谐波的产生、危害及措施

 

 

Chrent谐波基本概念

 

01何为谐波？

供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。

谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics)或分数谐波。

对于我国使用的50Hz电源来说基波为50Hz，3次谐波为150Hz，5次谐波为250Hz，以此类推。

 

 

02谐波抑制

为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。

 

03无功补偿

人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性的认识，却是一致的。无功补偿应包含对基波无功功率补偿和对谐波无功功率的补偿。

无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。

无功补偿的作用主要有以下几点：

提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。

稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。

在电气化铁道等三相负载不平衡场合, 通过适当的无功裣可平衡三相的有功及无功负载。

 

Chrent谐波和无功功率的产生

 

在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。

电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率。

近30年发展使得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严惩的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。

 

 

Chrent无功功率的影响和谐波的危害

 

01无功功率的影响

无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。

无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。

使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。

 

02谐波的危害

理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的能耐电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。

谐波对公用电网和其他系统的危害：

谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。

谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。

谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述1和2的危害大大增加，甚至引起严重事故。

谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。

谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。

  

 

Chrent抑制谐波的措施有哪些？

 

为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的;另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

装设谐波补偿装置的传统方法就是采用LC调谐滤波器。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。

 

01加装无源滤波器

无源滤波器（PassivePowerFilter，简称PPF）安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成无源网络，吸收负载产生的谐波电流。无源滤波器分调谐滤波器与高通滤波器，前者分单调谐滤波器和双调谐滤波器，用于吸收单一次数或相邻的两次谐波，后者用于吸收某一次及以上各次谐波。无源滤波器滤除谐波以外还在基波电压的作用下向谐波负载提供容性基波无功功率，同时兼顾谐波源无功补偿的需要。由于具有成本低、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波器时目前采用的抑制谐波即无功补偿的主要手段。

滤波装置一般由一组或数组单调谐滤波器组成，有时再加一组高通滤波器。单调谐滤波器利用R、L、C电路串联谐振构成，如下图所示。滤波器对n次谐波阻抗为

 

在谐振点处

谐振时的谐波次数

谐振阻抗Z=R,由于R很小，所以n次谐波电流主要由R分流，很少流入电网中，而对于其他次数的谐波，谐波阻抗Z》》R，滤波器分流很少。双调谐滤波器图4一1（b）的两个谐振频率实际上相当于两个并联的单调谐滤波器，它同时吸收两种频率的谐波。与两个单调谐滤波器相比，减少了回路，基波损耗较小，只有一个电抗器承受全部冲击电压。这种滤波器结构比较复杂，调谐较困难，但在高压大容量滤波装置中采用有一定的技术经济上的优势。

高通滤波器有一阶减幅型（图4一1（c））、二阶减幅型（图4一1（d））、三阶减幅型（图4一1（e））和C型（图4一1（f））。当频率低于其截止频率f0（f0=1/2RC）时，由于容抗的作用，使得低次谐波电流难以通过;而当频率高于f0时，由于容抗减小，高次谐波电流便可顺利通过电容器和电阻，总的阻抗也变化不大，形成一个通频带。一阶减幅型由于基波功率损耗太大，

一般不采用；二阶减幅型的基波损耗较小，且阻抗频率特性较好，结构也简单，故工程上用的较多；三阶减幅型的基波损耗更小，但特性不如二阶减幅型，用的也不太多；C型滤波器滤波特性介于二阶和三阶之间，主要优点是C与L对基波串联调谐，有功功率损耗较低

低成本的无源滤波器是至今为止在滤除谐波时使用最为广泛的补偿装置，用其抑制谐波在经济上和技术上都可以接受。其主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，致使谐波放大使无源滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能消除特定次谐波，导致整个装置占地面积大。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器

 

02装设静止无功补偿装置

快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在网侧投入无功补偿装置是用来补偿由谐波造成的无功功率，从而提高功率因数。另外，无功补偿装置中通过电感和电容的合理设置，可在某次频率点产生谐振，即可对该频率的谐波实现滤波。可有效减少波动的谐波量，同时，可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。

