民用建筑配電系統(tǒng)諧波污染及其抑制方法

1、民用建筑配電系統(tǒng)諧波污染及其抑制方法2006-10-07 15:08這篇關(guān)于諧波問題的文章，寫作開始于兩年前。更早的起因是由于一位甲方電氣技術(shù)人員，對我在工程中使用軟啟動(dòng)器提出疑義，認(rèn)為會(huì)對配電系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。而軟啟動(dòng)器廠家無法提供詳細(xì)的諧波參數(shù)，我當(dāng)時(shí)對此類問題的理解也不夠深入，雖然用了這么多年的軟啟動(dòng)器，但是并不能向甲方提供令人信服的說明，最后這場與甲方的辯論不歡而散。為了加深對諧波問題的了解，我開始收集一些相關(guān)資料，準(zhǔn)備寫一點(diǎn)東西，初衷是希望能夠找到一個(gè)方法，在一個(gè)工程未建成以前，對配電系統(tǒng)諧波污染問題能夠定性定量，從而在設(shè)計(jì)中采取相應(yīng)的處理措施，簡單的說，就是確定是否需要采取濾波措施，如

2、果需要那么具體采取那種措施，如何具體實(shí)現(xiàn)。但是在寫的過程中，發(fā)現(xiàn)我無法解決實(shí)際工程的諧波計(jì)算問題，同時(shí)諧波抑制方法多種多樣，各有利弊，需要針對不同情況采取不同措施，具體實(shí)施方案也難以一概而論，因此我只好放棄了最初的計(jì)劃，這篇文章就變成了一篇介紹性的文章，從論文變成科普性文章了。這篇文章基本上來源于各種參考文獻(xiàn)，我覺得與其說是我寫作，不如說是編寫更為恰當(dāng)，我在這里向所有的參考文獻(xiàn)作者表示感謝。 之所以選擇貼這篇文章，是希望諧波污染問題能夠得到各位同行的重視，我認(rèn)為，不能等到像民規(guī)這樣的規(guī)范出現(xiàn)了諧波污染問題的條文后，才去研究它注意它。我相信在今后幾年內(nèi)，各種類型的諧波抑制裝置將出現(xiàn)在民用建筑配電

3、系統(tǒng)中。我在各處的電氣論壇基本上看不到大家對諧波問題的討論，不知道同行們對此類問題看法和了解程度，如果大家認(rèn)為科普性文章過于淺顯，不適合在此處張貼，請及時(shí)通知我。 由于論壇條件所限，文章中的數(shù)學(xué)公式和圖表無法正常顯示，只好略去，可能造成讀者不便，深表歉意。摘要：近年來，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，各類電力電子設(shè)備在能源系統(tǒng)、工業(yè)領(lǐng)域、民用建筑、電氣化交通中應(yīng)用日益廣泛，電網(wǎng)諧波問題越來越為人們所重視。各國對電網(wǎng)質(zhì)量的評價(jià)不再僅限于頻率和電壓的穩(wěn)定程度，對諧波也相應(yīng)制定了國際和國家標(biāo)準(zhǔn)加以限制。據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，在各行業(yè)產(chǎn)生的諧波量中，來自民用建筑的約占40%。本文著重對民用建筑內(nèi)配電系統(tǒng)諧波污染

4、問題進(jìn)行探討和介紹。 關(guān)鍵詞：配電系統(tǒng)；分析；測量；諧波；危害；濾波器一、配電系統(tǒng)諧波產(chǎn)生原因及諧波源種類1. 供電系統(tǒng)的基波頻率定為工頻（50Hz）。諧波頻率為基波頻率的整數(shù)倍的有兩種，奇數(shù)次的統(tǒng)稱為奇次諧波，偶數(shù)次的統(tǒng)稱為偶次諧波。諧波頻率為基波頻率非整數(shù)倍的稱為間諧波或分?jǐn)?shù)諧波（interharmonics）。諧波頻率低于基波頻率的稱為次諧波。2. 在民用建筑配電系統(tǒng)中，當(dāng)理論上電網(wǎng)供電為正弦基波電壓，其施加在非線性負(fù)荷上時(shí)，負(fù)荷吸收的電流與施加的波形不同，畸變的電流將在電源系統(tǒng)的阻抗上產(chǎn)生電壓降，因而產(chǎn)生畸變電壓。而畸變電壓將對所有用電負(fù)荷（線性和非線性）產(chǎn)生影響，產(chǎn)生更多的畸變電流。

5、事實(shí)上電網(wǎng)供電電源往往含有一定比例的畸變電壓，因此上述情況有可能更為嚴(yán)重。當(dāng)電網(wǎng)電壓含有諧波電壓時(shí)，在異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出諧波電流，而異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的異步轉(zhuǎn)速又反過來在定子中產(chǎn)生頻率低于電網(wǎng)諧波電壓的次諧波及間諧波。在配電系統(tǒng)中，某種比例電抗率的電容器組或系統(tǒng)自身電抗與電容比率適合時(shí)，將會(huì)對某種特定次數(shù)的諧波電流產(chǎn)生諧振放大，有時(shí)可達(dá)諧波源電流的10倍以上。3. 民用建筑中諧波源有以下兩類1) 含有半導(dǎo)體非線性元件的諧波源UPS電源、直流屏、變頻調(diào)速器、軟起動(dòng)器、氣體放電燈、電子鎮(zhèn)流器、家用電器及辦公電器的直流電源、可控硅調(diào)光器、交流調(diào)壓器等電力電子裝置。以上這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流取決于它本

