什么叫諧波？抑制諧波的措施有哪些？

　　諧波是一系列的正弦波，其頻率是基波的整數(shù)倍這一系列的正弦波中，存在無(wú)數(shù)種頻率不同、幅值不同的頻率波，這些正弦波會(huì)造成電力系統(tǒng)中的正弦電流以及電力系統(tǒng)電壓不對(duì)稱，對(duì)系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的危害。

　　因?yàn)橹C波的危害十分嚴(yán)重，研究諧波的意義重大，諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會(huì)引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使電能計(jì)量出現(xiàn)混亂。對(duì)于電力系統(tǒng)外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

　　什么叫諧波

　　“諧波”一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀(jì)和19世紀(jì)已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時(shí)在德國(guó)，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。

　　在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國(guó)數(shù)學(xué)家傅立葉（M．Fourier）分析原理證明，任何重復(fù)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(gè)諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號(hào)的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時(shí)，2次諧波為l00Hz，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中， 由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對(duì)于三相整流負(fù)載， 出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13、17、19等，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。

　　到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題的大量論文。70年代以來(lái)，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國(guó)都對(duì)諧波問(wèn)題予以充分和關(guān)注。國(guó)際上召開(kāi)了多次有關(guān)諧波問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì)議，不少國(guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

　　從嚴(yán)格的意義來(lái)講，諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對(duì)周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級(jí)數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這時(shí)“諧波”這個(gè)詞的的意義已經(jīng)變得與原意有些不符。正是因?yàn)閺V義的諧波概念，才有了“分?jǐn)?shù)諧波”、“間諧波”、“次諧波”等等說(shuō)法。

　　諧波產(chǎn)生的原因

? ? ? ?由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。主要非線性負(fù)載有UPS、開(kāi)關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。

　　電力系統(tǒng)向非線性設(shè)備以及負(fù)荷設(shè)備供電時(shí)會(huì)產(chǎn)生高次諧波電力系統(tǒng)向這些設(shè)備傳遞和供給基波能量的同時(shí)，也將一部分的基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量，進(jìn)而產(chǎn)生高次諧波，這一系列高次諧波導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的電壓和電流波嚴(yán)重畸變，對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性造成巨大的影響。

　　抑制諧波的措施有哪些？

　　為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問(wèn)題，基本思路有兩條：一條是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波，這對(duì)各種諧波源都是適用的;另一條是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，這當(dāng)然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。

　　裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調(diào)諧濾波器。這種方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無(wú)功功率，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過(guò)載甚至燒毀。此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不甚理想。

　　1加裝無(wú)源濾波器 （PassivePowerFilter，簡(jiǎn)稱PPF）

　　無(wú)源濾波器安裝在電力電子設(shè)備的交流側(cè)，由L、C、R元件構(gòu)成無(wú)源網(wǎng)絡(luò)，吸收負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流。無(wú)源濾波器分調(diào)諧濾波器與高通濾波器，前者分單調(diào)諧濾波器和雙調(diào)諧濾波器，用于吸收單一次數(shù)或相鄰的兩次諧波，后者用于吸收某一次及以上各次諧波。無(wú)源濾波器濾除諧波以外還在基波電壓的作用下向諧波負(fù)載提供容性基波無(wú)功功率，同時(shí)兼顧諧波源無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枰?。由于具有成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，無(wú)源濾波器時(shí)目前采用的抑制諧波即無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕侄巍?/p>

　　濾波裝置一般由一組或數(shù)組單調(diào)諧濾波器組成，有時(shí)再加一組高通濾波器。單調(diào)諧濾波器利用R、L、C電路串聯(lián)諧振構(gòu)成，如下圖所示。濾波器對(duì)n次諧波阻抗為

R很小，所以n次諧波電流主要由R分流，很少流入電網(wǎng)中，而對(duì)于其他次數(shù)的諧波，諧波阻抗Z》》R，濾波器分流很少。雙調(diào)諧濾波器圖4一1（b）的兩個(gè)諧振頻率實(shí)際上相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器，它同時(shí)吸收兩種頻率的諧波。與兩個(gè)單調(diào)諧濾波器相比，減少了回路，基波損耗較小，只有一個(gè)電抗器承受全部沖擊電壓。這種濾波器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)諧較困難，但在高壓大容量濾波裝置中采用有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)。

