高次谐波的产生及其治理

第一篇：高次谐波的产生及其治理

高次谐波的产生及其治理

一、概述

目前，许多变电所的负荷中含有大量非线性负荷，如整流装置、交-交变频装置、炼钢电弧炉、中频炉、电力机车、交流电焊机、高频电焊机、中频淬火炉、高频淬火炉、计算机的开关电源、带电子镇流器的荧光灯等。供电给这些非线性负荷的系统电压即使为理想正弦波，它们工作时的电流也是非正弦电流。这些非正弦电流波形按傅氏级数可以分解为基波及一系列不同频率和振幅的谐波。谐波频率为基波频率的整数倍时，称为高次谐波；其频率为基波频率的非整数倍时，称为分数谐波或旁频波；其频率低于基波频率时，称为次谐波。谐波电流流经系统中包括发电机、输电线、变压器等各种阻抗元件时，必然产生非正弦的电压降，使交流系统内各点的电压波形也发生不同程度的畸变。电压畸变的程度取决于非线性负荷容量与电网容量的相对比值以及供电系统对谐波频率的阻抗，畸变的电压反过来对整流装置从系统中取用的电流波形又有影响。因而谐波电流和谐波电压是相伴而生、相互影响的。

二、谐波危害 2.1通讯干扰

非线性负荷供电系统产生的谐波对与其邻近的通讯线路产生静电感应及电磁感应，在通讯系统内产生不良影响。2.2同步发电机的影响

电力系统中的同步发电机，特别是以非线性负荷为主或以发电电压直接供给非线性负荷的同步发电机，高次谐波对其有较大不良影响。谐波电流引起定子特别是转子部分的附加损耗和附加温升，降低了发电机的额定出力。2.3对异步电动机的影响

谐波引起电机角速度脉动，严重时会发生机械共振。对电动机的功率因数和最大转矩都有影响。2.4对电力电容器的影响

由于电容器的容抗和频率成反比，电力电容器对谐波电压最为敏感。谐波电压加速电容器介质老化，介质损失系数tgδ增大，容易发生故障和缩短寿命，谐波电流常易使电容器过负荷而出现不允许的温升。电容器与电力系统还可能发生危险的谐振。此时，电容器成倍地过负荷，响声异常，熔断器熔断，使电容器无法运行。伴随着谐振，在谐振环节常出现过电压，造成电气元件及设备故障或损坏，严重时影响系统的安全运行。

2.5对电缆线路绝缘的影响

对电缆线路，非正弦电压使绝缘老化加速，漏泄电流增大；当出现并联谐振过电压时，可能引起放炮并击穿电缆。2.6对变压器的影响 谐波电压使变压器激磁电流增大，效率变低，并恶化其功率因数。谐波放大会造成主变声音异常。2.7对测量仪的影响

高次谐波会引起电度表误差，谐波频率愈高，误差愈大，且均为负误差。

2.8对继电保护自动装置等的影响

当谐波电压水平较高时，对供电系统的电压自动调节的误差有所增加。负序系统的高次谐波电流对具有负序电流谐波滤波装置的继电保护装置有不良影响。谐波电流恶化甚至破坏利用电力线路作为联系通道的远动装置的工作。2.9对整流装置的影响

高次谐波对脉冲—相位控制的可控硅（晶闸管）整流装置有较大影响，可能造成脉冲丢失而烧坏可控硅管。

由于谐波的这些危害，所以在设计和建设非线性负荷的配电时，必须满足国家制订的谐波标准《电能质量公用电网谐波》GB/T14549-93要求，采取抑制和消除谐波的措施。抑制和消除谐波，主要归结为抑制和消除谐波电流，使电压畸变率和系统注入公共连接点的 谐波电流符合国家标准。

三、公用电网谐波国家标准

国家标准GBT/14549-93中谐波电压限值和谐波电流允许值如下： 3.1公用电网谐波电压（相电压）限值见表1： 表1电网标称电压(kv)

电压总畸变率(％)

各次谐波电压含有率(％)

奇次

偶次

0.38 5.0 4.0 2.0 6 4.0 3.2 1.6

3.0 2.4 1.2

2.0 1.6 0.8

3.2谐波电流允许值

3.2.1公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过表2中规定的允许值。当公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量时，表2中的谐波电流允许值的换算为：

Ih=（Sk1/Sk2）×Ihp

式中：Sk1——公共连接点的最小短路容量，MVA； Sk2——基准短路容量，MVA；

Ihp——表2中的第h次谐波电流允许值，A； Ih——短路容量为Sk1时的第h次谐波电流允许值。表2注入公共连接的谐波电流允许值标准 电压 kv 基准短 路容量 MVA

谐波次数及谐波电流允许值，3 4 5 6 7 8

A 9 10 11 12 13

0.38 10 78 62 39 62 26 44 19 21 16 28 13 24 100 43 34 21 34 14 24 11 11 8.5 16 7.1 13 100 26 20 13 20 8.5 15 6.4 6.8 5.1 9.3 4.3 7.9