6、身的特性和工作狀況及加給它的電壓，而與電力系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系不大，可以被看作是諧波恒流源。它們所產(chǎn)生的諧波電流主要為奇次諧波，也是民用建筑配電系統(tǒng)中主要的諧波源。2) 含有電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源交流電動(dòng)機(jī)、變壓器、特種光源、斷路器和熔斷器動(dòng)作電弧等，一般情況下同步電機(jī)所產(chǎn)生的奇次諧波與異步電機(jī)所產(chǎn)生的間諧波和次諧波并不嚴(yán)重，可以忽略。變壓器所產(chǎn)生的諧波電流大小與其鐵芯飽和程度有關(guān)。正常運(yùn)行時(shí)，電壓為額定值，鐵芯工作在輕度飽和的范圍，此時(shí)它基本上是線性電路。在一些特殊情況下：如建筑物剛投入使用或夜間輕載運(yùn)行，變壓器運(yùn)行電壓偏高；變壓器投切操作；負(fù)載劇烈變化；外網(wǎng)電壓波動(dòng)；變壓器在高過載情況下造

7、成勵(lì)磁電流過大；嚴(yán)重三相不平衡導(dǎo)致直流分量增大；太陽耀斑爆發(fā)引起的地磁暴在電網(wǎng)中產(chǎn)生的感應(yīng)電流等，此時(shí)鐵芯飽和程度變深，諧波電流含量增大，主要為三次諧波。二、 諧波分析基本原理1. 諧波分析最常采用的方法是傅立葉級數(shù)展開法，或稱頻域分析。電壓為正弦波時(shí)，其瞬時(shí)值可以表示為：式中：U 電壓有效值或稱方均根值 初相角 角頻率f 頻率T 周期對于非正弦畸變波形而言，可分解成為如下形式的傅立葉級數(shù)：式中： n = 1、2、3，或 式中： 以圖示周期性分波為例：（選定坐標(biāo)原點(diǎn)在函數(shù)為零的點(diǎn)）以上公式均以非正弦電壓為例，對于非正弦電流只需將式中的 改為 即可。由于周期性電壓（電流）的瞬時(shí)值隨時(shí)間變化，工程

8、上一般采用有效值。第n次諧波的電壓和電流有效值分別為：諧波電壓含量和諧波電流含量有效值分別為：n次諧波電壓含有率HRUn（Harmonic Ratio Un）次諧波電流含有率HRInU1和I1均為基波電壓電流有效值。電壓總畸變率THDu（total harmonic distortion）簡稱DF（Distortion Factor）,為各次諧波含有率的平方和的平方根值。同樣，電流總畸變率THDi: U1有時(shí)也采用線路額定電壓。在考慮電壓畸變對線路絕緣配合的影響時(shí)，需要注意電壓峰值。波峰系數(shù)CF（Crest Factor）為畸變波形的峰值與有效值的比值。正弦波、方波和三角波的CF值分別為、1、

9、 。而畸變波形的波峰系數(shù)為： 國際電報(bào)電話咨詢委員會(huì)（CCITT）用噪聲權(quán)系數(shù)Pn計(jì)入各次諧波對電信的干擾，用電話諧波波形系數(shù)THFF表示： 附表 各次諧波電壓的噪聲權(quán)系數(shù)（Pn）諧波次數(shù) h 1 2 34 5 6 7 8 9 10ph 0.71 8.91 35.5 89.1 178 295 376 484 582 661諧波次數(shù) h 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20ph 733 794 851 902 955 1000 1035 1072 1109 1112諧波次數(shù) h 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30ph 1109 1072 1035 1

10、000 977 955 929 905 871 861諧波次數(shù) h 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40ph 842 824 807 791 775 760 745 732 720 708諧波次數(shù) h 41 42 43 44 45 46 47 48 49 ph 698 689 679 670 661 652 643 634 625 無源濾波裝置的設(shè)計(jì)依賴于畸變波形的頻域分析。2. 畸變波形的時(shí)域分析 時(shí)域分析避開分解傅立葉級數(shù)的步驟，而且也不限于電壓為正弦波形，將電流按電壓波形分解成兩個(gè)正交分量，其中有功分量為ip(t)，與電壓U(t)的波形一致，即 ，G為電導(dǎo)，其取值滿

11、足下列公式：有功功率 因此 即 電源的無功分量 ，滿足 由于ip與iq正交，其有效值 ，S=UI，P=UIp，Qt=UIq，Qt2=Qf2+D2Qt2=Qf2+D2說明頻域分析中由電流和電壓的基波及電流與電壓的同次諧波的相角差引起的無功功率稱為頻域分析無功功率Qf，由電流和電壓的不同次諧波之間的相角差所引起的無功功率稱為畸變功率D。Qt是根據(jù)時(shí)域分析而定義的，其包含了上述兩者。根據(jù)上述公式進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)脑硇噪娐啡缦聢D所示，這也是下面要說明的有源濾波器的基本原理。三、諧波計(jì)算及測量1. 諧波分析中的理論計(jì)算方法稱為諧波潮流計(jì)算，即通過確定諧波網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出系統(tǒng)中各節(jié)點(diǎn)的諧波電壓和各支路

