电力系统的谐波产生的原因

1、电力系统得谐波产生得原因电网谐波来自于3个方面：一就是发电源质量不高产生谐波：发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致与其她一些原因，发电源多少也会产生一些谐波 ，但一般来说很少。二就是输配电系统产生谐波：输配电系统中主要就是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心得饱与，磁化曲线得非线性,加上设计变压器时考虑经济性 ，其工作磁密选择在磁化曲线得近饱与段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它得大小与磁路得结构形式、铁心得饱与程度有关。 铁心得饱与程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可 达额定电流0、5%。三就是用电设备产

2、生得谐波：晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛得应用 ，给电网造成了大量得谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收得就是缺角得正弦波，从而给电网留下得也就是另一部分缺角得正弦波，从而给电网留下得也就是另一部分缺角得正弦波，显然在留下部分中含有大量得谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波得含量可达基 波得30%;接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值得增大而增大。如果整流装置为三相全控桥 6脉整流器，变压器原边及供电线路含有 5次及以上奇次谐波电流；如果就 是12脉冲整

3、流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。 经统计表明：由整流装置产生得谐波占 所有谐波得近40%,这就是最大得谐波源。变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等 设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类 装置得功率一般较大，随着变频调速得发展，对电网造成得谐波也越来越多。电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉得三相电极很难同时接触到高低不平得炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器得三角形连接线圈而注入电网。 其中主要就是2 7次得谐波，平均可达基波得 8% 20%,最大可达45%。气体放电类电光源。 荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与

4、金属卤化物灯等属于气体放电类电 光源。分析与测量这类电光源得伏安特性，可知其非线性十分严重，有得还含有负得伏安特性 它们会给电网造成奇次谐波电流。家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等 ，因具有调压 整流装置，会产生较深得奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组得设备 中，因不平衡电流得变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨 大，也就是谐波得主要来源之一。供电系统得无功补偿及谐波治理在供电系统中，为了节能降损、提高电压质量与电网经济运行水平，经常采用各种无功补偿装置。近年来，配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、各种电力电子设备以及电气 化铁路大量应用。这些负

5、荷大都具有非线性、冲击性与不平衡性得特点，在运行中会产生大量谐波。这些谐波对无功补偿装置造成了严重影响。在供电系统中，对于某次谐波，作为无功补偿用得并联电容器若与呈感性得系统电抗发生谐振，则会出现过电压而造成危害。当无功补偿装置运行地点得谐波比较严重时，电压、电流波形会有很大畸变 ，电容器投切控制信号得传输就会受到影响，从而有可能引起装置得误动或拒动。另一方面，并联电容器对电网谐波得影响也很大。若电容器容抗与系统感抗配合不恰当？熏将会造成电网谐波电压与电流得严重放大？熏给电容器本身带来极大损伤。可见，无功补偿与谐波治理两者关系密切。产生谐波得装置大都就是消耗基波无功功率得装置；治理谐波得装置通

6、常也就是补偿无功得装置。因此为了寻求能同时实现无功补偿与谐波治理得装置，就必须将二者结合起来进行研究。2电容器无功补偿装置中得谐波问题谐波源有两种一种就是谐波电流源 ，这些用电设备中得谐波含量取决于它自身得特性与工 作状况。基本上与供电系统参数无关。另外一种就是谐波电压源。发电机在发出基波电势得同时，也会有谐波电势产生，其谐波电势大小主要取决于发电机本身得结构与工作状况。实际 上,在电网中运行得发电机与变压器等电力设备输出得谐波电势分量很小，几乎可以忽略。因此,在供电系统中存在并实际发生作用得谐波源主要就是谐波电流源。在用并联电容器进行无功补偿得供电系统中电网以感抗为主，电容器支路以容抗为主。

