基本介紹
諧波來源,諧波研究,意義,諧波抑制,無功補償,產生,諧波危害,基本介紹,傅立葉級數,現狀淺析,諧波治理,無源濾波裝置,有源電力濾波器,方法,無源諧波濾除裝置,有源諧波濾除裝置,諧波源的種類,危害,診斷,綜合治理,
諧波來源
一是發電源質量不高產生諧波
二是輸配電系統產生諧波
輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波，由於變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。
三是用電設備產生的諧波
晶閘管整流設備。由於晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的套用，給電網造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置採用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%；接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流；如果是12脈衝整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經統計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。
變頻裝置。變頻裝置常用於風機、水泵、電梯等設備中，由於採用了相位控制，諧波成份很複雜，除含有整數次諧波外，還含有分數次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調速的發展，對電網造成的諧波也越來越多。
電弧爐、電石爐。由於加熱原料時電爐的三相電極很難同時接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩定，引起三相負荷不平衡，產生諧波電流，經變壓器的三角形連線線圈而注入電網。其中主要是2次、7次諧波，平均可達基波的8% 、20%，最大可達45%。
家用電器。電視機、錄像機、計算機、調光燈具、調溫炊具等，因具有調壓整流裝置，會產生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調器等有繞組的設備中，因不平衡電流的變化也能使波形改變。這些家用電器雖然功率較小，但數量巨大，也是諧波的主要來源之一。
電力系統中諧波的來源
· 交流整流的直流用電設備：如電力機車、電解、電鍍等。
· 交流整流再逆變用電設備：如變頻調速、變頻空調等。
這些用電設備都是非線性用電設備，但它們產生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：
電弧加熱設備是由於電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，並且滅弧電壓略低於起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性。
此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由於弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設備對電網的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀四、五十年代已廣泛套用，由於電弧加熱設備量少，電焊機套用的同時率就更小了，對整個電網的影響比較小，但發現當在燒電焊時，局部低壓電網的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。
交流整流直流用電設備的諧波產生的原因是由於整流設備有一個閥電壓，在小於閥電壓時，電流為零。這類用電設備為了提供平穩的直流電源，在整流設備中加入了儲能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加激了諧波的產生量。為了控制直流用電設備的電壓和電流，在整流設備中套用了可控矽，這使得該類設備的諧波污染更嚴重，而且諧波的次數比較低。
雖然這類設備單台容量比上述兩類設備容量要小，但它的分布面廣，數量多，是推廣使用的技術手段，因此它的諧波污染應引起足夠關注。
開關電源設備套用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關管控制變壓器初級電流的開通和關閉，從而在變壓器二次側感應出電流，供給用電設備。此外，開關電源的頻率比較高一般在40kHz左右，不僅在整流時產生諧波，而且在開關管開閉時，反射40kHz左右的波至電源。這類用電設備同樣是單台容量不大，但它是套用面最廣、量最大的非線性用電設備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會通過配變污染到10kV電網。
諧波研究
意義
諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，並使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部並聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對於電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。
諧波抑制
為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都是適用的；另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波，且功率因數可控制為1，這當然只適用於作為主要諧波源的電力電子裝置。
裝設諧波補償裝置的傳統方法就是採用LC調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功功率，而且結構簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網阻抗和運行狀態影響，易和系統發生並聯諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。
