谐波知识

谐波知识
一、谐波的定义
谐波是指电压中所含有的频率为50HZ正弦基波的整数倍的电量，50HZ称为基波频率，大于基波频率3倍=150HZ的波称之为三次谐波，基波频率5倍250HZ 的波称之为五次谐波，以此类推。

不管几次谐波，他们都是正弦波。

一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。

从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。

二、谐波的产生
产生的原因：由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。

主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器、中频炉、电焊机等。

用傅立叶分析原理，能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。

在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。

当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。

由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。

谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。

6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19 ….n倍于电网频率。

功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。

其他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3 次谐波( 150 赫兹)。

在供电网络阻抗( 电阻) 下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲
线的电压降。

在供电网络阻抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频率的供电网络阻抗Z的乘积。

次数越高，谐波分量的振幅越低。

只要哪里有谐波源那里就有谐波产生。

也有可能，谐波分量通过供电网络到达用户网络。

例如，供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备产生的谐波所干扰。

三、谐波的来源
谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。

当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。

1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。

谐波波形图
四、谐波的参数
谐波电流是由设备或系统引入的非正弦特性电流。

谐波电流叠加在主电源上；
谐波电压是由谐波电流和配电系统上产生的阻抗导致的电压降。

五、电力系统谐波的分类
谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。

周期性波形的展开：根据傅立叶级数的原理，周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期的正弦函数和余弦函数之和。

其展开式中，常数表达的部分称之为直流分量，最小正周期等于原函数的周期的部分称之为基波或一次谐波，最小正周期的若干倍等于原函数的周期的部分称之为高次谐波。

因此高次谐波的频率必然也等于基波的频率的若干倍，基波频率3倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。

不管几次谐波，他们都是正弦波。

谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M．Fourier)分析原理证明，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。

根据谐波频率的不同，可以分为：
5.1、奇次谐波
额定频率为基波频率奇数倍的谐波，被称为“奇次谐波”，如3、5、7次谐波；
5.2、偶次谐波
额定频率为基波频率偶数倍的谐波，被称为“偶次谐波”，如2、4、6、8次谐波。

一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。

在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。

对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等。

变频器主要产生5、7次谐波。

5.3、分量谐波
频率不是基波分量倍数的正弦曲线波。

六、电力系统谐波治理好处
为解决电力电子装置和其他电力系统谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。

目前，电力系统治理谐波的主要方法就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流，现在广泛采用的滤波器为无源滤波器。

谐波治理的好处：利国、利人、利己
利国：国家保护电网质量、让人民用上合格电，对不合格要求要进行谐波治理、节能。

利人：不影响国家电网质量、其他用户用电质量，符合节能政策。

利己： 1.节能省电费。

2.保护自己的用电设备和电器元件的安全。

3.延长自己的用电设备和电器元件的寿命。

七、电力谐波治理的几种方法
目前常用的电力谐波治理的方法无外乎有三种：无源滤波、有源滤波、无功补偿。

下面就谈谈这二种方法的优缺点以及市场前景及其经济效益的分析。

7.1、无源谐波滤除装置
无源滤波器的主要是用电抗器与电容器构成，无源滤波装置的成本较低，经济，简便，因此获得广泛应用。

无源滤波器可以分为并联滤波器与串联滤波器。

7.1.1、无源并联滤波器
现有的谐波滤除装置大都使用无源并联滤波器，对每一种频率的谐波需要使用一组滤波器，通常需要使用多组滤波器用以滤除不同频率的谐波。

多组滤波器的使用造成结构复杂，成本增高，并且由于通常的系统中含有无限多种频率的谐波成分，因此无法将谐波全部滤除。

不仅如此，由于并联滤波器对谐波的阻抗很低，通常会使谐波源产生更大的谐波电流，谐振在不同频率的滤波器还会互相干扰，例如7次谐波滤波器就可能会放大5
次谐波。

因此，如果有人将并联滤波器安装前后的谐波情况做过对比，就会发现：虽然滤波器安装以后影响系统的谐波电流减小，但是各滤波器中以及进入系统的谐波电流之和远远超过未安装滤波器之前，谐波源产生的谐波电流也超过未安装滤波器之前。

