时间：2023-03-03 00:09:30
【关键词】谐波治理；半导体器件；谐波源；有源电力滤波；无源电力滤波
一、课题的背景及意义
（一）谐波的产生
谐波是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的。造成系统正弦波形畸变、产生谐波的设备和负载都称为谐波源。这些非线性设备或负载，向系统注入大量的谐波电流，使电力系统的电压波形也发生畸变，电能质量降低。按照非线性元件的类型，电力系统谐波源可以分为两大类：
1.含有半导体器件的电力电子装置谐波源
随着电力电子装置的应用越来越广泛，它已成为公用电网最大的谐波源。在目前主要应用的各种电力电子装置中，整流装置占的比例是相当大的。常见的整流电路都是采用晶闸管相控整流或二极管不控整流，其中以三相桥式和单相桥式整流电路较为常见。带阻感负载的整流电路产生的谐波污染和较低的功率因数己被人们熟知。而直流侧采用大电容滤波的整流电路也日益成为严重的谐波污染源，虽然其输入电流的基波分量功率因数接近1，但其中的谐波分量却很大，给电网造成了严重的污染，也使总的功率因数很低。
2.含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源
这类设备主要包括有旋转电机、变压器、电弧炉和电焊机等。在电力电子装置大量推广应用之前，公用电网最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机。变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性特性引起的。
（二）谐波的危害
理想的公用电网所提供的电压应该是单一且固定的频率以及规定的电压幅值。谐波的出现，对公用电网来说是一种污染，它使用电设备所处的电网环境变差，也对周围的通信系统和设备带来一定的危害。
（三）谐波的治理
谐波治理的措施有三种：一是受端治理，即从受到谐波影响的设备出发，提高它们抗谐波干扰能力；二是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源尽量不产生谐波；三是被动治理，即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网或者阻碍电力系统的谐波流入负载。因被动治理是目前应用最多的谐波治理方式，这里着重介绍被动治理。被动治理谐波的措施主要有以下几种：
1.无源电力滤波器
在谐波源附近或公用电网节点装设单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿，运行维护也简单。
2.有源电力滤波器
在谐波源附近和公用电网节点装设并联型或串联型APF，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并联型还可以进行无功功率补偿。
3.混合型有源滤波器
HAPF兼具PPF成本低廉和APF性能优越的优点，属于APF的分支和发展。
二、谐波检测算法的研究现状
根据APF和HAPF的工作原理，要控制功率变换电路产生期望的谐波，首先要通过检测电路获取谐波作为控制的参考信号，再利用控制电路产生信号去控制功率变换电路。因此，谐波检测算法的好坏直接影响到补偿精度和补偿速度，是APF和HAPF的关键环节。现有谐波检测算法按原理可分为：
（一）基于瞬时无功功率理论的谐波检测法
（二）基于傅立叶变换的谐波检测法
（三）基于神经网络的谐波检测法
（四）基于自适应对消原理的谐波检测法
（五）基于小波分析的谐波检测法
三、谐波监测分析系统的发展现状
为保证供电质量，保证电力系统和用电设备的安全正常运行，进行谐波治理之前，必须要了解电网中谐波的次数及其含量，即必须进行谐波的实时监测和分析。目前，我国谐波分析仪的研制工作也取得了一定成果。用单台微机监测多条线路，并将谐波检测、分析及故障录波集成于一体，实现一台微机监测多条线路的谐波并进行故障录波，具有价廉、实用的特点。同时，无人监控也是现代控制的发展方向，它使电力监测系统的设计必须考虑到无线通信及网络技术在电力系统中的应用。可以预计，新一代数字化、自动化和智能化谐波监测分析系统将成为发展方向。
四、有源电力滤波器的发展概况
早在70年代初，日本学者就提出了有源电力滤波器的概念。1976年，美国西屋电气公司的L.Gyugi提出了用大功率晶闸管组成的PWM逆变器构成“有源电力滤波器”来消除电网谐波。其基本原理和电路拓扑结构已确定，但由于受到当时功率半导体器件水平及控制策略的限制，有源电力滤波器的研制一直处于试验阶段。直到进入80年代以来，随着新型电力半导体器件的不断发展、脉宽调制技术的不断进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，为有源电力滤波器的实用化提供了必要的条件，使之在工业上得到了广泛的应用。近20年来APF技术得到了长足的改善，越来越多的APF投入运行，不论是实现功能还是运行功率上都有明显改善。目前，有源电力滤波器已用在提高电能质量、电压波动抑制以及谐波消除和无功补偿等问题上，近些年来对有源滤波器的拓扑也进行了较为深入的研究。
在我国，有源电力滤波器的研究起步较晚，对APF的研究始于80年代末期，1989年才见这方面研究的文章。从90年代中期起，我国对APF的研究全面展开，包括谐波检测、拓扑研究、系统建模、控制方法等都进行了研究。目前，有源电力滤波器研究工作的关键所在是进一步提高有源电力滤波器在生产实践中的实际应用水平，促进科研成果向工业成型产品的快速转化。
参考文献：
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关键词：医院；非线性设备；谐波；谐波源；危害；治理
近年来，在医院配电网中使用非线性负载越来越多，如变频水泵、电梯、空调、荧光灯、计算机、不间断电源（UPS）、医用放射设备、监护仪、治疗仪、检验设备等，这些非线性负载将产生大量的谐波和电磁辐射干扰，污染电网，造成电能质量下降，可能引起供配电设备故障，电气设备过热，甚至有引发火灾的危险；同时，谐波还可能会对高精密诊断仪器设备造成程序运行错误、数据丢失、无故重启、死机甚至永久性损坏的不良后果，还有可能会危及医护人员和患者的生命健康。因此，正确认识谐波，明确谐波源，积极治理谐波、净化电网，具有积极而深远的意义。
1 谐波的产生
当正弦波电压施加于非线性负载上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使得电压波形也变为非正弦波。非正弦波用傅里叶级数分解，其中频率与工频相同的分量称为基波，频率大于基波的分量称为谐波。简而言之，电力谐波是指n倍（n为大于1的整数）工频频率的交流电，它是一种电力污染，对电力系统及设备危害十分严重。
2 谐波的危害
2.1 谐波对线路的影响
谐波增大系统电能损耗，使设备元器件发热，影响设备使用寿命。此外，谐波引起的谐振，造成电容器组过电压或过电流，容易烧毁电容器或电气设备。
2.2 谐波对变压器的影响
谐波会增加变压器的附加损耗，可能在变压器绕阻和线电容之间产生谐振，引起过热，增大噪声，加速绝缘老化，大大缩短变压器使用寿命。
2.3 谐波对电机的影响
除引起附加损耗、减小电磁转矩外，谐波还会产生机械振动和噪声，降低电机效率，减少电机使用寿命。
2.4 谐波对继电保护和自动装置的影响
谐波会引起继电保护和自动装置误动或拒动，降低安全可靠性，威胁电力系统安全运行。谐波还会造成电气测量仪表计量误差。
2.5 谐波对通信设备的影响
谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量，重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。
