什麼叫諧波?抑制諧波的措施有哪些?

　　諧波是一系列的正弦波，其頻率是基波的整數倍這一系列的正弦波中，存在無數種頻率不同、幅值不同的頻率波，這些正弦波會造成電力系統中的正弦電流以及電力系統電壓不對稱，對系統造成非常嚴重的危害。

　　因為諧波的危害十分嚴重，研究諧波的意義重大，諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，並使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部並聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對於電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重幹擾。

　　什麼叫諧波

　　「諧波」一詞起源於聲學。有關諧波的數學分析在18世紀和19世紀已經奠定了良好的基礎。傅立葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由於使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。

　　在電力系統中諧波產生的根本原因是由於非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關係，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉（M．Fourier）分析原理證明，任何重複的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以區分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，2次諧波為l00Hz，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統中， 由於對稱關係，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。對於三相整流負載， 出現的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13、17、19等，變頻器主要產生5、7次諧波。

　　到了50年代和60年代，由於高壓直流輸電技術的發展，發表了有關變流器引起電力系統諧波問題的大量論文。70年代以來，由於電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分和關注。國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統諧波和用電設備諧波的標準和規定。

　　從嚴格的意義來講，諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅立葉級數分解，其餘大於基波頻率的電流產生的電量。從廣義上講，由於交流電網有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這時「諧波」這個詞的的意義已經變得與原意有些不符。正是因為廣義的諧波概念，才有了「分數諧波」、「間諧波」、「次諧波」等等說法。

　　諧波產生的原因

       由於正弦電壓加壓於非線性負載，基波電流發生畸變產生諧波。主要非線性負載有UPS、開關電源、整流器、變頻器、逆變器等。

　　電力系統向非線性設備以及負荷設備供電時會產生高次諧波電力系統向這些設備傳遞和供給基波能量的同時，也將一部分的基波能量轉換為諧波能量，進而產生高次諧波，這一系列高次諧波導致電力系統中的電壓和電流波嚴重畸變，對電力系統的穩定性和安全性造成巨大的影響。

　　抑制諧波的措施有哪些？

　　為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波汙染問題，基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的;另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為1，這當然只適用於作為主要諧波源的電力電子裝置。

　　裝設諧波補償裝置的傳統方法就是採用LC調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生並聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。

　　1加裝無源濾波器 （PassivePowerFilter，簡稱PPF）

　　無源濾波器安裝在電力電子設備的交流側，由L、C、R元件構成無源網絡，吸收負載產生的諧波電流。無源濾波器分調諧濾波器與高通濾波器，前者分單調諧濾波器和雙調諧濾波器，用於吸收單一次數或相鄰的兩次諧波，後者用於吸收某一次及以上各次諧波。無源濾波器濾除諧波以外還在基波電壓的作用下向諧波負載提供容性基波無功功率，同時兼顧諧波源無功補償的需要。由於具有成本低、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優點，無源濾波器時目前採用的抑制諧波即無功補償的主要手段。

　　濾波裝置一般由一組或數組單調諧濾波器組成，有時再加一組高通濾波器。單調諧濾波器利用R、L、C電路串聯諧振構成，如下圖所示。濾波器對n次諧波阻抗為

R很小，所以n次諧波電流主要由R分流，很少流入電網中，而對於其他次數的諧波，諧波阻抗Z》》R，濾波器分流很少。雙調諧濾波器圖4一1（b）的兩個諧振頻率實際上相當於兩個並聯的單調諧濾波器，它同時吸收兩種頻率的諧波。與兩個單調諧濾波器相比，減少了迴路，基波損耗較小，只有一個電抗器承受全部衝擊電壓。這種濾波器結構比較複雜，調諧較困難，但在高壓大容量濾波裝置中採用有一定的技術經濟上的優勢。

　　高通濾波器有一階減幅型（圖4一1（c））、二階減幅型（圖4一1（d））、三階減幅型（圖4一1（e））和C型（圖4一1（f））。當頻率低於其截止頻率f0（f0=1/2RC）時，由於容抗的作用，使得低次諧波電流難以通過;而當頻率高於f0時，由於容抗減小，高次諧波電流便可順利通過電容器和電阻，總的阻抗也變化不大，形成一個通頻帶。一階減幅型由於基波功率損耗太大，

　　一般不採用；二階減幅型的基波損耗較小，且阻抗頻率特性較好，結構也簡單，故工程上用的較多；三階減幅型的基波損耗更小，但特性不如二階減幅型，用的也不太多；C型濾波器濾波特性介於二階和三階之間，主要優點是C與L對基波串聯調諧，有功功率損耗較低

　　低成本的無源濾波器是至今為止在濾除諧波時使用最為廣泛的補償裝置，用其抑制諧波在經濟上和技術上都可以接受。其主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生並聯諧振，致使諧波放大使無源濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能消除特定次諧波，導致整個裝置佔地面積大。因而隨著電力電子技術的不斷發展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器

　　2 裝設靜止無功補償裝置

　　快速變化的諧波源，如：電弧爐、電力機車和卷揚機等，除了產生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的還會造成系統電壓三相不平衡，嚴重影響公用電網的電能質量。在網側投入無功補償裝置是用來補償由諧波造成的無功功率，從而提高功率因數。另外，無功補償裝置中通過電感和電容的合理設置，可在某次頻率點產生諧振，即可對該頻率的諧波實現濾波。可有效減少波動的諧波量，同時，可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡，還可補償功率因數。

