无功补偿与谐波治理的意义

1、无 功 补 偿 与 滤 波 治 理 装 置天津水利电力机电研究所 杨泽明无功补偿和谐波治理是涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、电工理论等领域的重大课题，由于电力电子装置应用日益广泛，谐波和无功问题引起人们越来越多的关注。同时，也由于电力电子技术的飞速进步，在谐波治理和无功补偿方面也取得了一些突破性的进展。一、无功补偿与谐波治理的意义 无功补偿与谐波治理都与供电系统的电能质量密切相关。谐波治理本身就属于改善电能质量的范畴，而无功补偿装置在补偿负荷或系统无功功率的同时也直接调节了系统电压，在一些枢纽变电站利用电力电容器和相控电抗器及现代电力电子控制技术组成的静止无功补偿器（SVC）直接作

2、为电压调控的手段，由于其响应迅速调控精准，工程应用十分满意。由此可见无功补偿也对电能质量的提高有着直接积极的意义。（1）电能质量的现状电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电，并且在三相交流系统中，各相电压电流的幅值应大小相等、相位对称。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变、调控手段不完善等因素使这种理想的状态并不存在，由此产生了电能质量问题。电能质量包括供电电压质量、供电频率质量、供电电流质量，而其确切定义国内外尚无统一共识，进入90年代后，我国分别颁布了规范电能质量的技术标准，包括：G

3、B12325-1990 电能质量 供电电压允许偏差GB/T14549-1993电能质量 公用电网谐波GB/T15543-1995电能质量 三相电压允许不平衡度GB/T15945-1995电能质量 电力系统频率允许偏差GB12326-2000 电能质量 电压波动和闪变其中，电压和频率均由电源进行控制，目前我国在发电和传输系统均进行了严格的控制，在电能的传输与使用过程中能够达到标准要求，而公用电网谐波属于双向传输污染，既可以由电源传递给电能用户，也可由电能用户传递到公用电网。随着我国经济建设和科学技术的发展，非线性用电设备的种类、数量和用电量正在迅猛增加，自上世纪90年代中后期，我国电网开始遭遇并

4、迅速面临同发达国家的谐波污染问题，谐波问题由此成为电能质量中最为引人关注问题。目前研究和解决电能质量问题已成为电力发展的当务之急。主要的研究方向有以下几点：a) 研究谐波对电网电能质量污染的影响并采取的相应对策。b) 研究谐波对电力计量装置的影响并采取相应的措施。c) 研究电能质量污染对高新技术企业的影响并应采取的相应的技术手段。d) 加强电能质量控制装置的研制。我国电能质量控制与治理技术在国家相关标准颁布之后已经取得一定成效，目前已经掌握了代表电能质量控制装置技术水平的电能质量控制器（ASCG）的技术，并生产出了相应产品，而目前只有美国、日本、德国掌握了这项技术，但大容量电能质量控制器的研制

5、还与国外有一定的差距，还需进一步加强投入。（2）无功补偿的意义发电机发出的功率包含了有功功率和无功功率，有功功率通过各种设备转换为其他形式的能量直接产生经济效益，而无功功率只在电力系统内部不同设备间交换用以建立电力设备工作的电磁环境，其本身不做功不直接产生经济效益，因此称为无功功率。电力系统本身对无功功率的需求比有功功率大，若综合有功发电最大负荷为100%，则无功总需求约为120%140%，它包括负荷的无功功率和线路、变压器的无功损耗，而发电机的功率因数一般大于0.8，所以单靠发电机发出无功功率是不能平衡电力系统无功需求的。大量的无功功率在线路中传输将不可避免的造成输电线路、变压器损耗增大，造

6、成线路电压降落并影响用户供电质量，直接从发电机索要无功将使发电机的有功出力减少，因此长距离输送无功功率也是电力系统不允许的。用户无功缺乏将导致设备功率因数偏低，设备运行功率达不到额定功率，效率低下。所以为了减少有功损失和电压降落，释放变压器、发电机容量、提高用户设备利用率和电网供电质量，在负荷中心需要加装无功功率电源，进行无功功率补偿，以实现电力系统的无功功率平衡。此外根据当前国务院“节能减排”的工作部署，电力系统领域利用无功补偿提高设备的利用率、充分利用发电机的出力从而降低对化石燃料的需求也是“节能减排”的重要途径。（3）谐波治理的意义如前所述，谐波问题已成为电能质量中最为引人关注的问题，谐

