供電系統(tǒng)中諧波的產(chǎn)生,危害及治理

1、目錄1、概述 22、諧波的定義 33、諧波的產(chǎn)生 53.1 發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波 . 63.2 輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波 . 63.3 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波 . 64. 諧波的危害 84.1 諧波增加發(fā)、輸、供和用電設(shè)備的附加損耗 . 84.2 影響電力測量的準(zhǔn)確性 . 104.3 影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作和可靠性 114.4 干擾通信系統(tǒng)工作 . 114.5 影響用電設(shè)備的正常工作 . 115 諧波檢測的方法 135.1 傅里葉變換的基本原理 . 135.2 FFT 算法 145.3 FFT 算法在諧波檢測中的應(yīng)用 146諧波的治理方法 216.1 主動(dòng)型諧波抑制 . 216.2 被動(dòng)型諧波抑制

2、. 237. 結(jié)語 26參考文獻(xiàn) 27致謝 281、概述諧波”一詞起源于聲學(xué)，后來才慢慢延伸成一個(gè)較為嚴(yán)謹(jǐn)?shù)亩x。一般在 理想情況下，供電部門向用戶提供具有單一恒定的工業(yè)頻率和規(guī)定的系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)稱 電壓的電能，但在實(shí)際中供電電壓的波形往往會(huì)偏離正弦波形而發(fā)生畸變，即產(chǎn)生諧波。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀(jì)和19世紀(jì)已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等 人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時(shí)在德國，由于使用靜止汞弧變流器而 造成了電壓、電流波形的畸變。1945年發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文 是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文2。到了 50年代和

3、60年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了有關(guān)變流器 引起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文。70年代以來，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā) 展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧 波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國都對(duì)諧波問題予以充分和關(guān)注。國際上 召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會(huì)議，不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制 電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。之所以有很多的科研工作者致力于研究諧波，主要是因?yàn)橹C波的危害十分 嚴(yán)重，它會(huì)使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振 動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起 電力系統(tǒng)局部并聯(lián)

4、諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒 毀。諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對(duì)于電 力系統(tǒng)外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。造成電力系統(tǒng)電壓波形畸變的根本原因是系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷以及系統(tǒng)本 身存在非線性元件。諧波會(huì)增加電力系統(tǒng)損耗，降低安全，增加計(jì)量裝置誤 差，可能導(dǎo)致保護(hù)系統(tǒng)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，干擾通信線路的正常工作。因此， 諧波是電力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。為保證供電系統(tǒng)中所有的電氣、電子設(shè)備進(jìn) 行正常的工作，必須采取有力的措施，抑制電網(wǎng)諧波。2、諧波的定義供電系統(tǒng)諧波，是指一些頻率為基波頻率(我國取50HZ整數(shù)倍的正弦波分量，又稱為高次諧波。這

5、是由于在交流電網(wǎng)中，由于存在許多的非線性電氣設(shè)備，電壓u(t)和電流i(t)的波形實(shí)際上不是完全的正弦波形，而是存在一定畸變的非正弦波。它 通常是周期性的電氣分量，利用傅里葉級(jí)數(shù)分析，可得到如下等式：O0 u(t) = ' 2U n sin( n t ： n)noQi (t)八.2I n sin( n t - n)n A式中sint項(xiàng)稱為基波，稱為基波頻率；其他各項(xiàng)均成為諧波。由于 諧波頻率是基波頻率的整數(shù)倍，所以 sin 2 t被稱為二次諧波，sin 3，t被稱 為三次諧波，。In 、Un為第n次諧波電壓、電流的有效值，n1、n是第n次諧波電壓、電流的初相角。為了能夠更好的理解諧波的

6、定義，我們可以參照?qǐng)D2.1和圖2.2。圖2.1理想的交流電壓、電流波形圖2.2實(shí)際的交流電壓、電流波形圖 2.1 是理想的交流電壓，電流波形，圖 2.2 是實(shí)際的交流電壓，電流波 形。比對(duì)兩個(gè)圖，可以發(fā)現(xiàn)在圖 2.2 中的波形中存在明顯毛疵，凹陷或者凸起， 這些瑕疵就是由于諧波的存在而造成的。在國際電工標(biāo)準(zhǔn) (IEC555-2) 和在國際大電流會(huì)議的文獻(xiàn)中的定義 : “諧波 分量為周期量的傅里葉級(jí)數(shù)中大于1的n次分量”。IEEE標(biāo)準(zhǔn)中定義為：“諧波 為一周期波或量的正弦波分量 , 其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。由于諧波頻率是 基波頻率的整數(shù)倍 ,因此, 我們也常稱它為高次諧波。3、諧波的產(chǎn)生在電

