“电力电子技术”课程中的谐波分析
电力系统中谐波分析与治理
电力系统中谐波分析与治理在当今高度依赖电力的社会中，电力系统的稳定和高效运行至关重要。
然而，谐波问题却成为了影响电力系统质量的一个不容忽视的因素。
谐波不仅会导致电力设备的损坏，还会增加电能损耗，降低电力系统的可靠性。
因此，对电力系统中的谐波进行深入分析，并采取有效的治理措施，具有十分重要的意义。
一、谐波的产生要理解谐波，首先需要了解它的产生原因。
谐波主要来源于电力系统中的非线性负载。
常见的非线性负载包括各种电力电子设备，如变频器、整流器、逆变器等，以及电弧炉、荧光灯等。
以变频器为例，它通过对电源进行快速的通断控制来实现对电机转速的调节。
在这个过程中，电流和电压的波形不再是标准的正弦波，而是包含了各种频率的谐波成分。
整流器在将交流电转换为直流电的过程中，由于其工作特性，也会产生谐波。
同样，电弧炉在工作时，电弧的不稳定燃烧会导致电流的剧烈变化，从而产生谐波。
二、谐波的危害谐波的存在给电力系统带来了诸多危害。
对电力设备而言，谐波会使变压器、电动机等设备产生额外的损耗，导致设备发热增加，缩短使用寿命。
对于电容器来说，谐波电流可能会使其过载甚至损坏。
在电能质量方面，谐波会导致电压和电流波形的畸变，使电能质量下降，影响用电设备的正常运行。
例如，对于计算机等精密电子设备，谐波可能会引起数据丢失、误操作等问题。
此外，谐波还会增加电力系统的无功功率，降低功率因数，从而增加线路损耗和电能浪费。
三、谐波的分析方法为了有效地治理谐波，首先需要对其进行准确的分析。
目前，常用的谐波分析方法主要有傅里叶变换、小波变换和瞬时无功功率理论等。
傅里叶变换是谐波分析中最常用的方法之一。
它可以将一个复杂的周期性信号分解为不同频率的正弦波分量，从而得到各次谐波的幅值和相位信息。
然而，傅里叶变换在处理非平稳信号时存在一定的局限性。
小波变换则能够很好地处理非平稳信号，它通过对信号进行多尺度分析，可以更准确地捕捉到信号在不同时间和频率上的特征。
电力系统中的电流谐波分析与治理
电力系统中的电流谐波分析与治理在当今高度依赖电力的社会中，电力系统的稳定与高效运行至关重要。
然而，电流谐波的存在却给电力系统带来了诸多问题。
为了保障电力系统的正常运行，对电流谐波进行深入分析并采取有效的治理措施显得尤为重要。
首先，我们来了解一下什么是电流谐波。
简单来说，电流谐波是指在电力系统中，电流的波形偏离了理想的正弦波形态。
在理想情况下，电流应该是平滑、连续且呈正弦波变化的。
但在实际中，由于各种非线性负载的接入，如电力电子设备、变频器、整流器等，使得电流波形发生畸变，产生了谐波成分。
这些非线性负载在工作时，会对输入的交流电源进行快速的开关操作，从而导致电流的大小和方向在短时间内发生急剧变化。
这种非连续性的电流变化就会引入谐波。
电流谐波的存在会带来一系列不良影响。
对于电力设备而言，谐波电流会增加设备的损耗，导致发热加剧，缩短设备的使用寿命。
例如，变压器在谐波电流的作用下，铁芯的磁滞和涡流损耗会显著增加，可能会出现过热甚至烧毁的情况。
电动机在谐波环境中运行，会产生额外的转矩脉动和噪声，降低运行效率和可靠性。
在电力传输方面，谐波电流会导致线路的附加损耗增加，降低输电效率。
同时，谐波还可能引起电力系统的谐振现象，使得电压和电流大幅升高，严重威胁到电力系统的安全稳定运行。
此外，电流谐波还会对电能质量产生负面影响，干扰精密仪器和设备的正常工作，造成测量误差、控制失误等问题。
对于一些对电能质量要求较高的场所，如医院、科研实验室等，谐波的存在可能会带来严重的后果。
那么，如何对电流谐波进行分析呢？常用的方法包括傅里叶变换、快速傅里叶变换（FFT）等。
