，它們本身不會造成電網(wǎng)中電壓或電流的較大畸變，雖然在暫態(tài)擾動時（例如系統(tǒng)發(fā)生短路故障時、切合空載或空載投入變壓器時）以及超出其正常工作條件時（例如變壓器運行在其額定工作電壓以上時）將可能增大其產(chǎn)生的諧波含量。

系統(tǒng)中主要的諧波源是各種整流設備、交直流換流設備、電子電壓調(diào)整設備、電弧爐、感應爐、現(xiàn)代工業(yè)設施為節(jié)能和控制使用各種電力電子設備、非線性負荷以及多種家用電器和照明設備等。電氣鐵道機車采用的大容量單相整流供電設施，除了產(chǎn)生大量諧波電流外，還對三相交流供電系統(tǒng)產(chǎn)生不平衡負荷和負序電流、電壓。這些負荷都使電力系統(tǒng)的電壓和電流產(chǎn)生畸變，并對電力設備和廣大用戶設備及通信線路產(chǎn)生危害或干擾影響。值得注意的是電視機也是一個諧波源，據(jù)測試，黑白電視機的諧波總含量達基波電流的90%，而彩色電視機的諧波電流更高，達基波電流的122%，它們的單臺容量雖然不大，但數(shù)量眾多，且大都在同一時間投入使用，其造成的諧波危害不容忽視。

由于諧波的危害性，所以許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標準，或由權(quán)威機構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。世界各國所制定的諧波標準大都比較接近。國家技術監(jiān)督局于1993年發(fā)布了中華人民共和國國家標準GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，該標準從1994年3月1日起開始實施（下面內(nèi)容均引自該標準）。表1表示各級電壓波形畸變率及各次諧波電壓含量的限制。

為了控制電網(wǎng)的諧波電壓，必須限制每個諧波用戶注入電網(wǎng)的諧波電流。標準對諧波電流也作了限制（本文僅摘錄其中部分奇次諧波限值）。

 公用電網(wǎng)公共接地點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量（均方根值）不應超過表2中規(guī)定的允許值。2 諧波抑制技術

抑制電力系統(tǒng)諧波，主要有以下兩方面的措施。

(1)減少諧波源產(chǎn)生的諧波含量 這種措施一般在工程設計中予以考慮，最有效的辦法是增加整流裝置的脈波數(shù)，常用于大型整流裝置中。

(2)在諧波源附近安裝濾波器 就近吸收諧波電流，由交流電抗器和電容器組成的無源濾波器國內(nèi)外已大量應用到工程實際中，而有源電力濾波器的初步應用實踐表明這一新型的諧波抑制裝置有著更為廣闊的發(fā)展前景。

無源濾波器利用電路的諧振原理，即當發(fā)生對某次諧波的諧振時，裝置對該次諧波形成低阻通路，而達到濾波的目的。在結(jié)構(gòu)上它是由電力電容器、電抗器和電阻經(jīng)適當組合而成，運行中與諧波源并聯(lián)，除起濾波外還兼顧無功補償?shù)男枰?。無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單，造價低，運行費用也低，在吸收高次諧波方面效果明顯。但由于其結(jié)構(gòu)原理上的原因，在應用中也存在著一些難以克服的缺點：

①抑制較低次諧波的單調(diào)諧濾波器只對調(diào)諧點的諧波效果明顯，而對偏離調(diào)諧點的諧波無明顯效果，而實際工程設計時考慮設計投資又不可能靠增加濾波器的方法解決。

②當系統(tǒng)中諧波電流增大時，無源濾波器可能過載，甚至損壞設備。而且濾波效果隨系統(tǒng)運行情況而變化，當系統(tǒng)阻抗和頻率波動時，濾波效果變差。

③當系統(tǒng)阻抗和頻率變化時，可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，使裝置無法運行，甚至使整個濾波系統(tǒng)無法正常運行。例如1978年底建成的武鋼1700 mm熱軋帶鋼廠成套引進工程，在設備試運行期間就曾發(fā)生過精軋主傳動裝置與3次諧波濾波器諧振的事故百余次。

國內(nèi)外的設計研究人員均注意到無源濾波器設計和運行中存在的問題，雖然采取了一系列的措施，但因無源濾波器在原理上帶來無法克服的缺點，有必要采用其他濾波方式來抑制諧波，有源濾波器就是一種新型的諧波抑制裝置。

