諧波治理

周靖翔　古力丹

摘 要：簡(jiǎn)要分析諧波的來(lái)源及危害，以及如何治理諧波的建議和措施。

關(guān)鍵詞：諧波；整流；治理

1.什么是諧波

諧波 （harmonic wave），從嚴(yán)格的意義來(lái)講，諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱(chēng)之為諧波，這時(shí)“諧波”這個(gè)詞的意義已經(jīng)變得與原意有些不符。正是因?yàn)閺V義的諧波概念，才有了“分?jǐn)?shù)諧波”、“間諧波”、“次諧波”等等說(shuō)法。

諧波產(chǎn)生的原因主要有：由于正弦電壓加壓于非線(xiàn)性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。主要非線(xiàn)性負(fù)載有UPS、開(kāi)關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。

2.諧波在電網(wǎng)中的產(chǎn)生與危害

一是電源質(zhì)量不高產(chǎn)生諧波：發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱(chēng)，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻等原因，發(fā)電源也會(huì)產(chǎn)生較少的諧波。

二是輸電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波：配輸電系統(tǒng)中主要由電力變壓器產(chǎn)生諧波。電壓器的工作磁密選擇在磁化曲線(xiàn)的近飽和段上，使得磁化電流呈尖頂波型，因而含有奇次諧波。

三是用電器產(chǎn)生的諧波：由于晶閘管整流設(shè)備在電力系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，給電網(wǎng)帶來(lái)大量諧波。晶閘管整流裝置采用移相控制，吸收電網(wǎng)缺角的正弦波，同時(shí)也給電網(wǎng)留下一部分缺角的正弦波，其中便有大量的諧波。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由整流裝置產(chǎn)生的諧波是所有諧波的百分之四十，為最大的諧波源。

危害：

一是影響電路的穩(wěn)定運(yùn)行：諧波會(huì)影響供配電系統(tǒng)中電力線(xiàn)路和電力變壓器的保護(hù)作用，從而嚴(yán)重威脅供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全。

二是影響電網(wǎng)質(zhì)量：電力系統(tǒng)中的諧波能使電網(wǎng)中的電流和電壓波形發(fā)生畸變，相同頻率的諧波電流和諧波電壓產(chǎn)生相同頻率的有功功率和無(wú)功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費(fèi)電網(wǎng)容量。

三是對(duì)電力設(shè)備的危害：當(dāng)電網(wǎng)中存在諧波時(shí)，投入電容器后其端電壓增大，通過(guò)電容器的電流增加的更大，從而電容器損耗功率增加。同時(shí)，諧波也能使電力變壓器的銅耗增大，鐵耗增大，磁滯損耗增大，減少了變壓器的實(shí)際容量。

四是對(duì)用電設(shè)備的危害：諧波使得異步電動(dòng)機(jī)的附加損耗增大，降低效率，還能使得噪音增大。同時(shí)，諧波還可能造成低壓開(kāi)關(guān)的誤動(dòng)作，影響生產(chǎn)生活效率，

五是諧波對(duì)人體也有影響，我們知道，人體細(xì)胞在刺激興奮時(shí)，會(huì)在細(xì)胞膜靜息電位基礎(chǔ)上，發(fā)生快速電波動(dòng)或可逆翻轉(zhuǎn)，其頻率若與諧波頻率接近時(shí)，電網(wǎng)諧波會(huì)影響人的腦磁場(chǎng)和心磁場(chǎng)。

3.諧波治理的措施

通過(guò)對(duì)市場(chǎng)的常用用電器的諧波狀況的測(cè)試，我們了解到目前我國(guó)內(nèi)工業(yè)企業(yè)的諧波污染十分嚴(yán)重，尤其是早些年為了節(jié)能，引入的變頻電源和直流用電器的投入，其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%，這對(duì)于小功率的用戶(hù)而言，還不怎樣，但對(duì)于大功率的用戶(hù)來(lái)說(shuō)，危害就很大了，對(duì)于中頻爐用戶(hù)，它用常規(guī)的無(wú)功補(bǔ)償就無(wú)法進(jìn)行，有的用戶(hù)用常規(guī)的電容器無(wú)功補(bǔ)償，無(wú)法投入電容器，有的即便投入了，也對(duì)5次諧波電流放大了1.8-3.8倍以上，使得電動(dòng)機(jī)、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加，縮短了設(shè)備的使用壽命，多交了電費(fèi)。