7、波会造成电力系统电压畸变，使电能的生产、传输和利用的效率降低，其危害还体现在：a) 对用电设备安全运行的影响和危害，包括： 引起各类电机和变压器的局部过热、过电压、机械振动和降低输出功率； 增加电容器和电缆绝缘介质的局部放电和温升，引起机械振动，缩短使用寿命等。 引起计算机及其系统的数据丢失、误显示、误传、元件损坏等事故； 引起电视机图像变坏、翻滚，引起其他视听设备的杂音等。b) 对电力系统安全运行的影响和危害，包括： 降低断路器、避雷器、电压互感器的正常功能，严重时直接损坏这些设备； 引起继电保护和其他自动装置的误动、拒动或损坏，直接危及系统的安全运行； 增大电力系统的线损，增加电能表和其他

8、常规表计的误差。c) 对通信系统的电磁干扰，引起电话杂音，有时出现过电压等。由谐波引起的诸多问题可以看到谐波治理已是刻不容缓，降低谐波产生的危害将对社会生活、工业生产产生巨大效益，谐波治理的意义更可以上升到治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识，对于电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。（4）无功补偿与谐波治理的关系无功补偿主要用于补偿系统无功功率，谐波治理主要用于净化电网谐波污染，虽然二者分属不同的领域和研究方向，但他们之间的紧密联系以体现在实际应用的各个方面。总结来说主要有以下几点原因：a) 谐波治理属改善电能质量的范畴，无功补偿同样可以改善供电系统的电压质量,因此在电能

9、质量领域二者有此紧密联系。b) 在无谐波的情况下，无功功率有其固定的概念和定义，而在含有谐波的情况下，无功功率的定义和谐波有密切的关系，谐波除其本身的问题外，也影响负载和电网的无功功率，谐波功率不产生任何效益，也可认为是“无功”功率。c) 产生谐波的装置同时也大都是消耗基波无功功率的装置。d) 目前为止谐波治理装置大都是补偿基波无功功率的装置，如广泛应用于各领域的LC滤波器。正因此，谐波治理和无功补偿在实际应用领域经常被提在一起。二、无功补偿装置与谐波治理装置的现状 介于无功补偿和谐波治理在生活生产中的现实意义，国内外在无功补偿和谐波治理装置的研究方面作了大量的工作。无功补偿装置从最早期的同步

10、调相机补偿，到如今广泛应用的电力电容器补偿，再到结合现代电力电子技术的各种静止补偿装置，谐波治理装置从广泛应用的LC滤波器到基于电力电子技术和现代控制技术的有源电力滤波器（APF），都经历几代的变迁和技术的飞跃。（1）无功补偿装置的类型和特点无功补偿装置种类繁多，随着时代和技术的发展主要经历了以下几种：同步调相机、电力电容器和并联电抗器、静止补偿器等。相对于旋转机械的同步调相机而言，后三种可称为静止设备。a) 同步调相机实际上是一台空载运行的同步电动机，在过励磁时可发出无功功率，欠励磁时可以吸收无功功率，调节均匀简单，其自动励磁调节装置能使同步调相机在端电压波动时自动调节无功功率，维持电压及系

11、统的稳定，适用于大型变电站所进行集中补偿，其缺点是投资大，功率损耗大，动态响应的时间也较长，因为是旋转设备运行维护工作量也较大。总体上来说，这种补偿手段已显陈旧，已有逐渐被取代的趋势。b) 电力电容器能够补偿负荷感性无功以提高功率因数，故又称为移相电容器，它常并接于6.3、10.5或35KV母线上，故又称为并联电容器，在电力系统常用的无功功率补偿设备中并联电容器的费用最低，有功功率损耗最小，运行维护最简便，可集中安装，也可分散安装在用户处或近负荷中心的地点，实现无功的就地补偿，因此应用广泛。它的主要缺点是电压调节效应差，并且不能像同步调相机那样连续调节无功功率和吸收滞后的无功功率，在系统中含有

12、谐波时还有可能与系统发生并联谐振，使谐波放大。 在实际应用领域并联电容器补偿装置按电压等级可分为低压补偿装置和高压补偿装置，按投切方式可分为自动投切补偿装置和手动投切补偿装置，按响应速度可分为动态补偿装置和静态补偿装置，按补偿方式还可分为集中补偿、分散补偿和就地补偿。c) 并联电抗器并接于系统输电线路上，用于吸收高压电力网过剩的无功功率和远距离输电线路的参数补偿。含有超高压架空线路和高压电缆的电力网中，轻负荷运行时各线路分布电容产生的无功功率大于线路电抗中消耗的无功功率，因此会出现无功功率过剩现象，利用并联电抗器可以就近吸收线路的无功功率，防止电力网电压过高。d) 静止补偿装置是近年来随着大功

13、率可控型电力电子开关的发展而发展起来的，是柔性交流输电系统的重要组成部分。静止无功补偿装置(SVC)，广泛应用于输电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量应用于负载无功补偿。其典型代表是晶闸管控制电抗器固定电容器（TCR+FC），静止无功补偿装置的重要特性是它能连续调节补偿装置的无功功率，这种连续调节是依靠调节TCR中晶闸管的触发延迟角实现的。另外一种常见的SVC形式是晶闸管投切电容器（TSC），但它只能分组投切，不能连续调节，只有和TCR配合使用才能实现补偿装置整体无功功率的连续调节。SVC的调节连续且响应迅速，因此可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变，是目前同步调相

