电网中高次谐波的危害及抑制措施（5篇范例）

第一篇：电网中高次谐波的危害及抑制措施

电网中高次谐波的危害及抑制措施

摘要：

电力电子技术的应用推动了近代电力系统的发展，但同时也给电力系统带来了严重的谐波污染问题。高次谐波已成为电力系统的一大“公害”，必须采取有效的措施来加以抑制。本文介绍了电网中谐波污染的原因及对系统设备造成的危害，并探讨了其有效的抑制方法。

关键词：

高次谐波;电网;谐波抑制 引言

随着电力电子器件及微电子技术的迅速发展，大量的非线性用电设备广泛应用于冶金、钢铁、能源、交通、化工等工业领域，如电解装置、电气机车、轧钢机械和高频设备等接入电力网，是电网的谐波污染状况日益严重，降低了系统的电能质量。

1.谐波产生的原因

电力网中的谐波有多种来源，在电力的生产，传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。

在其它几个环节中，谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备：(1)具有铁磁饱和特性的铁芯没备，如：变压器、电抗器等；(2)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；(3)以电力电子元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等，它们大量的用于化工、电气铁道，冶金，矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。以上这些非线性电气设备(或称之为非线性负荷)的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们只有其电流不随着电压同步变化的非线性的电压、电流特性，使得流过电网的电流是非正弦波形的，这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成，即产生了谐波，使电网电压严重失真，此外电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。

接入低压电力系统的非线性设备产生的谐波电流可分为稳定的谐波和变化的谐波两大类。稳定的谐波电流是指由这种谐波的幅度不随时间变化，如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波，这类设备对电网来说表现为恒定的负载。由激光打印机、复印机、微波炉等产生的各次谐波的幅值随时间变化，称之为波动的谐波，这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。

随着电力电子设备使用的不断增加，同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅，所以目前它们是供电系统中的主要谐波源。

2.谐波的危害

大量谐波电流流入电网后，由电网阻抗产生谐波压降，叠加在电网基波上，引起电网的电压畸变，致使电能质量变差。当注入公用电网的谐波超过一定值时，会对电网自身及用电设备的正常运行造成损害：在某些时段会使注入到电网的谐波电流对公用电网造成的谐波问题特别突出，这不但使接入该电网的设备无法正常工作，甚至造成故障，而且还会使供电系统中性线承受的电流超载，影响供电系统的电力输送。因此谐波问题得到各有关方面的高度重视。

电网中的谐波危害主要表现在以下几个方面。

ⅰ 增加了发、输、供和用电设备的附加损耗，使设备过热，降低设备的效率和利用率。

(1)对旋转电机的影响

谐波对旋转电机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使在旋转电机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。在供电系统中，用户的电动机负荷约占整个负荷的85%左右。因此，谐波使电力用户电动机总的附加损耗增加的影响最为显著。试验表明，在额定出力下持续承受为3%额定电压的负序电压时，电动机的绝缘寿命要减少一半。因此，国际上一般建议在持续工作的条件下，电动机承受的负序电压不宜超过额定电压的2%。

谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大，但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电机转轴扭曲振动的问题。这种振荡力矩使汽轮发电机的转子元件发生扭振，并使汽轮机叶片产生疲劳循环。

(2)对变压器的影响

谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对星形连接的变压器，当绕组中性点按地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振，使变压器附加损耗增加。

(3)对输电线路的影响

由于输电线路阻抗的频率特性，线路电阻随着频率的升高而增加。在集肤效应的作用下，谐波电流使输电线路的附加损耗增加。在供应电网的损耗中，变压器和输电线路的损耗占了大部分，所以谐波使电网网损增大。谐波还使三相供电系统中的中性线的电流增大，导致中性线过载。输电线路存在着分布的线路电感和对地电容，它们与产生谐波的设备组成串联回路或并联回路时，在一定的参数配合条件下，会发生串联谐振或并联谐振。当注入电网的谐波的频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，会激励电感、电容产生部分谐振，形成谐波放大。在这种情况下，谐波电压升高、谐波电流增大将会引起继电保护装置出现误动，以至损坏设备，与此同时还可产生相当大的谐波网损。