2.6 谐波对医疗设备的影响
谐波会产生大量电磁辐射，对高精度的医疗设备产生很大干扰，可能发生数据差错、图像模糊、信息丢失等问题，严重时甚至导致硬件损坏，造成医疗设备无法继续正常工作。特别是检测人体生物电信号的仪器设备，如心电图机、心电监护仪、心脏起搏器、脑电图机、超声诊断仪、针灸电疗仪等直接接触人体的仪器设备，由于信号非常微弱，一旦受到干扰，就会使显像管显示图象变形失真，成像模糊不清，影响医疗诊断结果；同时还可能会引起微电击，严重时还会对患者造成身体损害甚至生命危险。大型医疗设备如MRI、CT、DR等也会由于谐波的影响而可能使设备电路板烧毁，影响正常检查工作，增加患者等待时间。
3 医院低压电网中谐波源的主要分布
医院低压电网中存在大量的谐波源负载：
3.1 照明灯具
大部分医院照明以荧光灯具为主，会产生幅值较大的奇次谐波，但谐波污染不是很严重，电流总谐波畸变率在7%左右。
3.2 变频装置
医院常见变频装置有电梯、水泵、空调等。
医院楼层高、人流量大，电梯在医院的正常运转中扮演着重要角色。交流电机带动升降电梯，通过变频器控制电梯启停变速。变频器会导致电流发生严重畸变，产生大量5、7、11、13次谐波。
医院供暖、供水、排水管网大量采用变频水泵，水泵工作时电压总谐波畸变率可达14%，电流谐波畸变也很厉害，主要为5、7、11、13次。
医院各科室大都装有中央空调或独立空调，且以变频空调为主。空调的电流总谐波畸变率一般为30%～40%，其中5次谐波含量最高。
3.3 计算机和UPS
医院信息网络系统必须24小时全天候运行，以便对医疗过程中的病例、数据进行存储记录。大量计算机，以及服务器必配的UPS不间断电源，会产生大量3、5、7次等谐波。
3.4 电子医疗检测设备
大型医院的电子医疗检测设备常选用开关电源提供电力，但其整流和逆变工作过程中将产生大量3、5、7次等的谐波电流。
3.5 医技设备
大型医院基本配置齐全X光机、CT机、核磁共振设备MRI，数字胃肠机等，有的甚至配备了电子直线加速器、数字减影血管造影机DSA等设备，这些设备为患者诊断病情提供了准确依据，可同时也是系统中主要的谐波源。它们的谐波情况比较复杂，频谱相对较宽，主要谐波次数为3，5，7次。高谐波环境不仅会影响设备的正常工作，使之出现故障，还会对临近的设备产生干扰。
4 谐波治理的方法
常用的谐波治理方法有两种方式：一种是无源滤波器，一种是有源滤波器。两者可以与无功功率因素补偿柜结合使用，也可以相互之间配合使用。
无源滤波器是传统的谐波补偿装置，主要由了滤波电容器、电抗器和电阻器串联组成，与谐波源并联，谐振频率设定在需要滤出的高次谐波频率上，以达到滤波目的。无源滤波器优点是经济实惠成本低，缺点是滤波效果相对较差。
有源滤波器是在无源滤波装置的基础上发展起来的，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，在其额定的无功功率范围内，滤波效果为100%，缺点是价格相对无源滤波器较高。
医院低压电网中谐波源数量多，情况复杂，可选用有源滤波器，采用就地补偿与集中补偿相结合的谐波治理方式。
1.就地补偿：按设备工作电流乘以谐波畸变率，即可得出谐波电流有效值，可选择相应电流的三线滤波器。
2.集中补偿：考虑到主母线或配电干线上可能含有照明、动力、空调等负载，应选用相应容量的四线滤波器。集中补偿滤波设备的谐波电流有效值可按计算电流乘以谐波畸变率，畸变率按15%考虑。
3.如果不采用就地补偿，只采用集中补偿，医技设备与其它电气设备混合供电，可以将畸变率提高到20%进行估算。
有源滤波器输出的补偿电流是根据系统的谐波量动态变化的，因此不会出现过补偿的问题；另外，有源滤波器内部有过负荷保护功能，当系统的谐波量大于滤波器容量时，滤波器可以自动限制在100%额定容量输出，不用担心会发生过负荷的问题。
参考文献
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【关键词】电能质量；电力谐波；谐波监测；谐波治理
一、引言
随着社会的高速发展，医院引进的先进医疗设备与高精度仪器越来越多，如：XRAY射线仪器、超声波、氧气传输系统、二维图像彩色B超仪、全身螺旋CT扫描仪、单(双)光子发射计算机断层扫描机、全自动生化仪等。目前，医院的低压配电系统有大量的谐波源负荷，会产生大量的3、5、7、……次谐波，严重污染电网，危害设备，减少电气使用寿命、增加成本。大量的单相非线性负荷会造成三相不平衡、谐波超标、中性线谐波过载等电能质量问题，因此医院谐波的监测与治理十分必要。
二、谐波的监测
由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非平稳性和影响因素的复杂性等，因此难以对谐波进行准确测量，为此，许多学者对谐波测量问题进行广泛研究。现有谐波检测法按原理可分为：模拟滤波器、基于Fryze传统功率定义的谐波检测法、基于瞬时无功功率理论的谐波检测法、基于傅立叶变换的谐波检测法、基于神经网络的谐波检测法、自适应谐波检测法和基于小波分析的谐波检测法。其中基于傅立叶变换的谐波测量是当今应用最多也是最广泛的一种方法，使用此方法测量谐波，精度较高、功能较多、使用方便。
在实际应用中，当受到仪器和软件的限制时，要求采样点数不大于一个给定的极值，测量时间也要加以限定。与基本傅立叶周期的测量时间差将导致信号起点与测量窗终点并不连续。这会在对分量辨识的过程中出现错误，即所谓频谱泄漏。通常的解决方法是分析之前对随时间变化的信号作加权时间窗处理，常常使用的两种测量窗是矩形窗和海宁窗。在实际测量过程中，选用矩形窗和海宁窗插值算法可满足测量精度的要求。
三、谐波的治理
有三个不同的解决方案可以用来降低谐波发射等级：1)通过对自身结构的改进，减少非线性负荷产生的谐波；2)加装谐波滤波器（无源和有源）；3）安装隔离变压器和能抑制谐波的变压器。每一个方案都有其优点和缺点，通常难以确定哪个方案最好。为了避免在不适用的和无效的方案上浪费大量资金，需要对问题进行分析，选择最有效的方案。
(一)减少非线性负荷的谐波发射
降低谐波幅值的技术方案将随负荷类型而定，而这些方案涉及结构与技术的改进工作。
(二)换流器主电路中的电抗器
交流侧电抗器或直流侧电抗器的使用能极大降低换流器电流畸变的程度。
(三)多脉动换流器系统
在降低换流器电流畸变率，减缓谐波在电力系统中的负面影响中，增加换流器设备的脉动数是最普遍的方法。串联或者并联较小脉动数的换流器并确保每个桥的供电电压之间有适当的相位移，能实现等效多脉动的运行模式。
(四)换流器输入电流的主动整形
当今电力电子技术最重要的目标之一是，设计出对电网影响更小的交/直流换流器，。这就是所谓的功率因数校正换流器(PFC换流器)。带有直流滤波电容器的单相整流器输入电流的主动整形原理，它一般用于住宅和办公场所。
(五)无源滤波器
在电压畸变率超过或可能超过限值的地点，需要在供电母线上安装滤波器。目前使用的几乎都是LC元件组成的无源并联滤波器，通过选择LC元件，形成与供电网阻抗并联的低阻抗支路。它们有两个任务，即消除谐波电流和通过无功补偿降低系统基波负担。所有滤波器对于基波都呈现为容性。
无源滤波器的缺点：
1)装有无源滤波器的电力系统是一个弱阻尼的LCR电路，为了排除谐振现象发生，要求在设计阶段对频率特性进行仔细的分析。2)滤波器的效果很大程度上取决于连接点的电网阻抗。一般来说无法等到其精确值，并且系统阻抗随着电网结构的改变而变化。3)由于电源频率的变化和LC参数的改变，滤波器会发生失谐的问题。失谐的负面影响可以通过合适的调谐或降低滤波器品质因数来减轻。但后者会增大有功损耗，会使电源电压中未被滤除的谐波成分增多。4)滤波回路电流中常常含有电源电压谐波产生的谐波电流。
(六)有源滤波器