14、机的主要替代方案。比SVC更先进的现代补偿装置是静止无功发生器（SVG），它也是一种电力电子装置，其最基本的电路是三相桥式电压型或电流型变流电路，目前使用的主要是电压型。SVG在其直流侧只需较小容量的电容器维持其电压即可，通过不同控制可使其发出无功功率也可吸收无功功率，采用PWM控制，可使其输入电流接近正弦波。（2）谐波治理装置的类型和特点解决电力系统的谐波污染问题主要有两点解决思路，一是抑制谐波的产生，对电力电子装置进行改造使其不产生谐波，这是从根本上解决谐波问题的途径，但也只适用于作为主要谐波源的电力电子装置；另一条就是装设谐波治理装置滤除谐波。这是目前普遍可行也应用广泛解决方法。装设谐波

15、治理装置最传统的方法就是采用LC无源调谐滤波器，其原理是利用滤波电抗器（L）和滤波电容器（C）和滤波电阻器（R）组成调谐支路，给特征谐波形成公用电网之外的低阻抗通路，使流入公用电网的谐波满足相应要求，这种方法治理谐波简单可靠，滤除谐波的同时还能补偿基波无功功率，结构简单，综合计算起来投资少、维护简便，是目前应用最广泛的谐波治理装置。这种方法主要的缺点是治理效果受电网运行方式和阻抗影响较大，参数设置不正确易与系统发生并联谐振，导致谐波放大甚至滤波器过载烧毁。谐波治理装置的另一个发展趋势是有源电力滤波器（APF），有源电力滤波器也是一种电力电子装置，其基本原理是先从需治理的线路中检测出谐波电流，然

16、后由滤波器产生一个与检测的谐波电流大小相等极性相反的电流与线路中的谐波电流叠加，从而使电网电流只含基波分量。与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，其具体特点如下：a）不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，在性价比上较为合理；b) 滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；c) 具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。有源滤波器这种优异的治理效果，目前已得到广泛的重视，但因其成本偏高，应用范围受到一定限制，随着电力电子工业的发展，器件的性价比将不断提高，APF必然会得到广泛应用。为了综合无源滤波器的低成本和有源滤波器优异的滤波性能，混合

17、型滤波器应运而生，该型滤波器通过无源滤波器进行无功功率补偿并滤除特征谐波的主要部分，其余谐波通过有源滤波器滤除，能同时实现大容量无功补偿和谐波治理的要求，并同时降低投资成本，混合型滤波器是谐波含量较大且成分复杂工况的有效解决方案。三、我所在该领域的研究方向和进展我所谐波治理装置的研究正式起步于2002年，借助于直流换流站、高功耗业主、各地中试所等合作单位，获得了大量试验数据和工程经验，开发了FC中高压电力系统补偿滤波装置，该型滤波装置结构简单、运行稳定，可靠性高，维护简便，在电解铝行业获得了较多应用，在工业制碱、工频炉炼钢系统也得到一定应用，取得了大量现场资料，目前目前已签订合同达到1600万

18、元，用户一致反映运行稳定，治理效果满足相关要求。在FC中高压补偿滤波装置研制成功后，我所在FC装置的技术基础上，2007年初分了两个科研组，其中一组研制SVC静止补偿滤波装置，该型装置采用全数字化控制，动态响应快、控制精度高；阀体设计采用卧式晶闸管阀组，设备紧凑，运行可靠，维护工作量少；采用光电触发方式，系统抗干扰能力强，保护可靠；采用纯水冷却系统，冷却效率高，运行可靠。在包括冶金用电弧炉、大型轧机、电气化铁道等谐波电流大且无功功率变化频繁供电系统中得到良好的应用，另外它还应用于高压、超高压交流输电系统中，调节系统无功潮流，改善系统的动态稳定性。另一组研制开发TSF智能型无功补偿滤波装置，该型

19、产品在无源滤波器的基础上采用先进的大功率晶闸管过零投切技术，实现电容器组投切无涌流、无冲击；采用智能监控终端，将动态无功补偿滤波成套装置与配电自动化系统有机结合起来，实现瞬时投切，投切响应时间可控制到20ms，主要应用于含有一定量的谐波电流，虽超标但幅值不是很大，而无功功率变化频繁的低压供电系统。我所在补偿滤波系统共将开发完成三系列产品，分别是FC中高压电力系统补偿滤波装置、SVC静止补偿装置和TSF智能型补偿滤波装置，三个项目合称为电力系统谐波治理装置， 2004年度被科技部列为国家级火炬计划。四、技术难题与创新点FC型中高压补偿滤波装置，主要难点在建立符合各种现场工况的电力系统数学模型，无

