电力系统的谐波产生的原因
电力系统的谐波产生的原因
令狐采学
电网谐波来自于3个方面：
一是发电源质量不高产生谐波：
发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。
二是输配电系统产生谐波：
输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器
工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。
三是用电设备产生的谐波：
晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源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。我们知道，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，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。变频装置。变频装
置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。
电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2 7次的谐波，平均可达基波的8% 20%，最大可达45%。
气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。
家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化
也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。
供电系统的无功补偿及谐波治理
在供电系统中，为了节能降损、提高电压质量和电网经济运行水平，经常采用各种无功补偿装置。近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、各种电力电子设备以及电气化铁路大量应用。这些负荷大都具有非线性、冲击性和不平衡性的特点，在运行中会产生大量谐波。这些谐波对无功补偿装置造成了严重影响。在供电系统中，对于某次谐波，作为无功补偿用的并联电容器若与呈感性的系统电抗发生谐振，则会出现过电压而造成危害。当无功补偿装置运行地点的谐波比较严重时，电压、电流波形会有很大畸变，电容器投切控制信号的传输就会受到影响，从而有可能引起装置的误动或拒动。另一方面，并联电容器对电网谐波的影响也很大。若电容器容抗和系统感抗配合不恰当?熏将会造成电网谐波电压和电流的严重放大?熏给电容器本身带来极大损伤。可见，无功补偿与谐波
治理两者关系密切。产生谐波的装置大都是消耗基波无功功率的装置；治理谐波的装置通常也是补偿无功的装置。因此，为了寻求能同时实现无功补偿和谐波治理的装置，就必须将二者结合起来进行研究。
２电容器无功补偿装置中的谐波问题
谐波源有两种一种是谐波电流源，这些用电设备中的谐波含量取决于它自身的特性和工作状况。基本上与供电系统参数无关。另外一种是谐波电压源。发电机在发出基波电势的同时，也会有谐波电势产生，其谐波电势大小主要取决于发电机本身的结构和工作状况。实际上，在电网中运行的发电机和变压器等电力设备输出的谐波电势分量很小，几乎可以忽略。因此，在供电系统中存在并实际发生作用的谐波源主要是谐波电流源。
在用并联电容器进行无功补偿的供电系统中电网以感抗为主，电容器支路以容抗为主。在工频条件下，并联电容器的容抗比系统的感抗大得多可发出无功功率，对电网进行无功补
偿。但在有谐波背景的系统中大量的非线性负荷会产生大量的谐波电流注入电网，对这些谐波频率而言电网感抗显著增加而补偿系统容抗显著减小导致谐波电流大部分流入电容器支路，若此时电容器的运行电流超过其额定电流的１．３倍，电容器将会因过流而产生故障。另外，针对无功补偿系统的调谐频率，如果电网中存在该特定频率的谐波电流源，则该谐波将直接被放大严重时还会发生并联谐振或串联谐振。系统谐振将导致谐波电压和电流明显地高于在无谐振情况下出现的谐波电压和电流。
２．１谐波与并联谐振
当电网中的谐波主要由非线性用电负荷产生时，此时的谐波源可看作一个很大的电流源，其产生的谐波电流加在系统感抗和电容器的容抗之间，形成并联回路（如图１所示）。
由图可见，流入电容器支路的ｎ次谐波电流为：