(4)对电力电容器的影响

随着谐波电压的增高，会加速电容器的老化，使电容器的损耗系数增大、附加损耗增加，从而容易发生故障和缩短电容器的寿命。另一方面，电容器的电容与电网的感抗组成的谐振回路的谐振频率等于或接近于某次谐波分量的频率时，就会产生谐波电流放大，使得电容器因过热、过电压等而不能正常运行。

ⅱ 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性

谐波对电力系统中以负序(基波)量为基础的继电保护和自动装置的影响十分严重，这是由于这些按负序(基波)量整定的保护装置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加上谐波的干扰(如电气化铁道、电弧陆等谐波源还是负序源)则会引起发电机负序电流保护误动(若误动引起跳闸，则后果严重)、变电站主变的复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动，母线差动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障录波器、自动准同期装置等发生误动，严重威胁电力系统的安全运行。

ⅲ 使测量和计量仪器的指示和计量不准确

由于电力计量装置都是按50Hz的标准的正弦波设计的，当供电电压或负荷电流中有谐波成分时，会影响感应式电能表的正常工作。这部分谐波电能不但使线性负荷性能变坏，而且还要多交电费。ⅳ 干扰通信系统的工作

电力线路上流过的3、5、7、11等幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合，在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发电话铃响，甚至在极端情况下，还会威胁通信设备和人员的安全。另外高压直流(HVDC)换流站换相过程中产生的电磁噪声(3-10kHz)会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。

ⅴ 对用电设备的影响

谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。对于带有启动用的镇流器和提高功率因数用的电容器的荧光灯及汞灯来说，会因为在一定参数的配合下，形成某次谐波频率下的谐振，使镇流器或电容器因过热而损坏。对于采用晶闸管的变速装置，谐波可能使晶闸管误动作，或使控制回路误触发。

3.谐波的抑制措施

3.1 传统的抑制方法

① 增加换流装置的相数

换流装置是电力系统的主要谐波源之一。理论分析表明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk±1和pk(p为整流相数或脉动数，k为正整数)。当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效的消除幅值较大的低频项，(其特征谐波次数分别为12k±1和12k)，从而大大地降低了谐波电流的有效值。

② 增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力

在技术经济分析可行的条件下，可以在谐波源处装设动态无功补偿装置：静止无功补偿装置(SVC-Static Var Compensator)或更先进的静止同步补偿装置(STATCOM Static SynchroncusCompensator)，以获得补偿负荷快速变动的无功需求、改善功率因数、滤除系统谐波、减少向系统注入谐波电流、稳定母线电压、降低三相电压不平衡度等，提高供电系统承受谐波的能力。

③ 加装交流滤波装置

采用交流滤波装置在谐波源附近吸收谐波电流，降低连结点的谐波电压，是一支谐波污染的一种有效措施。滤波装置由R、L、C等元件组成串联谐振电路，利用其串联谐振时阻抗最小的特性，这样就消除5、7、11等高次谐波。

④ 防止并联电容器组对谐波的放大

在电网中并联电容器组能起到改善无功功率因数的作用。当谐波存在时，在一定的参数下，它会对谐波有放大作用危及电容器本身和附近电气设备的安全。可以采取改变电容器的串联电抗器，避免电容器对谐波的放大。

3.2 新型的谐波抑制措施

有源电力滤波器（APF），是一种新型谐波抑制和无功补偿装置，它不同于传统的LC无源滤波器（只吸收固定频率的谐波），它能对电流和频率都在变化的无功进行补偿，可以实现动态补偿。

图1为最基本的有源电力滤波器，图中，es表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分构成，即谐波和无功电流检测电路以及补偿电流发生电路。其基本工作原理时，检测补偿对象的电流和电压，经谐波和无功电流检测电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最总得到期望的电源电流，达到了抑制谐波的目的。