12、通過的諧波電流。對于民用建筑物內(nèi)部配電系統(tǒng)而言，可以忽略電源側(cè)諧波參數(shù)（包括發(fā)電機(jī)、供電線路、各級供電變壓器），主要考慮諧波源負(fù)荷。由于建筑物內(nèi)各類負(fù)荷隨時(shí)間變化，補(bǔ)償電容也隨系統(tǒng)功率因數(shù)變化而改變投切容量，這使得要準(zhǔn)確確定各類負(fù)荷的等值諧波阻抗變得很困難。同時(shí)，在實(shí)際工程中，諧波計(jì)算所需數(shù)據(jù)如配電系統(tǒng)各元件的頻率特性和諧波參數(shù)、各諧波源的頻譜特性，尤其是相頻特性等數(shù)據(jù)，難以得到足夠準(zhǔn)確的資料。國內(nèi)外現(xiàn)有的一些導(dǎo)則、規(guī)范推薦由基波三相短路容量推算系統(tǒng)諧波阻抗的方法。這種方法近似認(rèn)為系統(tǒng)各元件都是電感性的，并忽略其電阻，因而，系統(tǒng)諧波阻抗Xsn等于基波電抗Xs1與諧波次數(shù)n的乘積?；娍箍捎稍?/p>

13、點(diǎn)三相短路容量Sk和額定電壓Un求得，即Zsh（諧波阻抗）為，接入點(diǎn)產(chǎn)生的諧波電壓Uh為 。實(shí)際上由于系統(tǒng)中還有其它諧波源存在，它們在新諧波源接入處也會(huì)產(chǎn)生諧波電壓。設(shè)接入點(diǎn)為P點(diǎn)，原有諧波電壓Uhp，新諧波源產(chǎn)生的諧波電壓為Uhp，則P點(diǎn)實(shí)際的諧波電壓Uhp應(yīng)為前兩者的相量和： 其中Kh系數(shù)按下表選擇h 3 5 7 11 13 9,15,偶次Kh 162 128 0.72 0.18 0.08 02. 測量和估計(jì)諧波問題的理論分析往往不足以滿足實(shí)際工程中的需求，最終定性定量分析還是需要實(shí)際測量的結(jié)果為依據(jù)。諧波測量器主要有以下幾種形式： 形式 原理 特點(diǎn)失真度計(jì)式 抑制基波，得到總諧波有效值，

14、指示后者與基波有效值之比 測總諧波幅度，并可連續(xù)記錄外差選頻式 用外差原理分別選測某次諧波 不能同時(shí)測各次諧波分量帶通選頻式 采用多個(gè)窄帶濾波器逐次選出各次諧波分量 各次諧波分量可連續(xù)測量式記錄采樣數(shù)字式 對待測信號采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換并離散化，然后用計(jì)算機(jī)處理 可打印出各次諧波的幅值和相位 上圖中所給出的是諧波電流的檢測原理。CT二次側(cè)的電流通過T電路轉(zhuǎn)換成與i成比例的電壓，由S2電路選出基波分量，經(jīng)D1檢波器在D2顯示器上顯示。另一路由R基波抑制電路，到M量程選擇電路，再經(jīng)S1選頻電路，最后在D2顯示器上顯示出各高次諧波電壓幅值或比例。諧波電壓的檢測原理與此類似。其運(yùn)算原理有以下幾種：1)

15、快速傅氏變換：這是傳統(tǒng)的頻域分析的改進(jìn)方法，以求和替代積分，以降低精度為代價(jià)來提取實(shí)時(shí)性，可以得出各次諧波的幅值相位。但當(dāng)計(jì)算三相諧波電流時(shí)，運(yùn)算量迅速增加，高次諧波的幅值和相角誤差較大，可能分解的最高次的諧波可達(dá)60余次。2) 瞬時(shí)無功功率理論：該理論自80年代提出后，突破了傳統(tǒng)的平均值為基礎(chǔ)的功率定義，系統(tǒng)定義了瞬時(shí)無功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量，在檢測諧波電流時(shí)，延時(shí)不超過一個(gè)電源周期，具有較好的實(shí)時(shí)性，抗干擾能力強(qiáng)。這種方法的計(jì)算中忽略了零序分量，即三相電壓正弦對稱，電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，計(jì)算值與實(shí)際值有較大偏差，且基波電流的精度受低通濾波器的限制。這種方法是傳統(tǒng)時(shí)域分析方法的發(fā)展，廣泛