250 15 12 7.7 12 5.1 8.8 3.8 4.1 3.1 5.6 2.6 4.7

500 16 13 8.1 13 5.4 9.3 4.1 4.3 3.3 5.9 2.7 5.0

75.12 9.6 6 9.6 4.0 6.8 3.0 3.2 2.4 4.3 2.0 3.7

续表2注入公共连接的谐波电流允许值标准 电压 kv 基准短 路容量 MVA

谐波次数及谐波电流允许值，A 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 0.38 10 11 12 9.7 18 8.6 16 7.8 8.9 7.1 14 6.5 12 100 6.1 6.8 5.3 10 4.7 9.0 4.3 4.9 3.9 7.4 3.6 6.8 100 3.7 4.1 3.2 6.0 2.8 5.4 2.6 2.9 2.3 4.5 2.1 4.1 35 250 2.2 2.5 1.9 3.6 1.7 3.2 1.5 1.8 1.4 2.7 1.3 2.5

500 2.3 2.6 2.0 3.8 1.8 3.4 1.6 1.9 1.5 2.8 1.4 2.6

750 1.7 1.9 1.5 2.8 1.3 2.5 1.2 1.4 1.1 2.1 1.0 1.9 3.2.2同一公共接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共接点的供电设备容量之比进行分配。分配的计算方式见下式： Im=Ih(Si/St)1/α

式中：Im——公共接点处第i个用户的第h次谐波电流允许值，A；

Ih——按式(1)换算的第h次谐波电流允许值，A； Si——第i个用户的用电协议容量，MVA；

St——公共接点的供电设备容量，MVA； α——相位迭加系数，按表3取值。表3h 3 5 7 11 13

9(>13)偶次

α

1.1 1.2 1.4 1.8 1.9 2

四、谐波电流发生量 4.1整流装置谐波电流理论值

整流装置谐波有特征谐波和非特征谐波之分，特征谐波是指整流装置运行于正常条件下所产生的谐波。正常条件下的电源为三相对称系统，供电回路为三相对称回路。对于可控硅整流装置而言，各相控制角及特性没有差异。若整流装置运行于非正常条件下除产生特征谐波外，还产生非特征谐波。

特征谐波具有间断性幅值频谱，其谐波次数由整流相数决定。可以用一个简单的通式来表达。如以p代表相数（脉波数），k为正整数，则特征谐波次数为n=kp±1。

特征谐波幅值大小与重迭角γ和控制角α及容量有关，工程应用可由曲线查得。

非特征谐波可能具有连续的幅值频谱，其谐波次数不可能用一个简单的通式来表达。非特征谐波幅值大小虽可从理论上加以推导，但很困难且不准确。通常数值不大，工程上可取In=（0.15～0.2）I1/n。但个别工程由于整流装置的控制角误差而引起的非特征谐波值很大，甚至比特征谐波值还大。这时应调整整流装置的触发系统，使非正常谐波值减小。否则，谐波滤波装置的组数需增加，投资需增大。4.2交流电弧炉谐波电流发生量

炼钢电弧炉在熔化期间内，由于电弧特性是非线性的，将产生大量的谐波电流，而且三相电流不平衡，具有较多的3次谐波。从电流波形看出，正负两部分也是不对称的，说明还存在偶次谐波。主要是2次谐波。

电弧炉谐波电流的频率是一组连续频谱，其中整数谐波2、3、4、5、6、7次的幅值较大，而非整数次幅值较小。

在熔化期内，谐波电流随电弧电流变化，其峰值与均方根值相差很大。谐波滤波装置设计不宜采用瞬时峰值，应按最严重一段时间内的谐波电流平均值考虑。对一运行的电弧炉，最好通过测试取得。对新建或无条件测试的可参考表三选取。表4n 1 2 3 4 5 6 7

In/I1 100 7~11 8~13 4~6 5~7 2~3 2~3

五、谐波治理方法

5.1增大供电系统对谐波的承受能力；提高系统的短路容量；采用较高电压供电。

5.2减小谐波发生量：增加整流装置的脉动数、增大换向电抗、改善触发对称度；同类型非线性负荷尽量集中供电，利用谐波源之间的相位不同相互抵消部分谐波。

5.3避免谐波放大和谐振，选择合适的电容器组参数或采用合适参数串联电抗器。5.4安装电力谐波滤波装置 加大系统的短路容量难以实现，增加整流器的等效相数也受到限制，当等效相数超过12相时，需增加移相设备，同时会带来维修运行上的不便，安装谐波滤波装置就成了首选。谐波滤波装置既能消除谐波，又能补偿无功功率，提高功率因数，具有显著的经济效益。5.5抑制快速变化谐波的措施

快速变化的谐波源(如电弧炉、电力机车、晶闸管供电的轧机、卷扬机等)除产生谐波外，往往还引起供电电压的波动和闪变，抑制快速变化谐波的技术措施就是在谐波源处并联装设静补装置，又称动态无功补偿装置。静补装置的基本结构是由快速可变的电抗器或电容器组合而成。

目前技术上较成熟，工程上应用较多的有下述四种基本形式：

1.自饱和电抗器；2.晶闸管控制电抗器；3.晶闸管控制高漏抗变压器；4.晶闸管投切电容器。

我公司开发的“晶闸管过零触发装置”专利技术，应用于晶闸管投切电容器动态谐波滤波装置，其动态响应速度达到了晶闸管控制电抗器动态谐波滤波装置性能，其对谐波的吸收效果优于晶闸管控制电抗器动态谐波滤波装置。5.6有源电力滤波器

有源电力滤波器是运用电力电子技术，向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相同、方向相反的电流，使流入电源的总谐波电流为零。