为了有效地消除电力系统谐波，发展了综合性能优于由电感(L)、电容(C)构成的传统无源电力滤波器的有源电力滤波器(Active Power Fi1ter，APF)。有源电力滤波器借助适当的控制技术，能够对各次谐波进行有效补偿，且不受系统参数影响，因而成为电力系统谐波治理的主要研究方向。
有源电力滤波器可以有效地抑制与补偿电力系统中的谐波，它通过监测实时谐波状况，在线计算出所含谐波分量，产生相应的控制信号，去控制可关断功率器件，一般是绝缘栅双极晶体管(IGBT)构成的逆变电路，产生所需补偿的电流谐波分量，并联接入产生谐波的主回路中，达到迅速的动态跟踪抑制谐波的效果。有源滤波器与无源滤波器相比具有不局限于某些次谐波的偿，对变化的谐波能进行迅速的动态跟踪补偿，与系统电网无谐振现象等优点，近年来得到了广泛的应用。
四、谐波治理与节能优化
以周期电流为例，它的有效值定义为：
(1)
由此可见，周期量的有效值等于它的瞬时值的平方在一周期内平均值的平方根，所以有效值又称为均方根值。
在电网中，如果电压和电流都是具有非正弦波形，将电压和电流分别分解为傅立叶级数：
(2)
和具有相同的基波频率。由于负荷可能是非线性的，所以电压和电流不一定具有相同阶次的谐波分量。综合上述公式则有：
将上式的右边展开以后，可分成许多项的积分，一类含有各谐波瞬时值平方的平均值：
而另一类项含有不同次数谐波瞬时值的乘积的2倍平均值，这类项应等于零：
因此，
由此可见，非正弦周期电流的有效值，等于其各次谐波电流有效值的平方和的平方根值：
(3)
同理可得，非正弦周期电压有效值为：
(4)
正弦波形畸变率是指畸变波形偏离正弦波形的程度。各次谐波有效值的平方根值与其基波有效值的百分比，称为正弦波形畸变率（total harmonic distortion，THD），简称畸变率。电压正弦波形的畸变率（）为：
(5)
式中，为额定基波电压，有时也用实际基波电压的有效值来表示。为了抑制和补偿某次谐的数值，常以谐波含量来表示，电压畸变波形的第次谐波电压含有量()为：
从以上两图可以看出，偶次谐波对波形的影响较小，可以忽略不计，然而奇次谐波对波形的影响非常大，所以在下面对真实数据的处理只对奇次谐波进行研究。
以下是根据国际大电网会议工作组建议，在测量和计算各次谐波的有效值时，给出的是它在5s内平均的有效值。这样可以对暂态现象和谐波加以区别。下面是XXX医院的采集的部分数据经整理而得到。
根据上面的公式及推理，以A相为例，可以计算得到：在谐波电压总含率从21.6%减小到1.1%，减少量为20.5%；谐波电流总含有率从35.3%减小到11.3%，减少量为24%的情况下，总功率减小了65W，一天的节电量为1.56KWh。
图3、图4是治理前后电压电流波形图的对比仿真(以A相为例)：
五、结束语
从理论上分析，虽然单纯的谐波含量降低能节省的电量并不是很多。但是由于大量谐波电压电流在电网中游荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热，从而增加的电力运行成本是不可忽视的。
参考文献
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作者简介：
【关键词】谐波；电网；整流；治理
一、企业谐波产生的原因
（1）电源自身谐波。谐波是指对周期性非正弦交流量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常也称为高次谐波，而基波是指其频率与工频相同的分量。当电网中的谐波电流较大时，称之为电网污染。谐波在电网诞生时就存在，由于制造工艺的问题，电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，从而使产生的电流稍微偏离正弦，这部分谐波分量只有在多路供电时才对电网产生影响。电力变压器由于其磁化曲线的非线性也产生少量谐波。（2）非线性负载产生。谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。第一，随着科技的进步与发展，晶闸管整流在不间断电源、稳压装置、自动控制等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。就电力系统中的供电电压来说，可以认为其波形基本上是正弦波，由于晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，根据任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量，在电网电流中含有大量的谐波。第二，变频器也是企业谐波污染的另一重要因素。变频调速在企业应用较为广泛，常用于风机、水泵等设备中。变频器是把工频电变换成各种频率的交流电，以实现电机的变速运行的设备。变频器控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电转换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出直流电压进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。随着变频调速的发展，对电网造成的谐波污染也越来越严重。第三，软启动器也造成了谐波污染。大功率设备如送风机、排风机的起停都采用了软启动器，因为软启动器采用三对反并联的晶闸管实现交流调压，由于晶闸管是典型的非线性器件，因此在使用过程中也会产生大量的谐波，对设备的稳定运行及电网造成了不良影响。第四，照明系统也产生谐波。目前广泛使用的是荧光灯、节能灯、金属卤化物灯等都属于非线性负载，在节能的同时也给电网带来了大量的谐波。
二、谐波造成的危害
谐波对电力系统设备和负载的影响，基本分为两方面：一是热应力；二是负载损坏。谐波会增加设备的损耗而加剧热应力。电压畸变而导致电压峰值增大，可能导致电缆绝缘击穿或设备损坏。（1）所有接于电网中的设备的损耗都会增加，温升增加。谐波对电机的影响除引起附加损耗，还会产生机械振动、噪声和过电压，导致电机转矩降低，过热甚至烧毁。（2）由于谐波的频率较高，谐波源的谐波电流流入变压器时增加了变压器的铜损耗和铁损耗，导致变压器容量减小。（3）谐波能引起补偿用电力电容器过热、过压，谐波电压使电容器产生额外的功率损耗，并联电容器其容抗随着谐波频率增大而减少，产生过电流，加速绝缘老化进程，增加绝缘击穿故障。（4）谐波会影响互感器的计量精度。谐波源将其吸收的一部分电网电能转变为谐波发送到电网中去，因此电能表会将谐波能量当作发电来进行计算，从而导致计量误差，增加企业的额外费用。（5）精密电子设备会被严重干扰，导致不能正常工作，甚至烧毁。（6）由于继电保护机构是根据工频正弦波的变化规律作为动作激励设计的，当波形畸变严重时各种保护装置和自动控制装置的动作都会受到影响，造成继电保护装置与自动控制装置的误动作或拒动作，影响企业的自动化生产。
三、谐波治理的措施
谐波治理是个综合治理过程，一方面应从源头抓起，加强设备的管理防止谐波的产生，更重要的一方面是提高认识，积极进行谐波治理，防止灾害产生。目前国内一些企业已开始重视谐波的污染，取得了节能和提高电网品质的双重效果。解决电力电子装置和其它谐波源污染问题的基本思路有两条：一是装设谐波补偿装置，即采用LC组成的无源调谐滤波器；二是对电力电子装置本身进行改造，改进整流装置，采用多相脉冲整流使其尽量不产生谐波，由于其电流电压同相位，称高功率因数整流器或高功率因数变流器。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。其基本原理是实时监测电网中电流，快速分离出谐波电流分量，发出控制指令，实时产生大小相等方向相反的补偿电流注入电网中，实现瞬时滤除谐波电流。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波电流进行跟踪补偿，其运行不受系统的影响，也不会产生谐波放大，同时可补偿无功功率，提高功率因数是一种较先进的谐波抑制技术。但由于其造价较高，只适用于小容量谐波补偿。