20、源滤波器原理结构相对简单，但对系统参数和应用场合极为敏感，设备的参数选择和治理效果需和现场工况紧密结合，模型结构和参数稍有偏差或缺少了必要的约束条件和边界，工程应用中就会出现很大的风险。我所根据多年高压设备的设计经验和技术人员的现场经验，并和国内重点高校专家、合作厂家的专家多次研讨，结合引进的分析软件，建立多个模型，大胆假设，反复求证，最终建立了一套满足多种工况的数学模型，在后期的工程应用中，经现场实际运行表明该模型结构合理参数选配适当，随着实际运行经验的积累不断的完善，该模型极大的提高了设计效率，并为SVC和TSF的研制奠定了基础。在FC研制成功后我所又开始了SVC和TSF的研究，与FC相比

21、，后者的研究涉及的技术领域更广，遇到的难题主要包括：信号的采样技术，检测技术，数据的分析计算理论、晶闸管的相控技术和冷却技术等，根据研发进度的需求和我所自身的优势，我们相继和国内多所高校和单位合作，并对部分辅助部件和市场已有成熟技术的辅件采取分包和长期合作的模式，主要的技术自主研发，目前正在进行中。五、未来五年的发展作为改善供电质量的一项关键技术，目前有源电力滤波器在美国、日本等发达工业国家已广泛用于国民经济的各个生产部门，并且谐波补偿的次数逐步提高，单机装置的容量也逐步提高，其应用领域正从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展。我国有源电力滤波技术的工业应用与国外尚有差距，天

22、津水利电力机电所秉承保持技术先进的理念，为满足谐波工况复杂的高端市场需求，已经展开了混合型滤波器的研究，包含有源滤波器的混合型滤波器在国内属行业的尖端，技术难度和实际应用开发都面临前所未有的困难，我所在前期无源滤波器的研制和设备运行中，积累了大量的研发和实际运行经验，此次将通过与国内重点高校合作，实现强强联合，优势互补，将极大的缩短开发周期，紧紧掌握市场的节奏，为我国电力事业的进步做出自己的贡献。电源补偿及滤波装置保护系统的研究 主要内容： 补偿滤波装置长期工作在10KV高电压条件下，其中电容器的工作场强非常高，尤其是本系统中滤波器要经受频繁操作的考验，因此保护系统对整套装置的安全可靠运行起了

23、至关重要的作用. 本文主要讨论针对滤波器要经受频繁操作的考验并产生操作过电压，合闸涌流，还有铁磁谐振等一系列的危害，对这些危害如何产生的进行分析，从而如何通过一些合理的电路或装置进行抑制或消除。达到系统的可靠性，安全性，对电网的电源质量提供有力的保证。 操作过电压原因及规避措施1 电网的操作过电压一般由下列原因引起A.线路合闸和重合闸； B.空载变压器和并联电抗器分闸； C.线路非对称故障分闸和振荡解列； D.空载线路分闸。 线路合闸和重合闸过电压对电网设备绝缘配合有重要影响，应采用有合闸电阻的断路器对该过电压加以限制。避雷器可作为变电所电气设备操作过电压的后备保护装置，该避雷器同时是变电所的

24、雷电过电压的保护装置。 设计时对A、C 类过电压，应结合电网条件加以预测。2 线路合闸和重合闸操作过电压空载线路合闸时，由于线路电感-容的振荡将产生合闸过电压。线路重合时，由于电源电势较高以及线路上残余电荷的存在，加剧了这一电磁振荡过程，使过电压进一步提高。因此断路器应安装合闸电阻，以有效地降低合闸及重合闸过电压。 应按电网预测条件，求出空载线路合闸、单相重合闸和成功、非成功的三相重合闸(如运行中使用时)的过电压分布，求出包括线路受端的相对地及相间统计操作过电压。预测这类操作过电压的条件如下： A.空载线路合闸，线路断路器合闸前，电源母线电压为电网最高电压； B.成功的三相重合闸前，线路受端曾

25、发生单相接地故障；非成功的三相重合闸时，线路受端有单相接地故障。 空载线路合闸、单相重合闸和成功的三相重合闸(如运行中使用时)，在线路受端产生的相对地统计操作过电压，不应大于2 2UXG 。3 分断空载变压器和并联电抗器的操作过电压由于断路器分断这些设备的感性电流时强制熄弧所产生的操作过电压，应根据断路器结构、回路参数、变压器(并联电抗器)的接线和特性等因素确定。该操作过电压一般可用安装在断路器与变压器(并联电抗器)之间的避雷器予以限制。对变压器，避雷器可安装在低压侧或高压侧，但如高低压电网中性点接地方式不同时，低压侧宜采用磁吹阀型避雷器。当避雷器可能频繁动作时，宜采用有高值分闸电阻的断路器。