目前国内有源电力滤波器产品功率较小，价格较高，尚未大量使用。

有源电力滤波器技术是谐波治理技术的发展方向。

六、电力高次谐波滤波装置 6.1谐波滤波装置谐波器支路种类 谐波滤波器大致分为以下几种：（图一)a：单调谐谐波滤波器：频带窄，滤波效果好，损耗小，调谐容易，是使用最多的一种类型。

b：双调谐谐波滤波器：可代替两个单调谐谐波滤波器，只有一个电抗器（L1）承受全部冲击电压，但接线复杂，调谐困难，仅在超高压系统中使用。

c：一阶高通谐波滤波器：因基波损耗大，一般不采用。d：二阶高通谐波滤波器：通频带很宽，滤波效果好，但损耗比单调谐大，通常用于较高次谐波。

e：三阶高通谐波滤波器：电容器利用率较高，基波损耗小，但滤波效果不如二阶高通谐波滤波器，一般用于电弧炉滤波。

f：“C”式高通谐波滤波器：性能处于二阶和三阶高通谐波滤波装置之间，R的基波损耗最小，适用于电弧炉谐波滤波装置。

最常用的谐波滤波器为单调谐谐波滤波器和二阶高通谐波滤波器。

6.2 谐波滤波器的原理

我们以单调谐谐波滤波器为例来介绍一下谐波滤波装置的原理：（图二）

流入系统的谐波电流为：Isn=In×Xfn/（Xfn+Xsn）其中：

In——谐波电流发生量； Isn——流入系统的谐波电流； Xsn——系统的谐波阻抗； Xfn——谐波滤波器的总谐波阻抗。

谐波滤波器的总谐波阻抗为：Xfn=Rfn+j（2πfL－1/（2πfC））其中：

Xfn——谐波滤波器的总阻抗； Rfn——谐波滤波器的总电阻 f——流过谐波滤波器的电流的频率 L——电抗器的电感量 C——电容器的电容量

当在某次谐波下2πfL—1/（2πfC）=0时，Isn=InRfn/（Rfn+Xsn）。

一般地，Rfn＜＜Xsn，此时Isn＜＜In。

谐波电流绝大部分流入谐波滤波器，极小部分流入系统。这就是谐波滤波装置吸收谐波的原理。6.3谐波滤波装置的设置原则 谐波滤波装置的设置原则如下：

a、谐波滤波装置投运后，系统电压总畸变率和流入系统电流必须满足国家颁布的谐波管理规定。

b、谐波滤波装置可安装在总降变电所或车间。安装于总降变电所可实现集中滤波和无功补偿。安装于车间可实现无功就地补偿。两者各有利弊。

c、谐波滤波装置设计应考虑背景谐波和近期发展的非线性负荷。留有一定裕量。6.4谐波滤波装置设计步骤

6.4.1设计谐波滤波装置时用户应提供以下资料：

a、公共连接点（P.C.C.点）的最小短路容量(Sk1，MVA)。b、变压器铭牌参数。c、每台用电设备容量。

d、谐波源设备工作方式(整流方式、工作原理)e、最好能提供实测电能质量参数。6.4.2谐波滤波装置容量的确定 谐波滤波装置总容量确定的基本原则：

a、满足滤波效果的要求，即保证流入系统的各次谐波电流和母线上的综合电压畸变率在国标（GB/T14549-93）规定的范围之内。b、谐波滤波装置的基波无功输出要满足无功功率补偿的需要量。在满足上述技术要求前提下，装置容量不宜过大。一则会使投资增加，二则会使母线或系统电压升高。6.4.3谐波滤波装置的支路设置

谐波滤波装置一般分为几个支路，根据谐波发生量的次数和大小设置各支路的参数，在满足负载无功补偿需要量、满足公共连接点（P.C.C.点）的电压畸变率和流入系统各次谐波电流要求的前提下，要避免在某次谐波频率下产生并联电流谐振，以保证谐波滤波装置的长期安全运行。

谐波发生量的次数和大小由现场测试或理论计算确定。现场测试能准确测量出系统中存在的谐波量的次数和大小，为谐波滤波装置的设计提供准确的参数。6.4.4谐波滤波装置的结构和性能

谐波滤波装置由滤波电容器、调谐电抗器、微电感电阻器、柜架、开关柜等主要设备组合而成。一般装有2—4个单调谐谐波滤波装置，有时包括一个高通谐波滤波装置或“C”式谐波滤波装置，依不同场合具体参数优化设计而定。6.5谐波滤波装置的运行操作与维护保养

a、滤波装置必须严格按照设计要求进行运行操作，投入谐波滤波装置从低次往高次，切除谐波滤波装置从高次往低次。b、高压谐波滤波装置运行时，任何人不得进入安全网门内。谐波滤波装置切除后，经10分钟放电，并进行可靠接地后，安全网门内方可进入。

