第一篇：電網中高次諧波的危害及抑制措施

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

關鍵詞：

高次諧波;電網;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，是電網的諧波污染狀況日益嚴重，降低了系統的電能質量。

1.諧波產生的原因

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

在其它幾個環(huán)節(jié)中，諧波的產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)、相控調速和調壓裝置，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倍的諧波組成，即產生了諧波，使電網電壓嚴重失真，此外電網還必須向這類負荷產生的諧波提供額外的電能。

接入低壓電力系統的非線性設備產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生的諧波，這類設備對電網來說表現為恒定的負載。由激光打印機、復印機、微波爐等產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，同時這些設備產生的諧波又具有較大的振幅，所以目前它們是供電系統中的主要諧波源。

2.諧波的危害

大量諧波電流流入電網后，由電網阻抗產生諧波壓降，疊加在電網基波上，引起電網的電壓畸變，致使電能質量變差。當注入公用電網的諧波超過一定值時，會對電網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的諧波電流對公用電網造成的諧波問題特別突出，這不但使接入該電網的設備無法正常工作，甚至造成故障，而且還會使供電系統中性線承受的電流超載，影響供電系統的電力輸送。因此諧波問題得到各有關方面的高度重視。

電網中的諧波危害主要表現在以下幾個方面。

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)對旋轉電機的影響

諧波對旋轉電機的危害主要是產生附加的損耗和轉矩。由于集膚效應、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使在旋轉電機的鐵心和繞組中產生的附加損耗增加。在供電系統中，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%。

諧波電流產生的諧波轉矩對電動機的平均轉矩的影響不大，但諧波會產生顯著的脈沖轉矩，可能出現電機轉軸扭曲振動的問題。這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機的轉子元件發(fā)生扭振，并使汽輪機葉片產生疲勞循環(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，而該側電網中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯電容器時，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，所以諧波使電網網損增大。諧波還使三相供電系統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，它們與產生諧波的設備組成串聯回路或并聯回路時，在一定的參數配合條件下，會發(fā)生串聯諧振或并聯諧振。當注入電網的諧波的頻率位于在網絡諧振點附近的諧振區(qū)內時，會激勵電感、電容產生部分諧振，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誤動，以至損壞設備，與此同時還可產生相當大的諧波網損。

(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生干擾電壓，干擾通信系統的工作，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，并使機內的元件出現過熱，使計算機及數據處理系統出現錯誤。對于帶有啟動用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數用的電容器的熒光燈及汞燈來說，會因為在一定參數的配合下，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 傳統的抑制方法

① 增加換流裝置的相數

換流裝置是電力系統的主要諧波源之一。理論分析表明，換流裝置在其交流側與直流側產生的特征諧波次數分別為pk±1和pk(p為整流相數或脈動數，k為正整數)。當脈動數由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，提高供電系統承受諧波的能力

在技術經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、濾除系統諧波、減少向系統注入諧波電流、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等元件組成串聯諧振電路，利用其串聯諧振時阻抗最小的特性，這樣就消除5、7、11等高次諧波。

④ 防止并聯電容器組對諧波的放大

在電網中并聯電容器組能起到改善無功功率因數的作用。當諧波存在時，在一定的參數下，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撾娍蛊鳎苊怆娙萜鲗χC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，它產生諧波并消耗無功。有源電力濾波器系統由兩大部分構成，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的諧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的方式，可分為串聯有源濾波器和并聯有源濾波器兩大類。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型結構。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、并聯混合型的有源濾波器。即有源濾波器APF和無源濾波器PPF構成混合濾波系統HPFS，用PPF濾除諧波電流，再用APF來改善濾波效果，并抑制串聯諧振的發(fā)生。為了適應有源濾波器多功能復雜控制的需要，一些變結構控制、模糊控制和人工神經網絡等現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調制和開關頻率的多重化技術的提高，能夠實現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的出現，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諧波。有源濾波器APF的廣泛應用，尤其是與無源濾波器構成混合濾波系統，使電網電能質量有了相當大的提高，值得繼續(xù)推廣和應用。

第二篇：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

以前，人們基本上只根據電壓的幅值和周波的穩(wěn)定性來衡量電能的質量。近年來，隨著工業(yè)生產的發(fā)展，尤其是冶金、化工產品的開發(fā)、電氣鐵道系統的不斷擴大，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，使得電網電壓已不是人們所想象的正弦波，而是發(fā)生了較大畸變，即產生了高次諧波。高次諧波污染電網，會引起各種電氣設備過熱、振動、產生噪音甚至損壞，還會引起計量儀表失準，或導致繼電保護裝置誤動作，造成重要的生產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電壓中高次諧波的含量當作衡量電能質量的一項重要指標。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”。由于諧波的頻率是基波頻率的整數倍數，也常稱它為高次諧波。