　　靜止補償裝置的基本結構是由快速變化的電抗或電容元件組合而成。目前應用較多的四種是自飽和電抗器SR、晶閘管控制電抗器、晶閘管控制高漏抗變壓器和晶閘管投切電容器。自飽和電抗器SR由負荷電流控制飽和電抗器的磁飽和程度，當負荷發生變化時其電抗值隨之發生變化，從而調節無功輸出的大小：晶閘管控制電抗器TCR通過改變控制角而改變導通時間，相當於調節電抗器電抗達到改變無功輸出的目的;晶閘管控制高漏抗變壓器TCT工作原理與TCR相同，晶閘管斷開時呈高電抗特性，接通時根據控制角調節無功輸出的大小，因為使用了變壓器，故可以直接接入高壓側;晶閘管投切電容器TSC的晶閘管在超前電壓90度時接通並在斷開前一直保持該控制角，如果電壓是正弦波，則流過TSC電流也是正弦波，故沒有諧波產生，但這種TSC不能在導通期間改變無功輸出的大小。

　　由於TCR和TCT通過控制晶閘管的開通角度以調節電抗器電抗，在控制角大於90°時不能得到與交流電源對應的完整波形。SR的諧波來自磁飽和和非線性。所以這三種形式不可避免有諧波產生。因此在使用時必須考慮到對它們自身所產生諧波的抑制，這就增加了結構和設計上的複雜

　　3 電力有源濾波器補償法

　　無源濾波器及靜止無功補償裝置雖然能減少諧波分量，抑制某些諧波，但卻不能對變的高次諧波動態補償。現階段諧波補償和抑制的一個重要趨勢是採用有源濾波器 APF（AC activePowerFilter）了。APF能對幅值和頻率都變化的諧波及變化的無功進行補償。利用可控的功率半導體器件向電網注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。

　　有源濾波器的思路是給諧波電流或諧波電壓提供一個在諧振頻率處等效導納為無窮大的並聯網絡或等效阻抗無窮大的串聯網絡，因此可以分為並聯有源濾波器和串聯濾波器。其基本結構是一個DC\AC逆變橋與\或一個諧波注入電路。按照PWM逆變電路直流側電源的性質又可以分為電壓型有源濾波器及電流型有源濾波器。

　　①並聯有源電力濾波器

　　1896年，AkagiH提出用並聯有源濾波器消除諧波的方法，如同4一2所示。這種裝置相當於一個諧波電流發生器，它跟蹤負載電流中的諧波分量，產生與之相反的諧波電流，從而抵消線路中的諧波電流。通過不同的控制作用，可以對諧波、無功、不平衡分量進行補償，功能多，連接也方便。但是，由於電源電壓直接加在逆變橋上，對開關器件電壓等級要求高；負載諧波電流含量高時，這種有源濾波器裝置的容量也必須很大，因為兼具大的補償容量和寬的補償頻帶比較困難，所以它只適合電感型負荷的諧波補償;開關引起的諧波電流將影響電路中的PF或電容器的濾波特性，若利用LC網絡吸收這部分高次諧波，由於LC網絡受電網參數的影響，PWM逆變器輸出的諧波頻帶又很寬，所以LC網絡難以設計

　　

　　4—2並聯有源電力濾波器框圖

　　為了降低加到逆變橋的交流電壓，可以選擇用LC串聯或並聯網絡作為注入電路，如圖4一3、圖4一4所示。在圖途4一3中，LC在基波頻率處串聯諧振，逆變橋不承受基波電壓，而在諧振頻率之處有Zr》》Zc，濾波器產生的諧波電流可以完全流入主電路。並聯LC方式原理與之類似

　　

　　為了使有源濾波器適用於大容量負載的補償，可以將高次諧波和低次諧波分開各相單獨補償，也可將有源濾波器和無源濾波器相結合進行補償。並聯有源電力濾波器能對諧波和無功功率進行補償，其補償特性不受電網阻抗的影響，主要適用於感性電流源負載的諧波補償，目前技術上比較成熟，但其有源裝置容量相對較大，投資多，運行效率低。

　　②串聯有源電力濾波器

　　圖4一5是單獨使用串聯有源電力濾波器的方案。通過3個單相變壓器串聯在電源和負載之間，串聯有源電力濾波器在此系統中相當於一個電壓控制電壓源，跟蹤電源電壓中的諧波分量，產生與之相反的諧波電壓，使負載端交流側電壓為正弦波。主要用於消除帶電容二極體整流電路等電壓型諧波源負載對系統的影響，以及系統側電壓諧波電壓波動對敏感負載的影響。串聯有源電力濾波器裝置容量小，運行效率高，對諧波電壓源類型的負荷有較好的補償特性。但其絕緣強度高，難以適應線路故障條件而且不能進行無功功率動態補償，工程實用性受到限制，其投切、故障後的退出及各種保護較並聯型APF複雜。目前單獨使用少，國內外研究主要集中在其與LC無源濾波器所構成的串聯混合型有源電力濾波器。

　　

　　圖4—5串聯有源電力濾波器框圖

　　與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應性，能補償各次諧波，可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點;在性價比上較為合理;濾波特性不受系統阻抗的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險;具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。目前在國外高低壓有源濾波技術已應用到實踐，而我國還僅應用到低壓有源濾波技術。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術作為改善電能質量的關鍵技術，其應用範圍也將從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統的電能質量的方向發展。

　　4 防止並聯電容器組對諧波的放大

　　在電網中並聯電容器組起改善功率因數和調節電壓的作用。當諧波存在時，在一定的參數下電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設備的安全。可採取串聯電抗器，或將電容器組的某些支路改為濾波器，還可以採取限定電容器組的投入容量，避免電容器對諧波的放大。

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