通过这些分析方法，可以将复杂的电流波形分解为不同频率的谐波成分，并计算出各次谐波的幅值和相位。
在实际的电力系统中，通常会使用专业的电能质量监测设备来采集电流和电压数据，然后通过软件进行分析，以获取谐波的相关信息。
这些监测设备能够实时监测电力系统中的谐波情况，并提供详细的报告和数据分析，帮助工程师和技术人员了解谐波的来源和影响程度。
电力电子谐波
视在功率S
在非正弦波的情况下，视在功率仍可定义 为
2 S UI (U 0
h 1
2 2 U h )( I 0
h 1
2 Ih )
显然 而是
S 2 P2 Q2
S 2 P2 Q2
畸变功率
因Q只是同频电压和电流存在相位差引起 的无功功率的总和，而交换功率中尚包 含有不同次频率电压和电流引起的部分。 于是引入畸变功率D，使得
f4(t) A
29次谐波叠加
4A/3 4A/5 4A/7 3 5 7
O t
f 4 (t )
4A
(sin t
1 1 1 sin 3t sin 5t sin 7t ) 3 5 7
那么对于一个电流波形，我们怎么分析他 含有的谐波呢？
一般的，我们一个周期函数可表示如下：
PF 1 1 (THD) 2 cos
在不考虑相位差的情况下，谐波对功率因数的影响如下：
谐波 含量 功率 因数 10% 0．99 20% 0．98 30% 0．96 40% 0．93 50% 0．89 60% 0．86 70% 0．82 80% 0．78
功率因数的影响
无功损耗增大，降低了设备的利用率。 降低了企业总的输入功率因数，可能要多 缴电费：一般在供电合同中都明确有规定， 用户功率因数在高峰负荷期间应达到 cosφ n（对于我们电信企业，一般取0.9）， 高于这个标准者可以少缴电费（奖），低 于这个标准则要多缴电费（罚）。
4.谐波对油机的影响（一）
柴油发电机组的内阻相对市电来说大了很多 ，非 线性负载产生的谐波电流引起的电压畸变就大很 多，造成油机输出电压失真严重。这就会造成： 控制部分可能对失真严重的输出波形发生误判断， 认为是过压、超频等原因，从而造成油机停机； 输出电压不稳，输出高压造成所带负载烧毁。
电力系统谐波分析与滤波
电力系统谐波分析与滤波电力系统是人类现代社会中不可或缺的基础设施之一。
然而，随着科技的不断进步和电子设备的普及，电力系统中出现的谐波问题愈发突出。
谐波是一种频率高于基频的电流或电压波动现象，它会对电力系统的稳定性和设备的正常运行造成不利影响。
因此，对电力系统的谐波分析和滤波成为了当下研究的热点领域。
一、谐波的来源和影响谐波产生的主要原因包括电力电子设备的使用、不平衡负载、非线性元件等。
在电力电子设备广泛应用的现代化社会中，如变频器、UPS、电力电子变压器等设备在工作过程中会产生大量的谐波。
此外，不平衡负载和非线性元件也会引起谐波的产生。
这些谐波会导致电力系统中的电流和电压波形失真，从而对发电机、变压器、电缆、开关等设备造成损害。
谐波波形失真引起的问题主要表现为设备温升过高、设备寿命缩短、电能计量误差增大等。
研究发现，当设备受到高谐波噪声的作用时，其温升会明显上升，带来隐患。
此外，谐波还会导致电力设备的谐波振荡，从而引发设备共振，造成电力系统的不稳定。
二、谐波的分析方法针对电力系统中谐波问题的解决，首先需要进行谐波分析。
谐波分析是通过对电力系统中的电流和电压进行测量，得到其频谱分量，并对谐波进行分析、判断和评估。
常用的谐波分析方法主要包括傅里叶分析、小波变换、快速傅里叶变换等。
傅里叶分析是一种将复杂的周期函数分解成多个简单周期函数的数学方法。
通过将电力系统中的电流和电压波形进行傅里叶变换，可以得到其频谱分量，从而确定谐波的频率和幅度。