7、 在工频条件下，并联电容器得容抗比系统得感抗大得多可发出无功功率，对电网进行无功补偿。但在有谐波背景得系统中大量得非线性负荷会产生大量得谐波电流注入电网，对这些谐波频率而言电网感抗显著增加而补偿系统容抗显著减小导致谐波电流大部分流入电容器支路，若此时电容器得运行电流超过其额定电流得1. 3倍，电容器将会因过流而产生故障。 另外，针对无功补偿系统得调谐频率，如果电网中存在该特定频率得谐波电流源，则该谐波将直接被放大严重时还会发生并联谐振或串联谐振。系统谐振将导致谐波电压与电流明显地高于在无谐振情况下出现得谐波电压与电流。2 . 1谐波与并联谐振当电网中得谐波主要由非线性用电负荷产生时，此时得谐波

8、源可瞧作一个很大得电流源，其产生得谐波电流加在系统感抗与电容器得容抗之间，形成并联回路（如图1所示）。由图可见，流入电容器支路得n次谐波电流为由式（1 ）可瞧出：当电网阻抗与电容器阻抗相等时 ，即:时,将形成并联谐振。此时，即使系统中 得n次谐波电流不大，流入电容器得n次谐波电流也将会很大（理论上为无穷大，实际上由于存在电阻谐波电流为一很大得有限值，被放大得谐波电流流经电容器时可导致其内部组件过热而出现故障。2 . 2谐波与串联谐振当上一级电网系统电压波形严重畸变时此时得谐波源相当于一个很大得电压源。谐波电压将在变压器得感抗与电容器得容抗间形成串联回路（如图2所示）。当感抗与容抗相等时？熏将形

9、成串联谐振。此时谐波电压将在串联回路上形成强大得电流直接流经补偿电容器使电 容器因过流而迅速故障。由以上分析可见在有谐波背景得供电系统中单独使用电容器进行无功补偿时若发生并联谐振或串联谐振大部分谐波电流将流入电容器组中而导致其迅速产生故障。为了避免上述情况得发生就必须寻求新得能同时实现无功补偿与谐波治理得装置。3能同时实现无功补偿与谐波治理得装置3 . 1无源滤波器在有谐波背景得电网中，为了滤除谐波，就要为谐波提供一条释放路径即保留基波而使 谐波短路也就就是使谐波通过滤波器直接流回谐波源而不注入系统。为此，可采用一种LC无源滤波器，常用得就是单调谐滤波器，它由适当数值得电容、电感与电阻组合而成

10、（如图3 a 所示）。通过设置参数，使得在需要滤除得谐波频率上装置得感抗与容抗相等而抵消？熏即在调谐频率上滤波器呈现低阻抗，这样该频次谐波就可顺利通过滤波器并返回谐波源，从而达到滤除谐波得目得。而对于非调谐得基波与其它次谐波滤波器则呈现高阻抗，带来得影响很小。除了上述针对某次谐波频率而设置得滤波器外常用得还有一种高通滤波器如图3 b所示 它对于某一频率以后得所有频率都呈现低阻抗，可滤除多种高次谐波。在实际工程应用中，根据供电系统中谐波得组成成份往往设置两组L C滤波器，一组为单调谐滤波器用来滤除含量较大得某次谐波；另一组为高通滤波器可对高次谐波实现减幅。上述调谐滤波器实现起来非常简单 ，就就是

11、在原来并联电容器得支路上串接一个适当大 小得电抗器。此时，整个补偿电容器支路对谐波源基波仍呈容性保持其无功补偿作用不变。 而对高次谐波补偿支路则呈感性避免了与系统形成电流谐振消除或减小了由于补偿电容所 引起得谐波电流放大现象。 如何选择电抗器得大小呢？目前我国并联电容器配置电抗器得电 抗率K（K = XK/XC ,XK为电抗器得基波感抗XC为电容器得基波容抗）主要有4种：0.5%,4.5% ,6%12%。配置KV 0 . 5 %电抗器得主要目得就是限制电容器得合闸涌 流;当采用电抗率为4 .5 %或6 %得串联电抗器时，可抑制5次以上得谐波电流；当采用电抗 率为1 2 %得串联电抗器时，可抑制

