諧波的產生、危害及措施

Chrent諧波基本概念

01何為諧波？

供電系統諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，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。電網中有時也存在非整數倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics)或分數諧波。

對于我國使用的50Hz電源來說基波為50Hz，3次諧波為150Hz，5次諧波為250Hz，以此類推。

02諧波抑制

為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的；另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為1，這當然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。

裝設諧波補償裝置的傳統方法就是采用LC調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。

03無功補償

人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無功功率卻并不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時，至今尚無獲得公認的無功功率定義。但是，對無功功率這一概念的重要性，對無功補償重要性的認識，卻是一致的。無功補償應包含對基波無功功率補償和對諧波無功功率的補償。

無功功率對供電系統和負荷的運行都是十分重要的。電力系統網絡元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當寬的范圍內可以實現；而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內實現。不僅大多數網絡元件消耗無功功率，大多數負載也需要消耗無功功率。網絡元件和負載所需要的無功功率必須從網絡中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發電機提供并經過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是無功補償。

無功補償的作用主要有以下幾點：

提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗。

穩定受電端及電網的電壓，提高供電質量。在長距離輸電線中合適的地點設置動態無功補償裝置還可以改善輸電系統的穩定性，提高輸電能力。

在電氣化鐵道等三相負載不平衡場合, 通過適當的無功襝可平衡三相的有功及無功負載。

Chrent諧波和無功功率的產生

在工業和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的性質所決定的。

電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率，特別是各種相控裝置。如相控整流器、相控交流功率調整電路和周波變流器，在工作時基波電流滯后于電網電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無功功率。

近30年發展使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。目前，常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負載的整流電路所產生的諧波污染和功率因數滯后已為人們所熟悉。直流側采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴懲的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數接近1。但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網造成嚴重污染，也使得總的功率因數很低。另外，采用相控方式的交流電力調整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側產生大量的諧波電流。

Chrent無功功率的影響和諧波的危害

01無功功率的影響

無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。同時，電力用戶的起動及控制設備、測量儀表的尺寸和規格也要加大。

無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。

使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產生劇烈波動，使供電質量嚴重降低。

02諧波的危害

理想的公用電網所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的能耐電力電子設備廣泛應用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，并有一定認識，但那時諧波污染還沒有引起足夠的重視。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速發展使得公用電網的諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發生，諧波危害的嚴重性才引起人們高度的關注。

諧波對公用電網和其他系統的危害：

諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。

諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

諧波會引起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述1和2的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。

諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。

諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者導致住處丟失，使通信系統無法正常工作。

Chrent抑制諧波的措施有哪些？

為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的;另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為1，這當然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。

裝設諧波補償裝置的傳統方法就是采用LC調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生并聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。

01加裝無源濾波器

無源濾波器（PassivePowerFilter，簡稱PPF）安裝在電力電子設備的交流側，由L、C、R元件構成無源網絡，吸收負載產生的諧波電流。無源濾波器分調諧濾波器與高通濾波器，前者分單調諧濾波器和雙調諧濾波器，用于吸收單一次數或相鄰的兩次諧波，后者用于吸收某一次及以上各次諧波。無源濾波器濾除諧波以外還在基波電壓的作用下向諧波負載提供容性基波無功功率，同時兼顧諧波源無功補償的需要。由于具有成本低、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點，無源濾波器時目前采用的抑制諧波即無功補償的主要手段。

濾波裝置一般由一組或數組單調諧濾波器組成，有時再加一組高通濾波器。單調諧濾波器利用R、L、C電路串聯諧振構成，如下圖所示。濾波器對n次諧波阻抗為

在諧振點處

諧振時的諧波次數

諧振阻抗Z=R,由于R很小，所以n次諧波電流主要由R分流，很少流入電網中，而對于其他次數的諧波，諧波阻抗Z》》R，濾波器分流很少。雙調諧濾波器圖4一1（b）的兩個諧振頻率實際上相當于兩個并聯的單調諧濾波器，它同時吸收兩種頻率的諧波。與兩個單調諧濾波器相比，減少了回路，基波損耗較小，只有一個電抗器承受全部沖擊電壓。這種濾波器結構比較復雜，調諧較困難，但在高壓大容量濾波裝置中采用有一定的技術經濟上的優勢。

高通濾波器有一階減幅型（圖4一1（c））、二階減幅型（圖4一1（d））、三階減幅型（圖4一1（e））和C型（圖4一1（f））。當頻率低于其截止頻率f0（f0=1/2RC）時，由于容抗的作用，使得低次諧波電流難以通過;而當頻率高于f0時，由于容抗減小，高次諧波電流便可順利通過電容器和電阻，總的阻抗也變化不大，形成一個通頻帶。一階減幅型由于基波功率損耗太大，

一般不采用；二階減幅型的基波損耗較小，且阻抗頻率特性較好，結構也簡單，故工程上用的較多；三階減幅型的基波損耗更小，但特性不如二階減幅型，用的也不太多；C型濾波器濾波特性介于二階和三階之間，主要優點是C與L對基波串聯調諧，有功功率損耗較低

低成本的無源濾波器是至今為止在濾除諧波時使用最為廣泛的補償裝置，用其抑制諧波在經濟上和技術上都可以接受。其主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生并聯諧振，致使諧波放大使無源濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能消除特定次諧波，導致整個裝置占地面積大。因而隨著電力電子技術的不斷發展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器