26、4 线路非对称故障分闸和振荡解列操作过电压电网送受端联系薄弱，如线路非对称故障导致分闸，或在电网振荡状态下解列，将产生线路非对称故障分闸或振荡解列过电压。 预测线路非对称故障分闸过电压，可选择线路受端存在单相接地故障的条件，分闸时线路送受端电势功角差应按实际情况选取。 有分闸电阻的断路器，可降低线路非对称故障分闸及振荡解列过电压。当不具备这一条件时，应采用安装于线路上的避雷器加以限制。5 对于空载线路分闸过电压应采用在电源对地电压为1.3UXG 条件下分闸时不重燃的断路器加以防止。6 变电所应安装避雷器以防止操作过电压损坏电气设备。安装位置如下： A.出线断路器线路侧的每一线路入口侧，称安装于

27、该位置的避雷器为线路避雷器； B.出线断路器变电所侧，称安装于该位置的避雷器为变电所避雷器。 所有避雷器具体安装位置和数量尚应结合4.4.2 确定。 注：线路入口处无并联电抗器时，如预测(对断路器合闸需考虑合闸电阻一相失灵条件) 该处过电压不超过避雷器操作过电压保护水平时，可不必在该处安装避雷器。7 具有串联间隙避雷器的额定电压应不低于安装点的电网工频过电压水平。8 应用金属氧化物避雷器限制操作过电压时应参照厂家产品使用说明书，使其长期运行电压值、工频过电压、谐振过电压允许持续时间符合电网要求。9 避雷器的操作过电压通流容量允许吸收能量应符合电网要求(对断路器合闸需考虑合闸电阻一相失灵的条件)

28、。 此外，还应校核避雷器上的电压是否超过其规定保护水平。当超过时，应考虑其对绝缘配合的影响。10 为监测运行电网的工频过电压谐振过电压和操作过电压，宜在变电所安装过电压波形或幅值的自动记录装置，并妥为收集实测结果。编辑本段操作过电压如何防范限制操作过电压的措施有；选用灭弧能力强的高压开关；提高开关动作的同期性；开关断口加装并联电阻；采用性能良好的避雷器，如氧化锌避雷器；使电网的中性点直接接地运行；产生操作过电压的原因，是由于电力系统的许多设备都是储能元件，在断路器或隔离开关开断的过程中，储存在电感中的磁能和储存在电容中的静电场能量（电能）发生了转换、过渡的振荡过程，由振荡而引起过电压。 操作过

29、电压的特点是持续的时间通常比雷电过电压长，而又比暂态过电压短。一般在数百微秒到100ms之间，并且衰减的很快。通常可以利用标准操作冲击波来模拟。 电力系统发生操作过电压的原因很多，一般有以下几种情况：（l）切断电感性负载而引起的操作过电压。 例如切断空载变压器、消弧线圈、电抗器和电动机等引起的过电压。（2）切断电容性负载而引起的操作过电压 例如切断空载长线路、电缆线路或电容器组等引起的过电压。（3）合上空载线路（包括重合闸）而引起的操作过电压。 例如具有残余电压的系统在重合闸过程中，由于再次充电而引起的重合闸操作过电压。 此外，还有间歇性弧光接地、电力系统因负荷突变或系统解列、甩负荷而引起的操

30、作过电压。在这种情况下，通常系统以操作过电压开始，接着还会出现持续时间较长的暂态过电压一、谐波的来源“谐波”一词起源于声学。 电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。编辑本段二、谐波的定义谐波（harmonic wavelength) 定义： 从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为

31、工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。 产生的原因：由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。 谐波的危害： 降低系统容量如变压器、断路器、电缆等； 加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备； 危害生产安全与稳定； 浪费电能等。 谐波的治理： 有源电力滤波器是治理谐波的最优产品。编辑本段三、谐波的产生用傅立叶分析原理，能够把非正弦曲线信号分解成基本部分和它的倍数。 在电力

32、系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。 谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。6脉冲设备仅有5、7、11、13、17、19 .n倍于电网频率。 功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。 其他功率消耗装置，例如荧光灯的电子控制调节器产生大强度的3 次谐波( 150 赫兹)。 在供电网络阻抗( 电阻) 下这样的非正弦曲线电流导致一个非正弦曲线的电压降。 在供电网络阻

33、抗下产生谐波电压的振幅等于相应谐波电流和对应于该电流频率的供电网络阻抗Z的乘积。 次数越高，谐波分量的振幅越低。 只要哪里有谐波源那里就有谐波产生。也有可能，谐波分量通过供电网络到达用户网络。 例如，供电网络中一个用户工厂的运转可能被相邻的另一个用户设备产生的谐波所干扰。编辑本段周期性波形的展开根据傅立叶级数的原理，周期函数都可以展开为常数与一组具有共同周期的正弦函数和余弦函数之和。 其展开式中，常数表达的部分称之为直流分量，最小正周期等于原函数的周期的部分称之为基波或一次谐波，最小正周期的若干倍等于原函数的周期的部分称之为高次谐波。 因此高次谐波的频率必然也等于基波的频率的若干倍，基波频率3

