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- 日期: 2016-11-23
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電網(wǎng)諧波來源
一是發(fā)電源質量不高產(chǎn)生諧波：
發(fā)電機由于三相繞組在制作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，電源多少也會產(chǎn)生一些諧波，但一般來說很少。
二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波：
輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經(jīng)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(chǎn)生的諧波：
晶閘管整流設備。由于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應用，給電網(wǎng)造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，從而給電網(wǎng)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脈沖整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經(jīng)統(tǒng)計表明：由整流裝置產(chǎn)生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。
變頻裝置。變頻裝置常用于風機、水泵、電梯等設備中，由于采用了相位控制，諧波成份很復雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分數(shù)次諧波，這類裝置的功率一般較大，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對電網(wǎng)造成的諧波也越來越多。
電弧爐、電石爐。由于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(wěn)定，引起三相負荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器的三角形連接線圈而注入電網(wǎng)。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%。
氣體放電類電光源。熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈等屬于氣體放電類電光源。分析與測量這類電光源的伏安特性，可知其非線性十分嚴重，有的還含有負的伏安特性，它們會給電網(wǎng)造成奇次諧波電流。
家用電器。電視機、錄像機、計算機、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具等，因具有調(diào)壓整流裝置，會產(chǎn)生較深的奇次諧波。在洗衣機、電風扇、空調(diào)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(shù)量巨大，也是諧波的主要來源之一。
諧波的研究
“諧波”一詞起源于聲學。有關諧波的數(shù)學分析在18世紀和19世紀已經(jīng)奠定了良好的基礎。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經(jīng)典論文。
到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術的發(fā)展，發(fā)表了有關變流器引起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文。70年代以來，由于電力電子技術的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分和關注。國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議，不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設備諧波的標準和規(guī)定。
諧波研究的意義
諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，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(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設備和電子設備會產(chǎn)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，使期不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，這當然只適用于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(tǒng)方法就是采用LC調(diào)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(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)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并不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時，至今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(tǒng)和負荷的運行都是十分重要的。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡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，這在相當寬的范圍內(nèi)可以實現(xiàn)；而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內(nèi)實現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡元件消耗無功功率，大多數(shù)負載也需要消耗無功功率。網(wǎng)絡元件和負載所需要的無功功率必須從網(wǎng)絡中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發(fā)電機提供并經(jīng)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(chǎn)生無功功率，這就是無功補償。
無功補償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c：
?。?） 提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù)，降低設備容量，減少功率損耗。
（2） 穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質量。在長距離輸電線中合適的地點設置動態(tài)無功補償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力。
（3） 在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當?shù)臒o功襝可以平衡三相的有功及無功負載。
諧波和無功功率的產(chǎn)生
在工業(yè)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、熒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(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)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。
電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率，特別是各種相控裝置。如相控整流器、相控交流功率調(diào)整電路和周波變流器，在工作時基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產(chǎn)生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無功功率。
近30年來，電力電子裝置的應用日益廣泛，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。目前，常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，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(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。直流側采用電容濾波的二極管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(shù)接近1。 但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成嚴重污染，也使得總的功率因數(shù)很低。另外，采用相控方式的交流電力調(diào)整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側產(chǎn)生大量的諧波電流。
無功功率的影響和諧波的危害
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(fā)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(guī)格也要加大。
?。?）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。
?。?）使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產(chǎn)生劇烈波動，使供電質量嚴重降低。
2.諧波的危害
理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設備所處的環(huán)境惡化，也對周圍的能耐電力電子設備廣泛應用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，并有一定認識，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(wǎng)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(fā)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(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面。