除了特殊情況外，諧波的產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的阻抗幾乎無關。因此，對大多數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?，F代電力系統中發(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中電壓或電流的較大畸變，雖然在暫態(tài)擾動時（例如系統發(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）將可能增大其產生的諧波含量。

系統中主要的諧波源是各種整流設備、交直流換流設備、電子電壓調整設備、電弧爐、感應爐、現代工業(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，除了產生大量諧波電流外，還對三相交流供電系統產生不平衡負荷和負序電流、電壓。這些負荷都使電力系統的電壓和電流產生畸變，并對電力設備和廣大用戶設備及通信線路產生危害或干擾影響。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)布了限制電網諧波的國家標準，或由權威機構制定限制諧波的規(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《電能質量公用電網諧波》，該標準從1994年3月1日起開始實施（下面內容均引自該標準）。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。

為了控制電網的諧波電壓，必須限制每個諧波用戶注入電網的諧波電流。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

抑制電力系統諧波，主要有以下兩方面的措施。

(1)減少諧波源產生的諧波含量 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，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。在結構上它是由電力電容器、電抗器和電阻經適當組合而成，運行中與諧波源并聯，除起濾波外還兼顧無功補償的需要。無源濾波器結構簡單，造價低，運行費用也低，在吸收高次諧波方面效果明顯。但由于其結構原理上的原因，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諧濾波器只對調諧點的諧波效果明顯，而對偏離調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運行情況而變化，當系統阻抗和頻率波動時，濾波效果變差。

③當系統阻抗和頻率變化時，可能與系統發(fā)生并聯諧振，使裝置無法運行，甚至使整個濾波系統無法正常運行。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)主電路的結構。

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。現在的檢測法主要有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，然后根據定義得到瞬時有功功率p和瞬時無功功率q，再經過濾波器，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，系統損耗大，特別當補償諧波次數較高時，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，而且對系統參數依賴性較大。

隨著高速DSP(數字信號處理機)芯片的應用，近年來不斷有新的改進方法出現。4 結語

電力系統中的諧波“污染”已經十分的嚴重，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到了普及應用階段。在我們國家，現在很多的大學和科研機構都在進行諧波抑制技術方面的研究，已經取得了很大的進展。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字控制系統的調試要點.馮垛生譯（日）.東京工業(yè)大學，2002

第三篇：電網高次諧波問題分析

電網高次諧波問題分析

梁曉紅1，李貞2

（1．平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院電力工程系，河南平頂山；2．平頂山工業(yè)職業(yè)技術學院電力工程系，河南

平頂山）

摘要：文中對電網高次諧波的產生及危害進行了闡述，介紹了電網諧波分析的一種常用數學基礎——小波分析法，并通過裝設濾波器等抑制方法阻止高頻諧波進入電網，保證電網供電質量。關鍵詞：電網；高次諧波；小波分析；無源濾波器

在電力系統中，供電波形畸變是影響電能質量的重要因素之一。近年來，各工礦企業(yè)大量采用各種晶閘管整流裝置、變頻裝置以及交流電力調整裝置，增大了電網的非線性負載，再加上電網本身存在的非線性元件，均向電網注入了大量的高次諧波。高次諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，周期性的非正弦交流電進行傅里葉級數分解可得基波（其頻率與工頻相同）以及頻率為基波頻率整數倍的各次諧波，基波以外的各次諧波通常稱為“高次諧波”。電網中高次諧波的出現是造成波形畸變的主要原因。

一、高次諧波危害

電網高次諧波的危害主要有以下方面：

1、引起電網中局部并聯諧振或串聯諧振，放大諧波電壓或諧波電流；

2、加速電容器介質老化，還可導致電容器成倍地過負荷，出現異常聲響、熔絲熔斷、“鼓肚”等現象，嚴重時導致其他設備無法正常運行，不得不將電容器組斷開，電網被迫在低的功率因數下運行；

3、增加附加損耗，降低發(fā)電、輸電及用戶設備的效率；

4、使繼電保護及其自動裝置誤動作，導致電氣測量儀表計算誤差增加。諧波電流能影響甚至破壞利用電力線路作為聯系通道的遠動裝置的動作。母線電壓的畸變，還能引起整流設備觸發(fā)脈沖控制裝置的觸發(fā)周期不穩(wěn)定，使晶閘管閥的觸發(fā)角或觸發(fā)時間間隔不相等，影響整流設備的正常運行；