静止补偿装置的基本结构是由快速变化的电抗或电容元件组合而成。目前应用较多的四种是自饱和电抗器SR、晶闸管控制电抗器、晶闸管控制高漏抗变压器和晶闸管投切电容器。自饱和电抗器SR由负荷电流控制饱和电抗器的磁饱和程度，当负荷发生变化时其电抗值随之发生变化，从而调节无功输出的大小：晶闸管控制电抗器TCR通过改变控制角而改变导通时间，相当于调节电抗器电抗达到改变无功输出的目的;晶闸管控制高漏抗变压器TCT工作原理与TCR相同，晶闸管断开时呈高电抗特性，接通时根据控制角调节无功输出的大小，因为使用了变压器，故可以直接接入高压侧;晶闸管投切电容器TSC的晶闸管在超前电压90度时接通并在断开前一直保持该控制角，如果电压是正弦波，则流过TSC电流也是正弦波，故没有谐波产生，但这种TSC不能在导通期间改变无功输出的大小。
 

由于TCR和TCT通过控制晶闸管的开通角度以调节电抗器电抗，在控制角大于90°时不能得到与交流电源对应的完整波形。SR的谐波来自磁饱和和非线性。所以这三种形式不可避免有谐波产生。因此在使用时必须考虑到对它们自身所产生谐波的抑制，这就增加了结构和设计上的复杂
 

 

03电力有源滤波器补偿法

无源滤波器及静止无功补偿装置虽然能减少谐波分量，抑制某些谐波，但却不能对变的高次谐波动态补偿。现阶段谐波补偿和抑制的一个重要趋势是采用有源滤波器 APF（AC activePowerFilter）了。APF能对幅值和频率都变化的谐波及变化的无功进行补偿。利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。

有源滤波器的思路是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗无穷大的串联网络，因此可以分为并联有源滤波器和串联滤波器。其基本结构是一个DCAC逆变桥与或一个谐波注入电路。按照PWM逆变电路直流侧电源的性质又可以分为电压型有源滤波器及电流型有源滤波器。

 

① 并联有源电力滤波器

1896年，AkagiH提出用并联有源滤波器消除谐波的方法，如同4一2所示。这种装置相当于一个谐波电流发生器，它跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消线路中的谐波电流。通过不同的控制作用，可以对谐波、无功、不平衡分量进行补偿，功能多，连接也方便。但是，由于电源电压直接加在逆变桥上，对开关器件电压等级要求高；负载谐波电流含量高时，这种有源滤波器装置的容量也必须很大，因为兼具大的补偿容量和宽的补偿频带比较困难，所以它只适合电感型负荷的谐波补偿;开关引起的谐波电流将影响电路中的PF或电容器的滤波特性，若利用LC网络吸收这部分高次谐波，由于LC网络受电网参数的影响，PWM逆变器输出的谐波频带又很宽，所以LC网络难以设计

4—2并联有源电力滤波器框图

为了降低加到逆变桥的交流电压，可以选择用LC串联或并联网络作为注入电路，如图4一3、图4一4所示。在图途4一3中，LC在基波频率处串联谐振，逆变桥不承受基波电压，而在谐振频率之处有Zr》》Zc，滤波器产生的谐波电流可以完全流入主电路。并联LC方式原理与之类似
 

为了使有源滤波器适用于大容量负载的补偿，可以将高次谐波和低次谐波分开各相单独补偿，也可将有源滤波器和无源滤波器相结合进行补偿。并联有源电力滤波器能对谐波和无功功率进行补偿，其补偿特性不受电网阻抗的影响，主要适用于感性电流源负载的谐波补偿，目前技术上比较成熟，但其有源装置容量相对较大，投资多，运行效率低。
 

 

② 串联有源电力滤波器

图4一5是单独使用串联有源电力滤波器的方案。通过3个单相变压器串联在电源和负载之间，串联有源电力滤波器在此系统中相当于一个电压控制电压源，跟踪电源电压中的谐波分量，产生与之相反的谐波电压，使负载端交流侧电压为正弦波。主要用于消除带电容二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电压谐波电压波动对敏感负载的影响。串联有源电力滤波器装置容量小，运行效率高，对谐波电压源类型的负荷有较好的补偿特性。但其绝缘强度高，难以适应线路故障条件而且不能进行无功功率动态补偿，工程实用性受到限制，其投切、故障后的退出及各种保护较并联型APF复杂。目前单独使用少，国内外研究主要集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器。

 

图4—5串联有源电力滤波器框图
 

与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。

 

04防止并联电容器组对谐波的放大

在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还能采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。