有源電力濾波器的工作原理的整體構(gòu)成如圖1所示。

圖1中的檢測及控制電路對負載電流進行檢測，分離出諧波及基波無功部分，用以控制主電路輸出相應的補償電流。而負載電流il按傅里葉級數(shù)展開為：

式中，i1q為基波有功電流；i1q為基波無功電流；ih為高次諧波電流。θl是基波電流初相位，θn為n次諧波初相位。

在圖1中，il=is+ic即負載電流由系統(tǒng)電源電流is和有源濾波器輸出的電流ic共同提供，如果控制有源電力濾波器的輸出電流，使ic=ih,則系統(tǒng)電源中就只需供給基波電流（有功與無功）了，即is=i1q+i1q,從而達到抑制諧波目的。簡單說，有源電力濾波器只要產(chǎn)生一個與負載諧波幅值相等，相位相同（在圖示參考方向下，若取is和il參考方向和圖中相反，ic參考方向與圖中相同，則相位相反）的電流注入諧波源，即可將諧波抵消掉，使之不會流入系統(tǒng)電源。由上述分析我們還可知，有源電力濾波器還可同時補償無功功率，這時只需使ic=ih+i1q，則is=i1q,即系統(tǒng)電源中就只需供給負載電流中的基波有功電流，這樣圖1中的is就是補償了諧波和基波無功電流后的系統(tǒng)電源供給的電流。 3 高次諧波和無功電流的檢測及控制

有源濾波器的效果如何，取決于如下3個方面：

(1)高次諧波和無功電流的正確檢測；

(2)補償電流的控制方案；

(3)主電路的結(jié)構(gòu)。

要使濾波器有很好的濾波效果，第一步我們必須正確檢測出高次諧波和無功電流，如果這一步都做不好的話，下面的設計就無從談起?，F(xiàn)在的檢測法主要有3種：

(1)頻率分析法該方法利用快速傅里葉變換，把負載電流中欲抵消的分量檢出，再合成總的補償電流。這種方法運算量相當大，當諧波的次數(shù)較高，微機的適時計算有困難，難以滿足準確、實時性的要求。

(2)瞬時無功功率理論基于瞬時無功功率理論的電流檢測法理論比較成熟，如圖2所示，它采用p-q法，將三相瞬時電壓和電流變換到二相正交的α-β坐標上，得到二相瞬時電壓和瞬時電流，然后根據(jù)定義得到瞬時有功功率p和瞬時無功功率q，再經(jīng)過濾波器，濾波器可用高通濾波器，讓高次諧波通過，而抑制基波部分，也可以用低通濾波器從瞬時功率中取出基波有功成分，把它變換成三相基波電流，再用三相負載電流減去這三相基波電流，再經(jīng)反變換即得三相補償電流。 

此種方法優(yōu)點是能快速跟蹤補償電流，進行適時補償，缺點是成本高，系統(tǒng)損耗大，特別當補償諧波次數(shù)較高時，需要較高的PWM控制開關頻率。

(3)自適應用檢測法、預測檢測法、基于滑模原理的方法等。

以上是檢測電流的方法，電流檢測出后，我們還必須對補償電流進行控制，它也有3種控制方法，這3種方法各有優(yōu)劣。

(1)滯環(huán)控制可獲得較好的控制性能，兼有快速響應，開關頻率不太高和簡單易行的特點，被廣泛使用。

(2)三角波載波線性控制利用一個三角波和高次諧波比較從而得到不同時刻逆變器的開關狀態(tài)。此方法的響應速度快，缺點是開關頻率不固定且較高，產(chǎn)生噪聲和造成較大的開關損耗及高頻失真。

(3)無差拍控制是一種在電流滯環(huán)比較控制技術基礎上發(fā)展起來的全數(shù)字化控制技術。該方法利用前一時刻的補償電流參考值和實際值，計算出下一時刻的電流參考值及各種開關狀態(tài)下逆變器電流輸出值，選擇某種開關模式作為下一時刻的開關狀態(tài)，從而達到電流誤差等于零的目標。該方法的優(yōu)點是能夠快速響應電流的突然變化；缺點是計算量大，而且對系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大。

隨著高速DSP(數(shù)字信號處理機)芯片的應用，近年來不斷有新的改進方法出現(xiàn)。4 結(jié)語

電力系統(tǒng)中的諧波“污染”已經(jīng)十分的嚴重，日本作為電力電子技術最發(fā)達的國家，有源電力濾波器已經(jīng)到了普及應用階段。在我們國家，現(xiàn)在很多的大學和科研機構(gòu)都在進行諧波抑制技術方面的研究，已經(jīng)取得了很大的進展。相信在不久的將來，我們也會開發(fā)出適合我國國情的諧波抑制裝置。參考文獻 1王兆安，等.諧波抑制和無功功率補償.北京：機械工業(yè)出版社，1998 2秦梅，等.三相平衡和不平衡系統(tǒng)中有害電流的檢測技術.電工技術雜志，2000 3胡銘，等.有源濾波技術及其應用.電力系統(tǒng)自動化，2000 4王曉毛.基于DSP有源電力濾波器的研究.廣東工業(yè)大學碩士學位論文，2000 5赤木教授.有源電力濾波器全數(shù)字控制系統(tǒng)的調(diào)試要點.馮垛生譯（日）.東京工業(yè)大學，2002

