供电系统中谐波的产生危害及治理

供电系统中谐波的产生-危害及治理

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1、概述 (1)

2、谐波的定义 (2)

3、谐波的产生 (3)

3.1 发电机产生的谐波 (4)

3.2 输配电系统产生的谐波 (4)

3.3 用电设备产生的谐波 (5)

4.谐波的危害 (7)

4.1 谐波增加发、输、供和用电设备的附加损耗 (7)

4.2 影响电力测量的准确性 (9)

4.3影响继电保护和自动装置的工作和可靠性 (10)

4.4 干扰通信系统工作 (10)

4.5 影响用电设备的正常工作 (10)

5 谐波检测的方法 (11)

5.1 傅里叶变换的基本原理 (11)

5.2 FFT算法 (12)

5.3 FFT算法在谐波检测中的应用 (12)

6．谐波的治理方法 (19)

6.1 主动型谐波抑制 (19)

6.2 被动型谐波抑制 (21)

7.结语 (23)

参考文献 (24)

致谢 (25)

“谐波”一词起源于声学，后来才慢慢延伸成一个较为严谨的定义。一般在理想情况下，供电部门向用户提供具有单一恒定的工业频率和规定的系统标准称电压的电能，但在实际中供电电压的波形往往会偏离正弦波形而发生畸变，即产生谐波[1]。

有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在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[2]。

到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。

之所以有很多的科研工作者致力于研究谐波，主要是因为谐波的危害十分严重，它会使电能的生产、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。

造成电力系统电压波形畸变的根本原因是系统中的非线性负荷以及系统本身存在非线性元件。谐波会增加电力系统损耗，降低安全，增加计量装置误差，可能导致保护系统和自动装置误动作，干扰通信线路的正常工作。因此，谐波是电力质量的重要指标之一。为保证供电系统中所有的电气、电子设备进行正常的工作，必须采取有力的措施，抑制电网谐波。

2、谐波的定义

供电系统谐波，是指一些频率为基波频率（我国取50HZ）整数倍的正弦波分量，又称为高次谐波。

这是由于在交流电网中，由于存在许多的非线性电气设备，电压u(t)和电流i(t)的波形实际上不是完全的正弦波形，而是存在一定畸变的非正弦波。它通常是周期性的电气分量，利用傅里叶级数分析，可得到如下等式：

式中项称为基波，称为基波频率；其他各项均成为谐波。由于谐波频率是基波频率的整数倍，所以被称为二次谐波，被称为三次谐波，……。、为第n次谐波电压、电流的有效值，、

是第n次谐波电压、电流的初相角。

为了能够更好的理解谐波的定义，我们可以参照图2.1和图2.2。

图2.1 理想的交流电压、电流波形

图2.2 实际的交流电压、电流波形

)

sin(

2

)(

1

n

n

n

t

n

U

t

uα

ω+

=∑∞

=

)

sin(

2

)

(

1

n

n

n

t

n

I

t iβ

ω+

=∑∞

=

t

ω

sinω

tω

2

sin tω

3

sin

n

U

n

I

n

α

n

β

图2.1是理想的交流电压，电流波形，图2.2是实际的交流电压，电流波形。比对两个图，可以发现在图2.2中的波形中存在明显毛疵，凹陷或者凸起，这些瑕疵就是由于谐波的存在而造成的。

在国际电工标准(IEC555-2)和在国际大电流会议的文献中的定义:“谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的n次分量”。IEEE标准中定义为:“谐波为一周期波或量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍”。由于谐波频率是基波频率的整数倍,因此,我们也常称它为高次谐波。

3、谐波的产生

在电能的生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。

在其它几个环节中,谐波的产生主要是来自具有非线性特性的电气设备：

①具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如:变压器、电抗器等;②以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备,如:气体放电灯,交流弧焊机、炼钢电弧炉等;③以电力电子元件为基础的开关电源设备,如:各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置、大容量的电力晶闸管可控开关设备等,它们大量的用于化工、电气铁道、冶金、矿山等工矿企业以及各式各样的家用电器中。

即使电源电压是正弦波形,但由于负荷具有其电流不随电压同步变化的非线性的电压—电流特性,使得流过负荷的电流是非正弦波形的,它由基波及其整数倍的谐波组成。产生的谐波使电网电压严重失真,而电网还必须向它提供额外的电能。低压供电系统的非线性设备产生的谐波电流可分为稳定的和波动的两大类谐波。前者的幅度不随时间变化,如视频显示设备和测试仪表等产生的谐波,这类设备对电网来说表现为恒定的负载;后者由激光打印机、复印机、微波炉等产生,各次谐波的幅值随时间变化,这类设备对电网来说是一个随时间变化的负载。

随着电力电子设备使用的不断增加,产生的谐波又具有较大的振幅,它们是电力系统在稳态运行下的主要谐波源。

前面已经提到谐波源通常是指各类特定的电气设备，即非线性电气设备，我们将这些电气设备进行分类，主要可以分为以下四大类：（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。

目前，电力系统谐波的产生主要来自三方面：发电机产生谐波，输配电系统产生谐波，用电设备产生谐波。