电力谐波综合治理

优化电气设计。电力谐波的产生往往与电气设计不合理有着极大的关系，因而要从根本上解决电力谐波问题首先优化电气设计，避免电力谐波的发生。对此，在进行电气设计时需要采取避免谐波的技术对策，例如： 增加整流器脉动数。整流器是电力供电网络中谐波的主要来源，其特征频谱为n=Kp±1，由该式可见，P增加时，n会随之增加，则谐波电流减少，相应的谐波也随之减少，可见增加整流器脉动数对减少谐波十分有效;推广应用PWM技术。PWM技术即脉宽调制技术，利用该技术减少谐波的原理是：

1)PWN能使谐波频谱增高从而降低谐波量，可以使得变流器的输人为正弦波;

2)在可控整流后面加接功率因数矫正(PFC)，同样可以达到控制输入电流为正弦的目的，同时PFC可以进行相位矫正，使得从电网侧看，负载可等效为线性负载;

3)三相整流变压器采用Y-d(Y/△)或者d-Y(Y/△)，以此消除3的倍数次的谐波;

4)除上述措施外，合理选用变压器、电力电缆和开关设备等设备和元件也是避免电力谐波的重要手段。

模拟滤波和基于傅氏变换的频域分析法。模拟滤波器法诊断电力谐波有两种方式：一是通过滤波器滤除基波电流分量从而得到谐波电流分量，二是用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减后得到谐波电流分量。采用模拟滤波器对电力谐波进行诊断简便易行，但存在较大的误差，此外这种诊断方法不具备实时性，且容易受外界环境干扰。

基于傅氏变换的频域分析法是根据采集到的一个周期的电压值或电流值进行计算和分析，从而得到电流中所包含的谐波次数、幅值等信息，将有待消除的谐波分量通过傅里叶变换器获得所需的误差信号，再将所得的误差信号进行傅里叶反变换就得到了补偿信号。

基于小波变换的诊断法。基于小波变换的诊断法由于在时域和频域同时具有较好的局部化性质，克服了傅里叶分析法在非稳态信号分析方面的缺陷，更适用于对突变信号的分析。

由于小波分析能计算出某一特定时间的频率分布并把各种不同频率组成的频谱信号分解为不同频率的信号块，因此可以通过小波变换来较准确地求出基波电流，最终得到谐波分量。

基于神经网络的诊断方法。基于人工神经网络的谐波诊断法自面世以来便呈现迅速发展的状态，随着神经网络相关技术的不断发展与推广，神经网络诊断法在电力运行中所获得的经济效益也得到了逐渐提升，尤其是在优化电力调度、预测负荷、谐波诊断和谐波预测等方面显现出十分理想的性能。利用神经网络进行谐波的诊断主要是通过模型构建、样本选择、算法等手段，对谐波和无功电流进行检测，这种检测方法无论是对周期性的电流还是非周期性的电流都具有理想的跟踪诊断效果，同时对随机抗干扰也有着较强的识别能力。

与其他谐波诊断方法相比，基于神经网络的谐波诊断法具有更高的精确度和更为理想的诊断效果，此外，由于基于神经网络的检测方法具有更强的实时性，且抗干扰能力较强，因而应在今后的电力谐波诊断工作中得到进一步推广使用。

1、由于谐波的频率较高，使导线的集肤效应加重，因此铜损急剧增加。同时变压器铁心由于不能适应急剧变化的磁通而导致铁损急剧增加。

2、谐波会影响表计的计量精度。从原理上进行分析：谐波源将其吸收的一部分电网电能转变为谐波发送到电网中去，因此电能表会将谐波能量当作发电来进行计算，从而导致计量误差。对于机械式电能表还会由于高频率谐波所产生的高频涡流阻力而变慢。因为在高次谐波严重的情况下（例如中频炉）会严重影响电能表的计量精度，导致莫名其妙的丢电现象。

3、精密电子设备（包括电子式电能表）会被严重干扰，导致不能正常工作，甚至烧毁。

4、所有接于电网中的设备的损耗都会增加，温升增加。含有电容器的设备受影响最为严重，甚至可能导致设备损坏以及电容器爆炸等事故.