12、3次以上得谐波电流。另外需注意，上述装置对谐振频率要求非常严格。若谐振点漂移，将有可能放大谐波电流，因此必须保证电抗器与电容器得数值不能因温度、环境等因素而发生变化。为满足此要求，滤波电抗器应采用电抗值可调得空芯或铁芯电抗器制造精度要求为正误差。对于电容器，最好选用制造精度为正误差具有防爆、损耗低、放电特性好等特点得谐波滤波电容器。在确定其额定电压等级时，需考虑串联电抗器产生得电压降及谐波电压得影响，一般应选择高于系统电压。另外,在系统运行中，电容器组经常需要分组投切，此时就要根据补偿容量与谐波要求 来解决各组间得配合问题。随着电力电子技术得发展，用晶闸管实现得静止无功补偿装置因其优良得性能而

13、被广泛 应用。例如，有一种兼有谐波治理功能得动态无功功率补偿装置叫做晶闸管投切电容器TS C（Thyristor Switched Capacitor ）这种装置 T能良好，被很多 场合采用，但线路组成比较复杂，故障点多，维护量相对较大。另外还有一种典型得动态无功补 偿及谐波滤波装置为固定电容器+晶闸管相控电抗器F C + TCRFixcdCapacit +Thyristor Control led Reactor。该装置根据局部电网 最低功率因数设置固定电容器根据谐波得阶次，由电抗器串联固定电容器组成L C谐波吸收回路，根据电网功率因数变化量来调节相控电抗器得大小实现局部电网无功补偿与谐波治

14、 理。相对T S C来说，该装置线路简单故障率低运行也较稳定，值得推广。近来又开发出一种新型无功补偿兼谐波治理装置晶闸管投切滤波器T S FT h yristor Switched Filters。 它兼有传统T S C与电力滤波器得优点,并且可抑制因负载变动而引起得电网电压波动。在基波频率下，T S F得基波阻抗呈容性，可向系统输出无功功率，并且其大小可通过晶闸管进行调节。对于系统中常见得主要得谐波，可接近谐振并呈现很低得阻抗，使谐波电流流入滤波器，从而可同时达到无功补偿与滤除谐波 得目得。由于系统中存在得谐波电流通常有多个频率，若采用单调谐滤波器来滤除谐波，则需 安装多个滤波器。此时需注意

15、，在投切滤波器时，必须从低次向高次逐次投入，而在切除时则必 须从高次向低次依次切除。否则 ，不仅不能达到抑制谐波电流得作用 ，反而会将其放大。研究 表明，该装置结构简单，易于实现，有实际应用与推广价值。无源滤波器就是传统得进行无功补偿与谐波治理得方法？熏具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠、维护方便等优点因此被广泛采用。但就是无源滤波器得滤波性能受系统与负载参数得影响较大，易于与系统发生并联谐振，导致谐波放大从而使滤波器过载甚至烧毁，另外它只能消除特定次得谐波 ，动态性能相对较差，无功补偿效果也不就是很理想。为此，急需开发出新得装置来弥补上述缺陷。3 . 2有源滤波器目前在无功补偿装置中进行

16、谐波治理得一个重要趋势就是采用有源滤波器A P FAc tivc Power Filter。它通过实时检测电网得电压电流经运算处理后得到补 偿控制指令控制主电路产生谐波补偿电流，此电流与所要滤除谐波电流得幅值大小相等相位相差1 8 0。从而可以相互抵消使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率与幅值都变 化得谐波进行跟踪补偿，滤波特性不受系统阻抗得影响可消除与系统阻抗或负载发生谐振得 危险。另外，此装置不仅能补偿无功与各次谐波还可抑制闪变，具有高度可控性与快速响应性。它就是当前无功补偿与谐波治理领域重要得研究发展方向。这里介绍一种采用有源滤波器进行无功补偿与谐波治理得方案，适合在谐波严重得工况