34、倍的波称之为三次谐波，基波频率5倍的波称之为五次谐波，以此类推。不管几次谐波，他们都是正弦波。编辑本段谐波与泛音的区别泛音其实就是物理学上的谐波，但次数的定义稍许有些不同，基波频率2倍的音频称之为一次泛音，基波频率3倍的音频称之为二次泛音，以此类推。编辑本段四、谐波的分类谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率，幅度与相角。 谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(MFourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。 根据谐波频率的不同，可以分为：4.1、奇次谐波额定频率为基波频率奇数倍的谐波，被称为“奇次谐波”，如3、5、7次谐

35、波；4.2、偶次谐波额定频率为基波频率偶数倍的谐波，被称为“偶次谐波”，如2、4、6、8次谐波。 一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。 在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等。 变频器主要产生5、7次谐波。4.3、分量谐波频率不是基波分量倍数的正弦曲线波。编辑本段五、谐波的参数5.1、谐波电流谐波电流是由设备或系统引入的非正弦特性电流。谐波电流叠加在主电源上；5.2、谐波电压谐波电压是由谐波电流和配电系统上产生的阻抗导致的电压降；编辑本段六、与谐波有关

36、的参数定义6.1、阻抗阻抗是在特定频率下配电系统某一点产生的电阻。阻抗取决于变压器和连在系统上的用电设备，以及所采用导体的截面积和长度。6.2、阻抗系数阻抗系数是 AF （载波）阻抗相对于 50Hz （基波）阻抗的比率。6.3、谐振在配电系统里的设备，与它们存在的电容 ( 电缆，补偿电容器等 ) 和电感 ( 变压器，电抗线圈等 ) 形成共振电路。后者能够被系统谐波激励而成为谐振。配电系统谐波的一个原因是变压器铁芯非线性磁化的特性。在这种情况下主要的谐波是 3 次的；它在全部 导体内与单相分量具有相同的长度，因而在星形点上不能消除。6.4、谐振频率每个电感和电容的连接形成一个具有特定共振频率的谐

37、振电路。一个网络有几个电感和电容就有几个谐振频率。6.5、并联谐振频率网络阻抗达到最大值的频率。在并联谐振电路中，电流分量 I L 和 I C 大于总电流 I 。6.6、串联谐振频率网络的阻抗水平达到最小的频率。在串联谐振电路内分路电压 U L 和 U C 大于总电压 U 。6.7、串联谐振谐电路由电感（电抗器）和电容 （电容器）串联的电路。6.8、无功功率电动机和变压器的磁能部分，以及用于能量交换目的的功率转换器等处需要无功功率Q 。与有功功率不同，无功功率并不做功。计量无功功率的单位是 Var 或 kvar 。6.9、无功功率补偿供电部门规定一个最小功率因数以避免电能浪费。如果一个工厂的功

38、率因数小于这个最小值，它要为无功功率的部分付费。否则它就应该用电容器提高功率因数，这就必须在用电设备上并联安装电容器。编辑本段七、谐波的危害理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的能耐。 在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还没有引起足够的重视。 近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。 谐波的危害十分严重。谐波使电能的

39、生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面：7.1、加大企业的电力运行成本由于谐波不经治理是无法自然消除的，因此大量谐波电压电流在电网中游荡并积累叠加导致线路损耗增加、电力设备过热，从而加大了电力运行成本，增加了电费的支出。7.2、降低了供电的可靠性谐波电压在许多情况下能使正弦波变得更尖，

40、不仅导致变压器、电容器等电气设备的磁滞及涡流损耗增加，而且使绝缘材料承受的电应力增大。谐波电流能使变压器的铜耗增加，所以变压器在严重的谐波负荷下将产生局部过热，噪声增大，从而加速绝缘老化，大大缩短了变压器、电动机的使用寿命，降低供电可靠性，极有可能在生产过程中造成断电的严重后果。7.3、引发供电事故的发生电网中含有大量的谐波源（变频或整流设备）以及电力电容器、变压器、电缆、电动机等负荷，这些电气设备处于经常的变动之中，极易构成串联或并联的谐振条件。当电网参数配合不利时，在一定的频率下，形成谐波振荡，产生过电压或过电流，危及电力系统的安全运行，如不加以治理极易引发输配电事故的发生。7.4、导致设