摘要：目前电力系统谐波危害已经引起了各个部门的关注，为了整个供电系统的供电质量，必须对谐波进行有效的检测和治理。关键字：电力谐波 检测 治理前言随着我国工业化进程的迅猛发展，电网装机容量不断加大，电网中电力电子元件的使用也越来越多，致使大量的谐波电流注入电网，造成正弦波畸变，电能质量下降，不但对电力系统的一些重要设备产生重大影响，对广大用户也产生了严重危害。目前，谐波与电磁干扰、功率因数降低被列为电力系统的三大公害，因而了解谐波产生的机理，研究和清除供配电系统中的高次谐波，对改于供电质量、确保电力系统安全、经济运行都有着十分重要的意义。一、电力系统谐波危害①谐波会使公用电网中的电力设备产生附加的损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量三次谐波流过中线会使线路过热，严重的甚至可能引发火灾。 ②谐波会影响电气设备的正常工作，使电机产生机械振动和噪声等故障，变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘部分老化、变质，设备寿命缩减，直至最终损坏。 ③谐波会引起电网谐振，可能将谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统构成重大威胁，特别是对电容器和与之串联的电抗器，电网谐振常会使之烧毁。 ④谐波会导致继电保护和自动装置误动作，造成不必要的供电中断和损失。 ⑤谐波会使电气测量仪表计量不准确，产生计量误差，给供电部门或电力用户带来直接的经济损失。 ⑥谐波会对设备附近的通信系统产生干扰，轻则产生噪声，降低通信质量;重则导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 ⑦谐波会干扰计算机系统等电子设备的正常工作，造成数据丢失或死机。 ⑧谐波会影响无线电发射系统、雷达系统、核磁共振等设备的工作性能，造成噪声干扰和图像紊乱。二、谐波检测方法1.模拟电路消除谐波的方法很多，即有主动型，又有被动型；既有无源的，也有有源的，还有混合型的，目前较为先进的是采用有源电力滤波器。但由于其检测环节多采用模拟电路，因而造价较高，且由于模拟带通滤波器对频率和温度的变化非常敏感，故使其基波幅值误差很难控制在10%以内，严重影响了有源滤波器的控制性能。近年来，人工神经网络的研究取得了较大进展，由于神经元有自适应和自学习能力，且结构简单，输入输出关系明了，因此可用神经元替代自适应滤波器，再用一对与基波频率相同，相位相差90度的正弦向量作为神经元的输入。由神经元先得到基波电流，然后检测出应补偿的电流，从而完成谐波电流的检测。但人工神经网络的硬件目前还是一个比较薄弱的环节，限制了其应用范围。2.傅立叶变换利用傅立叶变换可在数字域进行谐波检测，电力系统的谐波分析，目前大都是通过该方法实现的，离散傅立叶变换所需要处理的是经过采样和A/D转换得到的数字信号，设待测信号为x(t)，采样间隔为t秒，采样频率=1/t满足采样定理，即大于信号最高频率分量的2倍，则采样信号为x(nt)，并且采样信号总是有限长度的，即n=0，1……N-1。这相当于对无限长的信号做了截断，因而造成了傅立叶变换的泄露现象，产生误差。此外，对于离散傅立叶变换来说，如果不是整数周期采样，那么即使信号只含有单一频率，离散傅立叶变换也不可能求出信号的准确参数，因而出现栅栏效应。通过加窗可以减小泄露现象的影响。3.小波变换小波变换已广泛应用于信号分析、语音识别与合成、自动控制、图象处理与分析等领域。电力谐波是由各种频率成分合成的、随机的、出现和消失都非常突然的信号，在应用离散傅立叶变换进行处理受到局限的情况下，可充分发挥小波变换的优势。即对谐波采样离散后，利用小波变换对数字信号进行处理，从而实现对谐波的精确测定。小波可以看作是一个双窗函数，对一信号进行小波变换相当于从这一时频窗内的信息提取信号。对于检测高频信息，时窗变窄，可对信号的高频分量做细致的观测；对于分析低频信息，这时时窗自动变宽，可对信号的低频分量做概貌分析。所以小波变换具有自动“调焦”性。其次，小波变换是按频带而不是按频点的方式处理频域信息，因此信号频率的微小波动不会对处理产生很大的影响，并不要求对信号进行整周期采样。另外，由小波变换的时间局部可知，在信号的局部发生波动时，不会象傅立叶变换那样把影响扩散到整个频谱，而只改变当时一小段时间的频谱分布，因此，采用小波变换可以跟踪时变和暂态信号。三、电力系统谐波治理限于篇幅问题，本文在此只介绍基于改造谐波源本身的谐波抑制方法，基于改造谐波源本身的谐波抑制方法一般有以下几种。(1)增加整流变压器二次侧整流的相数对于带有整流元件的设备，尽量增加整流的相数或脉动数，可以较好地消除低次特征谐波，该措施可减少谐波源产生的谐波含量，一般在工程设计中予以考虑。因为整流器是供电系统中的主要谐波源之一，其在交流侧所产生的高次谐波为tK1次谐波，即整流装置从6脉动谐波次数为n=6K1，如果增加到12脉动时，其谐波次数为n=12K1(其中K为正整数)，这样就可以消除5、7等次谐波，因此增加整流的相数或脉动数，可有效地抑制低次谐波。不过，这种方法虽然在理论上可以实现，但是在实际应用中的投资过大，在技术上对消除谐波并不十分有效，该方法多用于大容量的整流装置负载。(2)整流变压器采用Y/或/Y接线该方法可抑制3的倍数次的高次谐波，以整流变压器采用/Y接线形式为例说明其原理，当高次谐波电流从晶闸管反串到变压器副边绕组内时，其中3的倍数次高次谐波电流无路可通，所以自然就被抑制而不存在。但将导致铁心内出现3的倍数次高次谐波磁通(三相相位一致)，而该磁通将在变压器原边绕组内产生3的倍数次高次谐波电动势，从而产生3的倍数次的高次谐波电流。因为它们相位一致，只能在形绕组内产生环流，将能量消耗在绕组的电阻中，故原边绕组端子上不会出现3的倍数次的高次谐波电动势。从以上分析可以看出，三相晶闸管整流装置的整流变压器采用这种接线形式时，谐波源产生的3n(n是正整数)次谐波激磁电流在接线绕组内形成环流，不致使谐波注入公共电网。这种接线形式的优点是可以自然消除3的整数倍次的谐波，是抑制高次谐波的最基本方法，该方法也多用于大容量的整流装置负载。(3)尽量选用高功率因数的整流器采用整流器的多重化来减少谐波是一种传统方法，用该方法构成的整流器还不足以称之为高功率因数整流器。高功率因数整流器是一种通过对整流器本身进行改造，使其尽量不产生谐波，其电流和电压同相位的组合装置，这种整流器可以被称为单位功率因数变流器(UPFC)。该方法只能在设备设计过程中加以注意，从而得到实践中的谐波抑制效果。(4)整流电路的多重化整流电路的多重化，即将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦波，但其电路也越复杂，因此该方法一般只用于大容量场合。另外，该方法不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可以减少直流输出电压中的谐波幅值，并提高纹波频率。如果把上述方法与PWM技术配合使用，则会产生很好的谐波抑制效果。该方法用于桥式整流电路中，以减少输入电流的谐波。当然，除了基于改造谐波源本身的谐波抑制方法，还有基于谐波补偿装置功能的谐波抑制方法，它包括加装无源滤波器、加装有源滤波器、装设静止无功补偿装置(SVC)等等，在此就不再详细论述。随着现代信息技术，计算机技术和电子技术的发展，电能质量问题已越来越引起用户和供电部门的重视。应用先进的电能质量测试仪器不仅能大大提高电能质量的监测与治理水平，同时还可建立先进可靠的电能质量监测网络，及时分析和反映电网的电能质量水平，找出电网中造成电能质量谐波及故障的原因，采取相应的措施，为保证电网的安全、稳定、经济运行提供重要的保障。参考文献：[1]电能质量－公用电网谐波GB／T14549-1993[J][2]吕润馀．电力系统高次谐波．[M]．北京：中国电力出版社，1998[3]陈伟华．电磁兼容实用手册．北京：机械工业出版社，1998
