谐波生成原理

目前，随着科学技术的发展，电力系统中各种非线性元件大量采用，造成电力电网中谐波含量的大幅增加，电力电网遭到严重污染；电网中谐波含量的增加不仅危及电网的安全运行，而且增加电力系统损耗，直接造成用户电气设备的突发性故障，给用户造成难以估量的损失。很多企业面临电网无功无法治理、大量电力被浪费或者价格昂贵的电力设备莫名其妙的烧毁等电力质量问题。

为限制电力电网的污染，国家对电力电网的工作环境进行统一规范的管理和综合治理，特别颁布了<电能质量公用电网谐波>GB／T14549—93对电力电网的谐波含量作出了统一规定。

1. 谐波的产生

有关定义：

基波(分量)：对周期性交流分量进行傅立叶级数分解，得到的与工频相同的分量称为基波。谐波(分量)：对周期性交流分量进行傅立叶级数分解，得到的为基波频率大于1的整数倍的分量称为高次谐波，简称谐波。

谐波次数(h)：谐波频率与基波频率的整数比。

如前所述，由于受到非线性设备的污染，现在的电力电网的电流、电压波形并不是纯粹的正弦波形，根据傅立叶级数分解的原理可以将非正弦周期波形分解为基波和多个谐波的合成。简单的谐波分解原理见图1。

由此可见任何电网电压畸变均会产生谐波。

电网的谐波源可分为谐波电压源和谐波电流源两种，发、变电设备一般为谐波电压源；而变流装置、电弧炉和电抗器等为谐波电流源。用户的电力电网中的谐波产生主要源于各种非线性用电负荷，这种类

型的谐波源均属于谐波电流源；这些谐波源均有自身的特点：

(1)电子开关型：如整流器、逆变器等各种电力电子设备，其交流侧电流波形开关切合和换相特性，特征谐波与脉动数p 有关，谐波次数...3,2,1,1,=±=K K h ,波电流h I I h /1/1≤。

(2)电弧型：如电弧炉，其谐波电流具有很大随机性，主要谐波为2、3、4、5、7次。

(3)电磁饱和型：如变压器、电抗器等有铁芯设备的激磁电流波形以坐标横轴成镜象对称。主要谐波为3、5、7次。

2谐波的危害

电力电网中的谐波对电气设备具有多种危害：

* 造成旋转电机铁芯及定子绕组产生附加损耗，引起噪声和振动；

* 使变压器和线路产生附加损耗，增大电力传输的网损，增加变压器振动和噪声；

* 引起无功补偿电容器谐振过载，导致补偿设备烧坏或无法投入运行；

* 对继电保护和自动装置产生干扰，引起误动作，引发大面积电力系统故障；

* 干扰邻近的电力、电子设备和通讯系统。影响设备的正常运行； 谐波对电力电网的主要危害集中表现在对电力电容器的谐波当中。

3 电力电网中的谐振

电力电网中存在谐波，电网处于谐振状态或接近状态时，谐波将被大幅度的放大。

3.1 并联谐波

当谐波源与补偿电容处于同一电网等级时会产生并联谐振(图

2)。并联谐振的结果，将使谐波电流放大，注入供电变压器和电力电容器，造成电容器过电流而故障及变压器损耗增加。并联谐振的谐振频率可近似计算如下：(计算中假定，变压器一次侧电网短路容量为无穷大、变压器线圈电阻及输电线路电阻等与电抗相比很小可忽略不计。)

%k c T c U Q S f f ?=

式中，f --电力电网谐振频率；

e

f --电网工频频率； T

S --变压器额定容量； k

U --变压器短路阻抗百分比； 从公式中可以看出，随着投入的补偿电容容器C

Q 的不同，电网的谐振频率也不同。这样多个谐振频率就容易与网络的谐波频率重合或接近，造成谐波放大。

3．2串联谐振

当谐波源与补偿电容器处于不同电网等级时会产生串联谐振(图

3)。

由图中所示可以看出当谐波源和补偿电容器不在同一电网等级下时，其谐波电流会注入由供电变压器电感、负载电感和电力电容器构成的串联回路中。发生串联谐振时，一较小的谐波电压就可形成较大的谐波电流流过电容器，使电容器因过电压而发生故障。在电容器等参数的选择上应避开谐振条件。发生串联谐振的频率为：

)//(22c L t c t e Q S Z Q S f f -?=

式中，f --电力电网谐振频率；

e

f --电网工频频率； t

S --变压器额定容量； t

Z --变压器阻抗的标幺值； L

Z --负荷容量； c

Q --电容器的额定容量。 4谐波的治理技术

在电力系统中对谐波的治理就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流的工业措施主要是：

4．1抑制谐波电流的放大

(1)滤波器

由一个电抗器和一个电容器组成的谐振电路并调谐为对某一谐波电压具有极小的阻抗，该调谐的谐振电路用于精确的清除配电网络中的主要谐波成分。单调谐滤波器的特性如下：

电抗器的感抗：fL Z L π2=；电容器的容抗：)2/(1fC Z C π=；随着频

率的增加电感感抗增加，同时电容容抗减少，系统阻抗也从容性阻抗转变为感性阻抗，在'f 点系统阻抗最小(仅为线路电阻)，而在'f 的左侧)'(f f <其系统阻抗呈现容性，'f 的右侧)'(f f >系统阻抗呈现感性，'f 是滤波器的谐振频率。

(2)抗谐波无功补偿(带调谐电抗器的电容器组补偿系统)

在电网中并人的补偿电容，由于其电容特性和电感的配合会形成固定的谐振频率(式1)，系统谐波源发出的谐波如果处于此范围内会引起系统谐振；为了消除系统谐振的可能性，在补偿电容电路中串入电抗器，形成电感一电容回路，使其谐振频率低于系统最低次谐波(通常为第五次谐波)频率，使其在工频时(Hz 50)呈电容性，以提供无功

功率来改善功率因数，而在谐波频率时呈电感性，防止并联谐振的发

生，而无谐波放大之虑。又因阻抗匹配的结果，此电容器组也能吸收

较低次的谐波电流(如第五次谐波)%

10(图5)。

~

40

4．2在谐波源处吸收谐波电流

有源滤波器。借助于两个电流／电压互感器，有源滤波器的电子

设备记录了实际的电流曲线，电流曲线被以kHz

10的频率来采样，依

据采样值的大小，通过IGBT桥式电路和注入线圈将一移相

180的电流注入电网，即一个正值被一个负值抵消掉了。

5 结论

由于社会的发展、电力需求的增大，人类对电能的依赖越来越大，因此保证供电电网的净化越加重要，减少对公共电网的污染是每个用电用户的责任和义务。要建立可持续发展的社会，每个公民、每个企业都必须考虑环境的保护。电是无形无味的，所以人们往往会忽视其污染，但用电又是直接与每个人有关的事，所以保证电网净化，让其正常安全的运行是非常重要的。