5. 电机类负荷由于谐波的逆序作用而导致输出扭矩下降。

6. 继电保护机构可能会由于谐波而产生误动或拒动故障。

当电网的谐波污染程度小于国家标准的规定时，通常不会对系统造成影响。随着污染程度的增加，谐波的影响就逐渐显现出来。在谐波严重超标的情况下，如果不进行谐波治理，往往会产生很严重的后果。谐波源的特性非常复杂，因为谐波的产生不仅仅取决于产生谐波的负荷本身，还与电网的短路容量、电网的组成形势以及电网中的其他负荷的性质有关。因此滤波器无法做成定型产品，必须通过对谐波源现场情况的测试，然后根据现场测试结果进行专门设计。

常用的谐波治理的方法无外乎有二种，无源滤波和有源滤波。下面就谈谈这二种方法的优缺点以及市场前景及其经济效益的分析。

无源滤波的主要结构是用电抗器与电容器串联起来，组成LC 串联回路，并联于系统中，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，例如5次、7次、11次谐振点上，达到滤除这3次谐波的目的。其成本低，但滤波效果不太好，如果谐振频率设定得不好，会与系统产生谐振。市场上流通较多的采取的滤波方法就是这一种，主要是因为低成本，用户容易接受。虽滤波的效果较差，只要满足国家对谐波的限制标准和电力部门对无功的要求就行了。由于其低成本，市场的需求也就大，一般而言，低压0.4KV系统大多数采用无源滤波方式，高压10KV几乎都是采用这种方式对谐波进行治理。由于我国的中小企业大多数是私有的，业主对谐波的危害认识不足，一般不愿意拿出大量的经费来治理谐波，而有的企业由于谐波的含量太大，常规的无功补偿不能凑效，供电部门对无功的要求又是十分严格的，达不到就要罚款。因此，业主不得不要求滤波。因而，其市场的前景可观，经济效益也就可观了。

有源谐波滤除装置是在无源滤波的基础上发展起来的，它的滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。它主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。但由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，成本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成本也就高得多了。其主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统，尤其是写字楼的供电系统，工厂的计算机控制供电系统。对单台的装置而言，其利润是可观的，但用户一般不愿意用有源滤波，对于谐波的含量，不必滤得太干净，只要不危害其他用电器也就可以了。

通过对市场的常用用电器的谐波状况的测试，我们了解到目前我国内工业企业的谐波污染十分严重，尤其是早些年为了节能，引入的变频电源和直流用电器的投入，其5次、7次、11次谐波电流的含量分别占基波的20%、11%、6%，这对于小功率的用户而言，还不怎样，但对于大功率的用户来说，危害就很大了，对于中频炉用户，它用常规的无功补偿就无法进行，有的用户用常规的电容器无功补偿，无法投入电容器，有的即便投入了，也对5次谐波电流放大了1.8~3.8倍以上，使得电动机、变压器等用电器的铜损、铁损大大地增加，缩短了设备的使用寿命，多交了电费。

谐波的治理主要采用无源滤波装置和有源滤波器。

主要采用LC回路，并联于系统中，LC回路的设定，只能针对于某一次谐波，即针对于某一个频率为低阻抗，使得该频率流经为其设定的LC回路，达到消除（滤除）某一频率的谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时，在基波对系统进行无功补偿。这种滤波装置简单，成本低，但不能滤除干净。其主要元件为投切开关、电容器、电抗器以及保护和控制回路。

这种滤波器是用电力电子元件产生一个大小相等，但方向相反的谐波电流，用以抵销网络中的谐波电流，这种装置的主要元件是大功率电力电子器件，成本高，在其额定功率范围内，原则上能全部滤除干净。

法国数学家傅立叶在1807年就写成关于热传导的基本论文《热的传播》，向巴黎科学院呈交，但经拉格朗日、拉普拉斯和勒让德审阅后被科学院拒绝，1811年又提交了经修改的论文，该文获科学院大奖，却未正式发表。傅立叶在论文中推导出著名的热传导方程 ，并在求解该方程时发现解函数可以由三角函数构成的级数形式表示，从而提出任一函数都可以展成三角函数的无穷级数。傅立叶级数（即三角级数）、傅立叶分析等理论均由此创始。

1822年，傅立叶出版了专著《热的解析理论》（Theorieanalytique de la Chaleur ，Didot ，Paris，1822）。这部经典著作将欧拉、伯努利等人在一些特殊情形下应用的三角级数方法发展成内容丰富的一般理论，三角级数后来就以傅立叶的名字命名。傅立叶应用三角级数求解热传导方程，为了处理无穷区域的热传导问题又导出了当前所称的“傅立叶积分”，这一切都极大地推动了偏微分方程边值问题的研究。然而傅立叶的工作意义远不止此，它迫使人们对函数概念作修正、推广，特别是引起了对不连续函数的探讨；三角级数收敛性问题更刺激了集合论的诞生。因此，《热的解析理论》影响了整个19世纪分析严格化的进程。傅立叶1822年成为科学院终身秘书。

根据傅立叶级数的原理，周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期的正弦函数和余弦函数之和。

满足Dirichlet条件的、以T为周期的时间的周期函数f(t)，在连续点处，可用下述的三角函数的线性组合（傅里叶级数）来表示：

上式称为f(t)的傅里叶级数，其中，ω=2π/T。

n为整数，n>=0。

n为整数，n>=1。

在间断点处，下式成立：

a0/2为信号f(t)的直流分量。

令

c1为基波幅值，cn为n次谐波的幅值。c1有时也称一次谐波的幅值。a0/2有时也称0次谐波的幅值。

谐波的频率必然也等于基波的频率的整数倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。不管几次谐波，他们都是正弦波。