关键词:谐波;滤波器引言
中图分类号:F407.61 文献标识码:B 文章编号:1009-9166(2009)020(c)-0207-01
电力电子设备的使用导致电网中的谐波电流大大增加,给电力系统造成污染,形成电网公害。本文对此进行分析并探讨解决方案。
一、谐波的危害:
(一)对电机的影响。谐波电流流过电机,会引起附加损耗,产生震动和噪声,还可能出现过压。由于在定子绕组上形成的附加损耗和谐波涡流损耗大,可造成电机严重发热,甚至造成损坏。
(二)对电力电容的影响。在大中型电力系统中,常用静态电力电容器补偿一定的感性功率,改善功率因素。电容对电网中的高次谐波成分呈低阻抗,若电容基波阻抗为Xc1,则其N次谐波阻抗为Xcn=Xc1/N。随着谐波次数的增加,电容的谐波阻抗降低,大量谐波电流将流过电容。谐波电流持续通过电容会导致电容器功率损失增加,引起过热,影响电容器的使用寿命,甚至损害电容器。另外,电容器容性阻抗和系统感抗可能在某次谐波附近发生谐振,使系统谐波电流含量大大增加。
(三)对变压器的影响。变压器的铁耗主要由磁滞损耗和涡流损害两部分组成,频率越高,损耗越大。因此,当频率较高的谐波电流经过变压器时,变压器的铁耗增加,引起外壳和某些零件发热。另外,还会引起震动和噪声。
(四)对控制装置和保护装置的影响。电力系统中,大多数控制和保护装置的输入信号取自电网工频正弦信号。由于电网的电压、电流中存在高次谐波,会使输入信号的相位和幅值变化,甚至造成误动作。在谐波严重的配电系统中,控制与保护装置的误动作时常发生。
二、治理方法:
谐波治理有多种方法,本文介绍装设滤波器法。
装设滤波器的目的主要是消除变流装置的各主要次特征谐波,以满足电网对电压和电流谐波畸变的要求。装设滤波器的种类和数量应根据谐波源的特性来决定,通常情况下装设单调谐波滤波器和高通滤波器。另外,在设计滤波器时,也要考虑系统的无功补偿的要求。
(一)单调谐滤波器
单调谐滤波器的电路及阻抗特性如图1所示。该滤波器在某次谐波频率下或者接近某次谐波频率下阻抗较小。单调谐波器一般用于消除幅值较大的各次特征谐波。图1
(二)高通滤波器
高通滤波器的电路和阻抗频率特性如图2所示。这种滤波器一般用来滤除某次频率和更高次频率的谐波。在一个很宽的频率特性范围内呈现出一个很低的阻抗。
通常情况下,在交流网侧装设一个高通滤波器和若干个单调谐滤波器,以消除大部分谐波。图2
三、结束语:
文中提到的装设单调谐滤波器以及高通滤波器,两种滤波器各有其优缺点,在实际应用中应根据谐波特性合理地选择和搭配。
作者单位:中国矿业大学信电学院
参考文献:陈怡.电力系统分析,中国电力出版社
【关键词】谐波；危害；治理；抑制
一、谐波的危害
（1）变压器。对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会增加铁损。与纯基波运行的正弦波电流和电压比较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。（2）电力电缆。在导体中非正弦波电流所产生的热量与具有相同均方根的纯正弦波相比较，非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由众所周知的集肤效应和邻近效应所引起的，这两种效应如同增加导体交流电阻，进而导致I2RAC损耗增加。（3）电动机与发电机。谐波电流和电压对感应及同步电动机所造成的主要效应是在谐波频率下铁损和铜损的增加所引起之额外温升。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。当设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出将影响所生产产品的质量。（4）电子设备。电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，这种设备常常靠电压波形的过零点或其它电压波形取得同步而运行。电压谐波畸变可导致电压过零点漂移或改变一个线电压高于另一个线电压的位置点，这两点对于不同类型的电力电子电路控制是至关重要的。而电力与通讯线路之间的感性或容性耦合亦可能造成对通讯设备的干扰。计算机和一些其它电子设备，通常要求总谐波电压畸变率（VTHD）小于5％，且个别谐波电压畸变9率低于3％，较高的畸变量可导致控制设备误动作，进而造成生产或运行中断，导致更大的经济损失。（5）开关和保护继电器。和其它设备一样，谐波电流也会引起开关的额外损耗，并提高温升使承载基波电流能力降低。温度的升高对某些绝缘组件而言会降低其使用寿命。保护继电器对波形畸变的影响很大程度取决于所采用的检测方法。目前并没有通用的准则能用来描述谐波对各种继电器的影响。然而，可以认为目前在电网上一般的谐波畸变不会对继电器运行造成影响。（6）功率因数补偿电容器。电容器组的容抗随频率升高而降低，因此电容器组起到吸收高次谐波电流的作用，此作用提供温升并增加绝缘材料的介质应力。应当注意的是容丝通常是用来当作电容器的过载保护。由谐波引起的发热和电压增加意味着电容器使用寿命的缩短。
二、谐波的治理
谐波的治理一是抑制谐波；二是在谐波源处吸收谐波电流。抑制谐波电流主要有三方面的措施：降低谐波源的谐波含量，也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有：增加整流器的脉动数。增加整流脉动数，可平滑波形，减少谐波。如整流相数为6相时，5次谐波电流为基波电流的18.5％，7次谐波电流为基波电流的12％；如果将整流相数增加到12相，则5次谐波电流可下降到基波电流的4.5％，7次谐波电流下降到基波电流的3％。三相整流变压器采用Y-d（y／Δ）或d、Y（Δ／Y）的接线。这种接线可消除3的倍数次的高次谐波，这是抑制高次谐波的最基本的方法。选择合理的供电电压，并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，承受谐波的能力将会增大。一是对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其他负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波；二是合理选用运行方式，现在“手拉手环网”虽然提高了供电可靠性，但是对谐波污染构成通道，应当及时调整运行方式；三是在谐波源处吸收谐波电流，此种方法是对已有的谐波进行有效抑制，这是电力系统目前使用最广泛的抑制谐波方法，主要有以下三种：一是加装无源滤波器。无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，即用户非线性负载侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。二是加装有源滤波器。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点；在性价比上较为合理；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化著的谐波。三是改造并联电容器组，采取串联电抗器。在电网中的各变电站母线侧并联补偿电容器组起改善功率因数和调节电压的作用，采取串联电抗器，将电容器组的某些支路改为滤波器，根据谐波次数，合理计算选用电容器、电抗器和电阻器，适当组合而成滤掉该次谐波，还要采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。
