諧波治理

周靖翔　古力丹

摘 要：簡要分析諧波的來源及危害，以及如何治理諧波的建議和措施。

關鍵詞：諧波；整流；治理

1.什么是諧波

諧波 （harmonic wave），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里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。從廣義上講，由于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。

諧波產生的原因主要有：由于正弦電壓加壓于非線性負載，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。

2.諧波在電網中的產生與危害

一是電源質量不高產生諧波：發電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻等原因，發電源也會產生較少的諧波。

二是輸電系統產生諧波：配輸電系統中主要由電力變壓器產生諧波。電壓器的工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，使得磁化電流呈尖頂波型，因而含有奇次諧波。

三是用電器產生的諧波：由于晶閘管整流設備在電力系統中的廣泛應用，給電網帶來大量諧波。晶閘管整流裝置采用移相控制，吸收電網缺角的正弦波，同時也給電網留下一部分缺角的正弦波，其中便有大量的諧波。據統計，由整流裝置產生的諧波是所有諧波的百分之四十，為最大的諧波源。

危害：

一是影響電路的穩定運行：諧波會影響供配電系統中電力線路和電力變壓器的保護作用，從而嚴重威脅供配電系統的穩定與安全。

二是影響電網質量：電力系統中的諧波能使電網中的電流和電壓波形發生畸變，相同頻率的諧波電流和諧波電壓產生相同頻率的有功功率和無功功率，從而降低電網電壓，浪費電網容量。

三是對電力設備的危害：當電網中存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加的更大，從而電容器損耗功率增加。同時，諧波也能使電力變壓器的銅耗增大，鐵耗增大，磁滯損耗增大，減少了變壓器的實際容量。

四是對用電設備的危害：諧波使得異步電動機的附加損耗增大，降低效率，還能使得噪音增大。同時，諧波還可能造成低壓開關的誤動作，影響生產生活效率，

五是諧波對人體也有影響，我們知道，人體細胞在刺激興奮時，會在細胞膜靜息電位基礎上，發生快速電波動或可逆翻轉，其頻率若與諧波頻率接近時，電網諧波會影響人的腦磁場和心磁場。

3.諧波治理的措施

通過對市場的常用用電器的諧波狀況的測試，我們了解到目前我國內工業企業的諧波污染十分嚴重，尤其是早些年為了節能，引入的變頻電源和直流用電器的投入，其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%，這對于小功率的用戶而言，還不怎樣，但對于大功率的用戶來說，危害就很大了，對于中頻爐用戶，它用常規的無功補償就無法進行，有的用戶用常規的電容器無功補償，無法投入電容器，有的即便投入了，也對5次諧波電流放大了1.8-3.8倍以上，使得電動機、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加，縮短了設備的使用壽命，多交了電費。

1.諧波治理的總體思路。諧波的治理應當首先考慮預防，控制好諧波產生的源頭，使系統中產生的諧波盡量減小，就可以更方便的治理或者不用再進行進一步的治理。因此，在選擇設備和構建系統時，就應該將減小諧波做為一項重要的條件來考慮。對于交流和直流兩大類通信電源設備：在其他條件同等或類似的情況下，UPS系統應該優先選擇12脈沖或者Delta變換的設備，直流系統應優先選擇有更好的整流電路和完善的濾波措施的產品。

其次，在預防的基礎上，再考慮補救措施。特別是對于既有的用戶低壓系統來說，由于系統結構已經基本固定，諧波問題的解決只能通過加裝電抗器、濾波器等補救措施得以控制。

2.治理諧波的預防性措施。預防性的解決辦法是指避免諧波及其后果出現的措施，如下。

（1）整流器中的相位抵消（通過選擇合適的相位移動，由低脈波數整流器構成的高脈波數整流器可以消除諧波）或諧波控制。應該使用具有較高脈波數的整流器，如使用12脈沖的整流器來代替6脈沖整流器。

（2）開發有效的過程和方法來控制、減小或消除電力系統設備的諧波。

3.治理諧波的補救性措施。補救性的解決方法是指為克服既有諧波問題所采用的技術，包括使用LC無源濾波器、使用有源濾波器、電路解諧。主要方法見下：

（1）無源濾波器

無源濾波器主要由電抗器、電容器構成，體積比較龐大

無源濾波器是由電容器和電抗器串聯而成，并調諧在某個特定諧波頻率。濾波器對其所調諧的諧波來說是一個低阻抗的“陷阱”。理論上濾波器在其調諧頻率處阻抗為零，因此可吸收掉要濾除的諧波。目前國內的諧波治理以無源濾波器為主，其特點是技術實現相對簡單，具有一定消諧效果，缺點是被動式濾波，一旦用電環境發生變化，無源濾波設備無法隨之調整，濾波效果也就無法保證。

（2）.有源濾波器

有源濾波器主要由電力電子元件構成，體積比較小

有源諧波過濾器使用的是電力電子技術來監控非線性負載，動態地糾正。發現一個諧波自動注入一個補償電流使波形恢復。通過注入和抵消過程，恢復正弦波。使失真減少到不足5%的總諧波失真（THD）。

其特點是可主動消諧，設備體積小，消諧效果非常理想，但是由于技術要求比較高。

參考文獻

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