从广义的角度来讲，频率不等于工频频率的成分统统都是谐波。

因此，工频是单一频率，而谐波有无限多种频率，可见谐波具有无限的复杂性，使用并联滤波器的方法显然无法对付无限频率成分的谐波。

7.1.2、无源串联滤波器
由电感与电容串联构成的LC串联滤波器，具有一个阻抗很低的串联谐振点，如果我们构造一个串联谐振点为工频频率的串联滤波器，并将其串联在线路中，就可以滤掉所有的谐波。

这就是本文介绍的串联滤波器，串联滤波器由电感和电容串联而成，并且串联连接在电源与负荷之间，因此串联滤波器的“串联”二字具有双重意思：一个意思表示电感与电容串联，另一个意思表示串联在电路中使用。

在三相电路中均接入串联滤波器，由于串联带通滤波器对基波电流的阻抗很小，而对谐波电流的阻抗很大，于是只用一组滤波器就可以滤除所有频率的谐波。

串联滤波器对于谐振点频率的电流具有极低的阻抗，对于偏离谐振点频率的电流，则阻抗增大，偏离的越多，阻抗越大。

对于比谐振点频率高的电流成分，电感的阻抗为主，对于比谐振点频率低的电流成分，电容的阻抗为主。

由于谐波成分通常比基波频率高，因此滤除谐波的工作主要由电感完成，电容的作用是抵消电感对工频基波的阻抗。

由于滤除谐波的作用主要由电感完成，因此电感量越大滤除谐波的效果越好。

但是电感量越大则价格越高，损耗越大，因此从成本及损耗上去考虑问题则希望电感量越小越好。

当电感的基波感抗小于负荷等效基波阻抗的50%时，不能实现良好的滤波效果（负荷等效基波阻抗就是负荷相电压有效值与相电流有效值的比值）。

因此电感的基波感抗必须大于负荷等效基波阻抗的50%。

对于电容器的选择与电感的选择情况不同，电感的匝数可以随意设计，而电容器的耐压只有固定的若干等级，不能随意设计。

比如在低压配电系统中，就只有耐压230V与400V的电力电容器可供选择。

由于电容器串联在电路中，电容器中的电流即为负荷电流，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器中流过的电流等于电容器的额定电流，电容器得到充分的利用，因此，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器的成本最低。

实际的串联滤波器成本主要由电感与电容器的成本构成。

串联谐振的电感与电容对基波的阻抗相等并且电流相同，因此电感与电容的基波工作电压相同。

前面已经说明，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器的成本最低，因此电感的实际工作电压应该等于电容器的额定电压。

电容器的额定电压等级大都与电网电压相当，如果电感的实际工作电压等于电容器的额定电压，相当于电感阻抗与负荷阻抗相当，可以取得最好的性能价格比。

在这个基础上，如果提高电感的感抗，虽然滤波效果可以提高但提高不多，电感的成本增加，电容器需要串联，成本急剧增加，性能价格比下降，因此电感的基波感抗大于负荷等效基波阻抗的200%没有实际意义，如果降低电感的感抗，则滤波效果下降，电感的成本降低，电容器的容量增加因此成本增加，性能价格比也下降。

为了获得足够的可靠性，电感与电容器的实际工作电压应略低于电容器的额定电压。

当谐波电流由外网窜入而影响内网负荷设备的正常运行时，在电源与负荷设备之间接入串联滤波器就可以阻挡谐波保证负荷设备的正常运行。

当谐波由内网设备产生而影响系统时，产生谐波的设备即为谐波源，在谐波源与电源之间接入串联滤波器就可以使谐波源产生的谐波电流大幅
度减小。

这里需要注意：串联滤波器使谐波源自身产生的谐波电流减小，相当于使污染源产生的污染减小，是治本的手段。

而并联滤波器并不能减小谐波源产生的谐波，而是为谐波电流提供一个低阻抗的通道，避免谐波电流污染系统，相当于先污染再治理的方式，是治标的手段。

不仅如此，由于并联滤波器对谐波的阻抗很低，通常会使谐波源产生更大的谐波电流。

当串联滤波器连接在电源与谐波源之间时，谐波源的输入电压波形会发生严重畸变，正时这种电压波形的畸变使得谐波源的电流接近正弦波。

这种输入电压波形畸变可能会影响谐波源控制电路的正常运行，如果出现控制电路不能正常运行的情况，应该将控制电路的电源改接至串联滤波器的前端。

7.2、有源谐波滤除装置
有源谐波滤除装置是在无源滤波装置的基础上发展起来的。

7.2.1、有源滤波装置的优点
有源滤波装置能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。

7.2.2、有源滤波装置的缺点
有源滤波装置由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，瞬间电流有时极大，有源滤波装置解决不了瞬间电流稍大电器电子元件就坏问题，且成本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成本也就高得多了。