5、諧波對鄰近的電話線路產生了靜電感應和電磁感應，造成其對通信系統產生嚴重干擾，輕則降低信號的傳輸質量，重則導致信息丟失。

由于這些非線性負載的增加，引起高次諧波這一電網公害，導致電網電壓正弦波形嚴重畸變。我國于1993年頒布了諧波管理的國家標準《電能質量公用電網諧波》，明確規(guī)定了用戶注入電網的諧波電流的允許值和在電網公共連接點處產生的電壓畸變值。當超過標準時，必須采取相應的抑制措施，從根本上解決諧波污染問題。

二、高次諧波數學分析方法

電力電子裝置所產生的高次諧波污染，已日漸成為阻礙電力電子技術發(fā)展的重大問題。實時諧波檢測，對諧波問題進行研究，前提是研究諧波測量的數學分析方法。

電網中的電流和電壓等物理量，無論其是否為正弦量，都可作為信號（非正弦周期函數）進行分析處理，其數學基礎方法是傅里葉級數展開和傅里葉變換。在實際系統中，波形大都可以用解析式表示，有些波形則不能用解析式表示，此時，均可以采用將此周期函數離散化的處理方法，轉化為時間函數，采用離散傅里葉變換（DFT）和快速傅里葉變換（FFT）計算出各次諧波值。在此基礎上，小波分析是近年來數學研究成果之一，因其在理論上的完美性和應用上的廣泛性，使小波分析在信號處理、圖像分析、模式識別等領域中得到了廣泛應用。

小波分析可以根據波形不同的頻率成分，在時域和空間域自動調節(jié)取樣的疏密；頻率高時，則密；頻率低時，則疏?；谛〔ǚ治鲞@些優(yōu)秀特性，研究人員可以觀察波形的任意細節(jié)并加以分析。小波變換及性質可定義為函數h(x)?L?R?如果滿足以下的容許條件：

2????h(?)2???d???

（1-1）

則稱h(x)是一個基本小波或小波母函數，而稱

ha,b(x)?a?12?x?b?h??,(a,b?R,a?0)

（1-2）

a??式（1-2）為由小波母函數Φ(x)生成的依賴于參數a和b的小波。ha,b(x)也可以看成是由h(x)經伸縮平移后得到的一個函數簇。小波變換中參數a、b有明確的物理意義，a是頻率參數，b是時間參數。

小波變換的主要性能是其“變焦”性能，該特性能將高次諧波信號中各種不同頻率成分分解在相應的時空域，并給出不同頻率正弦波的相位。在有源濾波器的檢測電路中，需要檢測的只是除去基波外的所有畸變波形的含量，不需要分析出各次畸變波形的大小，但是實時性要求很高，而傅里葉變換能分析出各次畸變波形的分量，但實時性較差。小波變換是一種調和，不僅能實現實時，而且變換本身對波形的奇異點非常敏感，該特點可以用來跟蹤那些變化非常突然的諧波信號，而這種信號正是高次諧波檢測的難點。

三、抑制電網諧波的方法

抑制和消除高次諧波的目的，是為了使電網電壓的畸變率不超過2%，電壓的負序分量不超過正序分量的1%或1.5%，電壓的零序分量不超過正序分量的1%時，電機可以保證正常運行。抑制諧波措施有以下幾方面：

1、減少諧波源

具體措施是讓系統整流設備容量遠遠小于系統短路容量，由于系統短路容量大，系統電抗小，因此系統電壓畸變就小。

1）采用多脈沖波換流器，采用多相脈沖換流器以增加脈波數，可以大幅度地消除低次諧波，一般采用脈波數為12。少用半控橋式接線，因為這種接線所產生的諧波中含有不易處理的偶次諧波。

2）采用變壓器相位移，比如三繞組變壓器，通過二次繞組相位移30o電角度后，由兩個格雷茲橋串聯組成的換流器單元，脈波數提高為12。

3）受電變壓器的一次和整流變壓器的二次分別采取Δ型連接方式，這樣做可消除3次、6次、9次諧波。

2、改進電氣設備結構，提高抗諧波能力

在電網中，為了抵抗軸電流，電機采用接地電刷裝置或軸承座加絕緣措施。電氣設備采用疊片磁路，減少渦流損耗。同時，為了提高耐熱能力，采用真空壓力敷設V·P·I浸漬工藝措施，用于提高抗諧波能力。