由式（１）可看出：当电网阻抗和电容器阻抗相等时，即：时，将形成并联谐振。此时，即使系统中的ｎ次谐波电流不大，流入电容器的ｎ次谐波电流也将会很大（理论上为无穷大，实际上由于存在电阻谐波电流为一很大的有限值），被放大的谐波电流流经电容器时可导致其内部组件过热而出现故障。
２．２谐波与串联谐振
当上一级电网系统电压波形严重畸变时此时的谐波源相当于一个很大的电压源。谐波电压将在变压器的感抗和电容器的容抗间形成串联回路（如图２所示）。当感抗和容抗相等时?熏将形成串联谐振。此时谐波电压将在串联回路上形成强大的电流直接流经补偿电容器使电容器因过流而迅速故障。
由以上分析可见在有谐波背景的供电系统中单独使用电容器进行无功补偿时若发生并联谐振或串联谐振大部分谐波电流将
流入电容器组中而导致其迅速产生故障。为了避免上述情况的发生就必须寻求新的能同时实现无功补偿和谐波治理的装置。３能同时实现无功补偿与谐波治理的装置
３．１无源滤波器
在有谐波背景的电网中，为了滤除谐波，就要为谐波提供一条释放路径即保留基波而使谐波短路也就是使谐波通过滤波器直接流回谐波源而不注入系统。为此，可采用一种ＬＣ无源滤波器，常用的是单调谐滤波器，它由适当数值的电容、电感和电阻组合而成（如图３ａ所示）。通过设置参数，使得在需要滤除的谐波频率上装置的感抗和容抗相等而抵消?熏即在调谐频率上滤波器呈现低阻抗，这样该频次谐波就可顺利通过滤波器并返回谐波源，从而达到滤除谐波的目的。而对于非调谐的基波和其它次谐波滤波器则呈现高阻抗，带来的影响很小。除了上述针对某次谐波频率而设置的滤波器外常用的还有一种高通滤波器如图３ｂ所示，它对于某一频率以后的所有频率都呈现低阻抗，可滤除多种高次谐波。在实际工程应用中，根据供
电系统中谐波的组成成份往往设置两组ＬＣ滤波器，一组为单调谐滤波器用来滤除含量较大的某次谐波；另一组为高通滤波器可对高次谐波实现减幅。
上述调谐滤波器实现起来非常简单，就是在原来并联电容器的支路上串接一个适当大小的电抗器。此时，整个补偿电容器支路对谐波源基波仍呈容性保持其无功补偿作用不变。而对高次谐波补偿支路则呈感性避免了与系统形成电流谐振消除或减小了由于补偿电容所引起的谐波电流放大现象。如何选择电抗器的大小呢？目前我国并联电容器配置电抗器的电抗率Ｋ（Ｋ＝ＸＫ／ＸＣ，ＸＫ为电抗器的基波感抗ＸＣ为电容器的基波容抗）主要有４种：＜０．５％，４．５％，６％１２％。配置Ｋ＜０．５％电抗器的主要目的是限制电容器的合闸涌流；当采用电抗率为４．５％或６％的串联电抗器时，可抑制５次以上的谐波电流；当采用电抗率为１２％的串联电抗器时，可抑制３次以上的谐波电流。
另外需注意，上述装置对谐振频率要求非常严格。若谐振点
漂移，将有可能放大谐波电流，因此必须保证电抗器和电容器的数值不能因温度、环境等因素而发生变化。为满足此要求，滤波电抗器应采用电抗值可调的空芯或铁芯电抗器制造精度要求为正误差。对于电容器，最好选用制造精度为正误差具有防爆、损耗低、放电特性好等特点的谐波滤波电容器。在确定其额定电压等级时，需考虑串联电抗器产生的电压降及谐波电压的影响，一般应选择高于系统电压。另外，在系统运行中，电容器组经常需要分组投切，此时就要根据补偿容量和谐波要求来解决各组间的配合问题。
随着电力电子技术的发展，用晶闸管实现的静止无功补偿装置因其优良的性能而被广泛应用。例如，有一种兼有谐波治理功能的动态无功功率补偿装置叫做晶闸管投切电容器ＴＳＣ（ＴｈｙｒｉｓｔｏｒＳｗｉｔｃｈｅｄＣａｐａｃｉｔｏｒ）这种装置性能良好，被很多场合采用，但线路组成比较复杂，故障点多，维护量相对较大。另外还有一种典型的动态无功补偿及谐波滤波装置为固定电容器＋晶闸管相控电抗器ＦＣ
＋ＴＣＲＦｉｘｅｄＣａｐａｃｉｔ＋Ｔｈｙｒｉｓｔｏ
ｒＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＲｅａｃｔｏｒ。该装置根据局部电网最低功率因数设置固定电容器根据谐波的阶次，由电抗器串联固定电容器组成ＬＣ谐波吸收回路，根据电网功率因数变化量来调节相控电抗器的大小实现局部电网无功补偿和谐波治理。相对ＴＳＣ来说，该装置线路简单故障率低运行也较稳定，值得推广。
近来又开发出一种新型无功补偿兼谐波治理装置——晶闸管投切滤波器ＴＳＦＴｈｙｒｉｓｔｏｒＳｗｉｔｃｈｅｄＦｉｌｔｅｒｓ。它兼有传统ＴＳＣ和电力滤波器的优点，并且可抑制因负载变动而引起的电网电压波动。在基波频率下，ＴＳＦ的基波阻抗呈容性，可向系统输出无功功率，并且其大小可通过晶闸管进行调节。对于系统中常见的主要的谐波，可接近谐振并呈现很低的阻抗，使谐波电流流入滤波器，从而可同时达到无功补偿和滤除谐波的目的。由于系统中存在的谐波电流通常有多个频率，若采用单调谐滤波器来滤除谐波，则需安