16、應(yīng)用于有源電力濾波器的控制系統(tǒng)中。3) 小波變換理論：由于實(shí)際工程中大量電氣參數(shù)不斷變化，適用于平穩(wěn)信號的傅立葉變換無法滿足要求，而瞬時(shí)無功功率理論所采用的時(shí)域分析方法，卻存在一定延時(shí)，對于快速變化的信號跟蹤能力仍有欠缺。小波變換理論適合于對局部頻域進(jìn)行精確分析，其提供了一個(gè)自適應(yīng)的可調(diào)采樣窗口，具有更強(qiáng)的實(shí)時(shí)性。其主要缺陷在于要減小因頻域分析造成的誤差，必須得到一個(gè)理想小波極數(shù)，但目前這一理想極數(shù)還停留在理論階段。4) 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法：其特點(diǎn)是算法基于誤差曲面上的梯度下降，權(quán)調(diào)數(shù)量與輸入量一致，并保持與誤差的負(fù)梯度方向一致，因此能保證網(wǎng)絡(luò)的收斂性。對于諧波分析來說，所得出的高次諧波取決于輸入模

17、式向量的次數(shù)，向量越多，得到的諧波次數(shù)越多，計(jì)算時(shí)間越長。其對基波的檢測精度在一個(gè)電源周期內(nèi)即可得到滿足。 對于非整數(shù)倍諧波間諧波的分析，有狀態(tài)空間模型化等多種理論方法。有關(guān)諧波電流的概率分析文獻(xiàn)，證明了一種特殊現(xiàn)象的存在：在有大量可控硅整流裝置負(fù)載組成的系統(tǒng)中，其總的諧波電流幅值遠(yuǎn)小于每個(gè)變流器諧波電流的矢量和。即隨著變流器數(shù)量的增加，諧波的幅值和相位相關(guān)性變?nèi)?，諧波相消的趨勢越明顯。對于大規(guī)模建筑群的供配電系統(tǒng)而言 ，可根據(jù)有限點(diǎn)上的測量值，來估計(jì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的諧波狀態(tài)。目前見到的集中估算方法還處于論文和數(shù)學(xué)模型階段，包括：加權(quán)最小方差估計(jì)算法；基于最小差法的諧波源識別和傳感器的優(yōu)化配置算法；

18、將諧波狀態(tài)估計(jì)問題看作優(yōu)化問題的最小方差估計(jì)算法；應(yīng)用卡爾曼濾波器識別和尋找諧波源的算法；利用關(guān)聯(lián)矩陣的概念建立諧波量測量與狀態(tài)變量的數(shù)學(xué)模型，從而估計(jì)連續(xù)諧波狀態(tài)的方法；應(yīng)用線性神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行諧波源的識別方法。評價(jià)諧波狀態(tài)估計(jì)的性能指標(biāo)有四種：1) 加權(quán)最小分差法則根據(jù)估計(jì)值與實(shí)際值的偏差平方的加權(quán)和的最小值，獲得狀態(tài)變量的最優(yōu)估計(jì)。2) 最大似然法則根據(jù)狀態(tài)矢量估計(jì)值是真值的最大概率，判定估計(jì)值的準(zhǔn)確程度。3) 條件期望值法則根據(jù)估計(jì)誤差與測量值的正交性，有狀態(tài)矢量已知的測量值確定其條件期望值，最后選擇條件期望值作為狀態(tài)矢量的最優(yōu)估計(jì)值。4) 最小方差法則根據(jù)狀態(tài)矢量的估計(jì)值與真值的方差矩陣

19、的跡的最小值，確定狀態(tài)矢量的最優(yōu)估計(jì)。IEEE于1996年發(fā)表了兩篇關(guān)于諧波測量發(fā)展預(yù)測的文章，其中建議：1) 對于諧波畸變嚴(yán)重的用戶應(yīng)采用電子式，最好是數(shù)字式儀表。這些儀表應(yīng)具有分解畸變電壓、電流波形、測得基波和諧波有功、無功功率以及諧波功率的流向等功能。2) 對于三相不對稱且波形畸變的情況，建議應(yīng)將基波正序有功功率與其它電參量（包括負(fù)序、零序基波有功、無功功率以及所有諧波量和它們的交叉相乘項(xiàng)等）分開，即除基波正序有功功率外，都?xì)w入污染之列。3) 對上述情況，建議從兼顧理論和實(shí)際要求的角度定義視在功率，因?yàn)樵诖_定功率因數(shù)和規(guī)定電費(fèi)時(shí)，要利用它。4) 為了更適當(dāng)?shù)胤从畴娋W(wǎng)畸變的實(shí)際情況，建議研

20、制一些專用儀表。對于電氣設(shè)計(jì)人員，諧波測量幾乎是唯一的諧波參數(shù)的來源，它將是決定是否對工程采用抑制措施或采用何種抑制措施的有效依據(jù)。我認(rèn)為通過大量的實(shí)測數(shù)據(jù)積累，應(yīng)該能夠得出類似需用系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，用以指導(dǎo)新的工程設(shè)計(jì)，包括諧波濾波器選型、安裝方式及不同種類民用建筑的諧波估算。三、 諧波危害 根據(jù)1992年日本電氣協(xié)會(huì)發(fā)表的一項(xiàng)關(guān)于諧波源的調(diào)查報(bào)告，最大諧波源來自整流器的用戶占全部用戶的90%，而在各行業(yè)產(chǎn)生的諧波量分布中，由民用建筑產(chǎn)生的諧波量占總數(shù)的40.6%，其次是電氣化鐵路和冶金行業(yè)。在民用建筑中，諧波所產(chǎn)生的危害主要有以下幾個(gè)方面：1. 為提高系統(tǒng)功率因數(shù)，通常需裝設(shè)并聯(lián)電容器組。在

