諧波含量

諧波含量是從交流量中減去基波分量後所得到的量。

基本介紹

• 中文名：諧波含量
• 外文名：Harmonic content
• 適用：標稱電壓110kV 及以下的公用電網
• 局限：不適用於暫態現象和短時間諧波
• 所屬領域：電力術語

自鎮流螢光燈諧波含量的改進

功率因數校正電路對自鎮流螢光燈諧波含量的改進

諧波電流限值

電流諧波的危害已經眾所周知，它不僅會影響電網供電質量，造成電能浪費，還會使設備發熱、損耗增大，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀，造成重大經濟損失。自鎮流螢光燈、電子鎮流器等照明產品使用時也會產生大量諧波，尤其在大面積使用時，其危害性不可小覷。

國家標準對諧波含量有嚴格要求。GB/T17263—2002《普通照明用自鎮流螢光燈性能要求》中對自鎮流螢光燈諧波電流限值的規定見表1。從表1中可以看出，國家標準對於25W以上和不高於25W的自鎮流螢光燈的諧波要求不同，對25W以上自鎮流螢光燈的要求比25W及以下的自鎮流螢光燈高很多。

表1

此外，對所有的C類設備（照明設備），的差異見表2。國家標準也有專門的諧波電流限值的要求，GB17625.1—2012《電磁兼容 限值 諧波電流發射限值（設備每相輸入電流≤16A）》已於2012年12月31日發布換版，2013年7月1日起正式實施。新標準對檢測方法及設備有了更高的要求，對具體指標要求的表達也有變化。針對C類設備，與老版標準存在的差異見表2。

表2

功率因數校正電路

國家標準對自鎮流螢光燈功率因數的要求是：在額定電壓和額定頻率下工作時，其實際功率因數

不得比製造商的標稱值低0.05。標準並未對功率因數的大小做出具體規定，也就是說根據標準的要求，並沒有不允許使用低功率因數自鎮流螢光燈。但功率因數的大小與諧波含量是相輔相成的，諧波含量低，功率因數就高。要達到國家標準規定的諧波含量，一定要提高自鎮流螢光燈的功率因數。在電子鎮流器中，通常採用圖1(a)所示輸入電路，由於電解電容的容量很大，工作時儲存電荷很多，只有輸入電壓超過電容上的電壓時，才有輸入電流，所以電流波形嚴重失真，僅在電壓峰值附近出現1個電流尖脈衝，如圖1(b)所示。

圖1

由於諧波含量豐富，普通自鎮流螢光燈的功率因數變得很低。功率因數校正（Power FactorCorrection，PFC）技術是1種提高自鎮流螢光燈功率因數的有效方法。功率因數校正電路分為無源PFC（Passive PFC）電路和有源PFC（Active PFC，APFC）電路。

無源PFC電路由電感器、電容器及二極體等無源元件組成，包括LC濾波型無源PFC電路、部分濾波（填谷式）無源PFC電路、帶輔助電路的LC濾波型無源PFC電路和改進型LC濾波型無源PFC電路。無源PFC電路的特點是電路簡單，成本較低，對線路的功率因數會有一定的提升，有的甚至可高達0.95，但濾波效果較差，難以實現低諧波的要求，往往還會影響到系統的其他參數，一般適用於25W以下自鎮流螢光燈電路。

APFC電路基於功率因數控制器IC，利用開關器件的切換，並搭配無源元件，使系統從市電汲取的電流波形與電壓波形相一致，從而消除電流波形

畸變和相位畸變，獲得近似於1的高功率因數，也可大大降低諧波失真。APFC電路結構遠比無源PFC複雜，需使用控制IC，在系統前端通常單獨組成1級電路，成本較高。但由於其在高頻下工作，電感元件的體積小，重量輕。隨著PFC控制IC價格的不斷降低，APFC已經得到廣泛套用。對於功率大於25W以上的自鎮流螢光燈電路，必須採用APFC電路或無源PFC電路來降低諧波含量。

