電力電子裝置帶來的危害與對策

1、電力電子裝置帶來的危害及對策摘要： 隨著電力電子裝置在電力系統(tǒng)的廣泛應用， 電力電子裝置產生了諧波污染， 給電力系統(tǒng)和各類用電設備都帶來危害， 而且降低了系統(tǒng)功率因數。 本文介紹了電力電子裝置帶來的危害及對策。關鍵詞： 電力電子裝置諧波 APF PWM 整流 功率因數補償引言電力電子技術是近年迅速發(fā)展的一種高新技術， 它是集電力技術、 微電子技術和信息控制技術于一體的一門新學科。 隨著電力電子技術的發(fā)展， 廣泛應用于電力系統(tǒng)中， 給電力系統(tǒng)帶來了新的活力。電力電子裝置中的相控整流和不可控二極管整流使輸入電流波形發(fā)生嚴重畸變， 不但大大降低了系統(tǒng)的功率因數， 還引起了嚴重的諧波污染。 另外， 硬

2、件電路中電壓和電流的急劇變化， 使得電力電子器件承受很大的電應力， 并給周圍的電氣設備及電波造成嚴重的電磁干擾 (EMl) ，而且情況日趨嚴重。隨著節(jié)能技術和自動化技術的推廣， 電力電子裝置如變流設備、 變頻設備等， 容量日益擴大， 數量日益增多， 電力電子裝置帶來的危害愈來愈嚴重， 給電力系統(tǒng)和各類用電設備都帶來危害。輕則增加能耗，縮短壽命，重則造成用電事故，直接影響安全生產。因此， 采取措施，抑制以及消除這些電力公害是電力電子技術領域中一項重要的研究課題。一、電力電子裝置帶來的危害1 諧波“諧波” 一詞起源于聲學。 有關諧波的數學分析在18 世紀和 19 世紀已經奠定了良好的基礎。傅里葉等

3、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。 后來， 由于高壓直流輸電技術和電力電子技術的發(fā)展， 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。國際電氣電子工程師協會(IEEE)、國際電工委員會(IEC)和國際大電網會議(CIGRE) 紛紛推出了自己的諧波標準。我國政府也分別于1984 年和 1993 年制定 了限制諧波的有關規(guī)定。在電力電子裝置中，整流器、逆變器和斬波器等都是由電力電

4、子開關元件構成的電能變 換裝置。這些裝置對于電網來說都是非線性負載，它們派生出的有害高次諧波電流“注入” 電網，就造成了對電網的“諧波污染”。以單相橋式全控整流電路為例，可以看到 ，它做為一個感性負載，其電壓和電流波形如圖 1所示。圖中，a為控制角，u s和1 s分別為變壓器副邊的電壓和電流波形1 s的波形為方波,其中含有大量的諧波成分，與正弦波形相差甚遠，這種現象稱為網側電流發(fā)生畸變。1 s中的基波有效值與交流電流的有效值的比值定義為畸變因數，表示電流波形含有高次諧波的程度，它的理想值為1。單相橋式全控整流電路的畸變因數小于三相橋式整流電路的 畸變因數，即相數增加，畸變因數變大，諧波成分減少

5、。而多相其它接線方式的畸變因數近似為1,這是因為其電路中的電流波形呈二階梯波(六脈波)或三階梯波(十二脈波)形狀接近正弦波。圖1單相橋式全控整流電路的電壓和電流波危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(guī)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，使用電設備所處的環(huán)境惡化。電力諧波對公用電網和其他系統(tǒng)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(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。(2)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 產生機械振

6、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。(3)諧波會引起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，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。(4)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(tǒng)無法正常工作。3.對功率因數的影響在工業(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

7、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、相控交流功率調整電路和周波變流器，在工作時基波電流滯后于電網電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。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。根據網側功率因數定義：1 S1、PF () con iI S可知，整流裝置的網側功率因數總

8、是小于1,即使基波電流與網側電壓是同相的；隨著相控角的增大，網側功率因數還將隨之減小。直流側采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴重的諧波污染源。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。無功功率的損耗對電力系統(tǒng)的影響主要有以下幾個方面：(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。(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。(3