7、能的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都會(huì)產(chǎn)生諧波。在其它幾個(gè)環(huán)節(jié)中 , 諧波的產(chǎn)生主要是來自具有非線性特性的電氣設(shè)備：具有鐵磁飽和特性的鐵芯設(shè)備，如：變壓器、電抗器等；以具有強(qiáng)烈非線性 特性的電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備 , 如: 氣體放電燈 ,交流弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐等 ; 以電力電子元件為基礎(chǔ)的開關(guān)電源設(shè)備 ,如： 各種電力變流設(shè)備 （整流器、逆變 器、變頻器 ）、相控調(diào)速和調(diào)壓裝置、大容量的電力晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等 , 它 們大量的用于化工、電氣鐵道、冶金、礦山等工礦企業(yè)以及各式各樣的家用電 器中。即使電源電壓是正弦波形 , 但由于負(fù)荷具有其電流不隨電壓同步變化的非線 性的電壓電流特性 , 使得

8、流過負(fù)荷的電流是非正弦波形的 ,它由基波及其整數(shù) 倍的諧波組成。產(chǎn)生的諧波使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真 , 而電網(wǎng)還必須向它提供額外的 電能。低壓供電系統(tǒng)的非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流可分為穩(wěn)定的和波動(dòng)的兩大 類諧波。前者的幅度不隨時(shí)間變化 , 如視頻顯示設(shè)備和測試儀表等產(chǎn)生的諧波 , 這類設(shè)備對(duì)電網(wǎng)來說表現(xiàn)為恒定的負(fù)載 ； 后者由激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、微波爐等 產(chǎn)生, 各次諧波的幅值隨時(shí)間變化 , 這類設(shè)備對(duì)電網(wǎng)來說是一個(gè)隨時(shí)間變化的負(fù) 載。隨著電力電子設(shè)備使用的不斷增加 , 產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅 , 它們是 電力系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下的主要諧波源。前面已經(jīng)提到諧波源通常是指各類特定的電氣設(shè)備，即非線性電氣

9、設(shè)備， 我們將這些電氣設(shè)備進(jìn)行分類，主要可以分為以下四大類： （1）電弧加熱設(shè)備： 如電弧爐、電焊機(jī)等。（ 2）交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車、電解、電 鍍等。（3）交流整流再逆變用電設(shè)備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等。（ 4）開關(guān)電 源設(shè)備：如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子整流器等。目前，電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生主要來自三方面：發(fā)電機(jī)產(chǎn)生諧波，輸配電系 統(tǒng)產(chǎn)生諧波，用電設(shè)備產(chǎn)生諧波3.1 發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波發(fā)電機(jī)由于三相勵(lì)磁繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱 ,因此, 磁極磁場也并 非完全按正弦分布 ,感應(yīng)電勢也就不完全是正弦波 ,多少也會(huì)產(chǎn)生一些諧波。 但是, 正常設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī) , 由于對(duì)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和接

10、線采取一些措施，在一定程度上消 弱諧波的電勢 , 其電勢諧波含量很小，一般可以忽略不計(jì)。當(dāng)對(duì)發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和 接線采取一些措施后 , 可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)供給的是具有基波頻率的正弦波形的電 壓。3.2 輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波輸配電系統(tǒng)中 , 電力變壓器是產(chǎn)生諧波主要設(shè)備。由于變壓器鐵芯具有非線 性的磁化特性 , 加上設(shè)計(jì)變壓器是考慮經(jīng)濟(jì)性 , 其設(shè)計(jì)磁通密度選擇在磁滯回線 的拐點(diǎn)附近 ,造成變壓器的勵(lì)磁電流 （即空載電流 ）為非正弦波形 ,其中含有大量 的諧波電流。諧波電流的大小與設(shè)備工作時(shí)施加的電壓幅值有關(guān) , 電壓越高 , 運(yùn) 行點(diǎn)越深入飽和區(qū) ,空載電流的波形畸變越大 ,諧波含量越高 ,其中 3次

11、諧波電流 可達(dá)額定電流的 0. 5%。由于配電系統(tǒng)中存在為數(shù)眾多的變壓器 , 空載電流中的 諧波在線路電感和對(duì)地電容的放大下 , 可以匯合成相當(dāng)大的配電系統(tǒng)諧波電流。3.3 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波晶閘管整流設(shè)備 : 由于晶閘管整流在電力機(jī)車、鋁電解槽、充電裝置、開關(guān) 電源大等許多方面得到了越來越廣泛的應(yīng)用 , 給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知 道,晶閘管整流裝置采用移相控制 ,從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波 , 從而給電網(wǎng)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 裝置為單向整流電路 ,在接感性負(fù)載時(shí)則含有奇次諧波電流 ,其中 3次諧波的含 量可達(dá)基波的 30%;接容