21、工頻頻率下，這些電容器的容抗比系統(tǒng)感抗大的多，不會(huì)產(chǎn)生諧振。但對高次諧波，系統(tǒng)感抗大大增加，而容抗減小，就有可能產(chǎn)生并聯(lián)或串聯(lián)諧振。這種諧振會(huì)使諧波電流放大幾倍至幾十倍，對系統(tǒng)特別是對電容器及串聯(lián)的電抗器形成很大威脅。文獻(xiàn)指出，由于諧波而損壞的電氣設(shè)備中，電容器約占40%，其串聯(lián)電抗器約占30%。2. 諧波對異步電機(jī)和變壓器影響主要是引起附加損耗和過熱，其次是產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和諧波過電壓。當(dāng)柴油發(fā)電機(jī)所帶系統(tǒng)中含有大量諧波電流時(shí)，且諧波電流頻率接近定子零部件的固有振動(dòng)頻率，可能引起發(fā)電機(jī)強(qiáng)烈機(jī)械振動(dòng)，甚至影響柴油發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行，諧波同樣會(huì)干擾變頻裝置、軟啟動(dòng)器等設(shè)備的控制系統(tǒng)，嚴(yán)重時(shí)可使可

22、控硅裝置不能正常運(yùn)行。3. 對配電系統(tǒng)的影響主要表現(xiàn)在線路損耗增加，增加功率損耗。同時(shí)諧波電壓產(chǎn)生的尖峰加速線纜絕緣的老化，引起浸漬絕緣的局部放電，溫升增大，縮短線纜使用壽命。民用建筑中常見的三次諧波在N線上的積累，極易造成N線的過載。由于大部分情況下，配電系統(tǒng)在N 線上不設(shè)置保護(hù)裝置，N線的超負(fù)荷運(yùn)行，埋下了火災(zāi)隱患。4. 當(dāng)建筑物的通訊系統(tǒng)等弱電系統(tǒng)線路采用金屬管、金屬線槽敷設(shè)或采用屏蔽線纜時(shí)，諧波通過電磁感應(yīng)耦合、靜電感應(yīng)耦合方式的干擾基本可以排除。但弱電設(shè)備的電源部分如交換機(jī)電源、樓控系統(tǒng)DDC現(xiàn)場電源等會(huì)受到零線上的諧波干擾，嚴(yán)重時(shí)可燒毀電源模塊。部分超聲波傳感器等可能受到影響無法正

23、常工作。5. 繼電保護(hù)裝置中采用電磁型和感應(yīng)型繼電器時(shí)，基本不受諧波影響。整流型和晶體管型繼電器對諧波較為敏感，有可能引起誤動(dòng)作。目前在中壓系統(tǒng)大量應(yīng)用的組合式過流繼電器多為晶體管型，其中有些產(chǎn)品設(shè)置涌流等功能，能夠通過對變壓器的投切造成的勵(lì)磁電流中特定次數(shù)諧波進(jìn)行監(jiān)測，避免涌流造成的誤動(dòng)作。差動(dòng)繼電器、零序及負(fù)序繼電器由于整定值小，易受諧波電流影響。6. 電工測量儀表通常是按工頻正弦波設(shè)計(jì)。其中常見的感應(yīng)式電能表頻率響應(yīng)很差，記錄三次諧波功率時(shí)約相差20%記錄五次諧波功率時(shí)相差可達(dá)40%左右。有些用戶配電系統(tǒng)中含有大量諧波源，可向電網(wǎng)反送有害的諧波有功功率，可能造成實(shí)付電費(fèi)低于它所消耗的基波

24、有功功率的應(yīng)付電費(fèi)。而無諧波源的用戶在接受含諧波電壓的電源供電時(shí)，會(huì)由于負(fù)載產(chǎn)生的額外的諧波損耗而多付電費(fèi)。采用均方根值和平均值測量原理的電流表、電壓表及電量變送器均會(huì)受到諧波影響，產(chǎn)生精度偏差，其中奇次諧波引起的偏差遠(yuǎn)大于偶次諧波，電壓表誤差大于電流表誤差。采用有效值原理的測量儀表可以獲得較寬的頻率特性。同樣，諧波對相位測量、功率因數(shù)測量儀表影響較大。0.5級或更高精度的電磁式CT、PT，對于2000Hz以下的電流或1000Hz以下的電壓，具有較好的頻率特性。對于更高頻率的諧波分量，CT、PT二次側(cè)輸出值會(huì)小于預(yù)期值。7. 低壓配電系統(tǒng)中，熱磁型空氣斷路器脫扣值基本不受諧波電流的影響。但當(dāng)系