9、)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，還會使電壓產生劇 烈波動，使供電質量嚴重降低。、改善措施1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；另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產生諧波。1. 1諧波補償1.1 .1無源電力濾波器傳統(tǒng)的諧波補償裝置是采用LC調諧濾波器（無源電力濾波器），它既可補償諧波，又可補償無功功率。無源電力濾波器（PassiveFilter,縮寫為PF）由于其結構簡單、運行可靠、維護方便， 因此被廣泛地用來就近吸收諧波源所產生的諧波電流，降低供電點的諧波電壓。無源電力濾波器一般由電力電容器、

10、電抗器和電阻器適當組合而成，運行中它和諧波源并聯，除起濾波作用外還兼顧無功補償的需要。如圖 2所示。-0-圖2供電系統(tǒng)圖其缺點是，補償特性受電網阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯諧振，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，效果也不夠理想。但 這種補償裝置結構簡單，目前仍被廣泛應用。1.2 . 2有源電力濾波器電力電子器件普及應用之后，運用有源電力濾波器（ActivePowerFilter,縮寫為APF）進行諧波補償成為重要方向。且補償特性不受電網阻抗的影這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償, 響。它已得到人們的重視，并將逐步推廣應用。有源電力濾波

11、器的基本原理是實時檢測電網諧波，利用可控電力電子器件產生與之大小相等、相位相反的電流，注入電網，從而達到實時補償諧波電流的目的。因此有源電力濾波器 從理論上講可以產生任意波形的電流。如圖3所示。與傳統(tǒng)的無源濾波器一樣，有源電力濾波器也是給諧波電流或諧波電壓提供一個在諧振APF與系統(tǒng)的頻率處等效導納為無究大的并聯網絡或等效阻抗為無窮大的串聯網絡。根據 連接方式可將 APF分為并聯型APF、串聯型APF、混合型APF。并聯型APF如圖4所示。APF通過檢測負荷電流，產生與負荷諧波電流大小相等、相位 相反的諧波電流注入電網 ，從而抵消負荷諧波電流，使電源側電流接近正弦波。因此，并聯型APF可以看成是

12、一個諧波電流發(fā)生器 適合補償電流型諧波源。，相當于一個受控電流源與負荷并聯。所以，并聯型apf圖§井寐型有源電力濾波器框圖串聯型APF如圖5所示。串聯APF通過一個耦合變壓器連接到配電網中檢測電源電壓產生與電源諧波電壓大小相等、相位相反的諧波電壓，從而使負荷端電壓接近正弦波。串聯型APF相當于受控電壓源，以電壓源的方式補償電網中存在的暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)電壓畸變。因此在某些，f#況下，并聯、串聯有源電力濾波器以及無源濾波器的組合方案可以滿足多種補 償要求。1. 2另一種方法是改革變流器的工作機理，抑制諧波。1.2.1多重化技術大容量變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術，將多個方波疊加以消除

13、次數較低的諧波，從而得到接近正弦的階梯波。重數越多，波形越接近正弦，但電路結構越復雜。其中，整流器的多重化是將幾個橋式整流電路多重聯結以減少輸入電流諧波，并采用自換相整流電路以提高位移因數。多重化也可用于二極管整流電路，如電容濾波二極管整流電路。從電壓的角度，可以利用雙繞組變壓器通過移相疊加，形成多階梯的輸出電壓波形；也可以采用雙繞組變壓器和三繞組變壓器相結合的辦法，通過“曲折連接”來達到增大容量消除諧波的目的。圖6為基于多重化逆變器的直流側電路的變壓器曲折連接圖。1x圖6變壓器曲折連接電路1.2.2 PWM整流技術幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數變流器主要采用PWM整流技術。它直接對整流橋上各電