3、裝設濾波器

濾波電容器是指與有關器件，如電抗器、電阻器等連接在一起，對一種或多種諧波電流提供低阻通道的一種電容器。其作用是對某種諧波電流發(fā)生共振而被吸收，不注入電網。濾波器安裝在非線性負載側的母線上。

濾波器分為無源型和有源型。無源濾波器具有簡單可靠維護方便等優(yōu)點而被廣泛使用，有源濾波器是新一代的諧波補償裝置，具有良好的補償特性，能同時滿足補償諧波和無功功率要求，由于其價格較高維護復雜等缺點，在我國應用還不太廣泛。

四、結語

電網高次諧波引起電網公害，導致供電質量下降，嚴重影響各種電氣設備的安全運行。本文從高次諧波分析數學方法入手，闡述了高次諧波的抑制方法，如裝設濾波器，通過這些措施，阻止這些高次諧波進入電網，達到了抑制諧波的目的。

參考文獻：

【1】 潘志．近代分析數學基礎．徐州：中國礦業(yè)大學出版社．1993年

【2】 任子暉．煤礦電網諧波分析與治理．徐州：中國礦業(yè)大學出版社．2003年 【3】 吳敬昌．電力系統諧波．北京：水利電力出版社．1988年

第四篇：淺析供電系統中諧波的危害及其抑制措施

淺析供電系統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生的，為什么諧波的出現會影響電力設備，以及總結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生的

電力系統的諧波是電力系統電壓波形產生畸變的表征。諧波的產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。這些產品與電力系統發(fā)生關系時，都能使電力系統的基波產生大量的畸變。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，這些產品在運行時可使電流產生大幅度地浪涌、尖脈沖，造成電力系統的基波產生畸變，形成電源污染。

2電力諧波造成的危害

對于電力系統來說，電力諧波的危害主要表現有以下幾方面：

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濟效益。

由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數倍，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。當注入電網的諧波頻率位于在網絡諧振點附近的諧振區(qū)內時，對輸電線路會造成絕緣擊穿。由于諧波次數高頻率上升，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，容易造成系統事故，嚴重威脅電力系統的安全運行。

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，并使機內的元件溫度出現過熱，使計算機及數據處理系統出現錯誤，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生不良影響，它已經成為當前電力系統中影響電能質量的大公害。

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 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，即“3N”次諧波)產生不變的磁場，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。負序的諧波產生反方向旋轉的磁場(相對于基波而言)，而使電機的力矩下降，并和零序諧波一樣，產生更多的損耗。正序諧波產生正向旋轉磁場來加大力矩，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影響電網的質量

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

為了減少供電系統的諧波問題，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，經過試驗證實，符合該標準限值才允許接入到配電系統中。此外,1993年頒發(fā)的國家標準GB/T14549-1993《電能質量公用電網諧波》，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進行系統分析，正確測量，以確定諧波源位置和產生的原因，為諧波治理準備充分的原始材料；在諧波產生起伏較大的地方，可設置長期觀察點，收集可靠的數據。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方式接入配電系統，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，其工作原理與并聯型LC濾波器的相反，是在150Hz的諧振頻率產生高阻抗，而對非150Hz的其它頻率電流阻抗很小，其結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，由L、C、R元件構成諧振回路，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。由于具有投資少、效率高、結構簡單、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的主要手段。但無源濾波器存在著許多缺點,如濾波易受系統參數的影響；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；濾波特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗發(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的電能質量的方向發(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，有的還會造成系統電壓三相不平衡，嚴重影響公用電網的電能質量。在諧波源處并聯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.。

3.5防止并聯電容器組對諧波的放大

在電網中并聯電容器組起改善功率因數和調節(jié)電壓的作用。當諧波存在時，在一定的參數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〈撾娍蛊?，或將電容器組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

換流裝置是供電系統的主要諧波源之一。理論分析表明，換流裝置在其交流側與直流側產生的特征諧波次數分別為pk±1和pk(p為整流相數或脈動數，k為正整數)。當脈動數由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 結束語

（1）在治理系統諧波時，應充分考慮系統中各種因素的影響，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，也要考慮無功補償的需要，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.供電系統諧波[M].中國電力出版社,1998.5