1.諧波治理的總體思路。諧波的治理應(yīng)當(dāng)首先考慮預(yù)防，控制好諧波產(chǎn)生的源頭，使系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波盡量減小，就可以更方便的治理或者不用再進(jìn)行進(jìn)一步的治理。因此，在選擇設(shè)備和構(gòu)建系統(tǒng)時(shí)，就應(yīng)該將減小諧波做為一項(xiàng)重要的條件來(lái)考慮。對(duì)于交流和直流兩大類(lèi)通信電源設(shè)備：在其他條件同等或類(lèi)似的情況下，UPS系統(tǒng)應(yīng)該優(yōu)先選擇12脈沖或者Delta變換的設(shè)備，直流系統(tǒng)應(yīng)優(yōu)先選擇有更好的整流電路和完善的濾波措施的產(chǎn)品。

其次，在預(yù)防的基礎(chǔ)上，再考慮補(bǔ)救措施。特別是對(duì)于既有的用戶(hù)低壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)已經(jīng)基本固定，諧波問(wèn)題的解決只能通過(guò)加裝電抗器、濾波器等補(bǔ)救措施得以控制。

2.治理諧波的預(yù)防性措施。預(yù)防性的解決辦法是指避免諧波及其后果出現(xiàn)的措施，如下。

（1）整流器中的相位抵消（通過(guò)選擇合適的相位移動(dòng)，由低脈波數(shù)整流器構(gòu)成的高脈波數(shù)整流器可以消除諧波）或諧波控制。應(yīng)該使用具有較高脈波數(shù)的整流器，如使用12脈沖的整流器來(lái)代替6脈沖整流器。

（2）開(kāi)發(fā)有效的過(guò)程和方法來(lái)控制、減小或消除電力系統(tǒng)設(shè)備的諧波。

3.治理諧波的補(bǔ)救性措施。補(bǔ)救性的解決方法是指為克服既有諧波問(wèn)題所采用的技術(shù)，包括使用LC無(wú)源濾波器、使用有源濾波器、電路解諧。主要方法見(jiàn)下：

（1）無(wú)源濾波器

無(wú)源濾波器主要由電抗器、電容器構(gòu)成，體積比較龐大

無(wú)源濾波器是由電容器和電抗器串聯(lián)而成，并調(diào)諧在某個(gè)特定諧波頻率。濾波器對(duì)其所調(diào)諧的諧波來(lái)說(shuō)是一個(gè)低阻抗的“陷阱”。理論上濾波器在其調(diào)諧頻率處阻抗為零，因此可吸收掉要濾除的諧波。目前國(guó)內(nèi)的諧波治理以無(wú)源濾波器為主，其特點(diǎn)是技術(shù)實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單，具有一定消諧效果，缺點(diǎn)是被動(dòng)式濾波，一旦用電環(huán)境發(fā)生變化，無(wú)源濾波設(shè)備無(wú)法隨之調(diào)整，濾波效果也就無(wú)法保證。

（2）.有源濾波器

有源濾波器主要由電力電子元件構(gòu)成，體積比較小

有源諧波過(guò)濾器使用的是電力電子技術(shù)來(lái)監(jiān)控非線(xiàn)性負(fù)載，動(dòng)態(tài)地糾正。發(fā)現(xiàn)一個(gè)諧波自動(dòng)注入一個(gè)補(bǔ)償電流使波形恢復(fù)。通過(guò)注入和抵消過(guò)程，恢復(fù)正弦波。使失真減少到不足5%的總諧波失真（THD）。

其特點(diǎn)是可主動(dòng)消諧，設(shè)備體積小，消諧效果非常理想，但是由于技術(shù)要求比較高。

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