14、力電子器件進行正弦 PWM控制，使得輸入電流接近正弦波，其相位與電源相電壓相位相同。這樣，輸入電流中就只含與開關頻率有關的高次諧波，這些諧波次數高，容易濾除，同 時也使功率因數接近 1。如圖7,為了便于分析整流器，我們將其逆變器等效為一個電阻Z0和一個電動勢 EL相串聯。PWM航源德a 7 PWM整流器等值電珞得到PWM整流器的通用數學模型: .Z X AX BEX (Ii,l2,l3,Vd)TE(Vei ,Ve2,Ve3,El)T(LQ0O,Z=OLo000L00 0 0。1 0 0 0"0 10 0B = Q 0 1 00 0 o 5IWoJ公式中沒有對開關函數 d加任何限制，可

15、以普遍的應用于各種PWM開關方案。采用PWM整流器作為AC/DC變換的PWM逆變器，就是所謂的雙 PWM變頻器。它具有輸入電壓、電流頻率固定，波形均為正弦，功率因數接近1,輸出電壓、電流頻率可變，電流波形也為正弦的特點。這種變頻器可實現四象限運行，從而達到能量的雙向傳送。1.2.3 PWM 斬波小容量變流器為了實現低諧波和高功率因數，一般采用二極管整流加 PWM斬波，常稱之為功率因數校正（PEC）。典型的電路有升壓型、降壓型、升降壓型等。采用IGBT的交流斬波器如圖 8所示，其輸入和輸出均為正弦交流電壓，且輸出電壓還可通過改變柵極控制脈沖的占空比來調節(jié)。圖片單相交流析波器2.功率因數補償2.

16、1同步調相機功率因數補償早期的方法是采用同步調相機，它是專門用來產生無功功率的同步電機， 利用過勵磁和欠勵磁分別發(fā)出不同大小的容性或感性無功功率。然而，由于它是旋轉電機， 噪聲和損耗都較大，運行維護也復雜，響應速度慢，因此，在很多情況下已無法適應快速無 功功率補償的要求。2. 2靜止無功補償器另一種方法是采用飽和電抗器的靜止無功補償裝置。它具有靜止型和響應速度快的優(yōu)點，但由于其鐵心需磁化到飽和狀態(tài)，損耗和噪聲都很大， 而且存在非線性電路的一些特殊問題，又不能分相調節(jié)以補償負載的不平衡，所以未能占據靜止無功補償裝置的主流。2. 3靜止無功發(fā)生器隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，使用SCR、GTO和IG

17、BT等的靜止無功補償裝置得到了長足發(fā)展，其中以靜止無功發(fā)生器最為優(yōu)越。它具有調節(jié)速度快、運行范圍寬的優(yōu)點，而 且在采取多重化、多電平或PWM技術等措施后，可大大減少補償電流中諧波含量。更重要的是，靜止無功發(fā)生器使用的電抗器和電容元件小，大大縮小裝置的體積和成本。靜止無功發(fā)生器代表著動態(tài)無功補償裝置的發(fā)展方向。靜止無功發(fā)生器（SVG）通過注入與補償電流大小相等、方向相反的電流來工作，它能同 時實現無功補償、高次諧波消除及不對稱三相的對稱化可大大提高電力系統(tǒng)的可靠性、安全性和穩(wěn)定性。圖9為SVG的工作原理結構圖，它由主電路和控制系統(tǒng)兩部分構成。主電路的交流側 由可控開關S1S6構成三相逆變器，直流

18、側由二極管D1D6組成三相整流器以從交流系統(tǒng)吸收少量有功電流對儲能電容器C充電，故其電壓不需要外加電源來維持。之所以用它來作為SVG,是因為它借助于適當的控制方法可以補償開關頻率以下的任何頻率的電流。 由于高壓電力系統(tǒng)需要大容量的SVG, S1S6一般采用GTO2,且用多組逆變器通過串聯和并聯方式構成，以進一步增大SVG的容量。依荷(Tt，L Lu之勢尋之等11H s； 一zSZ /&5ZDq* P.U控制系統(tǒng)圖9 SVG的工作原理結構圖采用曲折變壓器連接等多重化方法，改進SVG設備電路，可以消除自身諧波。2. 4有源濾波器前面介紹的電力有源濾波器也能校正功率因數，補償無功。2. 5從