参 考 文 献
[1]王乙伊．《低压配电网无功补偿方式的研究》．广东电力
[2]JB/DQ2113-《电化学用整流变压器》．1984
[3]戴晓亮，《无功补偿技术在配电网中得运用》．电网技术
【关键词】中频炉原理；基波；谐波；治理
前言
随着我国经济的快速发展，特别是近几年采矿业、冶炼业、铸造业的剧增，用电需求不断增加。其中中频熔炼炉的整流设备就是最大的谐波产生源之一，但由于大多数厂家为降低产品成本，不安装抑制谐波的技术设施，使得现在的公共电网如同现在的雾霾天气一样，遭受着严重的谐波污染。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。因此我们要分析谐波产生的原因并采取措施抑制高次谐波，对确保电力系统安全，经济运行都有着十分重要的意义。
1 可控硅中频炉工作原理
可控硅中频电源装置是将电网提供的50Hz正弦交流电源先输入到可控硅全控桥整流电路后变为一脉动的直流电，经过滤波器滤波后进入逆变电路，变为300Hz～20KHz的中频电源（其输出功率可调），供给负载。如下图1、图2所示：
图1 可控硅中频电源主电路原理图
图2 可控硅中频电源原理框图
2 谐波的产生
基波定义：对周期流分量进行傅立叶级数分解，得到的与工频50Hz相同的分量称为基波。
谐波定义：对周期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。
因受到各种污染源的影响，现在的公共电网并不是纯粹的正弦波形，而是由基波与N次谐波合成的如图3所示
图3 非标准周期波形的标准分析示意图
对于中频开关电源来说，（1）谐波主要产生在三相桥式整流电路，整流输出为脉动数为6的脉动直流，变频器的特征谐波频谱计算公式为6K±1，式中K为正整数，K=1、2、3按以上公式计算，中频炉的特征谐波为5、7、11、13各次谐波有效值与谐波次数成反比，且为基波有效值的比值为谐波次数的倒数。可以看出最严重的是5次谐波，其次是7次，再其次是11次、13次。（2）在逆变过程中，首先由直流得到的是方波电源，方波相当于含有大量高次谐波的正弦波叠加，这也是产生谐波的原因；还有存在非对称触发等原因，可能会产生其它次数的非特征谐波，但主要以特征次谐波为主。
3 谐波治理
中频炉在使用中产生大量的谐波，导致公共电网中的谐波污染非常严重，因而改善中频炉电力品质成为应对的主要着力点。
3.1 LC滤波器
LC滤波器几乎安装于所有中频炉中，是无源谐波抑制装置。它由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。这种滤波器出现最早，成本比较低，但同时存在一些较难克服的缺点，比如只能针对单次谐波，易发生谐波共振，导致设备损坏。同时，这一方式无法应对瞬变、浪涌和高次谐波，存在节能的漏洞。
3.2 有源电力滤波器（APF）
有源电力滤波器是抑制谐波比较新的方法，它是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，并且已在日本等国获得广泛应用。但有源滤波器成本高昂，价格昂贵，投资回报期长，大多数企业难以承受。
3.3 LC+APF混合型滤波补偿
利用有源滤波器APF与多组LC无源滤波器并联使用。LC滤波器包括多组单调谐滤波器及高通滤波器，对于三相桥式整流电路谐波源，LC滤波器典型的组成包括5、7次及高通滤波器，有时可能包括11次甚至13次滤波器。这样，绝大多数由谐波源产生的谐波已由LC滤波器滤除，有源电力滤波器可说是起拾遗补缺的作用，它只需补偿LC滤波器未能补偿的谐波，这样有源电力滤波器只需提供很小的补偿的电流，因而容量不需很大，成本相对较低。
3.4 采用12脉动整流电路消除谐波
采用联接组为Dd0yn11的变压器，其一次侧原边为三角形联结，优点为三相的三次谐波电流（含三倍频谐波电流）在三角形的回路里沿同一方向流动形成环流，致使3N次谐波电流不会注入到公共电网中去，有利于抑制高次谐波。二次侧副边为d0、yn11两个绕组，一个为三角形联结，另一个为星形联结，两绕组相角差30角，各接一套6脉波滤波器的中频电源装置构成12脉整流电路，其电网电流仅含12K±1，式中K为正整数，K=1、2、3按以上公式计算，中频炉的特征谐波为11、13，如果参数设计合理，则基本上可以抵消5、7.17、19次谐波。从而使中频炉流入电网谐波含量大大下降，达到治理目的。
4 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，所以人们往往不会象重视雾霾天气一样去重视它，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。
参考文献：
[1]王亮.中频炉的工作原理及谐波治理.电工技术.2006（6）.
[2]陈志业.尹华丽.电能质量及其治理新技术[J].电网技术.2002（7）.
[3]张浩.戴瑞珍.谐波抑制的工程设计方法探讨.电网技术.2002（6）.
作者简介：
关键字：电力谐波、非线性负荷、谐波分量、整流设备、开关电源设备。
Abstract: With the wide application of the rapid development of the national economy and power electronics technology, metallurgy, chemical industry, iron and steel, light industry, mining, transport and public facilities and other departments of various non-linear interference load rapid growth in recent years, resulting in the power systemthe rapid growth of high harmonic content, causing the supply voltage waveform distortion, increase the line loss and the loss of the electrical equipment, reducing power quality, frequent accidents caused by damage to the power supply is interrupted for electrical equipment, its direct or indirect losses tobillions of dollars. To ensure the safe and stable operation of the electrical equipment, the author of this article, power harmonics generated from the design point of departure, made a number of governance harmonic method, but also introduced a number of successful management experience to guide power users rectifier equipment choice for peer reference, correct me.Keywords: power harmonics, non-linear loads, harmonic components, rectifier equipment, switching power supply equipment.
