諧波

“諧波”一詞起源於聲學。

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。1945年J.C.Read發表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經典論文。

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。

泛音是物理學上的諧波，但次數的定義稍許有些不同，基波頻率2倍的音頻稱之為一次泛音，基波頻率3倍的音頻稱之為二次泛音，以此類推。

諧波的頻率必然也等於基波的頻率的整數倍，基波頻率3倍的波稱之為三次諧波，基波頻率5倍的波稱之為五次諧波，以此類推。不管幾次諧波，他們都是正弦波。

電網諧波主要由發電設備(電源端)、輸配電設備以及電力系統非線性負載等三個方面引起的。

(1)電源端產生的諧波

發電機的三相繞組在製作上很難做到絕對對稱，由於製作工藝影響，其鐵心也很難做到絕對的均勻一致，加上發電機的穩定性等其他一些原因，會產生一些諧波，但一般來說相對較少。

(2)輸配電過程產生的諧波

電力變壓器是輸配電過程中主要的諧波來源，由於變壓器的設計需要考慮經濟性，其鐵心的磁化曲線處於非線性的飽和狀態，使得工作時的磁化電流為尖頂型的波形，因而產生奇次諧波。較高的變壓器鐵心飽和程度使得其工作點偏離了線性曲線，產生了較大的諧波電流，其奇次諧波電流的比例可以達到變壓器額定電流的0．5%以上。

(3)電力設備產生的諧波

1)整流晶閘管設備。由於整流晶閘管廣泛應用在開關電源、機電控制、充電裝置等許多方面，給電網帶來了相當多的諧波。據統計，由整流設備引起的諧波將近達到全部諧波的40%，是諧波的一個主要來源。

2)變頻設備。電動機、電梯、水泵、風機等機電設備中常用的變頻設備，因為大部分是相位控制，其諧波成分比較複雜，除了整數次的諧波成分外，還含有一定分數次的諧波成分，變頻設備的功率一般較大，其廣泛應用對電網造成的諧波也越來越多。

3)氣體放電類電光源。氣體放電類電光源如高壓鈉燈、高壓汞燈、熒光燈以及金屬鹵化物燈等，其伏安特性的非線性相當嚴重，有的電光源還具有負伏安特性，這些都會給輸電網帶來奇次諧波成分。

4)家用電器設備。在空調器、冰箱、洗衣機、電風扇等含有繞組的用電設備中，由於不平衡電流的變化也能使電源波形發生改變。另外，計算機、電視機、溫控炊具、調光燈具等，因其具有一定的調壓整流功能，也會產生高次的奇次諧波成分。這些家用電器設備也成為諧波的一個主要來源。

5)其他用電設備。

諧波電流是由設備或系統引入的非正弦特性電流。諧波電流疊加在主電源上

諧波電壓

諧波電壓是由諧波電流和配電系統上產生的阻抗導致的電壓降

阻抗

阻抗是在特定頻率下配電系統某一點產生的電阻。阻抗取決於變壓器和連在系統上的用電設備，以及所採用導體的截面積和長度。

阻抗係數

阻抗係數是AF （載波）阻抗相對於50Hz （基波）阻抗的比率。

在配電系統里的設備，與它們存在的電容( 電纜，補償電容器等) 和電感( 變壓器，電抗線圈等) 形成共振電路。後者能夠被系統諧波激勵而成為諧振。配電系統諧波的一個原因是變壓器鐵芯非線性磁化的特性。在這種情況下主要的諧波是3 次的；它在全部導體內與單相分量具有相同的長度，因而在星形點上不能消除。

每個電感和電容的連接形成一個具有特定共振頻率的諧振電路。一個網路有幾個電感和電容就有幾個諧振頻率。

並聯諧振頻率

網路阻抗達到最大值的頻率。在並聯諧振電路中，電流分量I L 和I C 大於總電流I 。

串聯諧振頻率

網路的阻抗水平達到最小的頻率。在串聯諧振電路內分路電壓U L 和U C 大於總電壓U 。

串聯諧振諧電路

由電感（電抗器）和電容（電容器）串聯的電路。

電動機和變壓器的磁能部分，以及用於能量交換目的的功率轉換器等處需要無功功率Q 。與有功功率不同，無功功率並不做功。計量無功功率的單位是Var 或 kvar 。

供電部門規定一個最小功率因數以避免電能浪費。如果一個工廠的功率因數小於這個最小值，它要為無功功率的部分付費。否則它就應該用電容器提高功率因數，這就必須在用電設備上並聯安裝電容器。

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。

根據諧波頻率的不同，可以分為：

1、奇次諧波

額定頻率為基波頻率奇數倍的諧波，被稱為“奇次諧波”，如3、5、7次諧波

2、偶次諧波

額定頻率為基波頻率偶數倍的諧波，被稱為“偶次諧波”，如2、4、6、8次諧波。

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。

3、分數次諧波

頻率為基波非整數倍的分量稱為間諧波（interharmonics），有時候也將低於基波的間諧波稱為次諧波（sub-harmonics),次諧波可看成直流與工頻之間的間諧波。詳細請參考GB/T 24337--2009.

1)對旋轉的發電機、電動機而言，由於諧波電流或諧波電壓在定子繞組、轉子迴路及鐵心中產生附加損耗，從而降低發電、輸電及用電設備的效率。更為嚴重的是，諧波振蕩容易使汽輪發電機產生振蕩力矩，可能引起機械共振，造成汽輪機葉片扭曲及產生疲勞破壞。

2)諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更尖，不僅導致電機、變壓器、電容器等電氣設備的磁滯及渦流損耗增加，而且使絕緣材料承受的電應力增大。諧波電流能使變壓器的銅耗增加，所以電機、變壓器在嚴重的諧波負載下將產生局部過熱、振動和雜訊增大、溫升增加，從而加速絕緣老化、縮短變壓器等電氣設備的使用壽命、浪費日趨寶貴的能源、降低供電可靠性。

3)由於電機、變壓器、電力電容器、電纜等負載處於經常的變動之中，極易與電網中含有的大量諧波源構成串聯或並聯的諧振條件，形成諧波振蕩，產生過電壓或過電流，危及電機、變壓器等負載及電力系統的安全運行，引發輸配電事故的發生。

4)電網諧波將使測量儀錶、計量裝置產生誤差，達不到正確指示及計量。斷路器開斷諧波含量較高的電流時，斷路器的開斷能力將大大降低，造成電弧重燃，發生短路，甚至斷路器爆炸。

5)另外，由於諧波的存在，易使電網的各類保護及自動裝置產生誤動或拒動以及在通信系統內產生聲頻干擾，嚴重時將威脅通信設備及人身安全等。

1．抑制諧波的基本原則

抑制變頻器在運行中產生諧波的方法是進行諧波補償，也就是增加諧波補償裝置，使輸入的電流成為正弦波。

2．方法

傳統的諧波補償裝置多採用設置LC調諧濾波器的方法來抑制諧波，這種抑制方法既可以抑制諧波，又可以補償無功功率。不足之處是其補償特性易受電網阻抗與運行狀態的影響，容易與系統產生並聯諧振，進而造成諧波放大，容易導致LC調諧濾波器過載，甚至燒壞。

另一方面，LC調諧濾波器僅能補償固定頻率的諧波且補償效果不甚理想。不過，由於LC調諧濾波器的結構簡單、成本較低、設置容易，故現在仍然被廣泛應用。