小波变换是一种新兴的数学工具，它能够在时域和频域上同时进行分析，对于非平稳信号的分析有着独特的优势。
快速傅里叶变换则是一种基于傅里叶分析的高效算法，可以加快谐波分析的速度。
三、谐波滤波技术根据谐波的分析结果，我们需要针对性地采取措施来抑制和消除谐波。
谐波滤波技术是一种有效的方法，通过合理设置滤波器来减小电力系统中谐波的影响。
主动滤波技术是一种常用的谐波滤波方法，它通过使用可调的电路参数，根据实时监测的谐波情况来实现滤波作用。
电力电子技术中的电流谐振问题
电力电子技术中的电流谐振问题电力电子技术作为当代电力系统的核心内容之一，在工业生产和能源领域中起着至关重要的作用。
然而，电力电子设备中存在着一个常见的问题，即电流谐振。
本文将重点讨论电力电子技术中的电流谐振问题，并探讨其原因、影响以及解决方法。
1. 电流谐振问题的定义与产生原因电流谐振是指在电力电子设备中，电容和电感之间的互相作用引起的一种电流共振现象。
当电路中存在电容和电感时，由于它们的物理特性，电流在两者之间来回振荡，形成谐振。
电容和电感的参数选择不合理、电路布局不当、工作条件变化等都可能导致电流谐振现象的发生。
2. 电流谐振问题的影响电流谐振问题在电力电子设备中会带来一系列不良影响。
首先，谐振时电路中的电压和电流幅值会异常增大，导致元器件的过压和过流，甚至可能引发短路或烧毁元器件，损坏设备。
其次，电流谐振会带来额外的能量损耗，降低系统的能效。
此外，谐振频率与系统的工作频率相近时，会对系统的电磁兼容性产生不利影响，产生电磁干扰，影响其他设备的正常工作。
3. 电流谐振问题的解决方法为了解决电力电子技术中的电流谐振问题，需要采取一系列措施。
以下是几种常见的解决方法：（1）合理选择电容和电感的参数。
电容和电感是影响电流谐振的关键因素之一，通过合理选择它们的参数，可以有效降低电流谐振的发生概率。
例如，选择合适的电容和电感数值，使得它们的谐振频率远离系统的工作频率。
（2）增加阻尼措施。
通过在电路中增加合理的阻尼元件，如阻尼电阻或阻尼电容，可以消耗电流谐振时产生的能量，减小谐振幅值，降低电流谐振的风险。
（3）改进电路布局和连接方式。
电路的布局和连接方式直接影响电流谐振的发生概率。
因此，在设计电力电子系统时，需要合理规划电路布局，并采用合适的连接方式，减少电感和电容之间的互相影响。
（4）优化控制策略。
合理设计电力电子系统的控制策略，可以有效减小电流谐振的发生。
例如，采用谐振抑制技术，通过控制开关频率和占空比，在电路中引入有利于抑制谐振的频谱分布，降低谐振效应。
电力系统中电流谐波的分析与治理
电力系统中电流谐波的分析与治理在当今的电力系统中，电流谐波问题日益凸显，对电力设备的正常运行、电能质量以及整个电力系统的稳定性都产生了不可忽视的影响。
因此，深入分析电流谐波的产生原因、特性，并采取有效的治理措施显得尤为重要。
一、电流谐波的产生电流谐波的产生源头较为多样。
电力电子设备的广泛应用是其中的主要因素之一。
例如，变频器、整流器、逆变器等在工作时，会将交流电源转换为直流电源或对交流电源进行变频控制，由于其开关动作的非线性特性，导致电流发生畸变，从而产生谐波。
非线性负载也是谐波的重要来源。
像电弧炉、电焊机等设备，其工作电流随时间变化呈现出非线性特征，使得输入的正弦电流发生扭曲，进而产生谐波电流。
此外，变压器的铁芯饱和也会引起电流谐波。
当变压器铁芯中的磁通密度超过饱和点时，励磁电流会出现明显的非线性增长，产生谐波分量。
二、电流谐波的特性电流谐波具有一些显著的特性。
首先是频率特性，谐波的频率通常是基波频率的整数倍。
例如，5 次谐波的频率是基波频率的 5 倍。
其次是幅值特性。
不同次数的谐波幅值大小不尽相同，一般来说，低次谐波的幅值相对较大，对电力系统的影响也更为显著。