中图分类号： TG434.1 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
一、电力系统中谐波的来源
电力系统中的谐波来自电气设备，也就是说来自发电设备和用电设备。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波，因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。目前我国应用的发电机有两大类：隐极机和凸极机。隐极机多用于汽轮发电机，凸极机多用于水轮发电机。
对于谐波分量而言，隐极机优于凸极机，但随着科技进步，可控硅、IGBT等电子励磁装置的投入，使发电机的励磁电流有交流分量，造成发电机的谐波分量有所上升。可控硅励磁它的励磁电流有交流分量是和发电机转速是同步的，而IGBT电子励磁装置的励磁电流有交流分量是固定频率的，和发电机转速不能同步。当发电机的端电压高于额定电压的10％以上时，由于电机的铁磁饱和，会使电压的三次谐波明显增加。同样在变压器的电源侧电压超过额定电压10%以上时，也会使二次侧电压的三次谐波明显增加。由于电网电压偏移在±7％以下，所以发电、变电设备产生的谐波分量都比较小，比国家的考核标准低的多，因此发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。供电行业要调整好配变的三相员荷基本平衡，否则会产生配变铁磁饱和，产生谐波电流。
为此，影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，非线性用电设备主要有以下四大类：
1、电弧加热设备:如电弧炉、电焊机等。
2、交流整流的直流用电设备：如电力机车、电解、电镀等。
3、交流整流再逆变用电设备：如变频调速、变频空调等。
4、开关电源设备:如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。
这些用电设备都是非线性用电设备，但它们产生的谐波各不相同，具体举例分析如下：
电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧，才会有弧电流，并且灭弧电压略低于起弧电压，造成弧电流与弧电压的非线性（如左图）。此外，弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流是非正弦波，造成电弧加热设备对电网的谐波污染比较大。
交流整流直流用电设备的谐波产生的原因时由于整流设备有一个阀电压，在小于阀电压时，电流为零(如左图)。这类用电设备为了提供平稳的直流电源，在整流设备中加入了储能元件（滤波电容和滤波电感），从而使阀电压提高，加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流，在整流设备中应用了可控硅，这使得该类设备的谐波污染更严重，而且谐波的次数比较低。
交流整流再逆变用电设备，在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样，它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流，这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波，也有高次谐波(如左图)。虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小，但它的分布面广，数量多，是目前推广使用的技术手段，因此它的谐波污染应引起足够关注。
开关电源设备目前应用很广，它的工作原理是先把交流整流成直流，通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭，从而在变压器二次侧感应出电流，供给用电设备。此外，开关电源的频率比较高一般在40kHz左右，不仅在整流时产生谐波，而且在开关管开闭时，反射40kHz左右的波至电源。这类用电设备同样是单台容量不大，但它是面最广、量最大的非线性用电设备，它还有一定量的三次谐波，造成配变的中心线电流居高不下，而且三次谐波还会通过配变污染到10kV电网。
二、谐波治理的基本方法
目前谐波治理的基本方法有以下三种，在治理过程中又可以采用变电所集中治理和非线性用电设备处分散治理两种方法。按谁污染谁治理的原则，应该采用非线性用电设备处分散治理。但对于电脑，彩电，节能灯等民用设备，则只能进行集中治理。
1、减少非线性用电设备与电源间的电气距离。也就是减少系统阻抗，换句话说就是提高供电电压等级。例如，在丽水电业局的遂昌钢厂就取得了不错效果，该钢厂原是用35kV供电，由两个110kV变电所各架设一回35kV专线供电，而它的主要用电设备是电弧炉，虽然进行了五次、七次谐波治理，但在110kV的35kV母线上测得谐波分量仍接近或稍超国家标准。但在丽水局在遂昌新建了一个220kV变电所而且离该钢厂仅4km左右，用5回35kV专线供电，使35kV母线的谐波分量控制在国家标准以内，此外该厂还使用了较大容量的同步发电机，使这些非线性负荷的电气距离大大下降，使该厂生产的谐波对电网的危害性下降，这种方法投资是最大的，往往需要和电网发展规划相协调。
2、谐波的隔离。非线性用电设备产生的谐波，它不仅直接影响到本级电网，而且经过变压器后，还会影响到上几级电网。如何把这些非线性用电设备产生的谐波不影响或少影响其他几级电网，这也是谐波治理的一个基本方法。这一方法在电网中广泛采用，发电机发出的电能经过Y/D、Yn/D、Yn/Y等接线组别的变压器，把发电机产生的三次、六次、九次等零序分量的谐波与上级电网隔离开来，因此在110kV以上高压电网上，三、六、九次谐波分量很小，几乎是零。而10kV由于在2005年前大多数配变为Y/Yn接线，35kV也有少量Y/Yn接线的直配变，因此在10kV和35kV中三、九次谐波分量会比高压电网大。为了减少10kV和35kV中三、九次谐波分量我国从2005年后10kV采用D/Yn配变，35kV有少量直配变，改用D/Yn接线组别。
3、安装滤波器。目前对变电所侧和用户侧谐波治理的方法，多采用安装滤波器来减少谐波分量。滤波器分为有源滤波器和无源滤波器两大类。
有源滤波器的基本工作原理是把用户电源侧的电流波型与正弦波相比较，差额部分由有源滤波器进行补偿，这是谐波治理的发展方向。
无源滤波器是通过L、C串联或并联，使其在某次谐波产生谐振，当发生串联谐振时，使滤波器两端该次谐波的电压很小，几乎接近零，这类滤波器往往接在变压器的二次侧出口处，从而使变压器的一次侧该次谐波的分量也很小，达到对该次谐波治理的目的。
一般在电容器无串联电感时，电网额定电压为10kV，变压所母线电压在10.5kV以上，电容器额定电压多选用11kV/。因此，用整治五次谐波的滤波器电容额定电压就常选取11.5kV/或12kV/，用来整治七次谐波的滤波器电容额定电压就常选取11kV/。
但是由于计算精度和电容器、电感器的制造精度等的原因，若按计算结果数据来配备，在标准化审查时就通不过，为了保证串联滤波器能在五、七次谐波频率时谐振，我们要求电感有一定的调节范围，从而确保滤波器能正常工作。具体调试方法如下图，调节电感,在谐波分析仪中该次谐波值最小时，则认为滤波器已调试成功。
三、谐波治理方法的总结和发展
在电力系统中，供电电压波型是中心对称的，因此基本上不含有偶次谐波，主要存在在奇次谐波，而三、九次谐波可以通过Y0/Δ、Y/Δ接线组别进行隔离。而11、13次以上谐波由于其频率比较高，而且输电线路有一定电感量，对地又有一定电容量，相间及线间也有一定电容量。因此，高次谐波在线路传输过程中衰减比较快，同时高次谐波在电网中所占的比重也不大，故在电力行业中不作为主要整治对象。
对于电力行业的谐波治理方法有以下五种基本方法：
1、采用Yn/D、Yn/Y、Y/D、D/Yn接线组别的变压器，隔离三、九次谐波。
2、采用L、C串联无源滤波器，对五、七次谐波进行治理。
3、采用L、C并联无源滤波器，对三、六、九次谐波电流进行阻塞。
4、加强电网建设，扩大电网容量，增加旋转备用容量。