41、备无法正常工作对旋转的发电机、电动机，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗，从而降低发输电及用电设备的效率，更为严重的是谐波振荡容易使汽轮发电机产生震荡力矩，可能引起机械共振，造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳循环，导致设备无法正常工作。7.5、引发恶性事故继电保护自动装置对于保证电网的安全运行具有十分重要的作用。但是，由于谐波的大量存在，易使电网的各类保护及自动装置产生误动或拒动，特别在广泛应用的微机保护、综合自动化装置中表现突出，引起区域（厂内）电网瓦解，造成大面积停电等恶性事故。7.6、导致线路短路电网谐波将使测量仪表、计量装置产生误差，达不到正确指示及计量(计量仪表

42、的误差主要反映在电能表上)。断路器开断谐波含量较高的电流时，断路器的遮断能力将大大降低，造成电弧重燃，发生短路，甚至断路器爆炸。7.7、降低产品质量由于谐振波的长期存在,电机等设备运行增大了振动, 使生产误差加大,降低产品的加工精度，降低产品质量。7.8、影响通讯系统的正常工作当输电线路与通讯线路平行或相距较近时，由于两者之间存在静电感应和电磁感应，形成电场耦合和磁场耦合，谐波分量将在通讯系统内产生声频干扰，从而降低信号的传输质量，破坏信号的正常传输，不仅影响通话的清晰度，严重时将威胁通讯设备及人身安全。 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统

43、无法正常工作。编辑本段八、国内治理谐波污染的几种方法目前常用的谐波治理的方法无外乎有三种，无源滤波、有源滤波、无功补偿。下面就谈谈这二种方法的优缺点以及市场前景及其经济效益的分析。8.1、无源谐波滤除装置无源滤波器的主要是用电感器与电容器构成，无源滤波装置的成本较低，经济，简便，因此获得广泛应用。无源滤波器可以分为并联滤波器与串联滤波器。 8.1.1、无源并联滤波器 现有的谐波滤除装置大都使用无源并联滤波器，对每一种频率的谐波需要使用一组滤波器，通常需要使用多组滤波器用以滤除不同频率的谐波。多组滤波器的使用造成结构复杂，成本增高，并且由于通常的系统中含有无限多种频率的谐波成分，因此无法将谐波全

44、部滤除。不仅如此，由于并联滤波器对谐波的阻抗很低，通常会使谐波源产生更大的谐波电流，谐振在不同频率的滤波器还会互相干扰，例如7次谐波滤波器就可能会放大5次谐波。因此，如果有人将并联滤波器安装前后的谐波情况做过对比，就会发现：虽然滤波器安装以后影响系统的谐波电流减小，但是各滤波器中以及进入系统的谐波电流之和远远超过未安装滤波器之前，谐波源产生的谐波电流也超过未安装滤波器之前。 从广义的角度来讲，频率不等于工频频率的成分统统都是谐波。因此，工频是单一频率，而谐波有无限多种频率，可见谐波具有无限的复杂性，使用并联滤波器的方法显然无法对付无限频率成分的谐波。 8.1.2、无源串联滤波器 由电感与电容串

45、联构成的LC串联滤波器，具有一个阻抗很低的串联谐振点，如果我们构造一个串联谐振点为工频频率的串联滤波器，并将其串联在线路中，就可以滤掉所有的谐波。这就是本文介绍的串联滤波器，串联滤波器由电感和电容串联而成，并且串联连接在电源与负荷之间，因此串联滤波器的“串联”二字具有双重意思：一个意思表示电感与电容串联，另一个意思表示串联在电路中使用。 在三相电路中均接入串联滤波器，由于串联带通滤波器对基波电流的阻抗很小，而对谐波电流的阻抗很大，于是只用一组滤波器就可以滤除所有频率的谐波。 串联滤波器对于谐振点频率的电流具有极低的阻抗，对于偏离谐振点频率的电流，则阻抗增大，偏离的越多，阻抗越大。对于比谐振点频

46、率高的电流成分，电感的阻抗为主，对于比谐振点频率低的电流成分，电容的阻抗为主。由于谐波成分通常比基波频率高，因此滤除谐波的工作主要由电感完成，电容的作用是抵消电感对工频基波的阻抗。 由于滤除谐波的作用主要由电感完成，因此电感量越大滤除谐波的效果越好。但是电感量越大则价格越高，损耗越大，因此从成本及损耗上去考虑问题则希望电感量越小越好。当电感的基波感抗小于负荷等效基波阻抗的50%时，不能实现良好的滤波效果（负荷等效基波阻抗就是负荷相电压有效值与相电流有效值的比值）。因此电感的基波感抗必须大于负荷等效基波阻抗的50%。 对于电容器的选择与电感的选择情况不同，电感的匝数可以随意设计，而电容器的耐压只