25、統(tǒng)中含有大量諧波電流時(shí)，電流過零點(diǎn)處的di/dt比基波電流時(shí)增大很多，可能使斷路器分?jǐn)嗄芰ο陆?。同樣情況下，使接觸器觸頭燒蝕現(xiàn)象加重。采用電子式脫扣器的空氣斷路器，其測量用電子線路存在受諧波干擾的可能。8. 計(jì)算機(jī)廠家一般規(guī)定其產(chǎn)品允許接受饋電電壓的THDu為35%，電壓峰值和有效值之比必須在1.410.1范圍內(nèi)。嚴(yán)重的諧波電壓畸變可導(dǎo)致計(jì)算機(jī)及其UPS工作失常。各類裝有微電子控制裝置的家用電器和辦公電器均會(huì)受到諧波影響，嚴(yán)重時(shí)可造成電子芯片燒毀。電視機(jī)、顯示器易受高頻諧波干擾，出現(xiàn)閃爍和異常色帶。另外，間諧波電壓能引起圖象翻滾，對陰極射線管的圖象產(chǎn)生周期性的放大和縮小。氣體放電燈具自帶的補(bǔ)償

26、電容，在諧波電流含有率高時(shí)，會(huì)發(fā)熱并減少壽命。各類以電源電壓過零點(diǎn)為基準(zhǔn)的計(jì)時(shí)器，如電鐘系統(tǒng)、客房床頭電子鐘等，在諧波電壓含有量較高時(shí)，電壓過零點(diǎn)增多，計(jì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)正誤差。由于白熾燈的壽命與電壓的高次方成反比，如電壓有效值比額定電壓高1%，則壽命縮短12%。因此過高的諧波電壓含有量將縮短白熾燈壽命。五、 諧波抑制在民用建筑配電系統(tǒng)中，盡管可以采用D/Y型變壓器限制部分三次諧波返回電網(wǎng)，但主要的抑制諧波的方法是采用濾波器。1. 無源濾波器：傳統(tǒng)的LC 濾波器是由電容器、電抗器和電阻器適當(dāng)組合而成。分為單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器（減幅濾波器）等幾種。如下圖所示，其基本原理是利用電路諧振的

27、特點(diǎn)。（1） 單調(diào)諧濾波器 （2）雙調(diào)諧濾波器 （3）一階高通濾波器（4） 二階高通濾波器 （5）三階高通濾波器 （6）C型高通濾波器在下圖中，設(shè)諧波源電壓 ， 為諧波角頻率，Us為諧波源電壓有效值，其復(fù)數(shù)阻抗為 ，若滿足 ，則電路中的Z將達(dá)到最小值Zmin= R，這時(shí)電流將有最大值 。因此電感上的電壓為： ，而電容上電壓為：。由此可見，上述兩者大小相等，方向相反。因此在諧振時(shí)可以將圖中A、B兩點(diǎn)看成短路。而對于非諧振頻率 ，它的阻抗為 ，則可能比R大的多。這樣為預(yù)定頻率的諧波提供了一條低阻通道，使之不會(huì)注入系統(tǒng)中，達(dá)到濾波的目的。單調(diào)諧濾波器僅針對某一特定設(shè)計(jì)頻率，例如3次、5次、7次等；雙

28、調(diào)諧濾波器相當(dāng)于兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器，能夠同時(shí)吸收兩種頻率的諧波。高通濾波器（也稱減幅濾波器）又可分為一階、二階、三階和C型。它是在某一很寬的頻率范圍內(nèi)呈現(xiàn)一個(gè)很低的阻抗，形成對某次頻率以上的所有諧波的低阻抗通路。實(shí)際應(yīng)用中常用幾組針對不同頻率的單調(diào)諧濾波器和一組二階高通濾波器來組成濾波裝置。因LC濾波器中含有一定量的電容，可以起到一定的改善功率因數(shù)的效果，但一般均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于所需補(bǔ)償值。此時(shí)宜單獨(dú)安裝帶串聯(lián)電抗器的并聯(lián)電容器組，不宜盲目加大濾波器容量，這樣在分步投切電容器組時(shí)，對濾波效果的影響較小。LC濾波器一般采用與諧振源并聯(lián)方式接入配電系統(tǒng)，三相連接可接成Y型或D型。但三次諧波濾波器有一點(diǎn)

29、特殊，因?yàn)槿沃C波主要為零序諧波，大部分流經(jīng)N線，因此有些三次諧波濾波器采用在N線上串接的方式。如ABB公司的THF，其工作原理與并聯(lián)型LC濾波器的相反，是在150Hz的諧振頻率產(chǎn)生高阻抗，而對非150Hz的其它頻率電流阻抗很小，其結(jié)果是大部分三次諧波電流被阻斷。此外，還有一類自動(dòng)調(diào)諧式單調(diào)諧濾波器，通過一套測量控制裝置，在一定范圍內(nèi)改變電感或電容參數(shù)，以保證LC濾波器諧振于實(shí)際頻率上。無源電力濾波裝置結(jié)構(gòu)簡單，工藝成熟，運(yùn)行可靠，維護(hù)方便，造價(jià)相對較低。其缺點(diǎn)是當(dāng)系統(tǒng)阻抗變化時(shí)，濾波特性劣化；在特定頻率下，會(huì)將諧波電流諧振放大；當(dāng)系統(tǒng)諧波電流超過濾波器額定容量時(shí)，存在濾波器過載損壞的可能；有