17、下使用。此方案其实就就是在原来F C + TC R得基础上，增加一有源滤波器。具体实现方法为,将一变压器得原边串联接在电力系统与谐波源之间，副边接有源滤波器得输出部分。设计得初衷就是，希望基波电流可以从变压器得原边流过，而谐波电流被隔离，无功补偿装置中得电容器与电抗器串联得支路为被隔离起来得谐波提供通路，从而达到滤除谐波得目得。根据变压器得工作原理，要满足上述要求，就需要检测变压器原边电流中得基波分量，然后采用有源逆变得方法跟踪此基波分量，并将此基波分量注入变压器得副边，从而补偿变压器原边 基波电流所产生得基波磁通 ，使得变压器对原边基波电流呈现低阻抗，而对于原边谐波电流呈现高阻抗。可见，为了

18、在变压器得副边产生一个与原边基波电流大小成比例、方向相反得 电流，就必须准确地从电网电流中检测出基波电流，即需要有基波电流检测部分 ，这也就是此有源滤波器得关键部分。另外此装置还要有功率放大部分，它由滞环控制、PWM驱动与逆变器组成，将检测到得原边基波电流经转换作为给定信号采用滞环电流控制使其能够跟踪原 边基波电流。从以上分析可见，该方案只需检测、跟踪基波电流，补偿基波磁通，性能比较稳定， 电路结构也较简单，易于在工程中实现。从本质上讲，APF可瞧作一个大容量得谐波电流发生装置。通过对电网中得畸变波形 实时跟踪补偿，可使任意频率、任意幅值与相位得谐波都能被滤除，并使无功功率得到完全补偿。其中，

19、如何实时准确地检测无功电流与谐波电流，并将此信号作为有源滤波得控制信号，就是同时实现无功补偿与谐波治理得关键问题。为了使滤波器有较好得信号跟踪效果，有人提出运用自适应预测原理，实验证明，该方法效果显著，可达到预期目得。有源滤波器在我国已开始挂网运行但还需要解决一些问题。比如：在大容量应用中有源滤波器逆变器得容量如何最小化 ；有源滤波器在负载动态过程条件下如何实现自适应调节；在严重畸变得不对称电网及负载下如何提高适应性等。现阶段有源滤波器研究与应用得一个显著特征就是混合型有源滤波器，即将有源滤波器与无源滤波器相结合。有源部分相当于一 个谐波隔离器？熏既能阻止负载得谐波电流进入电网？熏又能防止电网

20、得谐波电压影响负载 ，而电网公共连接点上其它负荷得谐波电流则流入无源滤波器。这样可以同时发挥两者得优点达到良好得补偿目得。混合型有源滤波器最大得好处就是，逆变器只需承担谐波电流与谐波电压,从而极大地降低了有源部分得容量，非常适合于大功率谐波负载得补偿。4结束语无功补偿对改善电能质量电压起着重要作用。随着电网中非线性负荷得不断增加，其产生得谐波也急需治理。在谐波严重得地方，若仍使用传统得并联电容器补偿装置则有可能对谐波起放大作用？熏甚至产生谐振，从而给系统与补偿装置带来危害。低成本得无源滤波器就是目前普遍采用得无功补偿与谐波治理装置。此装置使用简单，但存在一定缺陷。有源滤波器可以对幅度与频率都变

21、化得谐波以及变化得无功进行补偿，但也存在初期投资大、运行效率低得缺点。为此，可将有源滤波器与无源滤波器结合起来使用，既可以使有源滤波器容量降低,又可弥补无源滤波器得缺陷，就是一个很好得发展方向。项目概述1、1前言单博博研制生产得低压谐波滤除装置就是专用于低压电网3次、5次、7次、11次、13次及以上得谐波无源滤波装置。适用于中频冶炼、变频、轧钢、整流设备等得环境。该 装置采用了电感与电容器组成串联谐振吸收回路，有效得将负载产生得谐波加以吸收，从而避免将谐波电流返送到电力变压器，大大降低电网得谐波量，同时有利于用户电力变压器得运行，降低功耗，提高设备与其它电器组件得可靠性。此外该设备还提供一定容