47、有固定的若干等级，不能随意设计。比如在低压配电系统中，就只有耐压230V与400V的电力电容器可供选择。由于电容器串联在电路中，电容器中的电流即为负荷电流，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器中流过的电流等于电容器的额定电流，电容器得到充分的利用，因此，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器的成本最低。 实际的串联滤波器成本主要由电感与电容器的成本构成。串联谐振的电感与电容对基波的阻抗相等并且电流相同，因此电感与电容的基波工作电压相同。前面已经说明，当电容器的实际工作电压等于其额定电压时，电容器的成本最低，因此电感的实际工作电压应该等于电容器的额定电压。电容器的额定电压等级大

48、都与电网电压相当，如果电感的实际工作电压等于电容器的额定电压，相当于电感阻抗与负荷阻抗相当，可以取得最好的性能价格比。在这个基础上，如果提高电感的感抗，虽然滤波效果可以提高但提高不多，电感的成本增加，电容器需要串联，成本急剧增加，性能价格比下降，因此电感的基波感抗大于负荷等效基波阻抗的200%没有实际意义，如果降低电感的感抗，则滤波效果下降，电感的成本降低，电容器的容量增加因此成本增加，性能价格比也下降。为了获得足够的可靠性，电感与电容器的实际工作电压应略低于电容器的额定电压。 当谐波电流由外网窜入而影响内网负荷设备的正常运行时，在电源与负荷设备之间接入串联滤波器就可以阻挡谐波保证负荷设备的正

49、常运行。 当谐波由内网设备产生而影响系统时，产生谐波的设备即为谐波源，在谐波源与电源之间接入串联滤波器就可以使谐波源产生的谐波电流大幅度减小。这里需要注意：串联滤波器使谐波源自身产生的谐波电流减小，相当于使污染源产生的污染减小，是治本的手段。而并联滤波器并不能减小谐波源产生的谐波，而是为谐波电流提供一个低阻抗的通道，避免谐波电流污染系统，相当于先污染再治理的方式，是治标的手段。不仅如此，由于并联滤波器对谐波的阻抗很低，通常会使谐波源产生更大的谐波电流。 当串联滤波器连接在电源与谐波源之间时，谐波源的输入电压波形会发生严重畸变，正时这种电压波形的畸变使得谐波源的电流接近正弦波。这种输入电压波形畸

50、变可能会影响谐波源控制电路的正常运行，如果出现控制电路不能正常运行的情况，应该将控制电路的电源改接至串联滤波器的前端。8.2、有源谐波滤除装置有源谐波滤除装置是在无源滤波装置的基础上发展起来的。 8.2.1、有源滤波装置的优点 有源滤波装置能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。 8.2.2、有源滤波装置的缺点 有源滤波装置由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，成本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成本也就高得多了。 8.2.3、有源滤波装置的原理 有源滤波装置主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率

51、、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。 8.2.4、有源滤波装置的适用场合 有源滤波器主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统，尤其是写字楼的供电系统，工厂的计算机控制供电系统。 8.2.5、有源滤波装置的现状 对单台的有源滤波装置而言，其利润是可观的，但用户一般不愿意用有源滤波，对于谐波的含量，不必滤得太干净，只要不危害其他用电器也就可以了。8.3、无功补偿人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易举的。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获得公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要性的认识，却是一致

52、的。无功补偿应包含对基波无功功率补偿和对谐波无功功率的补偿。 8.3.1、谐波和无功功率的产生 在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。 电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。 如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是

53、要消耗无功功率的。二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以基本不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率。 近30年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严惩的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。 但其输入电流的谐

54、波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。 8.3.2、无功补偿概述 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。 不仅大多数网络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。 网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经

55、过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。 8.3.3、无功功率的影响 8.3.3.1、无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。 8.3.3.2、无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。 8.3.3.3、使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。 8.3.4、无功补偿的作用 无功补偿的作用主要有以下几点： 8.3.4.

56、1、提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 8.3.4.2、稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 8.3.4.3、在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负载。编辑本段九、谐波污染治理为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。 目前，治理谐波的主要方法

57、就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流，现在广泛采用的滤波器为无源滤波器。9.1、谐波治理标准到了50年代和60年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量论文。 70年代以来，由于电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。GB/T 1454993 电能质量 公用电网谐波。该标准对不同电压等级各次谐波允许注入值都作了具体规定，其规定公用电网谐波电压（相电压）限值。9.2、滤波器及其种类常用的滤波器，大致分为以下七种类型： 9.2.1、单调谐波滤波器 单调谐滤波器通频带窄，滤波效果好，损耗小，调谐容易，是使用最多的一种类型。 9.2.2、双调谐滤波器 双调谐滤波器可替代两个单调谐滤波器，只有一个电抗器（L1）承受全部冲击电压，但接线复杂，调谐困难，仅在超高压系统中使用。 9.2.3、一阶高通滤波器 一阶高通滤波器因基波损耗大，一般不采用。 9.2.4、二阶高通滤波器 二阶高通滤