谐波工作原理

谐波工作原理

1.什么是电力谐波

理想上，电力系统只供应纯基波成份之无污染正弦波形，其电源频率仅50Hz（或60Hz）。但现代诸多工业或信息设备均为非线性负载，其负载电流波形并非纯正弦波，畸变的波形中可被分析出许多整数倍于基波频率的成份，这些基频以外之交流周期性波形即称为谐波。若其频率为基波的n倍，则称之为n次谐波，如250 Hz为50 Hz的5倍则称为5次谐波。

1

其中K1为基波成份之有效值

Kn为各谐波成份之有效数值（n分别为2, 3…）

K1 is rms of fundamental wave.

Kn is rms of each single harmonic. (n = 2, 3 …)

欲表示某单一谐波之污染量，则可采用

Single harmonic distortion can show as below

SHDn(%) = Kn ⌧ 100%

K1

2.电力谐波的影响

当谐波严重污染电力系统时，除影响系统供电品质外，亦可能破坏电力设备或影响设备之正常运转，如功因改善电容器打穿，变压器及电缆过载或绝缘破坏等事故；当电力系统中电压闪烁污染严重时，会造成日光灯或白炽灯等灯具光度的闪变，使人的眼睛产生不舒适感觉；当三相负载严重失衡时，造成三相电压不平衡导致感应马达线圈异常过热，或干扰邻近计算机，导致荧光幕扭曲；当雷击或开关、电容器切换时引起之瞬时突波，可能使电力设备因过电压或过电流而发生故障；当雷击、盐害或人为与天灾引起之事故，导致系统电压骤降（Voltage sags）与骤升（Swell），可能造成电力设备欠压或过压，导致保护电驿动作，造成电力中断。故电力品质测量分析与改善技术之研究为当今各国电力公司与工业界工作之重点。

谐波存在电力系统中将可能引起若干问题：

The effect of harmonic could cause many problems：

系统或负载过电压、过电流

System or load over-voltage, over-current.

因集肤效应因而引起的电缆温升破坏及严重降压

Because of skin effect, the temperature of wire cable rise and serious voltage step down. 变压器马达及发电机等的铜损、铁损增加而过温

The copper and iron lost of transformer, motor and generator cause temperature rise.

开关设备及电驿异常跳脱

The break and reply unusual trip.

自动控制设备及计算机运作异常

Automatic control system and computer unusual operate.

共振放大导致电容器破坏

Resonance causes capacitor burn.

计量仪表误差扩大

Accurate Instrument measures error.

感应磁场造成电话干扰

Magnitude field interferes with phone system.

电压波形失真及功因低落

Voltage distortion and power factor la

3.谐波管制的相关规范

由于谐波污染严重影响供电系统以及其它外围设备，因此相关法规亦对电压及电流谐波失真加以限制，分别可参阅IEC 1000-3-2，IEC 1000-3-4及IEEE 519-1992

4.如何改善谐波

整流（转换）设备之功率因子（Power factor）改善包含相位失真（Displacement component）与波形失真（Distortion component）两部份，前者为虚功改善，后者为谐波改善。目前常见有效之谐波改善方法是于谐波源装设谐波滤波器（Filters），以抑制谐波注入设备。除此之外，采用高脉波整流方式，如12步脉波（12-pulse）或24步脉波（24-pulse）及变压器△（Delta）接线亦可降低或消除部份谐波成份。

1.被动式滤波器（Passive filters）

为了滤除输电系统和配电用户之谐波，可考虑安装LC滤波器。一般在直流输电系统（HVDC）交流侧中会安装5、7、11和13级LC滤波器，加上13级高通滤波器（High-passed filters）。对配电用户之谐波抑制可配合功率因子改善电容器，装置适量之滤波器。

*被动滤波器工作原理: Passive Harmonic Filte Working Principle:

由LC等被动组件组成，将其设计于某频率下为极低阻抗，使谐波电流往其内流入。其行为模式为电流汲入(sinking)。每一阶次谐波需单独设计一单谐振滤波器。使谐波共振点偏移.

*无功补偿与电力滤波兼顾

和一般低压电容补偿设备相比,补偿滤波装置除具有无功补偿作用外，还具有滤波能力，使用户注入系统的谐波电流大大降低，表2～4是用户甲厂在两组不同用电条件下的实测数据分析。

从表2可以看到，装设补偿滤波装置前，原有电容补偿支路和负荷及配电变压器之间构成并联谐振回路使电容及配变的谐波电流明显放大，其谐振点在13次附近。

表3反映了投入补偿滤波装置使用户的各项电能指标得到明显改善；无功需量减少50％，功率因数从0．734提高到0．917，电压及电流畸变均减少了一半。

应该说明的是，经过历年来对大量谐波源用户的监测表明，电容无功补偿设备的投入有时会对高次谐波构成放大回路，放大倍数为1～3倍，构成完全谐振回路时，放大倍数将达5～10倍以上，这无疑会增加设备的发热和功率损耗，影响正常生产，甚至直接危及设备运行。

*装置结构简单，参数调整灵活准确

低压补偿滤波装置根据LC串联谐振原理构成，但在我们的改进设计中，由于使用了具有宽频域响应的电抗器和特种组合式电容器，使滤波支路参数的调整能力大为提高，调谐精度可达到谐振频率的±0．5f N／50Hz之内。（f N表示调谐点的频率）

另一方面，采用偏谐振原理使每套装置满足以下要求：由于制造、安装调试和运行条件等原因，使支路实际谐振点偏离设计值±10Hz时，装置仍能正常运行。

以上两点既保证了装置结构简单，又使参数的调整灵活准确。

*设计的技术条件

采用滤波装置（措施）后相应配电系统（0．4kV）侧应满足以下技术条件：

上列各式中：

U1—各配电设备基波电压；

U n—各配电设备谐波电压，

n＝2，3，4，……21；

U N—各配电设备额定电压；

I1—各配电设备基波电流；

I n—各配电设备谐波电流，

I N—各配电设备额定电流；

在满足上述技术条件基础上，滤波装置（措施）还应适当满足无功补偿的要求，即补偿后功率因数＞0．9。

*投入使用后的阻抗曲线

滤波器组投入后，配变低侧不同频率下等值阻抗变化示意图如图3。

*装置运行安全可靠，维护方便

构成补偿滤波装置的主要元件是电抗器，电容器和开关设备，由于设计时顾及到谐

波电压迭加的影响，各元件的容量也考虑了滤波补偿的需要，所以各元件承受过电压的能力和热容量都大为提高，加上参数配置采用了偏谐振原理，进一步提高了装置限制冲击过电流，过电压的能力，使其运行更安全、可靠。

由于结构合理，元件质量可靠，自1992年底正式投入至今，装置未出现过任何故障和事故，日常维护工作只是极为简便的定期检查即可。