装多个滤波器。此时需注意，在投切滤波器时，必须从低次向高次逐次投入，而在切除时则必须从高次向低次依次切除。否则，不仅不能达到抑制谐波电流的作用，反而会将其放大。研究表明，该装置结构简单，易于实现，有实际应用和推广价值。
无源滤波器是传统的进行无功补偿和谐波治理的方法?熏具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠、维护方便等优点因此被广泛采用。但是无源滤波器的滤波性能受系统和负载参数的影响较大，易于与系统发生并联谐振，导致谐波放大从而使滤波器过载甚至烧毁，另外它只能消除特定次的谐波，动态性能相对较差，无功补偿效果也不是很理想。为此，急需开发出新的装置来弥补上述缺陷。
３．２有源滤波器
目前在无功补偿装置中进行谐波治理的一个重要趋势是采用有源滤波器ＡＰＦＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒ。它通过实时检测电网的电压电流经运算处理后得到补偿控制指
令控制主电路产生谐波补偿电流，此电流与所要滤除谐波电流的幅值大小相等相位相差１８０°从而可以相互抵消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，滤波特性不受系统阻抗的影响可消除与系统阻抗或负载发生谐振的危险。另外，此装置不仅能补偿无功和各次谐波还可抑制闪变，具有高度可控性和快速响应性。它是当前无功补偿和谐波治理领域重要的研究发展方向。
这里介绍一种采用有源滤波器进行无功补偿和谐波治理的方案，适合在谐波严重的工况下使用。此方案其实就是在原来ＦＣ＋ＴＣＲ的基础上，增加一有源滤波器。具体实现方法为，将一变压器的原边串联接在电力系统和谐波源之间，副边接有源滤波器的输出部分。设计的初衷是，希望基波电流可以从变压器的原边流过，而谐波电流被隔离，无功补偿装置中的电容器和电抗器串联的支路为被隔离起来的谐波提供通路，从而达到滤除谐波的目的。根据变压器的工作原理，要满足上述要求，就需要检测变压器原边电流中的基波分量，然后采用有源
逆变的方法跟踪此基波分量，并将此基波分量注入变压器的副边，从而补偿变压器原边基波电流所产生的基波磁通，使得变压器对原边基波电流呈现低阻抗，而对于原边谐波电流呈现高阻抗。可见，为了在变压器的副边产生一个与原边基波电流大小成比例、方向相反的电流，就必须准确地从电网电流中检测出基波电流，即需要有基波电流检测部分，这也是此有源滤波器的关键部分。另外此装置还要有功率放大部分，它由滞环控制、ＰＷＭ驱动和逆变器组成，将检测到的原边基波电流经转换作为给定信号采用滞环电流控制使其能够跟踪原边基波电流。从以上分析可见，该方案只需检测、跟踪基波电流，补偿基波磁通，性能比较稳定，电路结构也较简单，易于在工程中实现。
从本质上讲，ＡＰＦ可看作一个大容量的谐波电流发生装置。通过对电网中的畸变波形实时跟踪补偿，可使任意频率、任意幅值和相位的谐波都能被滤除，并使无功功率得到完全补偿。其中，如何实时准确地检测无功电流和谐波电流，并将此
信号作为有源滤波的控制信号，是同时实现无功补偿和谐波治理的关键问题。为了使滤波器有较好的信号跟踪效果，有人提出运用自适应预测原理，实验证明，该方法效果显著，可达到预期目的。
有源滤波器在我国已开始挂网运行但还需要解决一些问题。比如：在大容量应用中有源滤波器逆变器的容量如何最小化；有源滤波器在负载动态过程条件下如何实现自适应调节；在严重畸变的不对称电网及负载下如何提高适应性等。现阶段有源滤波器研究和应用的一个显著特征是混合型有源滤波器，即将有源滤波器和无源滤波器相结合。有源部分相当于一个谐波隔离器?熏既能阻止负载的谐波电流进入电网?熏又能防止电网的谐波电压影响负载，而电网公共连接点上其它负荷的谐波电流则流入无源滤波器。这样可以同时发挥两者的优点，达到良好的补偿目的。混合型有源滤波器最大的好处是，逆变器只需承担谐波电流和谐波电压，从而极大地降低了有源部分的容量，非常适合于大功率谐波负载的补偿。