电能质量的好坏，直接影响到工业产品的质量，评价电能质量有三方面标准。首先是电压方面，它包含电压的波动、电压的偏移、电压的闪变等；其次是频率波动；最后是电压的波形质量，即三相电压波形的对称性和正弦波的畸变率，也就是谐波所占的比重。我国对电能质量的三方面都有明确的标准和规范。

随着科学技术的发展，随着工业生产水平和人民生活水平的提高，非线性用电设备在电网中大量投运，造成了电网的谐波分量占的比重越来越大。它不仅增加了电网的供电损耗，而且干扰电网的保护装置与自动化装置的正常运行，造成了这些装置的误动与拒动，直接威胁电网的安全运行。举个常见的例子来说，电子节能灯在使用量所占比重较小的电网中运行，的确比常用的白炽灯好，不仅亮度高又省电，而且使用寿命也长。但是相反，在大量投运节能灯后，就会发现节能灯的损坏率大大提高。这是由于节能灯是非线性负荷，它产生较大的谐波污染了这一片电网，造成三相负荷基本平衡情况下，中心线电流居高不下，线电压与相电压之比比1要小得多，造成了该片电网供电质量下降，用电设备发热增加，电网线损增加，使得该区的配变发热严重，严重影响其使用寿命。因此我们对非线性用电设备产生的谐波必须进行治理，使谐波分量不超过国家标准。

“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。

到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。

谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。

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。

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：

（1） 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。

（2） 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。

（3） 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功裣可以平衡三相的有功及无功负载。

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年来，电力电子装置的应用日益广泛，也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。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。

1.无功功率的影响

（1）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。

（2）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。

（3）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。

2.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大致有以下几个方面。

（1）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。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

一是发电源质量不高产生谐波

发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。

二是输配电系统产生谐波

输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。

三是用电设备产生的谐波

晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。

电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2次、7次谐波，平均可达基波的8% 、20%，最大可达45%。

气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。

家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。

电力系统中谐波的来源

电力系统中的谐波来自电气设备，也就是说来自发电设备和用电设备。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波，因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。目前我国应用的发电机有两大类：隐极机和凸极机。隐极机多用于汽轮发电机，凸极机多用于水轮发电机。

对于谐波分量而言，隐极机优于凸极机，但随着科技进步，可控硅、IGBT等电子励磁装置的投入，使发电机的谐波分量有所上升。当发电机的端电压高于额定电压的10%以上时，由于电机的磁饱和，会使电压的三次谐波明显增加。同样在变压器的电源侧电压超过额定电压10%以上时，也会使二次侧电压的三次谐波明显增加。由于电网电压偏移在±7%以下，所以发电、变电设备产生的谐波分量都比较小，比国家的考核标准低的多，因此发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。

为此，影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，非线性用电设备主要有以下四大类：

· 电弧加热设备：如电弧炉、电焊机等。

· 交流整流的直流用电设备：如电力机车、电解、电镀等。

· 交流整流再逆变用电设备：如变频调速、变频空调等。

· 开关电源设备：如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。

这些用电设备都是非线性用电设备，但它们产生的谐波各不相同，具体举例分析如下：

电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧，才会有弧电流，并且灭弧电压略低于起弧电压，造成弧电流与弧电压的非线性。

此外，弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流是非正弦波，造成电弧加热设备对电网的谐波污染比较大，而且多为18次以下的低次谐波污染。其实电焊机在上世纪四、五十年代已广泛应用，由于电弧加热设备量少，电焊机应用的同时率就更小了，对整个电网的影响比较小，但发现当在烧电焊时，局部低压电网的电压和电流变化很大，有较大的谐波影响。

交流整流直流用电设备的谐波产生的原因是由于整流设备有一个阀电压，在小于阀电压时，电流为零。这类用电设备为了提供平稳的直流电源，在整流设备中加入了储能元件（滤波电容和滤波电感），从而使阀电压提高，加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流，在整流设备中应用了可控硅，这使得该类设备的谐波污染更严重，而且谐波的次数比较低。

交流整流再逆变用电设备，在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样，它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流，这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波，也有高次谐波。

虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小，但它的分布面广，数量多，是推广使用的技术手段，因此它的谐波污染应引起足够关注。

开关电源设备应用很广，它的工作原理是先把交流整流成直流，通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭，从而在变压器二次侧感应出电流，供给用电设备。此外，开关电源的频率比较高一般在40kHz左右，不仅在整流时产生谐波，而且在开关管开闭时，反射40kHz左右的波至电源。这类用电设备同样是单台容量不大，但它是应用面最广、量最大的非线性用电设备，它还有一定量的三次谐波，造成配变的中心线电流居高不下，而且三次谐波还会通过配变污染到10kV电网。