02裝設靜止無功補償裝置

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。在網側投入無功補償裝置是用來補償由諧波造成的無功功率，從而提高功率因數。另外，無功補償裝置中通過電感和電容的合理設置，可在某次頻率點產生諧振，即可對該頻率的諧波實現濾波?？捎行p少波動的諧波量，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。

靜止補償裝置的基本結構是由快速變化的電抗或電容元件組合而成。目前應用較多的四種是自飽和電抗器SR、晶閘管控制電抗器、晶閘管控制高漏抗變壓器和晶閘管投切電容器。自飽和電抗器SR由負荷電流控制飽和電抗器的磁飽和程度，當負荷發生變化時其電抗值隨之發生變化，從而調節無功輸出的大?。壕чl管控制電抗器TCR通過改變控制角而改變導通時間，相當于調節電抗器電抗達到改變無功輸出的目的;晶閘管控制高漏抗變壓器TCT工作原理與TCR相同，晶閘管斷開時呈高電抗特性，接通時根據控制角調節無功輸出的大小，因為使用了變壓器，故可以直接接入高壓側;晶閘管投切電容器TSC的晶閘管在超前電壓90度時接通并在斷開前一直保持該控制角，如果電壓是正弦波，則流過TSC電流也是正弦波，故沒有諧波產生，但這種TSC不能在導通期間改變無功輸出的大小。

由于TCR和TCT通過控制晶閘管的開通角度以調節電抗器電抗，在控制角大于90°時不能得到與交流電源對應的完整波形。SR的諧波來自磁飽和和非線性。所以這三種形式不可避免有諧波產生。因此在使用時必須考慮到對它們自身所產生諧波的抑制，這就增加了結構和設計上的復雜

03電力有源濾波器補償法

無源濾波器及靜止無功補償裝置雖然能減少諧波分量，抑制某些諧波，但卻不能對變的高次諧波動態補償?，F階段諧波補償和抑制的一個重要趨勢是采用有源濾波器 APF（AC activePowerFilter）了。APF能對幅值和頻率都變化的諧波及變化的無功進行補償。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。

有源濾波器的思路是給諧波電流或諧波電壓提供一個在諧振頻率處等效導納為無窮大的并聯網絡或等效阻抗無窮大的串聯網絡，因此可以分為并聯有源濾波器和串聯濾波器。其基本結構是一個DCAC逆變橋與或一個諧波注入電路。按照PWM逆變電路直流側電源的性質又可以分為電壓型有源濾波器及電流型有源濾波器。

① 并聯有源電力濾波器

1896年，AkagiH提出用并聯有源濾波器消除諧波的方法，如同4一2所示。這種裝置相當于一個諧波電流發生器，它跟蹤負載電流中的諧波分量，產生與之相反的諧波電流，從而抵消線路中的諧波電流。通過不同的控制作用，可以對諧波、無功、不平衡分量進行補償，功能多，連接也方便。但是，由于電源電壓直接加在逆變橋上，對開關器件電壓等級要求高；負載諧波電流含量高時，這種有源濾波器裝置的容量也必須很大，因為兼具大的補償容量和寬的補償頻帶比較困難，所以它只適合電感型負荷的諧波補償;開關引起的諧波電流將影響電路中的PF或電容器的濾波特性，若利用LC網絡吸收這部分高次諧波，由于LC網絡受電網參數的影響，PWM逆變器輸出的諧波頻帶又很寬，所以LC網絡難以設計

4—2并聯有源電力濾波器框圖

為了降低加到逆變橋的交流電壓，可以選擇用LC串聯或并聯網絡作為注入電路，如圖4一3、圖4一4所示。在圖途4一3中，LC在基波頻率處串聯諧振，逆變橋不承受基波電壓，而在諧振頻率之處有Zr》》Zc，濾波器產生的諧波電流可以完全流入主電路。并聯LC方式原理與之類似

為了使有源濾波器適用于大容量負載的補償，可以將高次諧波和低次諧波分開各相單獨補償，也可將有源濾波器和無源濾波器相結合進行補償。并聯有源電力濾波器能對諧波和無功功率進行補償，其補償特性不受電網阻抗的影響，主要適用于感性電流源負載的諧波補償，目前技術上比較成熟，但其有源裝置容量相對較大，投資多，運行效率低。

② 串聯有源電力濾波器

圖4一5是單獨使用串聯有源電力濾波器的方案。通過3個單相變壓器串聯在電源和負載之間，串聯有源電力濾波器在此系統中相當于一個電壓控制電壓源，跟蹤電源電壓中的諧波分量，產生與之相反的諧波電壓，使負載端交流側電壓為正弦波。主要用于消除帶電容二極管整流電路等電壓型諧波源負載對系統的影響，以及系統側電壓諧波電壓波動對敏感負載的影響。串聯有源電力濾波器裝置容量小，運行效率高，對諧波電壓源類型的負荷有較好的補償特性。但其絕緣強度高，難以適應線路故障條件而且不能進行無功功率動態補償，工程實用性受到限制，其投切、故障后的退出及各種保護較并聯型APF復雜。目前單獨使用少，國內外研究主要集中在其與LC無源濾波器所構成的串聯混合型有源電力濾波器。

圖4—5串聯有源電力濾波器框圖

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展。

04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電壓的作用。當諧波存在時，在一定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，還能采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對諧波的放大。