第五篇：電網(wǎng)中高次諧波的危害及抑制措施

電網(wǎng)中高次諧波的危害及抑制措施

摘要：

電力電子技術的應用推動了近代電力系統(tǒng)的發(fā)展，但同時也給電力系統(tǒng)帶來了嚴重的諧波污染問題。高次諧波已成為電力系統(tǒng)的一大“公害”，必須采取有效的措施來加以抑制。本文介紹了電網(wǎng)中諧波污染的原因及對系統(tǒng)設備造成的危害，并探討了其有效的抑制方法。

關鍵詞：

高次諧波;電網(wǎng);諧波抑制 引言

隨著電力電子器件及微電子技術的迅速發(fā)展，大量的非線性用電設備廣泛應用于冶金、鋼鐵、能源、交通、化工等工業(yè)領域，如電解裝置、電氣機車、軋鋼機械和高頻設備等接入電力網(wǎng)，是電網(wǎng)的諧波污染狀況日益嚴重，降低了系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

1.諧波產(chǎn)生的原因

電力網(wǎng)中的諧波有多種來源，在電力的生產(chǎn)，傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個環(huán)節(jié)中都會產(chǎn)生諧波。

在其它幾個環(huán)節(jié)中，諧波的產(chǎn)生主要是來自下列具有非線性特性的電氣設備：(1)具有鐵磁飽和特性的鐵芯沒備，如：變壓器、電抗器等；(2)以具有強烈非線性特性的電弧為工作介質(zhì)的設備，如：氣體放電燈、交流弧焊機、煉鋼電弧爐等；(3)以電力電子元件為基礎的開關電源設備，如：各種電力變流設備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調(diào)速和調(diào)壓裝置，大容量的電力晶閘管可控開關設備等，它們大量的用于化工、電氣鐵道，冶金，礦山等工礦企業(yè)以及各式各樣的家用電器中。以上這些非線性電氣設備(或稱之為非線性負荷)的顯著的特點是它們從電網(wǎng)取用非正弦電流，即使電源給這些負荷供給的是正弦波形的電壓，但由于它們只有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓、電流特性，使得流過電網(wǎng)的電流是非正弦波形的，這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數(shù)倍的諧波組成，即產(chǎn)生了諧波，使電網(wǎng)電壓嚴重失真，此外電網(wǎng)還必須向這類負荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能。

接入低壓電力系統(tǒng)的非線性設備產(chǎn)生的諧波電流可分為穩(wěn)定的諧波和變化的諧波兩大類。穩(wěn)定的諧波電流是指由這種諧波的幅度不隨時間變化，如視頻顯示設備和測試儀表等產(chǎn)生的諧波，這類設備對電網(wǎng)來說表現(xiàn)為恒定的負載。由激光打印機、復印機、微波爐等產(chǎn)生的各次諧波的幅值隨時間變化，稱之為波動的諧波，這類設備對電網(wǎng)來說是一個隨時間變化的負載。

隨著電力電子設備使用的不斷增加，同時這些設備產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅，所以目前它們是供電系統(tǒng)中的主要諧波源。

2.諧波的危害

大量諧波電流流入電網(wǎng)后，由電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生諧波壓降，疊加在電網(wǎng)基波上，引起電網(wǎng)的電壓畸變，致使電能質(zhì)量變差。當注入公用電網(wǎng)的諧波超過一定值時，會對電網(wǎng)自身及用電設備的正常運行造成損害：在某些時段會使注入到電網(wǎng)的諧波電流對公用電網(wǎng)造成的諧波問題特別突出，這不但使接入該電網(wǎng)的設備無法正常工作，甚至造成故障，而且還會使供電系統(tǒng)中性線承受的電流超載，影響供電系統(tǒng)的電力輸送。因此諧波問題得到各有關方面的高度重視。