有源滤波器按其接入电网的方式，可分为串联有源滤波器和并联有源滤波器两大类。目前实际应用的AFP装置中，90％以上是采用电压逆变器的并联型结构。近年来，为了发挥有源滤波器的优势，提高性能，减少容量，降低成本，增强适用性，又设计出了串、并联混合型的有源滤波器。即有源滤波器APF和无源滤波器PPF构成混合滤波系统HPFS，用PPF滤除谐波电流，再用APF来改善滤波效果，并抑制串联谐振的发生。为了适应有源滤波器多功能复杂控制的需要，一些变结构控制、模糊控制和人工神经网络等现代的新型控制方法的应用，使其获得了更好的控制性能和效果。目前常用的PWM生成方式有：三角波比较法，滞环控制法，预测控制法，特定消谐法和空间矢量法。因此，通过PWM调制和开关频率的多重化技术的提高，能够实现对高次谐波的有效补偿。当有源滤波器的容量不大时，通常采用IGBT和PWM技术进行谐波补偿；当容量很大时，采用GTO以及多重化技术进行谐波补偿，效果比较显著。

4．结束语

谐波污染是伴随电力工业的诞生就存在的。近年随着电子工业的飞速发展，大量非线性负荷在电力系统的出现，致使谐波污染愈加严重。常规的抑制措施并没有有效地减少电网谐波。有源滤波器APF的广泛应用，尤其是与无源滤波器构成混合滤波系统，使电网电能质量有了相当大的提高，值得继续推广和应用。

第二篇：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

第三篇：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

第四篇：浅析供电系统中谐波的危害及其抑制措施

浅析供电系统中谐波的危害及其抑制措施

[摘 要]简要论述了谐波是如何产生的，为什么谐波的出现会影响电力设备，以及总结和提出了抑制谐波的措施。

[关键词] 电力谐波 危害 抑制措施谐波是怎样产生的

电力系统的谐波是电力系统电压波形产生畸变的表征。谐波的产生来自于电力电子设备、非线性阻抗设备和其它方面的干扰。

其中电子设备谐波源的基本元件大部分采用非线性元件，工作波形为非正弦波，有的产品是切削正弦波执行工作的，如可控硅整流电源等；有的产品是将直流源变换成方波工作，如变频器、开关电源等。这些产品与电力系统发生关系时，都能使电力系统的基波产生大量的畸变。而非线性阻抗设备常利用感抗涡流工作或利用容性电离做功，如电焊机、电抗器、感应炉、电弧炉等，这些产品在运行时可使电流产生大幅度地浪涌、尖脉冲，造成电力系统的基波产生畸变，形成电源污染。

2电力谐波造成的危害

对于电力系统来说，电力谐波的危害主要表现有以下几方面：

2.1 增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益。

由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍，高频电流流过导体时，因集肤效应的作用，使导体对谐波电流的有效电阻增加，从而增加了设备的功率损耗、电能损耗，使导体的发热严重。2.1.1增加输电线路的功耗

谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路会造成绝缘击穿。由于谐波次数高频率上升，再加之电缆导体截面积越大趋肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。与架空线路相比,电缆线路对地电容要大１０～２０倍，而感抗仅为其１／３～１／２，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿。

2.1.2对变压器的危害

谐波会大大增加电力变压器的铜损和铁损，降低变压器有效出力，谐波导致的噪声，会使变电所的噪声污染指数超标，影响工作人员的身心健康。由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，有时还发出金属声。2.1.3对电力电容器的危害 含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。

2.2 影响继电保护和自动装置的工作可靠性

特别对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。

2.3 对用电设备的危害

①电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。

此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响，它已经成为当前电力系统中影响电能质量的大公害。

②感应电动机。

和变压器中的道理一样，谐波畸变会加大电动机中的损耗。然而，由于励磁磁场的谐波会产生附加的损耗，每个谐波分量都有自身的相序(正序、逆序、零序)，它表示旋转的方向(在感应电动机中相对于基波磁场的正向而言的)。