c、当谐波滤波装置室温度超过规定值时，应启动降温设备。d、滤波电容器和调谐电抗器应定期测量C（uf）、tgδ、L（mh）、绝缘电阻等。

e、谐波滤波装置室应定期清扫，遇有风雪或风沙天气，应关闭门窗。

我公司拥有多套谐波滤波装置的设计、制造、安装、调试、运行经验。我们愿为您提供以下服务： a、谐波在线测量

包括各种非线性负荷的谐波电流发生量、引起供电线母线电压正弦波形畸变率、电力系统背景谐波等。b、谐波评估

实测或理论计算谐波发生量及其危害的预测，并提出治理的初步方案。

c、滤波装置的优化设计

包括设备参数选择、最佳系统设计和主要组件的设备设计以及工厂设计。

d、提供滤波装置成套设备，并进行设备安装或安装指导。e、滤波装置现场调谐试验。f、现场装置的指标考核。

第二篇：电网高次谐波问题分析

电网高次谐波问题分析

梁晓红1，李贞2

（1．平顶山工业职业技术学院电力工程系，河南平顶山；2．平顶山工业职业技术学院电力工程系，河南

平顶山）

摘要：文中对电网高次谐波的产生及危害进行了阐述，介绍了电网谐波分析的一种常用数学基础——小波分析法，并通过装设滤波器等抑制方法阻止高频谐波进入电网，保证电网供电质量。关键词：电网；高次谐波；小波分析；无源滤波器

在电力系统中，供电波形畸变是影响电能质量的重要因素之一。近年来，各工矿企业大量采用各种晶闸管整流装置、变频装置以及交流电力调整装置，增大了电网的非线性负载，再加上电网本身存在的非线性元件，均向电网注入了大量的高次谐波。高次谐波是一个周期电气量的正弦波分量，周期性的非正弦交流电进行傅里叶级数分解可得基波（其频率与工频相同）以及频率为基波频率整数倍的各次谐波，基波以外的各次谐波通常称为“高次谐波”。电网中高次谐波的出现是造成波形畸变的主要原因。

一、高次谐波危害

电网高次谐波的危害主要有以下方面：

1、引起电网中局部并联谐振或串联谐振，放大谐波电压或谐波电流；

2、加速电容器介质老化，还可导致电容器成倍地过负荷，出现异常声响、熔丝熔断、“鼓肚”等现象，严重时导致其他设备无法正常运行，不得不将电容器组断开，电网被迫在低的功率因数下运行；

3、增加附加损耗，降低发电、输电及用户设备的效率；

4、使继电保护及其自动装置误动作，导致电气测量仪表计算误差增加。谐波电流能影响甚至破坏利用电力线路作为联系通道的远动装置的动作。母线电压的畸变，还能引起整流设备触发脉冲控制装置的触发周期不稳定，使晶闸管阀的触发角或触发时间间隔不相等，影响整流设备的正常运行；

5、谐波对邻近的电话线路产生了静电感应和电磁感应，造成其对通信系统产生严重干扰，轻则降低信号的传输质量，重则导致信息丢失。

由于这些非线性负载的增加，引起高次谐波这一电网公害，导致电网电压正弦波形严重畸变。我国于1993年颁布了谐波管理的国家标准《电能质量公用电网谐波》，明确规定了用户注入电网的谐波电流的允许值和在电网公共连接点处产生的电压畸变值。当超过标准时，必须采取相应的抑制措施，从根本上解决谐波污染问题。

二、高次谐波数学分析方法

电力电子装置所产生的高次谐波污染，已日渐成为阻碍电力电子技术发展的重大问题。实时谐波检测，对谐波问题进行研究，前提是研究谐波测量的数学分析方法。

电网中的电流和电压等物理量，无论其是否为正弦量，都可作为信号（非正弦周期函数）进行分析处理，其数学基础方法是傅里叶级数展开和傅里叶变换。在实际系统中，波形大都可以用解析式表示，有些波形则不能用解析式表示，此时，均可以采用将此周期函数离散化的处理方法，转化为时间函数，采用离散傅里叶变换（DFT）和快速傅里叶变换（FFT）计算出各次谐波值。在此基础上，小波分析是近年来数学研究成果之一，因其在理论上的完美性和应用上的广泛性，使小波分析在信号处理、图像分析、模式识别等领域中得到了广泛应用。

小波分析可以根据波形不同的频率成分，在时域和空间域自动调节取样的疏密；频率高时，则密；频率低时，则疏。基于小波分析这些优秀特性，研究人员可以观察波形的任意细节并加以分析。小波变换及性质可定义为函数h(x)LR如果满足以下的容许条件：

2ˆh()2d

（1-1）

则称h(x)是一个基本小波或小波母函数，而称

ha,b(x)a12xbh,(a,bR,a0)

（1-2）

a式（1-2）为由小波母函数Φ(x)生成的依赖于参数a和b的小波。ha,b(x)也可以看成是由h(x)经伸缩平移后得到的一个函数簇。小波变换中参数a、b有明确的物理意义，a是频率参数，b是时间参数。

小波变换的主要性能是其“变焦”性能，该特性能将高次谐波信号中各种不同频率成分分解在相应的时空域，并给出不同频率正弦波的相位。在有源滤波器的检测电路中，需要检测的只是除去基波外的所有畸变波形的含量，不需要分析出各次畸变波形的大小，但是实时性要求很高，而傅里叶变换能分析出各次畸变波形的分量，但实时性较差。小波变换是一种调和，不仅能实现实时，而且变换本身对波形的奇异点非常敏感，该特点可以用来跟踪那些变化非常突然的谐波信号，而这种信号正是高次谐波检测的难点。

三、抑制电网谐波的方法

抑制和消除高次谐波的目的，是为了使电网电压的畸变率不超过2%，电压的负序分量不超过正序分量的1%或1.5%，电压的零序分量不超过正序分量的1%时，电机可以保证正常运行。抑制谐波措施有以下几方面：