電網(wǎng)中的諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

ⅰ 增加了發(fā)、輸、供和用電設備的附加損耗，使設備過熱，降低設備的效率和利用率。

(1)對旋轉(zhuǎn)電機的影響

諧波對旋轉(zhuǎn)電機的危害主要是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。由于集膚效應、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉(zhuǎn)電機的鐵心和繞組中產(chǎn)生的附加損耗增加。在供電系統(tǒng)中，用戶的電動機負荷約占整個負荷的85%左右。因此，諧波使電力用戶電動機總的附加損耗增加的影響最為顯著。試驗表明，在額定出力下持續(xù)承受為3%額定電壓的負序電壓時，電動機的絕緣壽命要減少一半。因此，國際上一般建議在持續(xù)工作的條件下，電動機承受的負序電壓不宜超過額定電壓的2%。

諧波電流產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對電動機的平均轉(zhuǎn)矩的影響不大，但諧波會產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩，可能出現(xiàn)電機轉(zhuǎn)軸扭曲振動的問題。這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振，并使汽輪機葉片產(chǎn)生疲勞循環(huán)。

(2)對變壓器的影響

諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數(shù)次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱；對星形連接的變壓器，當繞組中性點按地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯(lián)電容器時，可能形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。

(3)對輸電線路的影響

由于輸電線路阻抗的頻率特性，線路電阻隨著頻率的升高而增加。在集膚效應的作用下，諧波電流使輸電線路的附加損耗增加。在供應電網(wǎng)的損耗中，變壓器和輸電線路的損耗占了大部分，所以諧波使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。諧波還使三相供電系統(tǒng)中的中性線的電流增大，導致中性線過載。輸電線路存在著分布的線路電感和對地電容，它們與產(chǎn)生諧波的設備組成串聯(lián)回路或并聯(lián)回路時，在一定的參數(shù)配合條件下，會發(fā)生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。當注入電網(wǎng)的諧波的頻率位于在網(wǎng)絡諧振點附近的諧振區(qū)內(nèi)時，會激勵電感、電容產(chǎn)生部分諧振，形成諧波放大。在這種情況下，諧波電壓升高、諧波電流增大將會引起繼電保護裝置出現(xiàn)誤動，以至損壞設備，與此同時還可產(chǎn)生相當大的諧波網(wǎng)損。

(4)對電力電容器的影響

隨著諧波電壓的增高，會加速電容器的老化，使電容器的損耗系數(shù)增大、附加損耗增加，從而容易發(fā)生故障和縮短電容器的壽命。另一方面，電容器的電容與電網(wǎng)的感抗組成的諧振回路的諧振頻率等于或接近于某次諧波分量的頻率時，就會產(chǎn)生諧波電流放大，使得電容器因過熱、過電壓等而不能正常運行。

ⅱ 影響繼電保護和自動裝置的工作和可靠性

諧波對電力系統(tǒng)中以負序(基波)量為基礎的繼電保護和自動裝置的影響十分嚴重，這是由于這些按負序(基波)量整定的保護裝置，整定值小、靈敏度高。如果在負序基礎上再疊加上諧波的干擾(如電氣化鐵道、電弧陸等諧波源還是負序源)則會引起發(fā)電機負序電流保護誤動(若誤動引起跳閘，則后果嚴重)、變電站主變的復合電壓啟動過電流保護裝置負序電壓元件誤動，母線差動保護的負序電壓閉鎖元件誤動以及線路各種型號的距離保護、高頻保護、故障錄波器、自動準同期裝置等發(fā)生誤動，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

ⅲ 使測量和計量儀器的指示和計量不準確

由于電力計量裝置都是按50Hz的標準的正弦波設計的，當供電電壓或負荷電流中有諧波成分時，會影響感應式電能表的正常工作。這部分諧波電能不但使線性負荷性能變壞，而且還要多交電費。ⅳ 干擾通信系統(tǒng)的工作

電力線路上流過的3、5、7、11等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合，在鄰近電力線的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，而且在諧波和基波的共同作用下，觸發(fā)電話鈴響，甚至在極端情況下，還會威脅通信設備和人員的安全。另外高壓直流(HVDC)換流站換相過程中產(chǎn)生的電磁噪聲(3-10kHz)會干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護裝置動作失誤，影響電網(wǎng)運行的安全。

ⅴ 對用電設備的影響

諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機內(nèi)的元件出現(xiàn)過熱，使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。對于帶有啟動用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用的電容器的熒光燈及汞燈來說，會因為在一定參數(shù)的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過熱而損壞。對于采用晶閘管的變速裝置，諧波可能使晶閘管誤動作，或使控制回路誤觸發(fā)。

3.諧波的抑制措施

3.1 傳統(tǒng)的抑制方法

① 增加換流裝置的相數(shù)

