电力系统谐波源的种类及其特性

电力系统谐波源的种类及

其特性

一、谐波源的种类

电力系统中产生谐波的装置即谐波源，是具有非线性特性的用电设备【2】。随着大容量电力电子装置和各种非线性负载在系统中的广泛应用，其产生的谐波污染也越来越多的受到了人们的认识与关注。为了抑制系统的谐波，我们必须要了解各谐波源的特性。

1.现有的系统谐波源就其非线性特性可大致分为三种：

（1）含有铁芯设备的各磁饱和装置，如变压器、电抗器等。这类谐波源在电力电子装置大量应用前是主要谐波源。

（2）电弧焊、电弧炉这种强冲击的、非线性的负载。这类谐波源不仅可以产生奇次谐波，还可以产生偶次谐波，频率范围也较大。

（3）各种电力电子换流装置。这类具有相当容量的非线性负荷是目前电力系统中最主要的谐波源。

2.谐波注入系统的方式不同谐波源分为：

（1）电流型谐波源。

系统谐波源具有电流源的特性，其谐波含量取决于本身的特性与系统

参数无关，直流侧电感滤波的整流器属于电流型谐波源，如图1（a）。

（2）电压型谐波源

系统谐波源具有电压源的特性，如发电机、直流侧电容滤波的整流器

属于电压型谐波源，如图1（b）。

二、铁磁饱和装置

发电机、电动机和变压器这种带有铁芯的设备工作在磁化饱和曲线拐点的下方时，处于线性状态；当其运行在拐点上方时，其铁芯处于非线性状态，即使加以纯正的正弦电压，电流也会发生畸变。

由于发电机和电动机都是旋转电机，产生谐波的主要原因是结构问题，且产生的谐波含量有限，并在设计和制造时会得到很好的补偿。国际电工委员会规定发电机实际端电压的波形与基波的偏差在任何时刻都不得高于5%。电动机产生的谐波量一般在0.6%一下。因此发电机和电动机不是系统主要的谐波源。发电机产生的谐波电势只与其本身结构和运行状态有关，基本与系统参数无关，因此可以将其视作恒压谐波源。

在电力系统中，变压器的总容量一般为发电机总容量的4倍以上，它是系统普遍存在的谐波源。由于变压器在系统中的数量很大，因此变压器向系统注入的谐波不可忽视。在变压器正常运行的情况下，电压为额定电压，铁芯工作在线性范围内，产生的谐波含量很小。但在轻载运行时，由于负荷下降导致电压升高，铁芯的饱和程度加深，使得铁芯此时运行在非线性段，且此时的励磁电流占总电流比重较大，故产生的谐波对系统影响较大。另外当变压器流过直流时，铁芯的饱和程度会很快加重，励磁电流显著增加导致谐波含量增大。在系统出现暂态过程，变压器铁芯的磁饱和特性使得电流波形畸变的更加严重。

三、换流整流装置

目前，电力系统中最重要的非线性负荷是各种基于电力电子器件的大功率换流器。换流器本身的作用就是将电流的波形变成我们所需要的形状，这样一来换流器自身就是一个非线性的元件。加之其直流侧滤波装置的选择不同，也会以不同的方式向系统注入谐波。随着系统大功率电力电子换流装置运用的不断增多，其产生的谐波污染早已不容小视。

以直流侧分别采用电感和电容滤波的整流器为例。如图2：

图2（a）

图2（b）图2（a）中整流器直流侧采用电感滤波的方式。如果电感足够大，则其直流侧电流基本保持恒定，注入系统的谐波电流大小主要取决于直流电流大小和半导体器件的开关方式，与系统的参数基本无关，具有理想电流源的特性；当电感不够大时，直流侧的电流会有波动，注入系统的谐波电流不能看成是理想电流源注入的，但可以等效成一个理想电流源并等效阻抗。

图2（b）中整流器直流侧采用电容滤波的方式。与图2（a）对应其直流侧电压基本恒定，通过换流器各电力电子器件的开关加到交流侧也就是系统中，影响其谐波大小的因素是直流侧本身的特性，也与交流侧参数基本无关。可以等效成一个谐波电压源与等效阻抗的串联电路。

整流换流装置具备的优势使其在电力系统中得到了越来越广泛的应用，近年来单个装置的功率有不断扩大的趋势。但在其工作中，使得系统输入的电压与电流失去了比例，产生了谐波电流。此类设备接入系统后成为了系统主要的谐波源，其产生谐波的大小取决于自身的回路结构及开关特性，系统参数基本不会影响注入的谐波大小。

四、电弧炉

电弧炉炼钢在技术上和经济上的优越性，使得这种炼钢方法在工业中得到了广泛的应用。

电弧具有非线性的伏安特性。在电弧燃烧过程中，电流增大电阻快速度降低，电弧的电压与通过的电流有关。即使电弧通过纯正的正弦电流，电压波形也不是正弦的，说明产生了高次谐波。其中大部分的谐波都会扩散到系统中。

在炼钢的不同时期，电弧炉产生的谐波也不尽相同。下表为炼钢的不同时期产生谐波的次数和含量。

电弧炉谐波电流含有率（%）

可以看出在熔炼的初期也就是熔化期的谐波含有率明显高于精炼期，因为在熔化期电弧极不稳定，畸变和波动很严重，且含有2、4次的偶次谐波。而到了精炼期电弧电流变得稳定很多，产生的谐波也小，偶次谐波已经消失。此外，交流电弧炉是三相不平衡谐波电流源，冶炼过程中会有基波负序电流注入系统。

五、 电力机车

电气化铁路由于牵引力大、能耗低，在我国得到了很大的发展。电力机车牵引负荷是波动性很大的非线性负荷，会产生高次谐波和基波负序电流，通过沿线的接触网流入电力系统。电力机车采用架空接触导线和钢轨之间的25KV 单相工频交流电源，经过全波整流后驱动直流牵引电机。以韶山I 型电力机车为例，谐波电流主要是

3、5、7次。

韶山I 型和国外高速电力机车的谐波电流

六、 家用电器

家用电器中有不少电器含有非线性元件，比如日光灯、鼓风机、洗衣机、电视机、电冰箱、吸尘器等。虽然单一电器产生的谐波含量不足以影响到整个电网，但随着人民生活水平的提高，家用电器的数量及种类越来越多，其产生的谐波对电网的影响已经不容忽视。

产生谐波最大的家用电器是电视机尤其是彩色电视和某些电器会采用的温度、亮度调节装置。

电视机产生的谐波特点是谐波的峰值与基波的峰值重合，同一相供电的多台电视机产生的谐波相位相同，而且会在同一时间集中产生谐波，使总谐波含量较高，其中产生的三次谐波含量最高达到87.9%，总谐波率达到122.61%。如每晚20时左右电视机收看的高峰期，各级电压的谐波含量也相应升高。电视机产生的谐波会通过低压配电网注入到系统中。此外，在电视机供电系统的中性线内，因3次谐波电流相加使中性线电流大为升高。