22、量得无功功率 补偿,提高用户负载得运行效率。该装置分综合控制柜与电抗柜，视用户要求不同，配置得滤除谐波次数也不同。通常一套系统4种谐波。系统得操作可分自动运行与手动操作。1、2谐波得基本定义及基础知识1、2、1领域内关键词语得基本概念 谐波:(harmonic)对周期性交流信号量进彳T傅立叶级数分解 ，得到频率为基波频率大于 1 得整数倍得分量。我国供电系统频率为 50Hz,所以5次谐波得频率为250 Hz。7次谐波得 频率为350 Hz。 11次谐波得频率为 550 Hz,13次谐波得频率为 650 Hz。 公共连接点：(PCC)用户接入电网得连接处。 总谐波畸变率：(THD)周期性交流量得

23、谐波含量得方均根值与基波分量得方均根值之比 (用百分数表示)。电压总谐波畸变率以 THDU表示，电流总谐波畸变率以 THDI表示。 谐波源(harmonic source):向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压得电 气设备。 感性无功：电动机，变压器在能量转换过程中建立交变磁场，在一个周期内吸收得功率与释放得功率相等，这种功率叫感性无功功率。 容性无功电容器在交流电网中接通时在一个周期内，上半周期得充电功率与下半周期得放电功率相等，不消耗能量，这种充放电功率叫容性无功功率。 功率因数：有功功率与视在功率得比值称为功率数。 功率因数调整电费：实行两部分电价制度得用电企业，供电部门根据

24、用户平均功率因数而加收或减免得电费，称为功率因数调整电费1、2、2谐波得产生与危害谐波得产生谐波主要就是由于大容量整流或换流设备以及其它非线性负荷，导致电流波形畸变造成得。我们对这些畸得变交流量进行傅立叶级数分解，即可得到50Hz得基波分量与频率为基波分量整数倍得谐波分量。 谐波得危害影响供电系统得稳定运行：供配电系统中得电力线路与电力变压器，一般采用电磁继电器，感应式继电器或新式微机保护进行检测保护，在系统中这些属于敏感元件 ，继电器受到高次谐波得影响容易产生误动作，微机保护由于采用了整流采样电路，也及易受到谐波得影响导 致误动或拒动，这样谐波严重威胁供电系统得稳定与安全运行。 影响电网得质

25、量：高次谐波能使电网得电压与电流波形发生畸变，另外相同频率得谐波电压与谐波电流要产生同次谐波得有功功率与无功功率，从而降低电网电压，增加电路损耗，浪费电网容量。 影响供电系统得无功补偿设备 ：供电系统变电站均有无功补偿设备，当谐波注入电网时容易造成高压电容过电流与过负荷 ，使电容异常发热：另外谐波得存在还会加快电容器绝缘介 质得老化，缩短电容得使用寿命。 影响电力变压器得使用：谐波得存在会使电力变压器得铜损与铁损增加，直接影响变压器得使用效率；还会造成变压器噪声增加，缩短变压器得使用寿命。 影响用电设备：谐波得存在会造成异步电机电动机效率下降，噪声增大；使低压开关设备产生误动作；对工业企业自动

26、化得正常通讯造成干扰，影响电力电子计量设备得准确性。1、2、3治理谐波及补偿无功功率得重要性采用专门得滤波装置能够有效得滤除高次谐波，同时向电网提供容性无功功率 ，其重要性主要表现在以下方面： 滤除高次谐波能够定化用电环境，降低视在功率，减少谐波电流在用电设备与输配电设备中得发热，直接节省有功功率；消除由于谐波产生得震动，延长电器得使用寿命；有效得消除对 敏感元件得影响。 由于滤波回路就是由电抗器与电容器串联形成得，所以在滤波得过程中能向电网注入容性无功，提高了功率因数，这样就能避免供电部门高额得功率因数调整电费，由于无功电流得抵消，也相当于提高了配电设备得容量 ，减少了线损。无功功率补偿还能