对单台的有源滤波装置而言，成本极高，用户接受不了，一般不愿意用有源滤波，对于谐波的含量，不必滤得太干净，只要不危害其他用电器也就可以了。

7.2.3、有源滤波装置的原理
有源滤波装置主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。

7.2.4、有源滤波装置的适用场合
有源滤波器主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统，尤其是写字楼的供电系统，工厂的计算机控制供电系统。

7.3、无功补偿
人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的。

在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功功率定义。

但是，对无功功率这一概念的重要性，
对无功补偿重要性的认识，却是一致的。

无功补偿应包含对基波无功功率补偿和对谐波无功功率的补偿。

7.3.1、谐波和无功功率的产生
在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。

异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。

异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。

电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。

阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。

电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。

如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。

另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。

二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率。

但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率。

近30年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。

在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。

目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。

带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。

直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严惩的谐波污染源。

这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。

但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。

另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。

7.3.2、无功补偿概述
无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。

电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。

因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。

不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。

网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。

显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常
也是不可能的。

合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。

7.3.3、无功功率的影响
7.3.3.1、无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。

同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。

7.3.3.2、无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。

7.3.3.3、使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。

7.3.4、无功补偿的作用
无功补偿的作用主要有以下几点：
7.3.4.1、提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。

7.3.4.2、稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。

在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。

7.3.4.3、在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。

八、谐波的危害及谐波治理的意义
降低系统容量如变压器、断路器、电缆等；
加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备；
危害生产安全与稳定；
浪费电能等。

理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电
压幅值。

谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的能耐
在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。

近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网电力系统的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。

电力系统谐波的危害十分严重。

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。

谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：
8.1、加大企业的电力运行成本
由于谐波不经治理是无法自然消除的，因此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，从而加大了电力运行成本，增加了电费的支出。

8.2、降低了供电的可靠性
谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖，不仅导致变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加，而且使绝缘材料承受的电应力增大。

谐波电流能使变压器的铜耗增加，所以变压器在严重的谐波负荷下将产生局部过热，噪声增大，从而加速绝缘老化，大大缩短了变压器、电动机的使用寿命，降低供电可靠性，极有可能在生产过程中造成断电的严重后果。

8.3、引发供电事故的发生
电网中含有大量的谐波源（变频或整流设备）以及电力电容器、变压器、电缆、电动机等负荷，这些电气设备处于经常的变动之中，极易构成串联或并联的谐振条件。

当电网参数配合不利时，在一定的频率下，形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电力系统的安全运行，如不加以治理极易引发输配电事故的发生。

8.4、导致设备无法正常工作
对旋转的发电机、电动机，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗，从而降低发输电及用电设备的效率，更为严重的是谐波振荡容易使汽轮发电机产生震荡力矩，可能引起机械共振，造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳循环，导致设备无法正常工作。

8.5、引发恶性事故
继电保护自动装置对于保证电网的安全运行具有十分重要的作用。

但是，由于谐波的大量存在，易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动，特别在广泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现突出，引起区域（厂内）电网瓦解，造成大面积停电等恶性事故。

8.6、导致线路短路
电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差，达不到正确指示及计量(计量仪表的误差主要反映在电能表上)。

断路器开断谐波含量较高的电流时，断路器的遮断能力将大大降低，造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器爆炸。

8.7、降低产品质量
由于谐振波的长期存在,电机等设备运行增大了振动, 使生产误差加大,降低产品的加工精度，降低产品质量。

8.8、影响通讯系统的正常工作
当输电线路与通讯线路平行或相距较近时，由于两者之间存在静电感应和电磁感应，形成电场耦合和磁场耦合，谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰，从而降低信号的传输质量，破坏信号的正常传输，不仅影响通话的清晰度，严重时将威胁通讯设备及人身安全。

谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。

综上所述，对电能质量已经不能仅用频率和电压这两个指标来评价了，谐波已成为电能质量另一个重要指标。

因此，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内，还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经迫在眉睫。

我国谐波治理的水平还比较低，对电力科技工作者来说，谐波治理问题的研究具有十分重大的理论和现实意义。