1、减少谐波源

具体措施是让系统整流设备容量远远小于系统短路容量，由于系统短路容量大，系统电抗小，因此系统电压畸变就小。

1）采用多脉冲波换流器，采用多相脉冲换流器以增加脉波数，可以大幅度地消除低次谐波，一般采用脉波数为12。少用半控桥式接线，因为这种接线所产生的谐波中含有不易处理的偶次谐波。

2）采用变压器相位移，比如三绕组变压器，通过二次绕组相位移30o电角度后，由两个格雷兹桥串联组成的换流器单元，脉波数提高为12。

3）受电变压器的一次和整流变压器的二次分别采取Δ型连接方式，这样做可消除3次、6次、9次谐波。

2、改进电气设备结构，提高抗谐波能力

在电网中，为了抵抗轴电流，电机采用接地电刷装置或轴承座加绝缘措施。电气设备采用叠片磁路，减少涡流损耗。同时，为了提高耐热能力，采用真空压力敷设V·P·I浸渍工艺措施，用于提高抗谐波能力。

3、装设滤波器

滤波电容器是指与有关器件，如电抗器、电阻器等连接在一起，对一种或多种谐波电流提供低阻通道的一种电容器。其作用是对某种谐波电流发生共振而被吸收，不注入电网。滤波器安装在非线性负载侧的母线上。

滤波器分为无源型和有源型。无源滤波器具有简单可靠维护方便等优点而被广泛使用，有源滤波器是新一代的谐波补偿装置，具有良好的补偿特性，能同时满足补偿谐波和无功功率要求，由于其价格较高维护复杂等缺点，在我国应用还不太广泛。

四、结语

电网高次谐波引起电网公害，导致供电质量下降，严重影响各种电气设备的安全运行。本文从高次谐波分析数学方法入手，阐述了高次谐波的抑制方法，如装设滤波器，通过这些措施，阻止这些高次谐波进入电网，达到了抑制谐波的目的。

参考文献：

【1】 潘志．近代分析数学基础．徐州：中国矿业大学出版社．1993年

【2】 任子晖．煤矿电网谐波分析与治理．徐州：中国矿业大学出版社．2003年 【3】 吴敬昌．电力系统谐波．北京：水利电力出版社．1988年

第三篇：谐波的产生原因和治理方式

谐波的产生原因和治理方式 供电系统中的谐波

在供电系统中谐波电流的出现已经有许多年了。过去，谐波电流是由电气化铁路和工业的直流调速传动装置所用的，由交流变换为直流电的水银整流器所产生的。近年来，产生谐波的设备类型及数量均已剧增，并将继续增长。所以，我们必须很慎重地考虑谐波和它的不良影响，以及如何将不良影响减少到最小。1 谐波的产生

在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是正弦波。

在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。因此畸变的电流波形可能有二次谐波、三次谐波„„可能直到第三十次谐波组成。2 产生谐波的设备类型

所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：开关模式电源(SMPS)、电子荧火灯镇流器、调速传动装置、不间断电源(UPS)、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。(1)开关模式电源(SMPS)：

大多数的现代电子设备都使用开关模式电源(SMPS)。它们和老式的设备不同，它们已将传统的降压器和整流器替换成由电源直接经可控制的整流器件去给存贮电容器充电，然后用一种和所需的输出电压及电流相适合的方法输出所需的直流电流。这对于设备制造厂的好处是使用器件的尺寸、价格及重量均可大幅度地降低，它的缺点是不管它是哪一种型号，它都不能从电源汲取连续的电流，而只能汲取脉冲电流。此脉冲电流含有大量的三次及高次谐波的分量。(2)电子荧光灯镇流器：

电子荧光灯镇流器近年被大量采用。它的优点是在工作于高频时可显著提高灯管的效率，而其缺点是其逆变器在电源电流中产生谐波和电气噪声。使用带有功率因数校正的型号产品可减少谐波，但成本昂贵。(3)直流调速传动装置：

直流电动机的调速控制器通常采用三相桥式整流电路，它也称作六脉冲桥式整流电路，因为在直流输出侧每周波内有六个脉冲(在每相的半波上有一个)。直流电动机的电感是有限的，故在直流电流中有300Hz的脉动波(即为供电频率的6倍)，这就改变了供电电流的波形。(4)不间断电源(UPS)：

根据电能变换方式和由外部供电到内部供电所用转换方式的不同，UPS有许多不同的类型。主要的类型有：在线的UPS、离线的UPS和线路交互作用的UPS。由UPS供电的负荷总是电子信息设备，它们是非线性的并且含有大量的低次谐波。

(5)磁芯器件：

在有铁芯的电抗器上的励磁电流和磁通密度之间的关系总是非线性的。如果电流波形是正弦波(亦即电路中串联的电阻很大)那么磁场中会有高次谐波，这被认为是强迫磁化过程。如果施加在线圈上的电压是正弦波形(亦即串联的电阻很

小)则磁通密度也将是正弦波形，而电流波形则含有高次谐波，这被认为是自由磁化过程。谐波引发的问题及解决措施

谐波电流在电源系统内以及装置内均会造成问题。但其影响和解决措施非常不一样，需要分别处理；适用于消除谐波在装置内不良影响的办法并不能减少谐波在电源系统内造成的畸变，反之亦然。