無功補償
人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無功功率卻並不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時，尚無獲得公認的無功功率定義。但是，對無功功率這一概念的重要性，對無功補償重要性的認識，卻是一致的。無功補償應包含對基波無功功補償和對諧波無功功率的補償。
無功功率對供電系統和負荷的運行都是十分重要的。電力系統網路元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當寬的範圍內可以實現；而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的範圍內實現。不僅大多數網路元件消耗無功功率，大多數負載也需要消耗無功功率。網路元件和負載所需要的無功功率必須從網路中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發電機提供並經過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是無功補償。
無功補償的作用主要有以下幾點：
（1） 提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗。
產生
在工業和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、螢光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的性質所決定的。
近30年來，電力電子裝置的套用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。常用的整流電路幾乎都採用晶閘管相控整流電路或二極體整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負載的整流電路所產生的諧波污染和功率因數滯後已為人們所熟悉。直流側採用電容濾波的二極體整流電路也是諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數接近1。 但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網造成嚴重污染，也使得總的功率因數很低。另外，採用相控方式的交流電力調整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側產生大量的諧波電流。
諧波危害
1.無功功率的影響
（1）無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。同時，電力用戶的起動及控制設備、測量儀表的尺寸和規格也要加大。
（2）無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。
2.諧波的危害
理想的公用電網所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的能耐電力電子設備廣泛套用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，並有一定認識，但那時諧波污染還沒有引起足夠的重視。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速使得公用電網的諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發生，諧波危害的嚴重性才引起人們高度的關注。諧波對公用電網和其他系統的危害大致有以下幾個方面。
（1）諧波使公用電網中的元件產生了附加的諧波損耗，降低了發電、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發生火災。
（4）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，並會使電氣測量儀表計量不準確。
（5）諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者導致住處丟失，使通信系統無法正常工作。
基本介紹
電能質量的好壞，直接影響到工業產品的質量，評價電能質量有三方面標準。首先是電壓方面，它包含電壓的波動、電壓的偏移、電壓的閃變等；其次是頻率波動；最後是電壓的波形質量，即三相電壓波形的對稱性和正弦波的畸變率，也就是諧波所占的比重。我國對電能質量的三方面都有明確的標準和規範。
隨著科學技術的發展，隨著工業生產水平和人民生活水平的提高，非線性用電設備在電網中大量投運，造成了電網的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網的供電損耗，而且干擾電網的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動與拒動，直接威脅電網的安全運行。舉個常見的例子來說，電子節能燈在使用量所占比重較小的電網中運行，的確比常用的白熾燈好，不僅亮度高又省電，而且使用壽命也長。但是相反，在大量投運節能燈後，就會發現節能燈的損壞率大大提高。這是由於節能燈是非線性負荷，它產生較大的諧波污染了這一片電網，造成三相負荷基本平衡情況下，中心線電流居高不下，線電壓與相電壓之比比1要小得多，造成了該片電網供電質量下降，用電設備發熱增加，電網線損增加，使得該區的配變發熱嚴重，嚴重影響其使用壽命。因此我們對非線性用電設備產生的諧波必須進行治理，使諧波分量不超過國家標準。
傅立葉級數
法國數學家傅立葉在1807年就寫成關於熱傳導的基本論文《熱的傳播》，向巴黎科學院呈交，但經拉格朗日、拉普拉斯和勒讓德審閱後被科學院拒絕，1811年又提交了經修改的論文，該文獲科學院大獎，卻未正式發表。傅立葉在論文中推導出著名的熱傳導方程 ，並在求解該方程時發現解函式可以由三角函式構成的級數形式表示，從而提出任一函式都可以展成三角函式的無窮級數。傅立葉級數（即三角級數）、傅立葉分析等理論均由此創始。
