電力諧波

發電機由於三相繞組在製作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，電源多少也會產生一些諧波，但一般來說很少。

輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波，由於變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。

晶閘管整流設備。由於晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的應用，給電網造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置採用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%；接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈衝整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經統計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。

變頻裝置。變頻裝置常用於風機、水泵、電梯等設備中，由於採用了相位控制，諧波成份很複雜，除含有整數次諧波外，還含有分數次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調速的發展，對電網造成的諧波也越來越多。

電弧爐、電石爐。由於加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩定，引起三相負荷不平衡，產生諧波電流，經變壓器的三角形連接線圈而注入電網。其中主要是2次、7次諧波，平均可達基波的8% 、20%，最大可達45%。

氣體放電類電光源。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬於氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏安特性，可知其非線性十分嚴重，有的還含有負的伏安特性，它們會給電網造成奇次諧波電流。

家用電器。電視機、錄像機、計算機、調光燈具、調溫炊具等，因具有調壓整流裝置，會產生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調器等有繞組的設備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數量巨大，也是諧波的主要來源之一。

“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。傅里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。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。

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。

諧波的危害十分嚴重。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、產生振動和雜訊，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干擾。造成電網的功率損耗增加、設備壽命縮短、接地保護功能失常、遙控功能失常、線路和設備

過熱燈，特別是三次諧波會產生非常大的中性線電流，使得配電變壓器的零線電流甚至超過相線電流值，造成設備的不安全運行。諧波對電網的安全性、穩定性、可靠性的影響還表現在可能引起電網發生諧振、使正常的供電中斷、事故擴大、電網解裂等。引起變電站局部的並聯或串聯諧振，造成電壓互感器等設備損壞；造成變電站系統中的設備和元件產生附加的諧波損耗，引起電力變壓器、電力電纜、電動機等設備發熱，電容器損壞，並加速絕緣材料的老化；造成斷路器電弧熄滅時間的延長，影響斷路器的開斷容器；造成電子元器件的繼電保護或自動裝置誤動作；影響電子儀錶和通信系統的正常工作，降低通信質量；增大附加磁場的干擾等。

為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，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，使期不產生諧波，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。

人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無功功率卻並不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時，至今尚無獲得公認的無功功率定義。但是，對無功功率這一概念的重要性，對無功補償重要性的認識，卻是一致的。無功補償應包含對基波無功功補償和對諧波無功功率的補償。

無功功率對供電系統和負荷的運行都是十分重要的。電力系統網路元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當寬的範圍內可以實現；而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這隻能在很窄的範圍內實現。不僅大多數網路元件消耗無功功率，大多數負載也需要消耗無功功率。網路元件和負載所需要的無功功率必須從網路中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發電機提供並經過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是無功補償。

無功補償的作用主要有以下幾點：

（1）提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗。

（2）穩定受電端及電網的電壓，提高供電質量。在長距離輸電線中合適的地點設置動態無功補償裝置還可以改善輸電系統的穩定性，提高輸電能力。

（3）在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當的無功襝可以平衡三相的有功及無功負載。

在工業和生活用電負載中，阻感負載佔有很大的比例。非同步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。非同步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統所提供的無功功率中佔有很高的比例。電力系統中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的性質所決定的。

電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率，特別是各種相控裝置。如相控整流器、相控交流功率調整電路和周波變流器，在工作時基波電流滯後於電網電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。二極體整流電路的基波電流相位和電網電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無功功率。

近30年來，電力電子裝置的應用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所佔的比例最大。目前，常用的整流電路幾乎都採用晶閘管相控整流電路或二極體整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負載的整流電路所產生的諧波污染和功率因數滯后已為人們所熟悉。直流側採用電容濾波的二極體整流電路也是諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數接近1。但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網造成嚴重污染，也使得總的功率因數很低。另外，採用相控方式的交流電力調整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側產生大量的諧波電流。

1.無功功率的影響

（1）無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。同時，電力用戶的起動及控制設備、測量儀錶的尺寸和規格也要加大。

（2）無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。

（3）使線路及變壓器的電壓降增大，如果是衝擊性無功功率負載，還會使電壓產生劇烈波動，使供電質量嚴重降低。

2.諧波的危害

理想的公用電網所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的能耐電力電子設備廣泛應用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，並有一定認識，但那時諧波污染還沒有引起足夠的重視。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速使得公用電網的諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發生，諧波危害的嚴重性才引起人們高度的關注。諧波對公用電網和其他系統的危害大致有以下幾個方面。

（1）諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。

（2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產生機械振動、雜訊和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。

（3）諧波會引起公用電網中局部的並聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，這就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。

（4）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，並會使電氣測量儀錶計量不準確。

（5）諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生雜訊，降低通信質量；重者導致住處丟失，使通信系統無法正常工作。

電能質量的好壞，直接影響到工業產品的質量，評價電能質量有三方面標準。首先是電壓方面，它包含電壓的波動、電壓的偏移、電壓的閃變等；其次是頻率波動；最後是電壓的波形質量，即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率，也就是諧波所佔的比重。我國對電能質量的三方面都有明確的標準和規範。

隨著科學技術的發展，隨著工業生產水平和人民生活水平的提高，非線性用電設備在電網中大量投運，造成了電網的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網的供電損耗，而且干擾電網的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動與拒動，直接威脅電網的安全運行。舉個常見的例子來說，電子節能燈在使用量所佔比重較小的電網中運行，的確比常用的白熾燈好，不僅亮度高又省電，而且使用壽命也長。但是相反，在大量投運節能燈后，就會發現節能燈的損壞率大大提高。這是由於節能燈是非線性負荷，它產生較大的諧波污染了這一片電網，造成三相負荷基本平衡情況下，中心線電流居高不下，線電壓與相電壓之比比1要小得多，造成了該片電網供電質量下降，用電設備發熱增加，電網線損增加，使得該區的配變發熱嚴重，嚴重影響其使用壽命。因此我們對非線性用電設備產生的諧波必須進行治理，使諧波分量不超過國家標準。