30、效材料消耗多、體積較大；濾波要求和無功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)等。2. 有源電力濾波裝置APF（Active Power Filter）是基于瞬時(shí)無功功率理論，采用脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM）的一種諧波抑制裝置。有源電力濾波器的基本原理是，檢測補(bǔ)償對象的電壓和電流，經(jīng)運(yùn)算電路計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令信號，經(jīng)放大輸出的補(bǔ)償電流與負(fù)載中要補(bǔ)償?shù)闹C波電流相抵消，即補(bǔ)償電流與諧波電流頻率幅值相等，而相位相差180，最終得到期望的電源電流。如果要求有源電力濾波器在補(bǔ)償諧波的同時(shí)補(bǔ)償負(fù)載的無功功率，則只要在補(bǔ)償電流的指令信號中增加與負(fù)載電流的基波無功分量相反相位的成分即可。同樣，有源電力濾波器還可對不對稱三相電

31、路的負(fù)序電流等進(jìn)行補(bǔ)償。有源電力濾波器結(jié)構(gòu)示意如下：為了能與交流側(cè)交換能量，變流器的直流側(cè)必須有儲(chǔ)能元件，如電感或電容。因此APF的主電路分為直流側(cè)采用電容的電壓型和直流側(cè)采用電感的電流型。多數(shù)產(chǎn)品采用電壓型。PWM變流器采用的開關(guān)元件可以是可關(guān)斷晶體管（GTO）、電力晶體管（GTR）、絕緣柵雙極晶體管（IGBT）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）等。實(shí)際應(yīng)用中，多數(shù)有源濾波器均采用并聯(lián)安裝方式，串聯(lián)型有源濾波器單獨(dú)使用很少，還缺乏深入的研究。串聯(lián)型有源濾波器與并聯(lián)型有源濾波器相比，前者作為電壓源工作，有源裝置容量小，運(yùn)行效率高，適合抵消具有電壓源性質(zhì)的諧波源之電壓污染，缺點(diǎn)是投切及故障保護(hù)較困難，無

32、法進(jìn)行無功功率動(dòng)態(tài)補(bǔ)償；后者作為電流源工作，技術(shù)成熟，補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，適合抵消具有電流源性質(zhì)的諧波源之電流污染，缺點(diǎn)是運(yùn)行效率較低，造價(jià)較高。有源電力濾波器完全避免了無源LC濾波器存在的各種缺點(diǎn)，而且可綜合補(bǔ)償諧波、無功功率、甚至負(fù)序電流，既可用于穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償，又可用于瞬態(tài)補(bǔ)償，運(yùn)行靈活，體積相對較小。其缺點(diǎn)是大容量PWM變流器造價(jià)高，制造相對困難，與無源LC濾波器相比運(yùn)行功耗較大等3. 為了解決無源濾波器和有源濾波器各自存在的缺點(diǎn)，構(gòu)成比較理想的諧波補(bǔ)償系統(tǒng)，將無源濾波器和有源濾波器混合應(yīng)用-混合型濾波器，是一種比較理想的方法。并聯(lián)型有源電力濾波器與無源LC濾波器混合使用方式分為兩種

33、：1) 一種是有源電力濾波器與無源LC并聯(lián)，兩者共同承擔(dān)諧波補(bǔ)償任務(wù)，LC 濾波器為高通濾波器，主要補(bǔ)償高次諧波，從而使有源電力濾波器中的開關(guān)元件的頻率要求有所降低，以降低有源電力濾波器的成本。也有采用多組LC濾波器承擔(dān)大部分抑制諧波任務(wù)，有源電力濾波器僅起改善系統(tǒng)性能的作用，從而大大降低了有源電力濾波器容量。這是最常見的使用方法。2) 另一種為有源電力濾波器與LC濾波器串聯(lián)。此種方法中，無源LC濾波器承擔(dān)絕大部分抑制諧波任務(wù)，有源電力濾波器通過單相變壓器接入LC回路中，起到改善調(diào)節(jié)無源LC濾波器濾波特性的作用。相當(dāng)于自動(dòng)調(diào)諧式無源濾波器。此時(shí)有源電力濾波器不承受交流電源的基波電壓，因此容量較

34、小。 串聯(lián)型有源電力濾波器與無源LC濾波器并聯(lián)使用，其特點(diǎn)與上文中的2) 段類似。串聯(lián)型有源電力濾波器通過三只單相變壓器串聯(lián)在電源和無源LC濾波器之間。對于流過系統(tǒng)中諧波電流，串聯(lián)型有源電力濾波器表現(xiàn)為純阻抗，對于流過系統(tǒng)的基波電流，其表現(xiàn)為零阻抗。因此串聯(lián)型有源電力濾波器起到了諧波隔離器的作用，阻止諧波電流流入電網(wǎng)，迫使流入無源LC濾波器。這樣，消除電網(wǎng)與LC濾波器之間可能產(chǎn)生的諧振。當(dāng)系統(tǒng)電壓畸變不嚴(yán)重時(shí)，串聯(lián)型有源電力濾波器容量較小，可起到降低造價(jià)的作用。4. 串-并聯(lián)有源電力濾波器和有源線路調(diào)節(jié)器串-并聯(lián)有源電力濾波器相當(dāng)于一臺(tái)串聯(lián)型有源電力濾波器和一臺(tái)并聯(lián)型有源電力濾波器組合起來接入