12、性負(fù)載時(shí)則有奇次諧波電壓 , 其諧波含量隨電容值的增 大而增大。經(jīng)統(tǒng)計(jì)表明 : 整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近 40%,這是最大的 諧波源。變頻裝置: 變頻裝置常用于風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中 ,由于采用了相位控制 , 諧波成分很復(fù)雜 ,除含有整數(shù)次諧波外 , 還含有份數(shù)次諧波 , 這類裝置的功率一般 較大, 隨著變頻調(diào)速的發(fā)展 , 對(duì)產(chǎn)生的諧波也越來越多。電弧爐、電石爐 : 電弧爐在冶煉過程的熔化期造成的由于三相電極間的反復(fù) 不規(guī)則金屬性短路、斷弧而產(chǎn)生諧波。由于三相負(fù)荷不對(duì)稱 , 產(chǎn)生較多三次諧 波。電石爐在配電網(wǎng)或較小供電網(wǎng)中也是重要的諧波源 ,其中主要是 2 至 7 次的 諧波, 平均

13、可達(dá)基波的 8%、20%,最大可達(dá) 45%。氣體放電光源 : 熒光燈、高壓汞燈、高壓納燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放 電類電光源。它們利用具有一定壓力的汞、鈉、鏑、銦或金屬鹵化物的蒸汽 , 電 弧放電時(shí)因具有負(fù)的伏安特性而產(chǎn)生諧波電流。氣體放電燈主要產(chǎn)生三次諧波。家用電器 : 電視機(jī)、錄像機(jī)、計(jì)算機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等 ,因具有調(diào)壓 整流裝置 , 會(huì)生產(chǎn)較深的奇次諧波。在洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等有繞組的設(shè)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(shù)量巨大 , 也是諧波的主要來源之一。同時(shí)這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅, 所以目前它們是供電系統(tǒng)中的主要諧波源。

14、以上為目前電力系統(tǒng)中存在的主要諧波源，在讀文獻(xiàn)的過程中我們不難發(fā) 現(xiàn)，一般情況下我們在進(jìn)行諧波分析的時(shí)候只考慮電力系統(tǒng)中存在的奇次諧 波，而不考慮偶次諧波，這主要是因?yàn)橐韵聝蓚€(gè)方面的原因：一是，奇次諧波 的危害遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于偶次諧波的危害；二是，在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱關(guān) 系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。4. 諧波的危害諧波的危害表現(xiàn)為干擾通信線路的正常工作；引起電機(jī)、變壓器和電容器 等電氣設(shè)備附加損耗和發(fā)熱，使設(shè)備溫度升高，效率降低；絕緣加速老化，縮 短使用壽命，甚至損壞；降低繼電保護(hù)、控制，以及檢測裝置的工作精度和可 靠性等。諧波注入電網(wǎng)后會(huì)使無功功率加大，功率因數(shù)降低，甚至可能

15、引發(fā)并 聯(lián)或串聯(lián)諧振，損壞電氣設(shè)備。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，使用大功率半導(dǎo)體開關(guān) 器件以及各類開關(guān)電源的產(chǎn)品的增多，如電視機(jī)、空調(diào)器、節(jié)能燈、調(diào)光器、 洗衣機(jī)、微波爐等家用電器和信息技術(shù)設(shè)備等迅速涌入居民家庭，雖然每臺(tái)設(shè) 備向電網(wǎng)注入的諧波電流不大，但設(shè)備數(shù)量大、分布廣。有些家用電器如電視 機(jī)、空調(diào)器等還有集中使用的特點(diǎn)，使某些時(shí)段對(duì)公用電網(wǎng)造成的諧波問題特 別突出，不但使接入電網(wǎng)的設(shè)備無法正常工作，甚至造成故障，而且還會(huì)使供 電系統(tǒng)中性線承受的電流超載，影響供電系統(tǒng)的電力輸送。在電壓跌落、浪涌、電壓脈沖與瞬時(shí)供電中斷等電能質(zhì)量問題 , 雖然持續(xù)時(shí) 間很短、變化很快 , 但對(duì)敏感的設(shè)備還是會(huì)造成一

16、定的破壞作用。如計(jì)算機(jī)失去 電源2s就可能破壞數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)丟失；在 0 1s內(nèi)電壓突降就可能對(duì)自動(dòng)化設(shè)備 控制的連續(xù)精加工生產(chǎn)線造成異常的生產(chǎn)狀況和質(zhì)量破壞等。又如諧波電壓在 電動(dòng)機(jī)短路阻抗上產(chǎn)生的諧波電流和電動(dòng)機(jī)負(fù)序基波電流一起使設(shè)備產(chǎn)生附加 熱損耗 , 并且在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)容易發(fā)展成干擾力矩 , 并產(chǎn)生附加諧波損耗 , 降低功 率因數(shù)。因此諧波問題引起了各有關(guān)方面的高度重視。本文會(huì)在接下來的章節(jié)中分 別介紹諧波的主要危害。4.1 諧波增加發(fā)、輸、供和用電設(shè)備的附加損耗諧波的存在會(huì)增加發(fā)、輸、供和用電設(shè)備的附加損耗 ,使設(shè)備發(fā)熱 , 降低設(shè) 備的效率和利用率。比如：（1）對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的危害諧波對(duì)同