目前我國應用的發電機有兩大類：隱極機和凸極機。隱極機多用於汽輪發電機，凸極機多用於水輪發電機。

對於諧波分量而言，隱極機優於凸極機，但隨著科技進步，可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入，使發電機的諧波分量有所上升。當發電機的端電壓高於額定電壓的10%以上時，由於電機的磁飽和，會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側電壓超過額定電壓10%以上時，也會使二次側電壓的三次諧波明顯增加。由於電網電壓偏移在±7%以下，所以發電、變電設備產生的諧波分量都比較小，比國家的考核標準低的多，因此發電、變電設備不是影響電網電壓波形方面質量的主要矛盾。

為此，影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備，也就是說非線性用電設備是主要的諧波源，非線性用電設備主要有以下四大類：

· 電弧加熱設備：如電弧爐、電焊機等。

· 交流整流的直流用電設備：如電力機車、電解、電鍍等。

· 交流整流再逆變用電設備：如變頻調速、變頻空調等。

· 開關電源設備：如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。

這些用電設備都是非線性用電設備，但它們產生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：

電弧加熱設備是由於電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，並且滅弧電壓略低於起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性。

此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由於弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設備對電網的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀四、五十年代已廣泛應用。由於當時電弧加熱設備量少，電焊機應用的同時率就更小了，對整個電網的影響比較小，但在當時已發現在燒電焊時，局部低壓電網的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。

交流整流直流用電設備的諧波產生的原因是由於整流設備有一個閥電壓，在小於閥電壓時，電流為零。這類用電設備為了提供平穩的直流電源，在整流設備中加入了儲能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加激了諧波的產生量。為了控制直流用電設備的電壓和電流，在整流設備中應用了可控硅，這使得該類設備的諧波污染更嚴重，而且諧波的次數比較低。

交流整流再逆變用電設備，在交流變直流過程中產生的諧波與上述的交流整流直流用電設備一樣，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流，這類設備產生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。

雖然這類設備單台容量比上述兩類設備容量要小，但它的分佈面廣，數量多，是目前推廣使用的技術手段，因此它的諧波污染應引起足夠關注。

開關電源設備目前應用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關管控制變壓器初級電流的開通和關閉，從而在變壓器二次側感應出電流，供給用電設備。此外，開關電源的頻率比較高一般在40kHz左右，不僅在整流時產生諧波，而且在開關管開閉時，反射40kHz左右的波至電源。這類用電設備同樣是單台容量不大，但它是應用面最廣、量最大的非線性用電設備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會通過配變污染到10kV電網。

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%，這對於小功率的用戶而言，還不怎樣，但對於大功率的用戶來說，危害就很大了，對於中頻爐用戶，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。

諧波的治理主要採用無源濾波裝置和有源濾波器。

主要採用LC迴路，並聯於系統中，LC迴路的設定，只能針對於某一次諧波，即針對於某一個頻率為低阻抗，使得該頻率流經為其設定的LC迴路，達到消除（濾除）某一頻率的諧波的目的。LC迴路在濾除諧波的同時，在基波對系統進行無功補償。這種濾波裝置簡單，成本低，但不能濾除乾淨。其主要元件為投切開關、電容器、電抗器以及保護和控制迴路。

這種濾波器是用電力電子元件產生一個大小相等，但方向相反的諧波電流，用以抵銷網路中的諧波電流，這種裝置的主要元件是大功率電力電子器件，成本高，在其額定功率範圍內，原則上能全部濾除乾淨。

目前常用的諧波治理的方法無外乎有二種，無源濾波和有源濾波。下面就談談這二種方法的優缺點以及市場前景及其經濟效益的分析。

無源濾波的主要結構是用電抗器與電容器串聯起來，組成LC 串聯迴路，並聯於系統中，LC迴路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點上，達到濾除這3次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，如果諧振頻率設定得不好，會與系統產生諧振。現在，市場上流通較多的採取的濾波方法就是這一種，主要是因為低成本，用戶容易接受。雖濾波的效果較差，只要滿足國家對諧波的限制標準和電力部門對無功的要求就行了。由於其低成本，市場的需求也就大，一般而言，低壓0.4KV系統大多數採用無源濾波方式，高壓10KV幾乎都是採用這種方式對諧波進行治理。由於我國的中小企業大多數是私有的，業主對諧波的危害認識不足，一般不願意拿出大量的經費來治理諧波，而有的企業由於諧波的含量太大，常規的無功補償不能湊效，供電部門對無功的要求又是十分嚴格的，達不到就要罰款。因此，業主不得不要求濾波。因而，其市場的前景可觀，經濟效益也就可觀了。

有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎上發展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率範圍內，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產生一個和系統的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。但由於受到電力電子元件耐壓，額定電流的發展限制，成本極高，其製作也較之無源濾波裝置複雜得多，成本也就高得多了。其主要的應用範圍是計算機控制系統的供電系統，尤其是寫字樓的供電系統，工廠的計算機控制供電系統。對單台的裝置而言，其利潤是可觀的，但用戶一般不願意用有源濾波，對於諧波的含量，不必濾得太乾淨，只要不危害其他用電器也就可以了。