換流裝置是電力系統(tǒng)的主要諧波源之一。理論分析表明，換流裝置在其交流側(cè)與直流側(cè)產(chǎn)生的特征諧波次數(shù)分別為pk±1和pk(p為整流相數(shù)或脈動數(shù)，k為正整數(shù))。當脈動數(shù)由p=6增加到p=12時，可以有效的消除幅值較大的低頻項，(其特征諧波次數(shù)分別為12k±1和12k)，從而大大地降低了諧波電流的有效值。

② 增裝動態(tài)無功補償裝置，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力

在技術經(jīng)濟分析可行的條件下，可以在諧波源處裝設動態(tài)無功補償裝置：靜止無功補償裝置(SVC-Static Var Compensator)或更先進的靜止同步補償裝置(STATCOM Static SynchroncusCompensator)，以獲得補償負荷快速變動的無功需求、改善功率因數(shù)、濾除系統(tǒng)諧波、減少向系統(tǒng)注入諧波電流、穩(wěn)定母線電壓、降低三相電壓不平衡度等，提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。

③ 加裝交流濾波裝置

采用交流濾波裝置在諧波源附近吸收諧波電流，降低連結(jié)點的諧波電壓，是一支諧波污染的一種有效措施。濾波裝置由R、L、C等元件組成串聯(lián)諧振電路，利用其串聯(lián)諧振時阻抗最小的特性，這樣就消除5、7、11等高次諧波。

④ 防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大

在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組能起到改善無功功率因數(shù)的作用。當諧波存在時，在一定的參數(shù)下，它會對諧波有放大作用危及電容器本身和附近電氣設備的安全?？梢圆扇「淖冸娙萜鞯拇?lián)電抗器，避免電容器對諧波的放大。

3.2 新型的諧波抑制措施

有源電力濾波器（APF），是一種新型諧波抑制和無功補償裝置，它不同于傳統(tǒng)的LC無源濾波器（只吸收固定頻率的諧波），它能對電流和頻率都在變化的無功進行補償，可以實現(xiàn)動態(tài)補償。

圖1為最基本的有源電力濾波器，圖中，es表示交流電源，負載為諧波源，它產(chǎn)生諧波并消耗無功。有源電力濾波器系統(tǒng)由兩大部分構(gòu)成，即諧波和無功電流檢測電路以及補償電流發(fā)生電路。其基本工作原理時，檢測補償對象的電流和電壓，經(jīng)諧波和無功電流檢測電路計算得出補償電流的指令信號，該信號經(jīng)補償電流發(fā)生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波及無功等電流抵消，最總得到期望的電源電流，達到了抑制諧波的目的。

有源濾波器按其接入電網(wǎng)的方式，可分為串聯(lián)有源濾波器和并聯(lián)有源濾波器兩大類。目前實際應用的AFP裝置中，90％以上是采用電壓逆變器的并聯(lián)型結(jié)構(gòu)。近年來，為了發(fā)揮有源濾波器的優(yōu)勢，提高性能，減少容量，降低成本，增強適用性，又設計出了串、并聯(lián)混合型的有源濾波器。即有源濾波器APF和無源濾波器PPF構(gòu)成混合濾波系統(tǒng)HPFS，用PPF濾除諧波電流，再用APF來改善濾波效果，并抑制串聯(lián)諧振的發(fā)生。為了適應有源濾波器多功能復雜控制的需要，一些變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制和人工神經(jīng)網(wǎng)絡等現(xiàn)代的新型控制方法的應用，使其獲得了更好的控制性能和效果。目前常用的PWM生成方式有：三角波比較法，滯環(huán)控制法，預測控制法，特定消諧法和空間矢量法。因此，通過PWM調(diào)制和開關頻率的多重化技術的提高，能夠?qū)崿F(xiàn)對高次諧波的有效補償。當有源濾波器的容量不大時，通常采用IGBT和PWM技術進行諧波補償；當容量很大時，采用GTO以及多重化技術進行諧波補償，效果比較顯著。

4．結(jié)束語

諧波污染是伴隨電力工業(yè)的誕生就存在的。近年隨著電子工業(yè)的飛速發(fā)展，大量非線性負荷在電力系統(tǒng)的出現(xiàn)，致使諧波污染愈加嚴重。常規(guī)的抑制措施并沒有有效地減少電網(wǎng)諧波。有源濾波器APF的廣泛應用，尤其是與無源濾波器構(gòu)成混合濾波系統(tǒng)，使電網(wǎng)電能質(zhì)量有了相當大的提高，值得繼續(xù)推廣和應用。