27、提升末端得电网电压，对优化用电环境有很重要得意义。在设计滤波器时，首先应满足各种负载水平下谐波限制得技术要求，然后在次前提下，使滤波器在经济上最为合理。除以上经济分析外，设计滤波器还应注意以下两点：1）单调滤波器得谐振频率会因电容，电感参数得偏差或变化而改变，电网频率会有一定得波动这将导致滤波器失谐。设计时应保证在正常就是谐得情况下滤波装置仍能满足各项要求。2）电网阻抗变化对滤波装置尤其就是其中得单调谐滤波器得滤波效果有较大影响，而更为严重得就是，电网阻抗与滤波装置有发生并联谐振得可能，设计时应充分予以考虑。1、3项目业主有关情况根据用户提供得供电系统资料可知，该配电系统中频生产线上现有供电变

28、压器1台，容量均为400KVA,低压单母线运行，电压变比为10/0、4,带1台大功率中频电炉。由于中频机采用得 就是晶闸管整流技术，在工作时不同程度地产生了一定得谐波发生量，根据用户提供得参数及我公司对其它同类型项目得谐波测试数据分析可知，中频机工作时，在用户配电系统中，5次谐波电流含量可达到 20%以上,7次谐波电流也可达12%以上,谐波电流及谐波电压畸变率将 会远远超出国标电能质量公用电网谐波GB/T 14549-93得国家标准限值。高次谐波电流注入上端10KV电网，将导致电力系统中高次谐波含量迅速增长，引起供电电压波形畸变，增加了线损与用电设备得损耗，造成了多余得能耗，同时影响电网其她用

29、电设备得正常运行，降低了电能质量，对设备得安全运行造成了安全隐患。同时由于设备运行时随着负荷得变化 功率因数变压也较大，低负荷日只有0、8左右，这将产生多余得无功损耗，给用户造成较大无 功罚款，使用户蒙受了较大得电费损失。为了保证设备正常运行、供电系统可靠供电与节约电能，需要对该设备采取抑制谐波电流得技术措施，同时考虑补偿基波无功功率。根据我国有关电网电压质量得标准规定，以及目前国内外在谐波治理方面得研究成果，采用滤波兼动态补偿技术方案，针对该整流产生得特征谐 波分别设置滤波回路，吸收谐波电流，同时也起到补偿基波无功功率、节约电能得作用。乐清市中容电力补偿设备有限公司生产得谐波治理设备具有动态

30、跟随负荷得变化得特性，能有效提高电网得电能质量、功率因数与节约电能，同时提高整个用电系统运行得可靠性及设备运行效率，降低运行成本与设备维护费用 ，延长设备得使用寿命，给用户带来明显得经济效 益。1、4中频负载产生得谐波对电网及设备得影响中频电源根据整流脉数可以分为 6脉整流，12脉甚至24脉，根据工作时得功率因数可以分为 恒功率中频机与普通中频机。整流得相数越高，产生得谐波量就越低，对电网得影响就越小危害大大降低。中频电源由于采用得电气传动为晶闸管整流技术，所以在工作时除了功率因数较低外 ，同时也产生高次谐波，若中频电源变压器单个绕组侧采用得就是六脉动整流技术，则产生得谐波主要以5,7,11,

31、13次为主。高次谐波对电网主要影响：引起电气设备发热，振动，增加损耗，缩短寿命，干扰通讯，使可控硅 误触发，部分继电保护误动作，电气绝缘老化损坏等。以下作出中频机单边（一个绕组）六脉整流方式工作时得硬件仿真原理图及电压电流波形设计遵循得主要标准2、3、1总设计及制造标准：电能质量公用电网谐波电能质量电压波动与闪变电能质量供电电压允许偏差低压无功功率补偿装置总技术条件低压无功就地补偿装置无功补偿技术条件 JB/T9663-1999GB/T14519-1993GB12326-1000GB12325-1990GB/T 15576-1995JB/T 7115-1993低压无功功率自动补偿控制器低压电气及电子设备发出得谐波电流限值GB/T 17625、7-1998电能质量 三相电压允许不平衡度GB/T 14543-1995钢铁企业电力设计手册国标GB