(1)装置内的谐波问题及解决措施：

有几个常见多发的问题是由谐波引起的：电压畸变、过零噪声、中性线过热、变压器过热、断路器的误动作等。

①电压畸变：因为电源系统有内阻抗，所以谐波负荷电流将造成电压波形的谐波电压畸变(这是产生“平顶”波的根源)。此阻抗有两个组成部分：电源接口(PCC)以后的电气装置内部电缆线路的阻抗和PCC以前电源系统内的阻抗，用户处的供电变压器即是PCC的一例。

由非线性负荷引起的畸变负荷电流在电缆的阻抗上产生一个畸变的电压降。合成的畸变电压波形加到与此同一电路上所接的全部其他负荷上，引起谐波电流的流过，即使这些负荷是线性的负荷也是如此。

解决的办法是把产生谐波的负荷的供电线路和对谐波敏感的负荷的供电线路分开，线性负荷和非线性负荷从同一电源接口点开始由不同的电路馈电，使非线性负荷产生的畸变电压不会传导到线性负荷上去。

②过零噪声：许多电子控制器要检测电压的过零点，以确定负荷的接通时刻。这样做是为了在电压过零时接通感性负荷不致产生瞬态过电压，从而可减少电磁干扰(EMI)和半导体开关器件上的电压冲击。当在电源上有高次谐波或瞬态过电压时，在过零处电压的变化率就很高且难于判定从而导致误动作。实际上在每个半波里可有多个过零点。

③中性线过热：在中性点直接接地的三相四线式供电系统中，当负荷产生3N次谐波电流时，中性线上将流过各相3N次谐波电流的和。如当时三相负荷不平衡时，中性线上流经的电流会更大。最近研究实验发现中性线电流会可能大于任何一相的相电流。造成中性线导线发热过高，增加了线路损耗，甚至会烧断导线。

现行的解决措施是增大三相四线式供电系统中中性线的导线截面积，最低要求要使用与相线等截面的导线。国际电工委员会(IEC)曾提议中性线导线的截面应为相线导线截面的200%。

④变压器温升过高：接线为Yyn的变压器，其二次侧负荷产生3N次谐波电流时，其中性线上除有三相负荷不平衡电流总和外，还将流过3N次谐波电流的代数和，并将谐波电流通过变压器一次侧流入电网。解决上述问题最简单的办法是采用Dyn接线的变压器，使负荷产生的谐波电流在变压器△形绕组中循环，而不致流入电网。

无论谐波电流流入电网与否，所有的谐波电流都会增加变压器的电能损耗，并增加了变压器的温升。

⑤引起剩余电流断路器的误动作：剩余电流断路器(RCCB)是根据通过零序互感器的电流之和来动作的，如果电流之和大于额定的限值它就将脱扣切断电源。出现谐波时RCCB误动作有两个原因：第一，因为RCCB是一种机电器件，有时不能准确检测出高频分量的和，所以就会误跳闸。第二，由于有谐波电流的缘故，流过电路的电流会比计算所得或简单测得的值要大。大多数的便携式测量仪表并

不能测出真实的电流均方根值而只是平均值，然后假设波形是纯正弦的，再乘一个校正系数而得出读数。在有谐波时，这样读出的结果可能比真实数值要低得多，而这就意味着脱扣器是被整定在一个十分低的数值上。

现在可以买到能检测电流均方根值的断路器，再加上真实的均方根值测量技术，校正脱扣器的整定值，便可保证供电的可靠性。(2)影响供电电源的谐波问题及解决措施：

《中华人民共和国电力法》指出：“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”，《供电营业规则》中规定：“用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点至正弦波畸变超过标准时，用户必须采取措施予以消除。”

由畸变电流造成的电压畸变取决于电源阻抗。阻抗愈大则由同一电流畸变所造成的电压畸变就愈大。对于10次以下的谐波而言，供电网络通常是感性的，所以电源阻抗就和频率成正比，谐波次数越高，所造成的畸变就越大。通常不可能减小供电系统的阻抗，所以需要采用别的步骤来保证电压畸变不超过限度。可能的解决方法有：装用谐波滤波器、装用隔离变压器和装用有源的谐波调节器。

①装用谐波滤波器：对于电动机控制器产生的谐波，谐波的形状很分明，可以用滤波器来降低谐波电流。对于六脉冲的控制器，滤波器可去掉20%的五次谐波以及全部的高次谐波，对基波影响甚微。为了避免增益顶峰靠近谐波，必须用解谐的滤波器，而且可能需装多个滤波器。在12脉冲桥路中最低次的谐波是11次的，此时情况比较简单。

②装用隔离变压器：均衡的三次谐波电流传回到电源去的问题可以用一台Dyn接法的隔离变压器来削弱。使用这种变压器时，通常装设一个旁路的电路以避免在进行变压器的维护工作时长时期地对负荷停止供电。在这种情况下，应采用中性线有足够大的通用四芯馈线。在重要的配电系统中，有时把隔离变压器就地装在每一配电盘上，使3N次谐波电流与配电系统相隔离。隔离变压器要适当提高额定值，否则也会产生电压畸变和过热。

③装用有源的谐波调节器：由变流器/逆变器产生的边频带和谐波不能很好地用普通的滤波器来滤除，这是因为边频带上的频率是随传动装置的速度而变化的，并且时常很接近于基波频率。目前有源滤波器日益推广应用，它在工作时主动地注入一个电流来精确地补偿由负荷产生的谐波电流，就会获得一个纯粹的正弦波。这种滤波设备的工作靠数字信号处理(DSP)技术来控制快速绝缘栅双极晶体管(IGBT)。因为设备是与供电系统并联工作的，它只控制谐波电流，基波电流并不流过该滤波器。如果所需过滤的谐波电流比滤波器的容量大的话，它只是简单地起限制作用而使波形得到部分的纠正。