17、步電動(dòng)機(jī)的危害主要是由于趨膚效應(yīng)引起轉(zhuǎn)子表面局部過熱 , 降低 使用壽命。也能引起定子零部件過熱。當(dāng)諧波電流頻率接近于定子零部件固有 頻率時(shí), 能引起電機(jī)發(fā)生強(qiáng)烈震動(dòng)。對(duì)于感應(yīng)電機(jī)來講 , 會(huì)引起定子繞組過熱 ,對(duì) 于繞線電機(jī)也會(huì)引起轉(zhuǎn)子過熱 , 危及絕緣, 縮短電動(dòng)機(jī)使用壽命。也可能引起機(jī) 械震動(dòng), 甚至損壞。定子繞組中的正序和負(fù)序諧波電流分別產(chǎn)生正向和反向旋轉(zhuǎn) 磁場 , 從而降低電機(jī)效率。諧波對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的另一項(xiàng)危害是產(chǎn)生附加的損耗和轉(zhuǎn)矩。磁滯、渦流等隨 著頻率的增高使旋轉(zhuǎn)電機(jī)的鐵心和繞組中的附加損耗增加。供電系統(tǒng)中電動(dòng)機(jī) 負(fù)荷約占總負(fù)荷的 85%。因此, 諧波使附加損耗增加的影響最為顯著。

18、電動(dòng)機(jī)的 出力一般不能按發(fā)熱情況調(diào)整 , 由諧波引起電動(dòng)機(jī)的發(fā)熱效應(yīng)按它能承受的諧波 電壓折算成等值的基波負(fù)序電壓來考慮。試驗(yàn)表明 , 額定出力下持續(xù)承受 3%額 定電壓的負(fù)序電壓時(shí) , 電動(dòng)機(jī)的絕緣壽命要減少一半。因此 ,國際上一般建議在 持續(xù)工作的條件下 , 電動(dòng)機(jī)承受的負(fù)序電壓不宜超過額定電壓的 2%。諧波電流 產(chǎn)生的諧波轉(zhuǎn)矩對(duì)電動(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩影響不大 , 但諧波會(huì)產(chǎn)生顯著的脈沖轉(zhuǎn)矩 , 這種振蕩力矩使汽輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子元件發(fā)生扭振 , 并使汽輪機(jī)葉片產(chǎn)生疲勞循 環(huán)。（2）對(duì)變壓器的危害諧波電流除會(huì)引起變壓器繞組附加發(fā)熱外 , 還會(huì)使外殼、外層的鋼片和某些 緊固件發(fā)熱 , 造成絕緣介質(zhì)老化

19、 , 縮短變壓器使用壽命。正序和負(fù)序諧波電流同 樣使變壓器鐵芯產(chǎn)生磁滯伸縮和噪聲。諧振情況下的諧波過電壓也有可能造成 變壓器損壞。諧波電流還會(huì)使變壓器的銅耗增加 ,特別是 3次及其倍數(shù)次諧波 ,對(duì)三角形連 接的變壓器會(huì)在其繞組中形成環(huán)流 ,使繞組過熱 ;對(duì)全星形連接的變壓器 ,當(dāng)繞組 中性點(diǎn)接地 , 而該側(cè)電網(wǎng)中分布電容較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容時(shí) , 可 能形成 3次諧波振蕩 ,使變壓器附加損耗增加。（3）對(duì)輸電線路的危害諧波電流主要使輸電線路的電能損耗增加。由于電纜的分布電容對(duì)諧波電 流有放大作用 , 會(huì)引起電纜局部放電、介損和溫升的增大 , 縮短電纜使用年限。 輸電線路阻抗的頻率特

20、性使線路電阻隨著頻率的升高而增加。在集膚效應(yīng)的作 用下, 諧波電流使輸電線路的附加損耗增加 ,從而使電網(wǎng)網(wǎng)損增大。諧波還使三 相供電系統(tǒng)中的中性線的電流增大 , 導(dǎo)致中性線過載。輸電線路的分布電感和對(duì) 地電容與產(chǎn)生諧波的設(shè)備組成串聯(lián)或并聯(lián)回路 , 在一定的參數(shù)配合條件下 , 會(huì)發(fā) 生串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振。一般情況下 , 并聯(lián)諧波諧振所產(chǎn)生的諧波過電壓和過電 流對(duì)相關(guān)設(shè)備的危害性較大。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率處于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近時(shí) , 會(huì)激勵(lì)電感、電容產(chǎn)生部分諧振、形成諧波放大。諧波電壓、電流放大會(huì)引起 繼電保護(hù)裝置誤動(dòng)甚至損壞 , 同時(shí)產(chǎn)生相當(dāng)大的諧波網(wǎng)損。對(duì)于電力電纜線路 , 因其對(duì)地電容比架空線