35、電力系統(tǒng)，這種APF兼有串聯(lián)型APF和并聯(lián)型APF特點(diǎn)，功能強(qiáng)大，可以解決絕大部分電網(wǎng)質(zhì)量問題，但尚未見到商業(yè)化的定型產(chǎn)品。從發(fā)展趨勢看，隨著絕緣柵雙極晶體管（IGBT）等新型開關(guān)元件的廣泛應(yīng)用，混合型濾波器的價(jià)格優(yōu)勢將逐漸喪失，可能被串-并聯(lián)有源電力濾波器所取代。有源線路調(diào)節(jié)器APLC（Active Power Line Conditioner）其結(jié)構(gòu)類似APF，但與APF在電力系統(tǒng)某一節(jié)點(diǎn)注入消諧補(bǔ)償電流的工作方式不同，APLC是向電力系統(tǒng)的多個(gè)優(yōu)選節(jié)點(diǎn)注入消諧補(bǔ)償電流，達(dá)到綜合補(bǔ)償系統(tǒng)所有節(jié)點(diǎn)的目的。APLC的出現(xiàn)，標(biāo)志著電力系統(tǒng)的諧波治理正朝著高效、智能、全面的方向發(fā)展。5. 其他諧波

36、抑制方式相對于Y/Y繞組接線變壓器而言，D/Y繞組變壓器由于一次側(cè)繞組形成三次諧波電流三角形通路，該通路零序阻抗為變壓器漏抗，遠(yuǎn)小于零序勵(lì)磁阻抗，基本不會(huì)產(chǎn)生勵(lì)磁電流，因此也較少產(chǎn)生三次諧波電壓反送至電網(wǎng)。雖然采用D/Y繞組變壓器可以起到一定的隔絕阻斷三次諧波的作用，但由于大多數(shù)三相電路為三相不平衡電路，其三次諧波含有正序和負(fù)序分量，D/Y繞組變壓器的阻斷作用是有限的，而且三次諧波電流依然存在，造成了變壓器一次側(cè)繞組的損耗增加和變壓器輸出功率下降。采用Z型（曲折形）繞組電抗器（隔離變壓器）是解決諧波污染問題的一種方法。以三次諧波為例，由于Z型繞組人為的將每相線圈分段繞在不同的兩個(gè)鐵芯芯柱上上，

37、造成每個(gè)鐵芯芯柱上兩組線圈相位相差120度，所產(chǎn)生的磁通方向相反，即利用某一相線路的三次諧波電流抵消另一相線路的三次諧波電流。消除5次、7次諧波的原理與此類似，只是兩組線圈相位相差角度不同。這種電抗器（隔離變壓器）有串聯(lián)型和并聯(lián)型兩種，避免了LC濾波器可能產(chǎn)生諧振放大諧波電流、易過載損壞的缺陷，成本較低，但其缺點(diǎn)是不適用于嚴(yán)重三相不平衡系統(tǒng)（因其三相諧波電流也不平衡），且電抗器自身存在一定功率損耗，串聯(lián)型電抗器會(huì)造成一定的電壓損失。六、 電網(wǎng)諧波相關(guān)問題及對于工程設(shè)計(jì)的建議1. 諧波綜合治理采取的技術(shù)措施包括以下幾個(gè)方面：1) 抑制諧波電流的發(fā)生與注入。2) 改善裝置的功率因數(shù)與無功功率補(bǔ)償。

38、3) 濾波裝置最佳安裝位置的合理選擇。4) 電磁干擾的消除和電磁兼容性。5) 多種補(bǔ)償功能一體化處理。2. 目前國際和國內(nèi)對諧波問題的研究方向主要在以下幾個(gè)方面：1) 對換流器諧波源進(jìn)行廣泛深入的研究。2) 在測量技術(shù)上提出了在不同諧波情況下，提高諧波測量精度的方法；研制了多通道諧波分析儀和電能質(zhì)量測量儀器。3) 在分析和計(jì)量技術(shù)方面，分析電網(wǎng)參數(shù)變化、模型與元件參數(shù)的精度對諧波計(jì)算的影響，針對非穩(wěn)態(tài)波形畸變，尋求新的數(shù)學(xué)方法。4) 在濾波技術(shù)上，提出了時(shí)域/頻域相結(jié)合的參數(shù)設(shè)計(jì)和修正方法；提出了無源與有源混合電路結(jié)構(gòu)，研制具有綜合性能的新型電力線調(diào)節(jié)器。3. 電網(wǎng)諧波的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)除了采用諧

39、波器等抑制措施外，處理諧波問題的另一個(gè)方面是改造諧波源。IEC中專門從事電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)化工作的77技術(shù)委員會(huì)，編寫的針對治理電網(wǎng)污染和電磁空間污染的IEC-1000系列標(biāo)準(zhǔn)，不僅是家用電器產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)，也是接入低壓電網(wǎng)的電氣和電子產(chǎn)品的強(qiáng)制性通用標(biāo)準(zhǔn)。從2001年1月1日起，所有額定電流不超過16A的電氣和電子產(chǎn)品，要想取得CE標(biāo)志，必須符合IEC1000-3-2和IEC1000-3-3兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。我國也從電網(wǎng)諧波水平限制和各類電器產(chǎn)生的諧波電流限制兩方面著手，頒發(fā)了GB/T14595-93 «電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波»和GB17625.1-1998«低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限制標(biāo)準(zhǔn)»