圖2是APFC工作原理示意圖，整個電路由功率MOS開關管VT 1、升壓電感L、升壓二極體VD、輸出電容C o及APFC控制器IC組成。其中起關鍵性作用的APFC控制器IC，國內外比較具有代表性的有：FAN7527B、FAN7529/FAN7530、L6561/L6562、MC33262/MC34262、MC33368、SG6561、NCP1601A/B、UCC1817、IR1150等。

圖2

25W以上自鎮流螢光燈諧波電流改進

對於25W以上自鎮流螢光燈，可以通過APFC技術來提升功率因數，從而改善各次電流諧波值。

以某一標稱為32W的自鎮流螢光燈電子鎮流器為例，在改進前，其2~29次諧波均超差；經安裝APFC電路後，其各次諧波大大降低（見表3）。這裡採用的APFC控制器IC為L6562。

表3

由於APFC較為複雜，改進後不僅電路面積增大許多，背面也安裝了很多貼片元件，整個自鎮流螢光燈的外殼都要根據電路的大小重新進行設計，使其成本大幅增加（見圖3）。

圖3

25W及以下自鎮流螢光燈諧波電流改進

對於25W及以下自鎮流螢光燈，可採用無源PFC電路來提高其功率因數。只需降低其電路中的濾波電解電容器的容量，即可滿足標準要求。

以5W半螺旋形自鎮流螢光燈、5W全螺旋形自鎮流螢光燈和11W雙2U形自鎮流螢光燈為例，我們替換了其中的濾波電解電容器以改進諧波。改進後，3種規格自鎮流螢光燈的3次諧波、5次諧波均有明顯改善，並且都達到了國家標準要求，見表4。

表4

但是濾波電解電容器容量降低，會損失一定的燈壽命，因此對材料的要求更高。所以還需要根據自鎮流螢光燈的壽命要求，選擇質量可靠的電解電容器供應商，以及較高的壽命等級和抗紋波的能力。例如，原來選用3.3μF、5000h的電解電容器，換成1.2μF的電解電容器後，我們需要選壽命為8000h的電解電容器，以確保自鎮流螢光燈的壽命。

結束語

由於低功率因數自鎮流螢光燈的可靠性一般高於高功率因數自鎮流螢光燈，因此世界各國市場上低功率因數自鎮流螢光燈還占有一定的主導地位。但限制諧波含量已經成為1種全球性的規定和行動。各自鎮流螢光燈生產企業應努力提高產品的功率因數，減小諧波電流的危害，為構建節約型社會盡一己之力。

居民低壓配電網中諧波含量超標及其治理

隨著國民經濟的增長，居民用電負荷趨向多樣化發展，低壓配電系統中各種照明燈具、計算機及社區監視器材等非線性負荷隨之迅速增加，其非線性特性產生的一系列諧波電流與諧波電壓，使居民低壓配電網中電流和電壓產生畸變。當電流和電壓畸變達到一定程度時，會造成電網供電質量嚴重下降，同時給電氣設備的正常運行帶來不利影響。根據對某居民用電低壓配電網諧波含量的測量，分析其配電網中諧波含量超標的問題並提出了相應的諧波治理方案。

諧波的允許限值

諧波是對周期性變流量進行傅立葉級數分解，得到頻率為基波頻率大於1的整數倍的分量，主要由電網中非線性等設備產生。而非線性負荷不僅會產生大量諧波，還可能使電壓出現波動、閃變、三相不平衡等影響電能質量的情況。國家技術監督局頒布了公用電網諧波、供電電壓允許波動與閃變等五個涉及電能質量的國家標準以保障良好的供電質量。