　　高通濾波器有一階減幅型（圖4一1（c））、二階減幅型（圖4一1（d））、三階減幅型（圖4一1（e））和C型（圖4一1（f））。當(dāng)頻率低于其截止頻率f0（f0=1/2RC）時(shí)，由于容抗的作用，使得低次諧波電流難以通過(guò);而當(dāng)頻率高于f0時(shí)，由于容抗減小，高次諧波電流便可順利通過(guò)電容器和電阻，總的阻抗也變化不大，形成一個(gè)通頻帶。一階減幅型由于基波功率損耗太大，

　　一般不采用；二階減幅型的基波損耗較小，且阻抗頻率特性較好，結(jié)構(gòu)也簡(jiǎn)單，故工程上用的較多；三階減幅型的基波損耗更小，但特性不如二階減幅型，用的也不太多；C型濾波器濾波特性介于二階和三階之間，主要優(yōu)點(diǎn)是C與L對(duì)基波串聯(lián)調(diào)諧，有功功率損耗較低

　　低成本的無(wú)源濾波器是至今為止在濾除諧波時(shí)使用最為廣泛的補(bǔ)償裝置，用其抑制諧波在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都可以接受。其主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，致使諧波放大使無(wú)源濾波器過(guò)載甚至燒毀。此外，它只能消除特定次諧波，導(dǎo)致整個(gè)裝置占地面積大。因而隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器

　　2 裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置

　　快速變化的諧波源，如：電弧爐、電力機(jī)車和卷?yè)P(yáng)機(jī)等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會(huì)引起供電電壓的波動(dòng)和閃變，有的還會(huì)造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在網(wǎng)側(cè)投入無(wú)功補(bǔ)償裝置是用來(lái)補(bǔ)償由諧波造成的無(wú)功功率，從而提高功率因數(shù)。另外，無(wú)功補(bǔ)償裝置中通過(guò)電感和電容的合理設(shè)置，可在某次頻率點(diǎn)產(chǎn)生諧振，即可對(duì)該頻率的諧波實(shí)現(xiàn)濾波?？捎行p少波動(dòng)的諧波量，同時(shí)，可以抑制電壓波動(dòng)、電壓閃變、三相不平衡，還可補(bǔ)償功率因數(shù)。

　　靜止補(bǔ)償裝置的基本結(jié)構(gòu)是由快速變化的電抗或電容元件組合而成。目前應(yīng)用較多的四種是自飽和電抗器SR、晶閘管控制電抗器、晶閘管控制高漏抗變壓器和晶閘管投切電容器。自飽和電抗器SR由負(fù)荷電流控制飽和電抗器的磁飽和程度，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時(shí)其電抗值隨之發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)無(wú)功輸出的大小：晶閘管控制電抗器TCR通過(guò)改變控制角而改變導(dǎo)通時(shí)間，相當(dāng)于調(diào)節(jié)電抗器電抗達(dá)到改變無(wú)功輸出的目的;晶閘管控制高漏抗變壓器TCT工作原理與TCR相同，晶閘管斷開(kāi)時(shí)呈高電抗特性，接通時(shí)根據(jù)控制角調(diào)節(jié)無(wú)功輸出的大小，因?yàn)槭褂昧俗儔浩?，故可以直接接入高壓?cè);晶閘管投切電容器TSC的晶閘管在超前電壓90度時(shí)接通并在斷開(kāi)前一直保持該控制角，如果電壓是正弦波，則流過(guò)TSC電流也是正弦波，故沒(méi)有諧波產(chǎn)生，但這種TSC不能在導(dǎo)通期間改變無(wú)功輸出的大小。

　　由于TCR和TCT通過(guò)控制晶閘管的開(kāi)通角度以調(diào)節(jié)電抗器電抗，在控制角大于90°時(shí)不能得到與交流電源對(duì)應(yīng)的完整波形。SR的諧波來(lái)自磁飽和和非線性。所以這三種形式不可避免有諧波產(chǎn)生。因此在使用時(shí)必須考慮到對(duì)它們自身所產(chǎn)生諧波的抑制，這就增加了結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上的復(fù)雜

　　3 電力有源濾波器補(bǔ)償法

　　無(wú)源濾波器及靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置雖然能減少諧波分量，抑制某些諧波，但卻不能對(duì)變的高次諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。現(xiàn)階段諧波補(bǔ)償和抑制的一個(gè)重要趨勢(shì)是采用有源濾波器 APF（AC activePowerFilter）了。APF能對(duì)幅值和頻率都變化的諧波及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償。利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。