19、變流裝置自身采取措施2. 5. 1減小控制角a由于整流電路中的功率因數隨控制角a的增加而惡化，因此，對于需要在低電壓情況下長期且相對穩(wěn)定工作的負載，可采用改變整流變壓器接頭的辦法，以降低交流電源的電壓。這樣，當要求負載電壓一定時，控制角a可前移，即工作在a較小的情況，使功率因數提高。如需輸出高電壓時，升高交流電源電壓，仍使控制角a在較小的情況下工作。這種方法的缺點是不能連續(xù)調節(jié)。2. 5. 2用兩組對稱的整流橋串聯如果要求輸出同樣的有功功率時，則用兩組對稱整流橋串聯比用一組整流橋供電時的功率因數要高。這個問題可用圖解法加以說明，圖10表示的是供電線路圖。2S,輸出電壓為 Ud;圖10(b)中S

20、,輸出電壓分別為Ud1和P、S和Q之間的關系如圖 11 =“1時，則有功功率為 OD,(G 一組橋b)兩組橋串聯圖1。整流供電線路其中圖10(a)中由一組三相橋供電時，設變壓器容量為 由兩組三相橋串聯供電時，需兩臺變壓器，設變壓器容量各為 Ud2,且Ud1+Ud2=Ud。這樣，可保證輸出功率相等。利用圖解法，可畫出由一組橋供電和兩組橋串聯供電時 所示。由圖11可見，假如由一組橋供電處于整流狀態(tài)，且a無功功率為A1D。由兩組橋串聯供電時，使橋的控制角為最小保護角a0,而橋的控制角由a 0增加到a 1,由圖11可見,有功功率仍為 OD,而無功功率變?yōu)?QD,較一組橋供電時, 無功功率減小了 A1Q

21、。由于無功功率減小，所以功率因數提高了。圖11有功和無功功率圖解另外，兩組橋串聯工作時，變壓器中一臺為三角形接法，另一臺為星形接法，這種組合方法可以消除高次諧波，使電流波形畸變減小，同樣也可以起到提高功率因數的效果。2. 5. 3超前相角控制通常情況下，變流裝置所帶負載中電感性負載較多，因此電流總是落后于電壓一定的角度4。隨著控制角a的增加，。角隨之加大，功率因數降低，這種情況屬于滯后相位控制。如果我們進行超前相角控制，使其成為容性負載，這樣功率因數就可以提高。圖12為三相半波整流電路輸出的電壓電流波形，下面來分析超前控制的可能性。在自 然換相點之前 Q角使已開通的晶閘管關斷，同時按相序給下一

22、個晶閘管觸發(fā)使其開通。從 波形圖可見，ua的中線為a-a, ia的中線為a' -a' , ia超前ua 一個角度（H這說明超前控制的可能性是存在的。同時，還可以看出，這種控制方法和滯后控制“時，整流電壓的波形雖然形狀略有不同， 但其平均值是近似相等的， 即超前相角控制和滯后相角控制具有近似相等的整流電壓調速范圍。然而， 實現超前相角的控制并不僅僅是觸發(fā)信號的位置變化， 因為要使晶閘管關斷， 必須使其陰極電位高于陽極電位， 可是在自然換相點前， 后一相的相電壓總是低于前一相的相電壓，所以就產生了一個問題 : 即開通的晶閘管關不斷，應開通的晶閘管觸發(fā)不開。因此，要實現超前相角控制時

23、， 就要采取強迫換流的措施， 迫使前一相晶閘管超前關斷， 使后一相開通， 這當然比滯后角控制要復雜些。 根據理論分析， 實現超前相角控制所采取的措施是在原來線路的基礎上， 加裝平衡電抗器和電容器。 平衡電抗器的作用是對負載電流起作用， 電容器的作用是產生一個附加電勢， 預先加到開通的后一相晶閘管陽極上， 使后一相的陽極合成電勢大于前一相開通的陽極電壓，滿足超前開通條件。結論 :我查閱了電力電子裝置危害及其對策的書籍及文獻， 對電力電子裝置產生的危害、 抑制 電力電子裝置產生諧波和改善功率因數的措施進行了小結。參考文獻：1 趙良炳 . 現代電力電子技術基礎. 清華大學出版社2 徐魯等 . 現代電