电流谐波还具有相位特性。
各次谐波的相位关系较为复杂，会对电力系统中的功率传输和电能质量产生影响。
三、电流谐波的危害电流谐波给电力系统带来了诸多危害。
它会增加电力设备的损耗，如变压器、电动机等，导致设备发热加剧，降低其使用寿命。
对输电线路来说，谐波电流会引起线路的额外损耗，降低输电效率，同时可能引发谐振，导致过电压，威胁线路的安全运行。
在电能质量方面，谐波会导致电压波形畸变，影响供电的稳定性和可靠性，可能引起电气设备误动作，影响精密仪器和电子设备的正常工作。
四、电流谐波的分析方法为了有效地治理电流谐波，首先需要对其进行准确的分析。
常见的分析方法包括傅里叶变换、快速傅里叶变换（FFT）等。
傅里叶变换能够将时域中的电流信号转换为频域信号，从而清晰地展示出各次谐波的频率和幅值。
电力电子中的谐波问题如何解决？
电力电子中的谐波问题如何解决？在当今的电力系统中，电力电子技术的广泛应用带来了诸多便利和效率提升，但同时也引发了一个不容忽视的问题——谐波。
谐波的存在不仅会影响电力设备的正常运行，还可能导致电能质量下降，增加能耗，甚至危及整个电力系统的安全稳定。
那么，如何有效地解决电力电子中的谐波问题呢？要解决谐波问题，首先我们得明白谐波是怎么产生的。
电力电子设备在工作时，由于其非线性的特性，会使得电流和电压的波形发生畸变，从而产生谐波。
比如常见的整流器、逆变器、变频器等，它们在将交流电转换为直流电或者改变交流电的频率和电压时，就容易引入谐波。
既然知道了谐波的来源，那我们就可以有针对性地采取措施来减少谐波的产生。
一种常见的方法是优化电力电子设备的设计。
通过改进电路结构、采用更先进的控制策略以及选择合适的电力电子器件，可以在源头上降低谐波的含量。
例如，在整流电路中，采用多脉冲整流技术，如 12 脉冲、18 脉冲甚至更高脉冲数的整流，可以显著减少谐波的产生。
另外，增加滤波装置也是解决谐波问题的重要手段。
滤波装置可以分为无源滤波器和有源滤波器两大类。
无源滤波器通常由电感、电容和电阻等元件组成，通过谐振原理对特定频率的谐波进行吸收和抑制。
这种滤波器结构简单、成本较低，但存在滤波效果受系统参数影响较大、可能与系统发生谐振等缺点。
相比之下，有源滤波器则具有更好的滤波性能和适应性。
它能够实时检测电网中的谐波电流，并产生与之大小相等、方向相反的补偿电流，从而有效地消除谐波。
有源滤波器虽然性能优越，但成本相对较高，在一些对电能质量要求极高的场合应用较为广泛。
除了在设备端采取措施，合理的系统规划和运行管理也有助于减轻谐波的影响。
在电力系统的设计阶段，就应该充分考虑谐波的问题，合理分配负载，避免谐波源集中在某一区域。
同时，加强对电力设备的运行监测，及时发现和处理谐波超标问题，也是保障系统稳定运行的重要环节。
此外，提高电力用户的谐波意识也非常重要。
“电力电子技术”课程中的谐波分析
“电力电子技术”课程中的谐波分析作者：王楠来源：《中国电力教育》2013年第26期摘要：谐波分析在电力电子技术的应用中有着极其重要的意义，针对教学中谐波分析的难点，引入Simplorer仿真软件辅助教学，借助软件的快速傅里叶变换（FFT）工具和功率（POWER）工具，使得谐波分析变得具体且形象，并能实现电力电子电路在各种控制状态下的有功功率、无功功率和功率因数的计算。
关键词：谐波分析；FFT；Simplorer仿真；电力电子技术作者简介：王楠（1963-），女，上海人，上海理工大学光电信息与计算机工程学院，讲师。
（上海 200093）基金项目：本文系上海理工大学2012-2013年度重点课程建设基金项目研究成果。