21、路約大 1020倍, 而感抗僅為 1/21/3, 故更易激勵(lì)出較大 的諧波諧振和放大 , 造成絕緣擊穿的事故。（4）對(duì)電力電容器的危害據(jù)統(tǒng)計(jì), 在受諧波影響而損壞的電氣設(shè)備中 , 電力電容器所占比例最大 , 由于 電容器容性阻抗特性及阻抗隨頻率增大而減小的特性 , 是電容器個(gè)更容易受諧波 影響和損壞。諧波危害電容器的機(jī)理包括電效應(yīng)、熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。諧波電 壓很容易使電容器所受到的峰值電壓升高 , 使電容器介質(zhì)更容易發(fā)生局部放電。 在諧波作用下 , 電容器內(nèi)損耗會(huì)更大而造成溫升增加 ,縮短電容器使用壽命。在 諧波電壓作用下 , 裝在構(gòu)架上的電容器外殼與接線有可能產(chǎn)生機(jī)械力學(xué)上的共 振。4.2

22、影響電力測量的準(zhǔn)確性諧波對(duì)電力測量儀表也有一定影響 , 特別是對(duì)電能測量影響。電力計(jì)量裝置 按 50 Hz 的標(biāo)準(zhǔn)正弦波設(shè)計(jì)，供電電壓或負(fù)荷電流中的諧波成分會(huì)影響感應(yīng)式電 能表的正常工作。當(dāng)諧波較大時(shí) , 電能計(jì)量的準(zhǔn)確性、合理性都會(huì)受到影響 ,增加電能計(jì)量誤 差。因?yàn)楫?dāng)有諧波源存在時(shí)，該處用戶的電能表的記錄為其吸收的基波電能減 去小部分諧波電能 ,故諧波源污染電網(wǎng)卻反而少交電費(fèi) ; 而線性負(fù)荷用戶處電能 表的記錄是該用戶吸收的基波電能及部分的諧波電能 , 后者不但使線性負(fù)荷性能 變壞,還要多交電費(fèi)。也就是說，在非線性系統(tǒng)中 ,對(duì)于線性用戶 ,受諧波功率的 干擾, 是諧波的“受害者” , 卻還

23、得為這一部分電能支付一定的費(fèi)用 ; 對(duì)于非線性 用戶, 它吸收基波電能中的一部分轉(zhuǎn)化為諧波輸人電網(wǎng) ,是諧波的“制造者” ,這 部分電費(fèi)卻由線性用戶支付。電子式電能表更不利于供電部門而有利于非線性 負(fù)荷用戶。4.3 影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作和可靠性諧波嚴(yán)重影響電力系統(tǒng)中以負(fù)序 （ 基波）量為基礎(chǔ)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置 , 因 為按負(fù)序 （基波）量整定的保護(hù)裝置 , 整定值小、靈敏度高。如果在負(fù)序基礎(chǔ)上再 疊加諧波干擾 （ 電氣化鐵道、電弧爐等諧波源本身即負(fù)序源 ）則可能引起發(fā)電機(jī) 負(fù)序電流保護(hù)誤動(dòng)跳閘 , 產(chǎn)生嚴(yán)重后果。其它如變電站主變復(fù)合電壓啟動(dòng)過電流 保護(hù)裝置負(fù)序電壓元件誤動(dòng)、母線差動(dòng)保

24、護(hù)的負(fù)序電壓閉鎖元件誤動(dòng)以及線路 各種型號(hào)的距離保護(hù)、高頻保護(hù)、故障錄波器、自動(dòng)準(zhǔn)同期裝置等發(fā)生誤動(dòng)。換而言之，諧波會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)和拒動(dòng) , 引起事故或擴(kuò)大停 電范圍。對(duì)于由電壓或電流信號(hào)啟動(dòng)動(dòng)作的繼電器或啟動(dòng)開關(guān) , 當(dāng)基波動(dòng)作量未 達(dá)到整定值 , 由于較大的諧波量和基波量疊加后超過動(dòng)作值而使裝置動(dòng)作。某些 繼電器或啟動(dòng)開關(guān)的整定值較低 , 容易受到諧波電壓或電流的影響。這些都會(huì)嚴(yán) 重威脅電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。4.4 干擾通信系統(tǒng)工作電力線路上流過的 3、5、7、11 等幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場 耦合, 在鄰近的通信線路中產(chǎn)生干擾電壓 , 干擾通信系統(tǒng)的工作 ,影響通信

25、線路通 話的清晰度 , 而且在諧波和基波的共同作用下 , 觸發(fā)電話鈴響 , 甚至在極端情況下 威脅通信設(shè)備和人員的安全。高壓直流換流站換相過程中產(chǎn)生的電磁噪聲 （310） kHz會(huì)干擾電力載波通信的正常工作，并使利用載波工作的閉鎖和繼電保護(hù)裝置 動(dòng)作失誤 , 影響電網(wǎng)運(yùn)行的安全。同時(shí)，電力系統(tǒng)中的諧波還會(huì)通過電磁感應(yīng)、電容耦合與電氣傳導(dǎo)等方式 對(duì)通信造成干擾。供電系統(tǒng)中的靜止變流器在換相期間電流波形發(fā)生急劇變化 , 產(chǎn)生的脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達(dá)到1Mlb,因而會(huì)引起電磁干擾， 對(duì)通信線路、通信設(shè)備會(huì)產(chǎn)生根大的影響。比如電力載波通信、遠(yuǎn)動(dòng)裝置信號(hào) 以及與架空線平行的通信線路 , 諧