24、力電子技術的發(fā)展和應用 . 山東電力技術3 鄭同江 . 電力電子裝置的諧波危害及其抑制對策. 天津理工學院學報.4 王兆安.諧波抑制和無功功率補償. 機械工業(yè)出版社5 卓放 . 有源電力濾波器技術的發(fā)展與電能質量的提高. 電工技術雜志6 張笑微.變頻器的理想整流部件PWM整流器 . 西南工學院學報7 蘇文武.無功補償與電力電子技術. 機械工業(yè)出版社8 張崇巍 . PWM 整流器及其控制 . 機械工業(yè)出版社9 李守智 . 一種有效的三相 PWM 整流控制方案. 電力電子技術10 李圣清 . 單相單位功率因數開關變流器諧波電流的分析與補償. 湖南師范大學自然科學學報電力系統(tǒng)中諧波的產生、危害及抑制

25、摘要 : 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展以及電力市場的開放，電能質量問題越來越引起廣泛關注。由于各種非線性負載（諧波源 ）應用普及，產生的諧波對電網的污染日益嚴重。因此，諧波及其抑制技術己成為國內外廣泛關注的課題。在電力電網中，存在大量非線性負載, 引起電網電流波形不再是正弦波。 這一非正弦波可用傅里葉級數分解成為一個直流量， 基波正弦量和一系列頻率為基波頻率整數倍的高次諧波正弦分量之和。 各國對電力電網電壓正弦波形畸變的極限值都有明確的規(guī)定， 要求用戶對接入電網的設備產生的諧波應采取一定措施， 進行抑制。關鍵詞： 電力系統(tǒng)；諧波產生；諧波危害；諧波抑制In power system harmonic g

26、eneration, harm and inhibitionAbstractwith the development of electric power system and power market opening, power quality problems attracting increasing attention. byIn various nonlinear load (harmonic source) application popularization, produce the harmonic for grid of serious pollution. Therefor

27、e, the harmonicAnd its control technology has become great attentions topic. In the power grid, the presence of a nonlinear loads, cause grid current waveform is no longer sine wave. This a non sinusoidal usable Fourier decomposition into a straight flow, base wave sine and a series of frequency for

28、 base wave frequency integer times higher harmonic sinusoidal components combined. Countries to power grid voltage distortion sinusoidal waves of all limits to have specific provision, require the user to access the grid equipment produced a harmonic should adoptKeywords: electric power systems, Har

29、monic; Harmonic harm; Harmonic control電力系統(tǒng)理想的電壓、電流波形是正弦波。但由于電力系統(tǒng)中存在各種非線性元件 , 使電壓和電流波形發(fā)生畸變產生諧波。 諧波會造成電網的功率損耗增加、 設備壽命縮短、 保護功 能失常 , 還會引起變電站局部并聯或串聯諧振, 造成電壓互感器等設備損壞。隨著工業(yè)、 農業(yè)和人民生活水平的不斷提高， 除了需要電能成倍增長， 對供電質量及 供電可靠性的要求也越來越多，電力質量(Power Quality)受到人們的日益 重視。例如，工業(yè)生產中的大型生產線、飛機場、大型金融商廈、大型醫(yī)院等重要場合的計 算機系統(tǒng)一旦失電， 或因受電力網上

30、瞬態(tài)電磁干擾影響， 致使計算機系統(tǒng)無法正常運行， 將 會帶來巨大的經濟損失。電梯、空調等變頻設備、電視機、計算機、復印機、電子式鎮(zhèn)流器 熒光燈等已成為人民日常生活的一部分， 如果這些裝置不能正常運行， 必定擾亂人們的正常 生活。但是，電視機、計算機、復印機、電子式照明設備、變頻調速裝置、開關電源、電弧 爐等用電負載大都是非線性負載， 都是諧波源， 如將這些諧波電流注入公用電網， 必然污染 公用電網，使公用電網電源的波形畸變，增加諧波成份。近幾年，傳感技術、光纖、微電子技術、計算機技術及信息技術日臻成熟。集成度愈來愈高的微電子技術使計算器的功能更加完美， 體積愈來愈小， 從而促使各種電器設備的控