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。

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。谐波实际上是一种 干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般 为2≤n≤40。

谐波是怎么产生的？

电网谐波来自于3个方面：

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，发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，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 7次的谐波，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。

第四篇：高次谐波及其抑制措施

高次谐波及其抑制措施

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2006-05-23 09:21:47

来源：电子查询网

以前，人们基本上只根据电压的幅值和周波的稳定性来衡量电能的质量。近年来，随着工业生产的发展，尤其是冶金、化工产品的开发、电气铁道系统的不断扩大，以及电力电子技术的迅速发展，各种整流装置、频率变换装置得到广泛应用，大量的非线性负荷接入电网，使得电网电压已不是人们所想象的正弦波，而是发生了较大畸变，即产生了高次谐波。高次谐波污染电网，会引起各种电气设备过热、振动、产生噪音甚至损坏，还会引起计量仪表失准，或导致继电保护装置误动作，造成重要的生产过程中断甚至重大事故的发生。所以近10多年来，世界上许多国家已相继把电网电压中高次谐波的含量当作衡量电能质量的一项重要指标。在谐波抑制技术方面，有了许多成果，由交流电抗器和电容器组成的无源滤波器国内外均已大量应用到工程保护项目中，而有源电力滤波器的初步应用实践表明这一新型的谐波抑制装置有着更为广阔的发展前景。1 谐波及其产生

按国际上公认谐波定义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波的倍数”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称它为高次谐波。

除了特殊情况外，谐波的产生主要是由于大容量电力和用电整流或换流，以及其他非线性负荷造成的。这些电力或用电设备从电力系统中吸收的畸变电流可以分解为基波和一系列的谐波电流分量。其谐波电流值实际上和50 Hz基波电压值和供电网的阻抗几乎无关。因此，对大多数谐波源视作为恒流源，它们与50 Hz基波不同，后者一般是恒流源。现代电力系统中发电机和变压器在正常稳态运行条件下，它们本身不会造成电网中电压或电流的较大畸变，虽然在暂态扰动时（例如系统发生短路故障时、切合空载或空载投入变压器时）以及超出其正常工作条件时（例如变压器运行在其额定工作电压以上时）将可能增大其产生的谐波含量。

系统中主要的谐波源是各种整流设备、交直流换流设备、电子电压调整设备、电弧炉、感应炉、现代工业设施为节能和控制使用各种电力电子设备、非线性负荷以及多种家用电器和照明设备等。电气铁道机车采用的大容量单相整流供电设施，除了产生大量谐波电流外，还对三相交流供电系统产生不平衡负荷和负序电流、电压。这些负荷都使电力系统的电压和电流产生畸变，并对电力设备和广大用户设备及通信线路产生危害或干扰影响。值得注意的是电视机也是一个谐波源，据测试，黑白电视机的谐波总含量达基波电流的90%，而彩色电视机的谐波电流更高，达基波电流的122%，它们的单台容量虽然不大，但数量众多，且大都在同一时间投入使用，其造成的谐波危害不容忽视。

由于谐波的危害性，所以许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。世界各国所制定的谐波标准大都比较接近。国家技术监督局于1993年发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》，该标准从1994年3月1日起开始实施（下面内容均引自该标准）。表1表示各级电压波形畸变率及各次谐波电压含量的限制。

为了控制电网的谐波电压，必须限制每个谐波用户注入电网的谐波电流。标准对谐波电流也作了限制（本文仅摘录其中部分奇次谐波限值）。

 公用电网公共接地点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（均方根值）不应超过表2中规定的允许值。2 谐波抑制技术

抑制电力系统谐波，主要有以下两方面的措施。

(1)减少谐波源产生的谐波含量 这种措施一般在工程设计中予以考虑，最有效的办法是增加整流装置的脉波数，常用于大型整流装置中。

(2)在谐波源附近安装滤波器 就近吸收谐波电流，由交流电抗器和电容器组成的无源滤波器国内外已大量应用到工程实际中，而有源电力滤波器的初步应用实践表明这一新型的谐波抑制装置有着更为广阔的发展前景。

无源滤波器利用电路的谐振原理，即当发生对某次谐波的谐振时，装置对该次谐波形成低阻通路，而达到滤波的目的。在结构上它是由电力电容器、电抗器和电阻经适当组合而成，运行中与谐波源并联，除起滤波外还兼顾无功补偿的需要。无源滤波器结构简单，造价低，运行费用也低，在吸收高次谐波方面效果明显。但由于其结构原理上的原因，在应用中也存在着一些难以克服的缺点：

①抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的谐波效果明显，而对偏离调谐点的谐波无明显效果，而实际工程设计时考虑设计投资又不可能靠增加滤波器的方法解决。

②当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备。而且滤波效果随系统运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差。

③当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生并联谐振，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行。例如1978年底建成的武钢1700 mm热轧带钢厂成套引进工程，在设备试运行期间就曾发生过精轧主传动装置与3次谐波滤波器谐振的事故百余次。