　　有源濾波器的思路是給諧波電流或諧波電壓提供一個(gè)在諧振頻率處等效導(dǎo)納為無(wú)窮大的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或等效阻抗無(wú)窮大的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，因此可以分為并聯(lián)有源濾波器和串聯(lián)濾波器。其基本結(jié)構(gòu)是一個(gè)DCAC逆變橋與或一個(gè)諧波注入電路。按照PWM逆變電路直流側(cè)電源的性質(zhì)又可以分為電壓型有源濾波器及電流型有源濾波器。

　?、俨⒙?lián)有源電力濾波器

　　1896年，AkagiH提出用并聯(lián)有源濾波器消除諧波的方法，如同4一2所示。這種裝置相當(dāng)于一個(gè)諧波電流發(fā)生器，它跟蹤負(fù)載電流中的諧波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電流，從而抵消線路中的諧波電流。通過(guò)不同的控制作用，可以對(duì)諧波、無(wú)功、不平衡分量進(jìn)行補(bǔ)償，功能多，連接也方便。但是，由于電源電壓直接加在逆變橋上，對(duì)開(kāi)關(guān)器件電壓等級(jí)要求高；負(fù)載諧波電流含量高時(shí)，這種有源濾波器裝置的容量也必須很大，因?yàn)榧婢叽蟮难a(bǔ)償容量和寬的補(bǔ)償頻帶比較困難，所以它只適合電感型負(fù)荷的諧波補(bǔ)償;開(kāi)關(guān)引起的諧波電流將影響電路中的PF或電容器的濾波特性，若利用LC網(wǎng)絡(luò)吸收這部分高次諧波，由于LC網(wǎng)絡(luò)受電網(wǎng)參數(shù)的影響，PWM逆變器輸出的諧波頻帶又很寬，所以LC網(wǎng)絡(luò)難以設(shè)計(jì)

　　4—2并聯(lián)有源電力濾波器框圖

　　為了降低加到逆變橋的交流電壓，可以選擇用LC串聯(lián)或并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為注入電路，如圖4一3、圖4一4所示。在圖途4一3中，LC在基波頻率處串聯(lián)諧振，逆變橋不承受基波電壓，而在諧振頻率之處有Zr》》Zc，濾波器產(chǎn)生的諧波電流可以完全流入主電路。并聯(lián)LC方式原理與之類似

　　為了使有源濾波器適用于大容量負(fù)載的補(bǔ)償，可以將高次諧波和低次諧波分開(kāi)各相單獨(dú)補(bǔ)償，也可將有源濾波器和無(wú)源濾波器相結(jié)合進(jìn)行補(bǔ)償。并聯(lián)有源電力濾波器能對(duì)諧波和無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，主要適用于感性電流源負(fù)載的諧波補(bǔ)償，目前技術(shù)上比較成熟，但其有源裝置容量相對(duì)較大，投資多，運(yùn)行效率低。

　?、诖?lián)有源電力濾波器

　　圖4一5是單獨(dú)使用串聯(lián)有源電力濾波器的方案。通過(guò)3個(gè)單相變壓器串聯(lián)在電源和負(fù)載之間，串聯(lián)有源電力濾波器在此系統(tǒng)中相當(dāng)于一個(gè)電壓控制電壓源，跟蹤電源電壓中的諧波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電壓，使負(fù)載端交流側(cè)電壓為正弦波。主要用于消除帶電容二極管整流電路等電壓型諧波源負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波電壓波動(dòng)對(duì)敏感負(fù)載的影響。串聯(lián)有源電力濾波器裝置容量小，運(yùn)行效率高，對(duì)諧波電壓源類型的負(fù)荷有較好的補(bǔ)償特性。但其絕緣強(qiáng)度高，難以適應(yīng)線路故障條件而且不能進(jìn)行無(wú)功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，工程實(shí)用性受到限制，其投切、故障后的退出及各種保護(hù)較并聯(lián)型APF復(fù)雜。目前單獨(dú)使用少，國(guó)內(nèi)外研究主要集中在其與LC無(wú)源濾波器所構(gòu)成的串聯(lián)混合型有源電力濾波器。

　　圖4—5串聯(lián)有源電力濾波器框圖

　　與無(wú)源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無(wú)功，有一機(jī)多能的特點(diǎn);在性價(jià)比上較為合理;濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn);具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。目前在國(guó)外高低壓有源濾波技術(shù)已應(yīng)用到實(shí)踐，而我國(guó)還僅應(yīng)用到低壓有源濾波技術(shù)。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術(shù)作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用范圍也將從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展。

　　4 防止并聯(lián)電容器組對(duì)諧波的放大

　　在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當(dāng)諧波存在時(shí)，在一定的參數(shù)下電容器組會(huì)對(duì)諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全?？刹扇〈?lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對(duì)諧波的放大。