中图分类号：642.0 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2013）26-0046-03随着众多新型的电力电子器件的不断研发和电力电子技术的发展，电力电子装置的应用越来越广泛。
电力电子技术的应用已经深入到工业生产和社会生活的各个方面，成为传统产业和高新技术领域不可缺少的关键技术。
然而，电力电子装置的应用使生产、生活更加便捷、智能化的同时，由于电力电子装置在运行时的非线性，使得大量的谐波和无功功率注入电网，降低了电网的电能质量，危及电网设备的安全运行。
因此，谐波分析在“电力电子技术”课程及其实际应用中有着极其重要的意义。
上海理工大学光电信息与计算机工程学院（以下简称“本校”）的“电力电子技术”课程所选用的教材是机械工业出版社出版的王兆安老师主编的《电力电子技术》，其中整流电路、交流调压电路和PWM逆变电路等章节中都涉及谐波分析。
谐波分析采用的数学工具为傅里叶变换，数学推导复杂且抽象，成为教学过程中的一大难点。
为了解决这个教学难点，在教学中引入Simplorer仿真软件辅助教学，借助于Simplorer仿真软件中的快速傅里叶变换（FFT）工具，使得谐波分析变得具体且形象，使用功率（POWER）工具，可方便地完成电力电子电路在各种状态下的有功功率、无功功率和功率因数的计算。
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零， 即电流连续， 那么流入 电流等于流出电流。
Ｖ・ Ｊ＝ ０ （ ２ ）
那 么在课 程讲解 的时候 ， 分清主次， 分 清重点。在 “ 工程 电 磁场 ”中， 这 门课程 主要是 需要 学生了解相关基 本原理 ， 并且着
“ 工程电磁场” 与 “ 高电压技术”在极化 Байду номын сангаас接 地电阻这部分
三、 结束 语
采用 Ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｏ ｒ ｅ ｒ 软 件对 电力 电子 电路 中产 生的谐 波进 行分 析， 这样不仅可使枯燥 的理论知识变得直观 、 生动有趣 ， 而且避
开了繁 琐的数学推导 ， 激发了学生 的学习兴趣 ， 加深学生对理论 的理解 。 仿真软件辅助教学更 可以让学生接 触和掌握一种新 的
“ 工程 电磁 场”课程 一直是学 生认 为难 学 、 难懂 、 难通 过 的一 门电气专业基础 课程 。 教 师必须通 过教学 方法 、 教学 手段
的研 究和改革来提高学生 的学习兴 趣， 让 学生更加容 易理 解。
通 过多媒体 、 仿真工具 辅助教学 ， 结 合实际工程 应用和相关课 程 的交叉激 发学生 的学习热情 ， 并且在教学 中注意主次分 明， 重
形分析 ， 并 进行课 外 的应 用设 计， 锻炼 和培养 学生的实 际工作 能力， 激发其创新能力。 参考文献：
【 １ ］ 崔晓荣 ， 王军 ， 曹林 ， 等． 电力系统 间谐波检 测方法现状与发展
趋势 ［ Ｊ １ ＿ 电测与仪 表 ， ２ ０ １ ２ ， （ ５ ） ： ６ — １ ０ ． ［ ２ ］ 王兆安 ， 刘进军 ． 电力电子技术 ［ Ｍ］ ． 第５ 版 ． 北京 ： 机械工业出
场、 恒定磁 场 、 时变场 ； 一部分是 一些分析计 算方法 ， 包含镜像
法等 等； 还有一部分是 电磁波 、 工程方面等相关内容 。 其中数学 性 比较 强的， 基本上贯穿 整门课 程 的都是梯度、 散度、 旋 度， 以 及线 积分 、 面积分 、 体 积分， 所 以学生把教 材粗略一 翻， 一般都
内容交 叉 比较多 。 例如 在分析静 电场 中的电介质情况来说 明极 化 电荷时， 可以结合 “ 高 电压技术 ”中的转向极化这部 分内容来 给 学生讲 授 。 在接地 电阻 的计 算中， 可 以结合 “ 高电压 技术”中