5、用电动机带动发电机对特殊谐波用电设备供电，使谐波源与电网完全隔离（如下图所示）。
对于非线性用电设备的谐波治理方法有以下五种方法：
1、对电弧加热用电设备，采用多相（六相、十二相等）电弧炉变压器，从而使低次谐波分量下降，高次谐波分量上升。目前最常用的是Y/Yn、D/Yn两变压器分别接两台相同容量的电弧炉，并使两炉同步作业，通过LC串联无源滤波装置进行局部治理，达到用电设备产生的谐波不超标。
电弧加热用电设备为了控制弧电流，会在电炉变压器中加入一个励磁绕组，通入励磁电流变成可控电压的磁饱和变压器，造成电弧侧的电压波型不对称，出现偶次谐波。当通入励磁电流用单相整流，用可控硅控制时，偶次谐波的分量会加剧。为了减少偶次谐波的分量又能控制弧电流，可以在高压侧采用18级有载调压开关，调节电孤侧电压，从而达到不产生偶次谐波，又达到控制弧电流的目的。
2、对于交流整流直流用电设备采用多相整流。多相整流产生的谐波多为整流相数±1次，对12相整流设备，谐波分量最大是11次和13次，而对24相整流设备，则是23次和25次。谐波频率越高，L、C串联滤波器的投资越小，谐波在输电线路中传输衰减越快。
3、开关电源设备谐波治理。工业用的典型设备是中频炉，目前广泛采用Y/Yn、D/Yn两台变压器初级并联，带两台相同容量中频炉同步运行，以提高整流时产生谐波的次数，在中频变换中进行L、C串联吸收,以减少中频谐波反射到电源侧，其接线如下图。
4、变频器的谐波治理。在发达国家中是变频器和变频器谐波治理设备配套供应的，由于变频器的设备价格和配套的变频器谐波治理设备的价格相差不多，我国的好多用户，往往只安装变频器，不安装配套的谐波治理设备。随着变频技术的推广，会使电网中的谐波影响加激，因此希望用电管理部门做好用户工作，做到变频器与配套的谐波装置二者同时设计，一起投运。
5、用户侧多投一些同步电动机，它一方面可以进行无功补偿，减少电压波动及电压闪变，另一方面它又能吸收一部分谐波电流，对谐波治理也有很大好处。例如，遂昌钢厂，在同步电动机全开时，110kV古市变和金溪变35kV母线的电压，谐波分量基本能在允许范围内，如果同步机停运，则这两点的电压谐波分量会超标，因此用户投入同步机对电网是有利的。
在供电系统中进行谐波治理有不少困难，非线性负荷不是24小时平稳运行的，如电弧炉、中频炉在出炉时会停运，在熔化和冶炼过程中，出力又有变化，因此谐波是在变化的。所以采用一个或几个固定的无源滤波器的投切，不可能和非线性负荷变动进行同步，而目前有源滤波器价高，不可能大力推广。从技术上说，目前对谐波治理有一定难度，而且虽然串联L、C无源滤波器对五、七次谐波起了治理作用，但是对某次谐波在某个条件下会起放大作用，从这一点来看，希望加强用电设备的治理工作。
在变电所补偿设备中串入一定电感，可以使之成为五、七次谐波治理设备，同时还可以起到补偿作用，以达到一物二用。但在设计方面则要请有丰富经验的设计单位设计，在浙江省可以请浙江省电力试验研究所，他们在五、七次谐波治理中已取得了很好的成果，在他们的指导下，各供电企业可以自己动手，从小到大做一些谐波治理工作，解决一些谐波污染问题，这对各供电企业的自身提高是有帮助的。
参考文献
参1：黄冰心《四川电力技术》2011年第4期 《住宅小区公用电网的谐波及治理》
参2：曾益保《大众科学*科学研究与实践》2008年第20期《刍议电网谐波的危害及治理》
关键词:配电网;谐波;分析;危害;治理
纵观配电网的运行质量和效率,对电能质量的要求越来越高。一般所指的供电质量包括系统电压、频率的合格率,峰值、超限电压持续时间、停电时间,以及电网谐波含量等诸多方面。其中,谐波一直是影响电能质量的主要问题。根据多年电网运行经验,谐波普遍存在于电力系统发、输、配、供、用的各个环节。因此,谐波的治理是降低电能损耗,延长供配电设备的使用寿命,改善电磁环境的重要措施。
1 谐波的基本特性和测量
1.1 谐波的概念
谐波是一个周期电气量的正弦波分量,其频率是基波频率的整数倍数。理论上看,非线性负荷是配电网谐波的主要产生因素。非线性负荷吸收电流和外加端电压为非线性关系,这类负荷的电流不是正弦波,且引起电压波形畸变。周期性的畸变波形经过傅立叶级数分解后,那些大于基频的分量被称作谐波。
非线性负荷除了产生基频整次谐波外,还可能产生低于基频的次谐波,或高于基波的非整数倍谐波。电力系统中出现系统短路、开路等事故,而导致系统进入暂态过程引起的谐波,将不归属谐波治理的范畴。
1.2 谐波的类型
谐波按其性质和波动的快慢可分成四类:准稳态谐波、波动谐波、快速变化的谐波和间谐波四类。因其多样性和随机性,在实际工作中,要精确评估谐波量值非常困难,所以在IEC 6100-4-7标准中对前三类谐波进行了规定,推荐采用数理统计的方法对谐波进行测量。
国标GB/T 14549-1993采用观察期3s有效测量的各次谐波均方根值的95%概率作为评价谐波的标准。为简便实用,将实测值按由大到小的方式排序,在舍去前5%个大值后剩余的最大值,近似作为95%的概率值。
1.3 谐波的测量
通常采用谐波测试仪来监测和分析谐波。一般来说,将用户接入公用电网的公共连接点作为谐波监测点,测量该点的电压和注入公共电网的电流后,通过对电压和电流的分析,取得谐波测量资料。
电网中谐波源定位,一般采用功率方向法和瞬时负荷参数分割法。而谐波模型分析的方法一般有三种:非线性时域仿真、非线性和线性频率分析。三种方法的相同点是对电网作适当的线性化处理,只是在处理非线性设备时采取了不同的模拟方式。
2 配网中的谐波源
2.1 输变设备
输电和配电系统中存在大量的电力变压器。因变压器内铁心饱和,磁化曲线的非线特性以及额定工作磁密位于磁化曲线近饱和段上等诸多因素,致使磁化电流呈尖顶形,内含大量奇次谐波。变压器铁心饱和度越高,其工作点偏离线性就越远,产生的谐波电流就越大,严重时三次谐波电流可达额定电流的5%。
2.2 用电环节
用电环节谐波源更多,晶闸管式整流设备、变频装置、充气电光源以及家用电器,都能产生一定量的谐波。
晶闸管整流技术在电力机车、充电装置、开关电源等很多方面被普遍采用。它采用移相原理,从电网吸收的是半周正弦波,而留给电网剩下的半周正弦波,这种半周正弦波分解后能产生大量的谐波。有统计表明,整流设备所产生的谐波占整个谐波的近40%,是最大的谐波源。
变频原理常用于水泵、风机等设备中,变频一般分为两类:交-直-交变频器和交-交变频器。两者均采用相位控制技术,所以在变换后会产生含复杂成分(整次或分次)的谐波。因变频装置一般具有较大功率,所以也会对电网造成严重的谐波污染。
3 谐波在配网中的危害
谐波对于配电系统的影响,表现在对线路上所配置的保护及测量设备的影响。因这些设备一般采用电磁式继电器、感应继电器元件,容易接受谐波干扰而误动和拒动,系统中存在的不明原因的误动和拒动,与谐波不无关系。所以谐波超标,会严重威胁配电系统的安全稳定运行。
此外,谐波会通过静电感应、电磁感应以及传导等多种方式耦合进通讯系统,影响它们的正常运行。对于人体,谐波会刺激人体细胞,使正常的细胞膜电位发生快速波动或可逆的翻转,当这种波动或翻转频率接近谐波频率时,会影响人体大脑与心脏。
4 谐波的治理措施
4.1 加强标准和相应规范的宣传贯彻。IEC 6100以及国标GB/T 14549-1993,对于谐波定义、测量等进行了宣传,明确谐波治理是一项互惠互利、节能增效,是保证电网和设备安全稳定运行的举措;
4.2 主管部门对所辖电网进行系统分析,正确测量,以确定谐波源位置和产生的原因,为谐波治理准备充分的原始材料;在谐波产生起伏较大的地方,可设置长期观察点,收集可靠的数据。对电力用户而言,可以监督供电部门提供的电力是否满足要求;对于供电部门而言,可以评估电力用户的用电设备是否产生了超标的谐波污染。
4.3 针对谐波的产生和传播的特点,采取相应的隔离、补偿和减小措施。在配电网中,主要存在的是三次谐波污染,可以在谐波检测的基础上,通过适当加装滤波设备来减小谐波注入电网。对于各种电气设备的设计者,在设计初始,就要考虑其设备的谐波污染度,将谐波限制在标准允许的范围内。
4.4 加强管理,多方出资,共同治理。谐波的治理,需要大量的投资,不能仅仅靠供电部门,要调动电力供需环节中的各个方面,在分清谐波来源基础上,走共同治理之路。
5 结束语