26、波的影響都很大。電氣傳導(dǎo)在有接地故障時(shí) , 可引起危險(xiǎn)的過電壓。4.5 影響用電設(shè)備的正常工作諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變 , 畫面亮度發(fā)生波動(dòng)變化 , 并使機(jī)內(nèi)的 元件過熱 , 計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。對(duì)于帶有啟動(dòng)用的鎮(zhèn)流器和提高功 率因數(shù)用的電容器的熒光燈及汞燈則會(huì)在一定參數(shù)的配合下 , 形成某次諧波諧振 損壞鎮(zhèn)流器或電容器。對(duì)于采用晶閘管的變速裝置 , 諧波可使晶閘管或控制回路 誤動(dòng)。5諧波檢測的方法諧波檢測是諧波治理的首要問題。在諧波檢測理論的發(fā)展中，先后形成了 多種檢測方法，如模擬帶通或帶阻濾波器諧波檢測法，小波變換的諧波檢測 法，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測法，傅里葉變換的諧波

27、檢測法，瞬時(shí)無功功率理 論等。本文主要講述一下基于傅里葉變換的諧波檢測法。5.1傅里葉變換的基本原理假設(shè)輸入信號(hào)為一個(gè)周期信號(hào)，除基波分量外，只含有恒定的直流分量和 各種整數(shù)次諧波分量。電壓、電流信號(hào)均為工頻周期信號(hào)，可統(tǒng)一表示為：O0x(t) = a° 二ak cos( k -肚) bk sin( k /)k丄二 a。 v Ak sin( k 吐Qk=12兀其中，t為基頻分量的周期，二 為基波角頻率，ak 、bk 為 傅里葉系數(shù)，分別表示各次諧波的余弦項(xiàng)和正弦項(xiàng)的幅值，其中a。表示直流分量，ai，bi表示基波分量。2akJ x(t) cos(k 1t)dtbkT x(t)sin(k

28、 rtjdtAkaj b)f為k次諧波分量幅值，:arctan()為第k次諧波分量初b<相角。將以上兩式離散化后可以得到:2 N/2二akx(n )cos(nk)Nn=0N2NJ2bkx(n) sin(- nk)Nn=0N其中N為一周期內(nèi)采樣的點(diǎn)數(shù)，x(n)為第n次的采樣值，n為0到N-1之間 的整數(shù)。離散傅里葉變換的表達(dá)式如下：N占£兀N_12兀X(k) x(n)e Nx(n)cos( nk)-j' x(n) sin(nk)n =0n =0N7N般情況下，X(k)是一個(gè)復(fù)量，可表示為：X(k)二 XR(k) jX I (k)振幅譜：|x (k) = JxR(k) +x

29、2(k)相位譜：訕宀；：(；)離散傅里葉變換不僅能完全濾除各次諧波分量和恒定的直流分量， 而且能較 好的濾除線路分布電容引起的高頻分量， 對(duì)隨即干擾信號(hào)的反應(yīng)也較小，而對(duì)畸 變波形中的基頻分量準(zhǔn)確測量。5.2 FFT算法快速傅里葉變換(FFT是計(jì)算離散傅里葉變換(DFT的快速算法。DFT的疋義式為：N -1X (k)二 x(n )WNkn Rn (k)n mFFT的基本思想：將大點(diǎn)數(shù)的DFT分解為若干個(gè)小點(diǎn)數(shù)DFT的組合，從而減少運(yùn)算量5.3 FFT算法在諧波檢測中的應(yīng)用為了能夠更好地理解快速傅里葉變換的應(yīng)用原理，我們可以結(jié)合以下實(shí) 例。以一個(gè)實(shí)際工業(yè)電力系統(tǒng)為例，通過測量我們可以得到一些有效

30、數(shù)據(jù)，以F列舉了電力傳送裝置中的相電流幾次諧波測量平均值，基波為50HZ表531為諧波信號(hào)模型參數(shù):表諧波信號(hào)模型參數(shù)諧波次數(shù)幅值（A）相位（°）1380.4032.0356053.15613571.042157.594.29101116.1360132.0160(1)用Matlab仿真諧波電壓信號(hào)圖的程序如下：% diyige.mclcfs=3000; f0=50;N=1024;n=1:N;t=( n-1)/fs;m=13;Am=380.4 0 2.035 0 3.156 0 1.042 0 4.291 0 16.13 0 2.016 ;PH=0 0 60 0 135 0 157.