接 地电阻存 在的意义和工 程现场实际 中的考虑 向学生介 绍， 这 样可以开拓学生视 野， 提高学 生学 习的系统性。
版社 ， ２ ０ ０ ９ ．
电子装 置本身出发， 通过改变电力电子装置本身的结构设计 和增
加辅助控制策略来减少电力电子设备输出的谐波含量。 镦 材提 到如下三种减小谐 波的方法 ： 多重化技术 或多脉波变流技 术 ；
脉宽调 制 （ Ｐ ＷＭ） 技 术； 多 电平 控制技术 。 在整流 电路 中， 可设 计１ ２ 脉波 或２ ４ 脉波变流器来 取代 三相 全控 桥整流电路 （ 也称六 脉波 变流器 ） ， 以减少 交流侧 的谐 波电流含量 。 可 以在Ｓ ｉ ｍｐ ｌ ｏ ｒ ｅ ｒ 软件 的平 台上建立 ｌ ２ 脉波 整流电路仿真模 型， 并将 仿真结果 和 前面 的结果进行 比较 ， 从 而验证 １ ２ 脉 波整流电路交流侧谐 波电 流含量较三相全控桥整流电路大大减５ ． － ｏ
都 花了大量篇 幅对其进行了推导， 但是 通过 几届学生 的教学来
看， 效果并不好。 那么这部分推 导可 以让有兴趣的学生 自己看 ， 不懂 再问 。 教师 可以重点讲 授如何用这个定理 解决 问题 ， 一方
点 突出， 让 学生能 够更好 地理解 书本 ， 便 于以后 能够更 好更快
理念 和新 的分析方 法， 即数 字仿真方法。 这是一种在系统设计 、
［ ３ 】 訾兴建 ． 电力 电子装 置的谐 波危害及抑 制 ｆ Ｊ 】 ． 电气 时代 ， ２ ０ ０ ５ ，
（ ５ ） ： １ １ ８ － １ １ ９ ．
（ 责任编辑 ： 王意琴 ）
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２ ０ １ ３ 年第２ ６ 期
地分析在上述各种情况下的交 流及 直流侧的谐波及功率因数 。 以上的分析方 法同样适用交流调压电路和Ｐ ＷＭ逆变电路输 入输出波形 的谐波及功率 因数的分析和仿真计算。 为抑制和消除 谐波 ， 除了在 外部增加 滤波装 置外， 更 可采取主动措施 ， 从电力
五、 结束 语
重于基本原理 的应用， 所 以在授课 中， 可以不需要介绍太 多的数
学推导， 让学 生知道能够用， 怎么用才是重点。
ｑ
Ｓ 。 ０
（ １ ）
例如讲 解静 电场 的基 本原 理 时， 重 点当然是 高斯 通 量定 理， 见公式 （ １ ） 。 高斯 通量定 理是在静 电场 中计算 电场强度 的 主要手段 ， 公 式左 边是 电场 强度 的闭合 曲面面积分 ， 右边是 电 荷与介 电常数 的 比值 。由于高 斯通 量定理 的重要性 ， 教材一般
检验 和优化 中经常使用且十分有效 的方 法之一， 应 用这种方 法 可 以便捷 地进行 系统 的改进和参数 的修正， 提高系统开发的成
功率 ， 降低现场风险。 仿真 软件辅 助分 析和设计在 电力电子课 程教学中显 示出了 其强大 的优势， 借助电力电子电路 的仿真效果 ， 课堂教学 中的概 念讲解 变得直观 ， 理论结果更具体。不仅如此， 仿真软件辅助教 学还可 以将 “ 电力 电子技 术”的课 堂教学延伸到课外 ， 使学 生能 够对 教材 的内容加 以验证 ， 方便 地完成各种 电力 电子电路 的波
路， 趋 向于理 想化 ， 但是 “ 工程 电磁 场” 趋 向于分布参数 电路。 对于三种基本 电路元件 、 电阻、 电容 、 电感也从 电磁场方面做了 计算 ， 并且对于 “ 电路”中的基 尔霍夫电流定 律从 另一方面做 出 了解 释 ， 即电流连 续性定理 ， 见公 式 （ ２ ） 。 由于电流密度散度 为