４结束语无功补偿对改善电能质量电压起着重要作用。随着电网中非线性负荷的不断增加，其产生的谐波也急需治理。在谐波严重的地方，若仍使用传统的并联电容器补偿装置则有可能对谐波起放大作用?熏甚至产生谐振，从而给系统和补偿装置带来危害。低成本的无源滤波器是目前普遍采用的无功补偿和谐波治理装置。此装置使用简单，但存在一定缺陷。有源滤波器可以对幅度和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，但也存在初期投资大、运行效率低的缺点。为此，可将有源滤波器和无源滤波器结合起来使用，既可以使有源滤波器容量降低，又可弥补无源滤波器的缺陷，是一个很好的发展方向。
项目概述1.1前言
单博博研制生产的低压谐波滤除装置是专用于低压电网3次、5次、7次、11次、13次及以上的谐波无源滤波装置。适用于中频冶炼、变频、轧钢、整流设备等的环境。该装置采用了电感和电容器组成串联谐振吸收回路，有效的将负载产生的谐波
加以吸收，从而避免将谐波电流返送到电力变压器，大大降低电网的谐波量，同时有利于用户电力变压器的运行，降低功耗，提高设备和其它电器组件的可靠性。此外该设备还提供一定容量的无功功率补偿，提高用户负载的运行效率。该装置分综合控制柜和电抗柜，视用户要求不同，配置的滤除谐波次数也不同。通常一套系统4种谐波。系统的操作可分自动运行和手动操作。
1.2谐波的基本定义及基础知识
1.2.1领域内关键词语的基本概念
★ 谐波：（harmonic）对周期性交流信号量进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率大于1的整数倍的分量。我国供电系统频率为50Hz，所以5次谐波的频率为250 Hz。7次谐波的频率为350 Hz。11次谐波的频率为550 Hz，13次谐波的频率为650 Hz。
★ 公共连接点：（PCC）用户接入电网的连接处。
★ 总谐波畸变率：（THD）周期性交流量的谐波含量的方均
根值与基波分量的方均根值之比（用百分数表示）。电压总谐波畸变率以THDU表示，电流总谐波畸变率以THDI表示。★ 谐波源（harmonic source）：向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备。
★ 感性无功：电动机，变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收的功率和释放的功率相等，这种功率叫感性无功功率。
★ 容性无功电容器在交流电网中接通时在一个周期内，上半周期的充电功率和下半周期的放电功率相等，不消耗能量，这种充放电功率叫容性无功功率。
★ 功率因数：有功功率与视在功率的比值称为功率数。
★ 功率因数调整电费：实行两部分电价制度的用电企业，供电部门根据用户平均功率因数而加收或减免的电费，称为功率因数调整电费
1.2.2谐波的产生和危害
● 谐波的产生
谐波主要是由于大容量整流或换流设备以及其它非线性负荷，导致电流波形畸变造成的。我们对这些畸的变交流量进行傅立叶级数分解，即可得到50Hz的基波分量和频率为基波分量整数倍的谐波分量。
● 谐波的危害
★ 影响供电系统的稳定运行：供配电系统中的电力线路与电力变压器，一般采用电磁继电器，感应式继电器或新式微机保护进行检测保护，在系统中这些属于敏感元件，继电器受到高次谐波的影响容易产生误动作，微机保护由于采用了整流采样电路，也及易受到谐波的影响导致误动或拒动，这样谐波严重威胁供电系统的稳定与安全运行。
★ 影响电网的质量：高次谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变，另外相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率和无功功率，从而降低电网电压，增加电路损耗，浪费电网容量。
★ 影响供电系统的无功补偿设备：供电系统变电站均有无功
补偿设备，当谐波注入电网时容易造成高压电容过电流和过负荷，使电容异常发热：另外谐波的存在还会加快电容器绝缘介质的老化，缩短电容的使用寿命。
★ 影响电力变压器的使用：谐波的存在会使电力变压器的铜损和铁损增加，直接影响变压器的使用效率；还会造成变压器噪声增加，缩短变压器的使用寿命。
★ 影响用电设备：谐波的存在会造成异步电机电动机效率下降，噪声增大；使低压开关设备产生误动作；对工业企业自动化的正常通讯造成干扰，影响电力电子计量设备的准确性。
1.2.3治理谐波及补偿无功功率的重要性
采用专门的滤波装置能够有效的滤除高次谐波，同时向电网提供容性无功功率，其重要性主要表现在以下方面：
★ 滤除高次谐波能够定化用电环境，降低视在功率，减少谐波电流在用电设备和输配电设备中的发热，直接节省有功功率；消除由于谐波产生的震动，延长电器的使用寿命；有效的消除对敏感元件的影响。