31、5 0 0 0 60 0 0;x=zeros(1,N);for k=1 : m x=x+Am(k)*cos(2*pi*f0*k*t+PH(k)/180*pi); endfigure(1);plot(x);圖是用Matlab仿真出的諧波電壓信號(hào)圖：曲皿* Miri 葉 Of Mai*P 2 曲 q 禮、 羽 z X 3 3 ；-i 0Q Wn Mhb«ns«4：faroKiM Be Irtam dai fC 3曲n圖諧波電壓信號(hào)圖(2)當(dāng)取采樣頻率為3000HZ數(shù)據(jù)長度為1024采樣點(diǎn)時(shí)，利用FFT編寫Matlab語言得到信號(hào)頻譜的程序如下：%dierge.mN=le ngt

32、h(x); f=50;m=13;n=1:N;Fn=zeros(9,3);An=zeros(9,2);Pn=zeros(9,2);for i=1 : mFn(i,1) = i; Fn(i,2) = f * i;An(i,1) = i;Pn(i,1) = i;endfsN=fs/N;f0=50;X=fft(x);X=X(1:N);Xabs=abs(X);for i= 1 : mAmax,index=TriFind(Xabs,floor(i*f0-15)/fsN),ceil(i*f0+15)/fsN);if (index=-1)Fn(i,3) = 0;An(i,2) = 0;Pn(i,2) = 0;

33、elseif (Xabs(index-1) > Xabs(index+1)a1 = Xabs(index-1) / Xabs(index);r1 = 1/(1+a1);k01 = index -1;elsea1 = Xabs(index) / Xabs(index+1);r1 = 1/(1+a1);k01 = index;endFn(i,3) = (k01+r1-1)*fs/N;An(i,2) = 2*pi*r1*Xabs(k01)/(N*sin(r1*pi);Pn(i,2) = phase(X(k01)-pi*r1;Pn(i,2) = Pn(i,2)*180/pi;Pn(i,2) =

34、mod(Pn(i,2),180);endendFnAnPndlmwrite( 'An.txt' ,An,'delimiter' , 't','precision', '%.10f','newline', 'pc');dlmwrite( 'Fn.txt',Fn,'delimiter' , 't','precision', '%.10f','newline', 'pc');dl

35、mwrite('Pn.txt',Pn,'delimiter', 't','precision：newline', 'pc);經(jīng)過FF變換之后，得到的諧波頻率（Fn）、幅值（An）、相位（Pn）如下:L 000050.000049.99552.0000100.000003. 0000150.0000150.31614. 0000200.000005.0000250.0000249. 86626.0000300.00000二 0000350.0000349.79443.0000400.000009 0000450,000045

36、0.021410.0000500.0000011. 0000550.0000549. 999512.0000600.0000013.0000650,0000650. 8214An =1.00003S0.91962.000003.00002. 07414.000005.00003.21456.000007, 00001. 0549& 000009 00004.301810.000001L 000016. 129512.0000013.00002. 1659Pn1,00000,23352. 000003. 000054.80364.000005* 0000145.11126. 00000二

37、 0000166.91058. 000009.00002.130610. 0000011_ 000060.940212.0000013. 0000130,1438將仿真后得到的結(jié)果和表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，發(fā)現(xiàn)通過快速傅里葉變換得 到的諧波頻率（Fn）、幅值（An）、相位（Pn）都與原測量值十分接近，這說明, 快速傅里葉變換法的運(yùn)算精度是非常高的，它也是一種非常實(shí)用的諧波分析的 方法。6諧波的治理方法從目前來看，治理諧波的主要方法有以下幾種：從受到諧波影響的設(shè)備 或系統(tǒng)出發(fā)，使其不產(chǎn)生或少產(chǎn)生諧波主要有以下幾種 : 選擇合理的供電方式； 避免電容器對(duì)諧波的放大；提高設(shè)備抗諧波干擾能力；改善諧波保

38、護(hù)性能；改 善諧波源的配置或工作方式；采用多重化技術(shù)等等。但由于受設(shè)備結(jié)構(gòu)、效 率、成本、可靠性等因素影響，只能解決部分問題；應(yīng)用失諧電抗器抑制諧 波共振放大主要抑制諧波共振放大，濾波作用較??；使用 LC無源電力濾波器 進(jìn)行諧波治理在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸 收諧波電流，同時(shí)還可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)簡單，成本低，技術(shù)成 熟，是目前使用最為廣泛的諧波治理方法，但由于治理效果不夠理想，只能對(duì) 特定諧波進(jìn)行濾波，且濾波性能不穩(wěn)定，設(shè)計(jì)不當(dāng)時(shí)，可能導(dǎo)致諧波放大和系 統(tǒng)震蕩等新問題。另外它消耗大量有色金屬，體積大，占地面積大，所以將逐 步被淘汰。使用有源電力濾波器進(jìn)