31、制向智能型控制器方向發(fā)展。 隨著微電子技術集成度的提高， 微電子器件工作電壓變得更低，耐壓水平也相對更低，更易受外界電磁場干擾而導致控制單元損壞或失靈。例如，2。世紀7 0年代計算機迅速普遍推廣，電磁干擾及抑制問題更是十分突出，一些功能正常的計算機常出現誤動作，而無法找出原因。1 9 6 6年日本三基電子工業(yè)公司率先開發(fā)了“模擬脈沖的高頻噪音模擬器” ， 將它產生的脈沖注入被試計算機的電源部分， 結果發(fā)現計算機在注入 100-200V脈沖時就誤動作，難怪計算機在現場無法正常工作，其原因之一是計算機的電源受到了污染。 因此，受諧波電流污染的公用電源， 輕者干擾設備正常運行， 影響人們 的正常生活

32、，重者致使工業(yè)上的大型生產線、系統(tǒng)運行癱瘓，會造成嚴重經濟損失。1 、諧波的產生諧波的產生來自于 3 個方面 : 發(fā)電源質量不高 ; 輸配電系統(tǒng);用電設備電源本身諧波由于發(fā)電機制造工藝的問題，致使電樞表面的磁感應強度分布稍稍偏離正弦波，因此，產生的感應電動勢也會稍稍偏離正弦電動勢，即所產生的電流稍偏離正弦電流。 當然，幾個這樣的電源并網時，總電源的電流也將偏離正弦波。二由非線性負載所致1 非線性負載諧波產生的另一個原因是由于非線性負載。當電流流經線性負載時，負載上電流與施加電壓呈線性關系； 而電流流經非線性負載時， 則負載上電流為非正弦電波， 即產生了諧波。2 主要非線性負載裝置(1)開關電源

33、的高次諧波開關電源由五部分組成：一次整流、開關振蕩回路、二次整流、負載和控制，這幾個部分產生的噪聲不完全一樣。 這幾種干擾可以通過電源線等產生輻射干擾， 也可以通過電源 產生傳導干擾。(2)變壓器空載合閘涌流產生諧波鐵心中磁通變化時，會產生81 5倍額定電流的涌流，由于線圈電阻的存在，變壓 器空載合閘涌流一般經過幾個周波即可達到穩(wěn)定。所產生的勵磁涌流所含的諧波成份以3次諧波為主。(3)單相電容器組開斷時的瞬態(tài)過電壓干擾電力電子調速系統(tǒng)普遍應用于工業(yè)中改進電機效率及靈活性設備， 調速裝置內電力電子器件對過電壓特別敏感， 因此線路中瞬態(tài)過電壓會造成調速系統(tǒng)的過電壓保護誤跳閘。 由于 與中壓母線相連

34、的電容器要經常操作，這意味著調速系統(tǒng)誤跳閘事故會經常發(fā)生；(4)電壓互感器鐵磁諧振過電壓在我國1 0 k V、 3 5k V等級的中性點不接地配電網中，為了監(jiān)視對地絕緣，一般采用三相五柱式電壓互感器。 在正常情況下， 三相對地電壓是平衡的， 但是由于發(fā)生單相接地 故障等原因，會導致三相對地電壓平衡的破壞，還有可能使電壓互感器線圈電感L和系統(tǒng)對地電容C在參數上配合，而產生諧振過電壓。(5 )整流器和逆變器產生的諧波電壓、電流整流器的作用將交流電轉成直流電， 而逆變器是將直流電轉變成交流電。 其電路中的二極管視為理想二極管， 即正向阻抗接近零， 反向阻抗無窮大。 因此， 只允許電流單方向流動，從整

35、流器的輸出端看， 每相電流波形為矩形波， 不是正弦波， 利用傅氏級數展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波（5 0Hz基波） 外，還疊加了一系列高次波形一一諧波。 應該說電動機采用變頻器進行調速， 可以高水平完成調速外， 也可以節(jié)省大量電能 （近3 0%）,但如前面分析，變頻調速過程中要產生高次諧波，即形成高次諧波污染，造成廠區(qū)的電視、 音響系統(tǒng)不能正常工作， 還要干擾二次儀表還還壓力、 流量、可編程控制器及智能控制器正常工作，諧波還要使變壓器、電動機、電容器及電抗器產生過熱。（6）電弧爐運行引起電壓波動隨著冶煉工業(yè)的發(fā)展，當然會更多地使用電弧爐， 這是一個重要負荷。 運行時，電極和