1822年，傅立葉出版了專著《熱的解析理論》（Theorieanalytique de la Chaleur ，Didot ，Paris，1822）。這部經典著作將歐拉、伯努利等人在一些特殊情形下套用的三角級數方法發展成內容豐富的一般理論，三角級數後來就以傅立葉的名字命名。傅立葉套用三角級數求解熱傳導方程，為了處理無窮區域的熱傳導問題又導出了當前所稱的“傅立葉積分”，這一切都極大地推動了偏微分方程邊值問題的研究。然而傅立葉的工作意義遠不止此，它迫使人們對函式概念作修正、推廣，特別是引起了對不連續函式的探討；三角級數收斂性問題更刺激了集合論的誕生。因此，《熱的解析理論》影響了整個19世紀分析嚴格化的進程。傅立葉1822年成為科學院終身秘書。
基波與諧波
上式稱為f(t)的傅立葉級數，其中，ω=2π/T。
n為整數，n>=0。
n為整數，n>=1。
在間斷點處，下式成立：
a0/2為信號f(t)的直流分量。
令
現狀淺析
通過對市場的常用用電器的諧波狀況的測試，發現我國內工業企業的諧波污染十分嚴重，尤其是早些年為了節能，引入的變頻電源和直流用電器的投入，其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%，這對於小功率的用戶而言，還不怎樣，但對於大功率的用戶來說，危害就很大了，對於中頻爐用戶，它用常規的無功補償就無法進行，有的用戶用常規的電容器無功補償，無法投入電容器，有的即便投入了，也對5次諧波電流放大了1.8~3.8倍以上，使得電動機、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加，縮短了設備的使用壽命，多交了電費。
諧波治理
諧波的治理主要採用無源濾波裝置和有源濾波器。
無源濾波裝置
有源電力濾波器
方法
無源諧波濾除裝置
無源濾波的主要結構是用電抗器與電容器串聯起來，組成LC 串聯迴路，並聯於系統中，LC迴路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點上，達到濾除這3次諧波的目的。其成本低，但濾波效果不太好，如果諧振頻率設定得不好，會與系統產生諧振。市場上流通較多的採取的濾波方法就是這一種，主要是因為低成本，用戶容易接受。雖濾波的效果較差，只要滿足國家對諧波的限制標準和電力部門對無功的要求就行了。由於其低成本，市場的需求也就大，一般而言，低壓0.4KV系統大多數採用無源濾波方式，高壓10KV幾乎都是採用這種方式對諧波進行治理。由於我國的中小企業大多數是私有的，業主對諧波的危害認識不足，一般不願意拿出大量的經費來治理諧波，而有的企業由於諧波的含量太大，常規的無功補償不能湊效，供電部門對無功的要求又是十分嚴格的，達不到就要罰款。因此，業主不得不要求濾波。因而，其市場的前景可觀，經濟效益也就可觀了。
有源諧波濾除裝置
有源諧波濾除裝置是在無源濾波的基礎上發展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率範圍內，濾波效果是百分之百的。它主要是由電力電子元件組成電路，使之產生一個和系統的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。但由於受到電力電子元件耐壓，額定電流的發展限制，成本極高，其製作也較之無源濾波裝置複雜得多，成本也就高得多了。其主要的套用範圍是計算機控制系統的供電系統，尤其是寫字樓的供電系統，工廠的計算機控制供電系統。對單台的裝置而言，其利潤是可觀的，但用戶一般不願意用有源濾波，對於諧波的含量，不必濾得太乾淨，只要不危害其他用電器也就可以了。
諧波源的種類
在電力系統中產生諧波的主要諧波源有兩種。
1、含有半導體等非線性電氣元件的用電設備。比如工業中常見的各種整流電氣裝置、大容量變頻器、大型交直流變換裝置以及其他的電力、電子裝置。
2、含有電弧和鐵磁材料等的非線性材料的用電設備，比如電弧爐、變壓器、發電機組等電氣設備。
危害
2、諧波會影響表計的計量精度。從原理上進行分析：諧波源將其吸收的一部分電網電能轉變為諧波傳送到電網中去，因此電能表會將諧波能量當作發電來進行計算，從而導致計量誤差。對於機械式電能表還會由於高頻率諧波所產生的高頻渦流阻力而變慢。因為在高次諧波嚴重的情況下（例如中頻爐）會嚴重影響電能表的計量精度，導致莫名其妙的丟電現象。
3、精密電子設備（包括電子式電能表）會被嚴重干擾，導致不能正常工作，甚至燒毀。
4、所有接於電網中的設備的損耗都會增加，溫升增加。含有電容器的設備受影響最為嚴重，甚至可能導致設備損壞以及電容器爆炸等事故.
5. 電機類負荷由於諧波的逆序作用而導致輸出扭矩下降。
6. 繼電保護機構可能會由於諧波而產生誤動或拒動故障。
當電網的諧波污染程度小於國家標準的規定時，通常不會對系統造成影響。隨著污染程度的增加，諧波的影響就逐漸顯現出來。在諧波嚴重超標的情況下，如果不進行諧波治理，往往會產生很嚴重的後果。諧波源的特性非常複雜，因為諧波的產生不僅僅取決於產生諧波的負荷本身，還與電網的短路容量、電網的組成形勢以及電網中的其他負荷的性質有關。因此濾波器無法做成定型產品，必須通過對諧波源現場情況的測試，然後根據現場測試結果進行專門設計。
診斷
模擬濾波和基於傅氏變換的頻域分析法。模擬濾波器法診斷電力諧波有兩種方式：一是通過濾波器濾除基波電流分量從而得到諧波電流分量，二是用帶通濾波器得出基波分量，再與被檢測電流相減後得到諧波電流分量。採用模擬濾波器對電力諧波進行診斷簡便易行，但存在較大的誤差，此外這種診斷方法不具備實時性，且容易受外界環境干擾。
基於傅氏變換的頻域分析法是根據採集到的一個周期的電壓值或電流值進行計算和分析，從而得到電流中所包含的諧波次數、幅值等信息，將有待消除的諧波分量通過傅立葉變換器獲得所需的誤差信號，再將所得的誤差信號進行傅立葉反變換就得到了補償信號。
基於神經網路的診斷方法。基於人工神經網路的諧波診斷法自面世以來便呈現迅速發展的狀態，隨著神經網路相關技術的不斷發展與推廣，神經網路診斷法在電力運行中所獲得的經濟效益也得到了逐漸提升，尤其是在最佳化電力調度、預測負荷、諧波診斷和諧波預測等方面顯現出十分理想的性能。利用神經網路進行諧波的診斷主要是通過模型構建、樣本選擇、算法等手段，對諧波和無功電流進行檢測，這種檢測方法無論是對周期性的電流還是非周期性的電流都具有理想的跟蹤診斷效果，同時對隨機抗干擾也有著較強的識別能力。
與其他諧波診斷方法相比，基於神經網路的諧波診斷法具有更高的精確度和更為理想的診斷效果，此外，由於基於神經網路的檢測方法具有更強的實時性，且抗干擾能力較強，因而應在今後的電力諧波診斷工作中得到進一步推廣使用。