?。?）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)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(fā)生火災。
?。?）諧波影響各種電氣設備的正常工作。 諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。
?。?）諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。
?。?）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并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(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質量；重者導致住處丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。
基本介紹
電能質量的好壞，直接影響到工業(yè)產(chǎn)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；最后是電壓的波形質量，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(guī)范。
隨著科學技術的發(fā)展，隨著工業(yè)生產(chǎn)水平和人民生活水平的提高，非線性用電設備在電網(wǎng)中大量投運，造成了電網(wǎng)的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網(wǎng)的供電損耗，而且干擾電網(wǎng)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(wǎng)的安全運行。舉個常見的例子來說，電子節(jié)能燈在使用量所占比重較小的電網(wǎng)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(jié)能燈后，就會發(fā)現(xiàn)節(jié)能燈的損壞率大大提高。這是由于節(jié)能燈是非線性負荷，它產(chǎn)生較大的諧波污染了這一片電網(wǎng)，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(wǎng)供電質量下降，用電設備發(fā)熱增加，電網(wǎng)線損增加，使得該區(qū)的配變發(fā)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(chǎn)生的諧波必須進行治理，使諧波分量不超過國家標準。
電力系統(tǒng)中諧波的來源
電力系統(tǒng)中的諧波來自電氣設備，也就是說來自發(fā)電設備和用電設備。由于發(fā)電機的轉子產(chǎn)生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機發(fā)出的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。目前我國應用的發(fā)電機有兩大類：隱極機和凸極機。隱極機多用于汽輪發(fā)電機，凸極機多用于水輪發(fā)電機。
對于諧波分量而言，隱極機優(yōu)于凸極機，但隨著科技進步，可控硅、IGBT等電子勵磁裝置的投入，使發(fā)電機的諧波分量有所上升。當發(fā)電機的端電壓高于額定電壓的10%以上時，由于電機的磁飽和，會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側電壓超過額定電壓10%以上時，也會使二次側電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在±7%以下，所以發(fā)電、變電設備產(chǎn)生的諧波分量都比較小，比國家的考核標準低的多，因此發(fā)電、變電設備不是影響電網(wǎng)電壓波形方面質量的主要矛盾。
為此，影響電網(wǎng)電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備，也就是說非線性用電設備是主要的諧波源，非線性用電設備主要有以下四大類：
· 電弧加熱設備：如電弧爐、電焊機等。
· 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(diào)速、變頻空調(diào)等。
· 開關電源設備：如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。
這些用電設備都是非線性用電設備，但它們產(chǎn)生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：
電弧加熱設備是由于電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，并且滅弧電壓略低于起弧電壓，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。正是由于弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設備對電網(wǎng)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、五十年代已廣泛應用。由于當時電弧加熱設備量少，電焊機應用的同時率就更小了，對整個電網(wǎng)的影響比較小，但在當時已發(fā)現(xiàn)在燒電焊時，局部低壓電網(wǎng)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(chǎn)生的原因是由于整流設備有一個閥電壓，在小于閥電壓時，電流為零。這類用電設備為了提供平穩(wěn)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(chǎn)生量。為了控制直流用電設備的電壓和電流，在整流設備中應用了可控硅，這使得該類設備的諧波污染更嚴重，而且諧波的次數(shù)比較低。
交流整流再逆變用電設備，在交流變直流過程中產(chǎn)生的諧波與上述的交流整流直流用電設備一樣，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流，這類設備產(chǎn)生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。
雖然這類設備單臺容量比上述兩類設備容量要小，但它的分布面廣，數(shù)量多，是目前推廣使用的技術手段，因此它的諧波污染應引起足夠關注。
開關電源設備目前應用很廣，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(chǎn)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臺容量不大，但它是應用面最廣、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(wǎng)。
諧波現(xiàn)狀淺析
通過對市場的常用用電器的諧波狀況的測試，我們了解到目前我國內(nèi)工業(yè)企業(yè)的諧波污染十分嚴重，尤其是早些年為了節(jié)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%，這對于小功率的用戶而言，還不怎樣，但對于大功率的用戶來說，危害就很大了，對于中頻爐用戶，它用常規(guī)的無功補償就無法進行，有的用戶用常規(guī)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。
目前國內(nèi)對諧波污染的治理
諧波的治理主要采用無源濾波裝置和有源濾波器。
無源濾波裝置
主要采用LC回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回路的設定，只能針對于某一次諧波，即針對于某一個頻率為低阻抗，使得該頻率流經(jīng)為其設定的LC回路，達到消除（濾除）某一頻率的諧波的目的。LC回路在濾除諧波的同時，在基波對系統(tǒng)進行無功補償。這種濾波裝置簡單，成本低，但不能濾除干凈。其主要元件為投切開關、電容器、電抗器以及保護和控制回路。
有源電力濾波器
這種濾波器是用電力電子元件產(chǎn)生一個大小相等，但方向相反的諧波電流，用以抵銷網(wǎng)絡中的諧波電流，這種裝置的主要元件是大功率電力電子器件，成本高，在其額定功率范圍內(nèi)，原則上能全部濾除干凈。
諧波治理的方法
前常用的諧波治理的方法無外乎有二種，無源濾波和有源濾波。下面就談談這二種方法的優(yōu)缺點以及市場前景及其經(jīng)濟效益的分析。
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(lián)起來，組成LC 串聯(lián)回路，并聯(lián)于系統(tǒng)中，LC回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(tǒng)產(chǎn)生諧振?，F(xiàn)在，市場上流通較多的采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。由于其低成本，市場的需求也就大，一般而言，低壓0.4KV系統(tǒng)大多數(shù)采用無源濾波方式，高壓10KV幾乎都是采用這種方式對諧波進行治理。由于我國的中小企業(yè)大多數(shù)是私有的，業(yè)主對諧波的危害認識不足，一般不愿意拿出大量的經(jīng)費來治理諧波，而有的企業(yè)由于諧波的含量太大，常規(guī)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(yè)主不得不要求濾波。因而，其市場的前景可觀，經(jīng)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(fā)展起來的，它的濾波效果好，在其額定的無功功率范圍內(nèi)，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(chǎn)生一個和系統(tǒng)的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統(tǒng)中的諧波電流抵消。但由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發(fā)展限制，成本極高，其制作也較之無源濾波裝置復雜得多，成本也就高得多了。其主要的應用范圍是計算機控制系統(tǒng)的供電系統(tǒng)，尤其是寫字樓的供電系統(tǒng)，工廠的計算機控制供電系統(tǒng)。對單臺的裝置而言，其利潤是可觀的，但用戶一般不愿意用有源濾波，對于諧波的含量，不必濾得太干凈，只要不危害其他用電器也就可以了。
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