變頻電源諧波的產生及危害

一、變頻電源應用中的問題

在工業(yè)調速傳動領域中，與傳統(tǒng)的機械調速相比，用變頻電源調速有諸多優(yōu)點，應用非常廣泛，但由于變頻電源逆變電路的開關特性，對其供電電源形成了一個典型的非線性負載，變頻電源在現(xiàn)場通常與其它設備同時運行，例如計算機和傳感器，這些設備常常安裝得很近，這樣可能會造成相互影響。因此，以變頻電源為代表的電力電子裝置是公用電網中最主要的諧波源之一，其對電力系統(tǒng)中電能質量有著重要的影響。供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1） 稱為諧波次數(shù)。電網中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics）或分數(shù)諧波。諧波實際上是一種 干擾量，使電網受到“污染”，電能質量下降。電工技術領域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制，其頻率范圍一般 為2≤n≤40。

二、諧波的產生過程

向公用電網注入諧波電流或在公用電網上產生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源，例如帶有功率電子器件的變流設備，交流控制器和電弧爐、感應爐、熒光燈、變壓器等。

諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。

諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)學家傅立葉（M.Fourier）分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率、幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次諧波。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。我國工業(yè)企業(yè)也越來越多的使用產生諧波的電氣設備，例如晶閘管電路供電的直流提升機、交-交變頻裝置、軋鋼機直流傳動裝置、晶閘管串級調速的風機水泵和冶煉電弧爐等。這些設備取用的電流是非正弦形的，其諧波分量使系統(tǒng)正弦電壓產生畸變。諧波電流的量取決于諧波源設備本身的特性及其工作狀況，而與電網參數(shù)無關，故可視為恒流源。 各種晶閘管電路產生的諧波次數(shù)與其電路形式有關，稱為該電路的特征諧波。除特征諧波外，在三相電壓不平衡，觸發(fā)脈沖不對稱或非穩(wěn)定工作狀態(tài)下，上述電路還會產生非特征諧波。進行諧波分析和計算最有意義的是特征諧波，如果5，7，11，13次等。如直流側電流波紋較大，則5次諧波幅值將增大，其余各次諧波幅值將減少。 當電網接有多個諧波源時，由于各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同，其和將小于各分量的算術和。 變壓器激磁電流中含有3，5，7等各次諧波分量。由于變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法，為3次諧波提供了通路，故3次諧波電流不流入電網。但當各相激磁電流不平衡時，可使3次諧波的殘余分量（最多可達20%）進入電網。

三、諧波危害

對于電力系統(tǒng)來說，電力諧波的危害主要表現(xiàn)有以下幾方面：

（1）增加輸、供和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過熱，降低設備的利用率和經濟效益：

（2）電力諧波對輸電線路的影響：

諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當注入電網的諧波頻率位于在網絡諧振點附近的諧振區(qū)內時，對輸電線路和電力電纜線路會造成絕緣擊穿。

（3）電力諧波對變壓器的影響：

諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場強度，諧波電流的存在增加了銅損。對帶有非對稱性負荷的變壓器而言，會大大增加勵磁電流的諧波分量。

（4） 電力諧波對電力電容器的影響：

含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對電力諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負荷甚至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網中造成電力諧波諧振，使故障加劇。

（5）影響繼電保護和自動裝置的工作可靠性：

特別對于電磁式繼電器來說，電力諧波常會引起繼電保護及自動裝置誤動或拒動，使其動作失去選擇性，可靠性降低，容易造成系統(tǒng)事故，嚴重威脅電力系統(tǒng)的安全運行。

（6）對通訊系統(tǒng)工作產生干擾：

電力線路上流過的幅值較大的奇次低頻諧波電流通過磁場耦合時，會在鄰近電力線的通信線路中產生干擾電壓，干擾通信系統(tǒng)的工作，影響通信線路通話的清晰度，甚至在極端的情況下，還會威脅著通信設備和人員的安全。

（7）對用電設備的影響：

電力諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機內的元件溫度出現(xiàn)過熱，使計算機及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，嚴重甚至損害機器。

此外，電力諧波還會對測量和計量儀器的指示不準確及整流裝置等產生不良影響，它已經成為當前電力系統(tǒng)中影響電能質量的大公害。

四、諧波治理

治理諧波問題，抑制輻射干擾和供電系統(tǒng)干擾，可采取屏蔽、隔離、接地及濾波等技術手段。治理諧波的主要措施有：加大系統(tǒng)短路容量;提高供電電壓等級;增加變流裝置的脈動數(shù);改善系統(tǒng)的運行方式，設置交流濾波器等都能減小系統(tǒng)中的諧波成分。交流濾波器又分為無源濾波器和有源濾波器兩種。有源濾波器是一種向系統(tǒng)注入補償諧波電流，以抵消非線性負荷所產生的諧波電流的能動式濾波裝置。它能對變化的諧波進行迅速的動態(tài)跟蹤補償，且補償特性不受系統(tǒng)阻抗影響。其結構相對復雜，運行損耗較大，設備造價高;在補償諧波的同時，也會注入新的諧波。無源濾波器（又稱LC濾波器）是利用LC諧振原理，人為地造成一條串聯(lián)諧振支路，為欲濾除的主要諧波提供阻抗極低的通道，使之不注入電網。LC濾波器結構簡單，吸收諧波效果明顯;但僅對固有頻率的諧波有較好的補償效果;且補償特性受電網阻抗的影響很大，在特定頻率下，電網阻抗和LC濾波器之間可能會發(fā)生并聯(lián)諧振或者串聯(lián)諧振。

五、綜述

無功功率補償， 諧波治理技術是當前乃至今后相當長的時期內， 緩解電力供需矛盾， 改善供電質量的一種行之有效的手段之一， 經廣泛推廣應用后， 能為國家和用戶帶來巨大的經濟效益和良好的社會效益。將變頻電源產生的諧波控制在最小范圍內，達到科學合理用電，抑制電網污染，提高電源質量。