国内外的设计研究人员均注意到无源滤波器设计和运行中存在的问题，虽然采取了一系列的措施，但因无源滤波器在原理上带来无法克服的缺点，有必要采用其他滤波方式来抑制谐波，有源滤波器就是一种新型的谐波抑制装置。

有源电力滤波器的工作原理的整体构成如图1所示。

图1中的检测及控制电路对负载电流进行检测，分离出谐波及基波无功部分，用以控制主电路输出相应的补偿电流。而负载电流il按傅里叶级数展开为：

式中，i1q为基波有功电流；i1q为基波无功电流；ih为高次谐波电流。θl是基波电流初相位，θn为n次谐波初相位。

在图1中，il=is+ic即负载电流由系统电源电流is和有源滤波器输出的电流ic共同提供，如果控制有源电力滤波器的输出电流，使ic=ih,则系统电源中就只需供给基波电流（有功与无功）了，即is=i1q+i1q,从而达到抑制谐波目的。简单说，有源电力滤波器只要产生一个与负载谐波幅值相等，相位相同（在图示参考方向下，若取is和il参考方向和图中相反，ic参考方向与图中相同，则相位相反）的电流注入谐波源，即可将谐波抵消掉，使之不会流入系统电源。由上述分析我们还可知，有源电力滤波器还可同时补偿无功功率，这时只需使ic=ih+i1q，则is=i1q,即系统电源中就只需供给负载电流中的基波有功电流，这样图1中的is就是补偿了谐波和基波无功电流后的系统电源供给的电流。 3 高次谐波和无功电流的检测及控制

有源滤波器的效果如何，取决于如下3个方面：

(1)高次谐波和无功电流的正确检测；

(2)补偿电流的控制方案；

(3)主电路的结构。

要使滤波器有很好的滤波效果，第一步我们必须正确检测出高次谐波和无功电流，如果这一步都做不好的话，下面的设计就无从谈起。现在的检测法主要有3种：

(1)频率分析法该方法利用快速傅里叶变换，把负载电流中欲抵消的分量检出，再合成总的补偿电流。这种方法运算量相当大，当谐波的次数较高，微机的适时计算有困难，难以满足准确、实时性的要求。

(2)瞬时无功功率理论基于瞬时无功功率理论的电流检测法理论比较成熟，如图2所示，它采用p-q法，将三相瞬时电压和电流变换到二相正交的α-β坐标上，得到二相瞬时电压和瞬时电流，然后根据定义得到瞬时有功功率p和瞬时无功功率q，再经过滤波器，滤波器可用高通滤波器，让高次谐波通过，而抑制基波部分，也可以用低通滤波器从瞬时功率中取出基波有功成分，把它变换成三相基波电流，再用三相负载电流减去这三相基波电流，再经反变换即得三相补偿电流。 

此种方法优点是能快速跟踪补偿电流，进行适时补偿，缺点是成本高，系统损耗大，特别当补偿谐波次数较高时，需要较高的PWM控制开关频率。

(3)自适应用检测法、预测检测法、基于滑模原理的方法等。

以上是检测电流的方法，电流检测出后，我们还必须对补偿电流进行控制，它也有3种控制方法，这3种方法各有优劣。

(1)滞环控制可获得较好的控制性能，兼有快速响应，开关频率不太高和简单易行的特点，被广泛使用。

(2)三角波载波线性控制利用一个三角波和高次谐波比较从而得到不同时刻逆变器的开关状态。此方法的响应速度快，缺点是开关频率不固定且较高，产生噪声和造成较大的开关损耗及高频失真。

(3)无差拍控制是一种在电流滞环比较控制技术基础上发展起来的全数字化控制技术。该方法利用前一时刻的补偿电流参考值和实际值，计算出下一时刻的电流参考值及各种开关状态下逆变器电流输出值，选择某种开关模式作为下一时刻的开关状态，从而达到电流误差等于零的目标。该方法的优点是能够快速响应电流的突然变化；缺点是计算量大，而且对系统参数依赖性较大。

随着高速DSP(数字信号处理机)芯片的应用，近年来不断有新的改进方法出现。4 结语

电力系统中的谐波“污染”已经十分的严重，日本作为电力电子技术最发达的国家，有源电力滤波器已经到了普及应用阶段。在我们国家，现在很多的大学和科研机构都在进行谐波抑制技术方面的研究，已经取得了很大的进展。相信在不久的将来，我们也会开发出适合我国国情的谐波抑制装置。参考文献 1王兆安，等.谐波抑制和无功功率补偿.北京：机械工业出版社，1998 2秦梅，等.三相平衡和不平衡系统中有害电流的检测技术.电工技术杂志，2000 3胡铭，等.有源滤波技术及其应用.电力系统自动化，2000 4王晓毛.基于DSP有源电力滤波器的研究.广东工业大学硕士学位论文，2000 5赤木教授.有源电力滤波器全数字控制系统的调试要点.冯垛生译（日）.东京工业大学，2002

第五篇：谐波如何产生范文

谐波如何产生？

答：向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。

谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次谐波。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备，例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源。各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关，称为该电路的特征谐波。除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，如果5，7，11，13次等。如直流侧电流波纹较大，则5次谐波幅值将增大，其余各次谐波幅值将减少。当电网接有多个谐波源时，由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同，其和将小于各分量的算术和。变压器激磁电流中含有3，5，7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法，为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相激磁电流不平衡时，可使3次谐波的残余分量(最多可达20%)进入电网。