谐波次数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

相

序 ＋－ 0 ＋－ 0 ＋－ 0 ＋ － 0

零序谐波(3次及3的倍数，即“3N”次谐波)产生不变的磁场，但是因为谐波频率较高，故磁性损耗大大增高而将谐波能量以热的方式放出。负序的谐波产生反方向旋转的磁场(相对于基波而言)，而使电机的力矩下降，并和零序谐波一样，产生更多的损耗。正序谐波产生正向旋转磁场来加大力矩，它和负序分量一起，可造成电机的振动而降低电机寿命。2.4影响电网的质量

电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，从而降低电网电压，浪费电网的容量。电力谐波的抑制措施

为了减少供电系统的谐波问题，从管理和技术上可采取以下措施：

3.1 严格贯彻执行有关电力谐波的国家标准，加强管理 我国1998年12月14日发布了国家标准GB17625.1-1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流16A)》，要求购置的用电设备，经过试验证实，符合该标准限值才允许接入到配电系统中。此外,1993年颁发的国家标准GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》，规定了注入公共连接点的谐波电流允许值的用户，必须安装电力谐波滤波器，以限制注入公用电网的谐波。3.2加强谐波污染源的监测

主管部门对所辖电网进行系统分析，正确测量，以确定谐波源位置和产生的原因，为谐波治理准备充分的原始材料；在谐波产生起伏较大的地方，可设置长期观察点，收集可靠的数据。对电力用户而言，可以监督供电部门提供的电力是否满足要求；对于供电部门而言，可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。

3.3 在谐波源处加装滤波装置吸收谐波电流

这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种：

①无源滤波器。简单的LC滤波器是由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成。难以滤除频率较低、幅度较大的畸变波。LC滤波器一般采用与谐振源并联方式接入配电系统，三相连接可接成Y型或D型。但三次谐波滤波器有一点特殊，因为三次谐波主要为零序谐波，大部分流经N线，因此有些三次谐波滤波器采用在N线上串接的方式。如ABB公司的THF，其工作原理与并联型LC滤波器的相反，是在150Hz的谐振频率产生高阻抗，而对非150Hz的其它频率电流阻抗很小，其结果是大部分三次谐波电流被阻断。

无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点,如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。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。

②有源滤波器。早在70年代初期，日本学者就提出了有源滤波器APF的概念，即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。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。3.4加装静止无功补偿装置,提升功率因数cosф

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。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，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.。

3.5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，在一定的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，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。3.6增加换流装置的相数

换流装置是供电系统的主要谐波源之一。理论分析表明，换流装置在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk±1和pk(p为整流相数或脉动数，k为正整数)。当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效的消除幅值较大的低频项，(其特征谐波次数分别为12k±1和12k)，从而大大地降低了谐波电流的有效值。4 结束语

（1）在治理系统谐波时，应充分考虑系统中各种因素的影响，兼顾各个指标，选择合理有效的滤波方案；

（2）采用LC滤波器，应以滤波器组的综合滤波效果为原则，严格避免谐波放大现象的发生；

（3）滤波电容器电容量的选择既要满足滤波的要求，也要考虑无功补偿的需要，还应使电容器能承受过电流和过电压的影响；

（4）有源滤波器是一种新型动态滤波器，其谐波抑制能力大大优于LC滤波器。随着对电网谐波问题的日益重视和其成本的逐步降低，将具有广阔的应用前景。

参考文献

［1］吴竞昌.供电系统谐波[M].中国电力出版社,1998.5

［2］张浩.戴瑞珍.谐波抑制的工程设计方法探讨.电网技术,2002.6.［3］郎维川.供电系统谐波的产生、危害及其防护对策.《高电压技术》, 2002.6

第五篇：变频器的谐波危害及解决措施

变频器的谐波危害及解决措施

1、前言

在工业调速传动领域中，与传统的机械调速相比，用变频器调速有诸多优点，顾其应用非常广泛，但由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载，变频器在现场通常与其它设备同时运行，例如计算机和传感器，这些设备常常安装得很近，这样可能会造成相互影响。因此，以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，其对电力系统中电能质量有着重要的影响。