［2］張浩.戴瑞珍.諧波抑制的工程設計方法探討.電網技術,2002.6.［3］郎維川.供電系統諧波的產生、危害及其防護對策.《高電壓技術》, 2002.6

第五篇：變頻器的諧波危害及解決措施

變頻器的諧波危害及解決措施

1、前言

在工業(yè)調速傳動領域中，與傳統的機械調速相比，用變頻器調速有諸多優(yōu)點，顧其應用非常廣泛，但由于變頻器逆變電路的開關特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載，變頻器在現場通常與其它設備同時運行，例如計算機和傳感器，這些設備常常安裝得很近，這樣可能會造成相互影響。因此，以變頻器為代表的電力電子裝置是公用電網中最主要的諧波源之一，其對電力系統中電能質量有著重要的影響。

2、諧波產生的過程

諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波，如下圖所示。

諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉（M.Fourier）分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

3、諧波危害

對于電力系統來說，電力諧波的危害主要表現有以下幾方面：

(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濟效益：

①電力諧波對輸電線路的影響：

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

②電力諧波對變壓器的影響：

諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言，會大大增加勵磁電流的諧波分量。

③電力諧波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中造成電力諧波諧振，使故障加劇。

(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，容易造成系統事故，嚴重威脅電力系統的安全運行。

(3)對通訊系統工作產生干擾：

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生干擾電壓，干擾通信系統的工作，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。

(4)對用電設備的影響：

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，并使機內的元件溫度出現過熱，使計算機及數據處理系統出現錯誤，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生不良影響，它已經成為當前電力系統中影響電能質量的大公害。

4、諧波的治理措施

治理諧波問題，抑制輻射干擾和供電系統干擾，可采取屏蔽、隔離、接地及濾波等技術手段。

①使用無源濾波器或有源濾波器；

使用無源濾波器其主要是改變在特殊頻率下電源的阻抗，適用于穩(wěn)定、不改變的系統。而使用有源濾波器主要是用于補償非線性負載。LC濾波器是傳統的無源諧波抑制裝置，它由濾波電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，與諧波源并聯，除具有濾波作用外，還有無功補償的作用。

②增加變壓器的容量，減少回路的阻抗及切斷傳輸線路法；

由于非線性負載引起的畸變電流在電纜的阻抗上產生一個畸變電壓降，而合成的畸變電壓波形加到與此同一線路上所接的其它負載，引起諧波電流在其上流過，因此，減少諧波危害的措施也可從加大電纜截面積，減少回路的阻抗方式來實現。目前，國內較多采用提高變壓器容量，增大電纜截面積，特別是加大中性線電纜截面，以及選用整定值較大的斷路器、熔斷器等保護元件等辦法，但此種方式不能從根本上消除諧波，反而降低了保護特性與功能，又加大了投資，增加供電系統的隱患。

③使用無諧波污染的綠色變頻器。

綠色變頻器的品質標準是：輸入和輸出電流都是正弦波，輸入功率因數可控，帶任何負載時都能使功率因數為1，可獲得工頻上下任意可控的輸出頻率。變頻器內置的交流電抗器，它能很好的抑制諧波，同時可以保護整流橋不受電源電壓瞬間尖波的影響，實踐表明，不帶電抗器的諧波電流明顯高于帶電抗器產生的諧波電流。為了減少諧波污染造成的干擾，可在變頻器的輸出回路安裝噪聲濾波器。并且在變頻器允許的情況下，降低變頻器的載波頻率。另外，在大功率變頻器中，通常使用12脈沖或18脈沖整流，這樣在電源中，通過消除最低次諧波來減少諧波含量。例如12脈沖，最低的諧波是11次、13次、23次、25次諧波。依次類推，對于18脈沖，最低的諧波是17次和19次諧波。

變頻器中應用的低諧波技術可歸納如下：

㈠逆變單元的并聯多重化，采用2個或多個逆變單元并聯，通過波形疊加抵消諧波分量。

㈡整流電路的多重化，在PWM變頻器中采用12脈沖、18脈沖或者24脈沖的整流，以減少諧波。

㈢ 逆變單元的串聯多重化，采用30脈沖的串聯逆變單元多重化線路，其諧波可減少到很小。

㈣ 采用新的變頻調制方法，如電壓矢量的菱形調制等。目前，許，多變頻器制造廠商已非常重視諧波問題，在設計時已從技術手段上保證了變頻器的綠色化，從而在根本上解決諧波問題。結論

綜上所述，可以清楚地了解諧波產生的原因，在具體治理上可采用無源濾波器、有源濾波器，減少回路阻抗，切斷諧波傳輸路徑及開發(fā)使用無諧波污染的綠色變頻器等方法，將變頻器產生的諧波控制在最小范圍內，達到科學合理用電，抑制電網污染，提高電源質量