39、行諧波治理有源電力濾波器的濾波性能不 受系統(tǒng)阻抗的影響，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)治理，可以同時(shí)對(duì)無功和負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償，也可 對(duì)多個(gè)諧波源集中治理。隨著大功率快速自關(guān)斷器件的不斷發(fā)展，基于瞬時(shí)無 功功率理論的諧波檢測方法的不斷完善，以及自動(dòng)化控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理 技術(shù)的不斷進(jìn)步，有源電力濾波器得到了極大的發(fā)展，現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)用階段?？偨Y(jié)以上諧波治理方法，可以將它們分為兩類：一是，主動(dòng)型諧波抑制， 即對(duì)電力電子裝置本身設(shè)計(jì)進(jìn)行改進(jìn)，使其盡可能地不產(chǎn)生諧波或?qū)ζ涔β室?數(shù)進(jìn)行控制；二是，被動(dòng)型諧波抑制，即諧波負(fù)載本身不加改變，而是在電力 系統(tǒng)或諧波負(fù)載的交流側(cè)加裝濾波器裝置，通過外加設(shè)施對(duì)電網(wǎng)實(shí)施諧波補(bǔ) 償。6.1

40、主動(dòng)型諧波抑制主動(dòng)諧波治理是從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn) 生的諧波系統(tǒng)陰抗隔寫變壓器-PWM-變流器負(fù)找電踹圖主動(dòng)型電壓質(zhì)量控制器圖所示為主動(dòng)型電壓質(zhì)量控制器，它串聯(lián)于電網(wǎng)與負(fù)載之間?？刂茣r(shí)， 通過檢測電網(wǎng)電壓，將獲得的電源電壓信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較，生成需要補(bǔ)償 的指令信號(hào)。通過該信號(hào)對(duì)變流器進(jìn)行控制，獲得需要的補(bǔ)償電壓，疊加到負(fù)載 電路中，能解決供電電網(wǎng)諧波、波動(dòng)、閃變、瞬間中斷等電壓質(zhì)量問題。大功率 變流技術(shù)理論證明，脈波越多的變流器，對(duì)諧波的抑制效果愈好。因此，將原來的 6脈波的變流設(shè)計(jì)技術(shù)，改為12脈波或24脈波的變流設(shè)計(jì)，以減少交流側(cè)的諧波電 流含量，但隨著脈

41、波數(shù)越多整流變壓器的結(jié)構(gòu)就更復(fù)雜。主動(dòng)治理諧波的措施主要有：（1）采用脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation ，PWM技術(shù)3-5。PW技術(shù) 使得整流器產(chǎn)生的諧波大大降低，輸入波形接近正弦波。PW整流電路模型如圖所示，PW整流器具有降低整流負(fù)載注入電網(wǎng)諧波和提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)等優(yōu) 點(diǎn)。圖整流電路模型(2) 增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)。改造變流裝置或利用相互間有一定移 相角的換流變壓器，可有效減小諧波含量，其中包括多脈整流和準(zhǔn)多脈整流技 術(shù)。十二脈波整流電路如圖所示圖十二脈波整流電路(3) 高功率因數(shù)變流器。比如采用矩陣式變頻器、四象限變流器等，使變流器產(chǎn)生的諧波減少。矩陣變換器

42、的結(jié)構(gòu)圖如圖所示。輸入電感rywnrvrvx圖矩陣變換器拓?fù)鋱D6.2被動(dòng)型諧波抑制主動(dòng)治理通過改進(jìn)電力電子裝置的控制方式，減少其諧波的產(chǎn)生，而被動(dòng) 治理則是通過安裝電能質(zhì)量治理裝置來抑制諧波對(duì)電網(wǎng)的危害。被動(dòng)型諧波治 理原理圖，如圖:電力系統(tǒng)電掠電展電就鍛檢刪電閏電流鍛負(fù)載電路嵯電壓他囂鍛卩昏"逆變電路I濾被與控制電路電壓（電流披圖621 被動(dòng)型諧波治理原理圖目前常用的電能質(zhì)量裝置有：（1）無源電力濾波器（Passive Power Filter ，PPF。PPF可以吸收諧波電流，同時(shí)還可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償。PPF又稱LC濾波器，是傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償裝置，它是由諧波電容器和電抗器組合而成

43、的濾波裝 置，與諧波源并聯(lián)。通常在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波 器，這樣不僅可以吸收諧波電流，同時(shí)還可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)也 簡單，因而PPF得到廣泛的應(yīng)用。（2）有源電力濾波器（Active Power Filter ，APF 。APF可以有效地起到補(bǔ)償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型 APF還可以進(jìn)行無功功 率補(bǔ)償。并聯(lián)型APF吉構(gòu)圖如圖6所示。與PPF®比，APF具有以下一些優(yōu)點(diǎn)：濾 波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響；不會(huì)與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 的變化不會(huì)影響治理效果；原理上更優(yōu)越，用一臺(tái)裝置就能完成各次諧波的治 理；實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)治理，能夠迅速響應(yīng)諧波的頻率和大小發(fā)生的變化；具備多種 補(bǔ)償功能，可以對(duì)無功功率和負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償。t 1匚j工i L%abAPFpi.負(fù)sti圖結(jié)構(gòu)原理圖（3）混合型有源電力濾波器 （Hy