2、谐波产生的过程

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，如下图所示。

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性。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。

3、谐波危害

对于电力系统来说，电力谐波的危害主要表现有以下几方面：

(1)增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益：

①电力谐波对输电线路的影响：

谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。

②电力谐波对变压器的影响：

谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言，会大大增加励磁电流的谐波分量。

③电力谐波对电力电容器的影响：

含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。

(2)影响继电保护和自动装置的工作可靠性：

特别对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。

(3)对通讯系统工作产生干扰：

电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端的情况下，还会威胁着通信设备和人员的安全。

(4)对用电设备的影响：

电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。

此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响，它已经成为当前电力系统中影响电能质量的大公害。

4、谐波的治理措施

治理谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽、隔离、接地及滤波等技术手段。

①使用无源滤波器或有源滤波器；

使用无源滤波器其主要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定、不改变的系统。而使用有源滤波器主要是用于补偿非线性负载。LC滤波器是传统的无源谐波抑制装置，它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除具有滤波作用外，还有无功补偿的作用。

②增加变压器的容量，减少回路的阻抗及切断传输线路法；

由于非线性负载引起的畸变电流在电缆的阻抗上产生一个畸变电压降，而合成的畸变电压波形加到与此同一线路上所接的其它负载，引起谐波电流在其上流过，因此，减少谐波危害的措施也可从加大电缆截面积，减少回路的阻抗方式来实现。目前，国内较多采用提高变压器容量，增大电缆截面积，特别是加大中性线电缆截面，以及选用整定值较大的断路器、熔断器等保护元件等办法，但此种方式不能从根本上消除谐波，反而降低了保护特性与功能，又加大了投资，增加供电系统的隐患。

③使用无谐波污染的绿色变频器。

绿色变频器的品质标准是：输入和输出电流都是正弦波，输入功率因数可控，带任何负载时都能使功率因数为1，可获得工频上下任意可控的输出频率。变频器内置的交流电抗器，它能很好的抑制谐波，同时可以保护整流桥不受电源电压瞬间尖波的影响，实践表明，不带电抗器的谐波电流明显高于带电抗器产生的谐波电流。为了减少谐波污染造成的干扰，可在变频器的输出回路安装噪声滤波器。并且在变频器允许的情况下，降低变频器的载波频率。另外，在大功率变频器中，通常使用12脉冲或18脉冲整流，这样在电源中，通过消除最低次谐波来减少谐波含量。例如12脉冲，最低的谐波是11次、13次、23次、25次谐波。依次类推，对于18脉冲，最低的谐波是17次和19次谐波。

变频器中应用的低谐波技术可归纳如下：

㈠逆变单元的并联多重化，采用2个或多个逆变单元并联，通过波形叠加抵消谐波分量。

㈡整流电路的多重化，在PWM变频器中采用12脉冲、18脉冲或者24脉冲的整流，以减少谐波。

㈢ 逆变单元的串联多重化，采用30脉冲的串联逆变单元多重化线路，其谐波可减少到很小。

㈣ 采用新的变频调制方法，如电压矢量的菱形调制等。目前，许，多变频器制造厂商已非常重视谐波问题，在设计时已从技术手段上保证了变频器的绿色化，从而在根本上解决谐波问题。结论

综上所述，可以清楚地了解谐波产生的原因，在具体治理上可采用无源滤波器、有源滤波器，减少回路阻抗，切断谐波传输路径及开发使用无谐波污染的绿色变频器等方法，将变频器产生的谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电源质量