《電能質量公用電網諧波》（GB/T 14549-1993）中嚴格規定了各電壓等級下公用電網諧波電壓（相電壓）限值（如表1所示）

表1

及公共連線點的諧波電流限值（如表2所示）。

表2

若公共連線點處最小短路容量不同於表2中基準容量時，諧波電流允許值應按下式進行換算。

式中——公共連線點的最小短路容量MVA，

——基準短路容量MVA，

——表2中的第h次諧波電流允許值，A

——短路容量為時的第h次諧波電流允許值。

居民用電配電網中的諧波源

隨著我國居民生活水平的快速提高，居民用電消費量逐年增加。主要是由於計算機、微波爐、空調等大功率家用電器日益普及，以及居家照明用電量急劇增加。隨著居民生活的提高，社區配套照明、景觀照明用電設備及社區安防設備也大量增加。在我國大力提倡“節能減排”和“綠色照明”的環境中，照明設備主要採用節能燈、日光燈等燈具，景觀照明多採用高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等燈具。而計算機、微波爐、空調等常見的家用電器，日光燈、節能燈、金屬鹵化物等照明設備，攝像機、顯示器、計算機等產用的安防設備，均用很嚴重的非線性特性，是居民用電低壓配電網中嚴重的諧波源。其中節能燈、計算機的實測電流波形、電流頻譜分別如圖1～2所示。從圖中可見其電流波形嚴重畸變，諧波含量相對較高，且3次諧波及其他奇次諧波含量較偶次諧波更高。

居民用電配電網諧波檢測與治理

1.居民用電配電網諧波檢測

按照《電能質量·公共電網諧波》規範的相關要求，在晚上八點社區居民用電量較大且諧波產生較多的時間對某社區的配電所變壓器處的2~19次諧波含量進行測量，符合規範規定的測量“應在諧波源工作周期中產生的諧波量大的時段內進行”及“測量的諧波次數一般為第2到第19次”的要求。該社區低壓配電站設有一台變壓器，容量為630kVA，對社區內9棟3~4單元的7層居民樓、一棟18層高層建築及社區內道路、部分景觀照明設施進行供電。居民室內照明以節能燈、日光燈及調光燈為主，因社區居民生活消費水平較高，計算機擁有率較高。測得電流總諧波含量A相為53.6A、B相為47.9A、C相為47.6A，其中A相部分諧波電流含量數據如表2所示，由於篇幅限值，未列出A相電流第14～19次諧波含量及B、C兩相電流諧波測量結果，三相電壓畸變率檢測並整理如表3所示。

表3

對所測數據分析可知，該社區低壓配電站三相電壓諧波畸變率均超出國家允許限值，且電流的奇次諧波含量已高出允許限值數倍，屬於嚴重超標，且以3次諧波超標為最為嚴重，A相電流中3次諧波的含量已高達允許限值的6.73倍，而B、C兩相均有相似諧波含量嚴重超標的情況，且所測結果與理論預測結果相符，如果不及時治理將對用電設備及電網安全運行造成惡劣影響。

2.居民用電配電網諧波治理

諧波污染的治理有減少諧波源、設定濾波器等多種方式，但針對“節能減排”發展需要、居民多採用發光效率較高的節能燈和調光燈具照明、計算機和空調等非線性家用電器設備的普及、社區安防監控所需的大量監控、錄像設備的配備等情況，設定交流濾波器進行諧波治理較為合適。交流濾波器一般可分為無源濾波器、有源濾波器、混合濾波器等，有源濾波器可有效抑制波動性負荷所產生的諧波，缺點是損耗較大、價格昂貴、維護成本較高，而居民用電負載成分組成及使用時段相對固定，無較大波動性，且居民用電對供電電能質量要求相對較低，不應增設造價過的高設備，避免對居民產生過高的資金分攤壓力，故採用單調諧濾波器與高通濾器相結合的混合無源濾波方式進行諧波治理。該諧波抑制方案實施後，各諧波含量已降至允許限值以內，取得了較理想的諧波治理效果。

隨著居民生活水平的提高，家用電器設備的使用急劇增加，但節能照明燈具及很多家用電器均為非線性負荷，使用中產生嚴重的諧波污染，使低壓配電網中諧波含量偏高甚至嚴重超標。本文基於對某社區配電系統的檢測，使理論分析得到驗證，並結合其具體情況提出治理方案，得到較好的治理效果。本文的檢測結果也是多數社區配電系統的普遍情況的反映，諧波含量較高的情況若不能及時得到治理將會嚴重影響居民生活用電的質量及電網的安全、穩定運行，應得到相關管理部門的重視。