36、金屬碎粒之間會發(fā)生頻繁斷路， 而在熔化期間， 電源兩相短路， 一旦熔化金屬從電極上落下，電弧熄滅， 電源又開路， 因此， 可以說冶煉過程是頻繁的短路開路短路的過程，會引起用戶端電壓波動及白熾燈閃爍，一般電壓波動頻率是0 . 1Hz幾十H z ,這種諧波是以3次諧波為主。2、諧波的危害諧波研究的意義，在于諧波的危害十分嚴重，主要表現在以下幾個方面：1 引起供電電壓畸變。2 增加用電設備消耗的功率，降低系統(tǒng)的功率因數。3 增加了輸電線路的損耗，縮短了輸電線壽命。諧波電流一方面在輸電線路上產生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。對于架空線路而言，電暈的產生和電壓峰值

37、有關，雖然電壓基波未超過規(guī)定值，但由于諧波的存在，當諧波電壓與基波電壓峰值重合時，其電壓峰值可能超過允許值而產生電暈，引起電暈，損耗增加。對于電纜輸電情況，諧波電壓正比于其幅值電壓形式增強了介質的電場強度，這會影響電纜的使用壽命。據有關資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約 60 。4 增加變壓器損耗。諧波使變壓器銅耗增大，其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗和導體外部因漏通而引起的雜散損耗。同時也使鐵耗增加。另外，三的倍數次零序電流會在三角形接法的繞組內產生環(huán)流，這一額外的環(huán)流可能會使電流超過額定值。對于帶不對稱負載的變壓器來說，如果負載電流中含有直流分量，會引起變壓器磁路飽和，從而

38、大大增加交流勵磁電流的諧波分量112J 。5 對電容器的影響。諧波對電容器的危害是通過電效應、熱效應和諧振引起諧波電流放大。國內外電網運行經驗表明：受諧波影響而導致的電氣設備損壞中電容器占有最大比例。諧波的存在往往使電壓呈現尖頂波形，最不情況是諧波和基波電壓峰值的疊加，峰值電壓上升使電容器介質更容易發(fā)電。一般來說，電壓升高10，電容器壽命縮短1 2141 。由于諧波使通過電的電流增加，使電容器損耗增加，從而引起電容器發(fā)熱和溫升，加速老化。器溫升每上升8"C ，壽命縮短1 2141 。由于電容器的容抗與頻率成反比，因諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電波形

39、畸變比基波電壓的波形畸變大得多，即使電壓中諧波所占比例不大，也生顯著的諧波電流。特別是在發(fā)生諧振的情況下，很小的諧波電壓就會引起的諧波電流，導致電容器因過流而損害£ D丁J。6 造成繼電保護、自動裝置工作紊亂。諧波改變繼電器的工作特性，這與繼電器的設計特點和原理有關。當有諧波畸變時，依靠采樣數據或過零工作的數字繼電器容易產生誤差。諧波對過電流、欠電壓、距離、頻率繼電器等均會引起誤動、拒動、保護裝置失靈或動作不穩(wěn)定。7 增加感應電動機的損耗，使電動機過熱。另外，當電動機的諧波電流頻率接近某零件固有頻率時，會使電動機產生機械振動，發(fā)出噪聲。8 造成換流裝置不能正常工作。當換流裝置的容量達

40、到電網短路容量的 13 1 2或以上時，或者雖未達到此值而電網參數易引起較低次諧波次數（ 第2次至第9次） 的諧波諧振時，交流電網電壓畸變可能引起常規(guī)控制角的觸發(fā)脈沖間隔不等，并通過正反饋而放大系統(tǒng)的電壓畸變，使整流器工作不穩(wěn)定，對逆變器可能發(fā)生連續(xù)的換相失敗而無法工作。9 引起電力計量誤差。用戶為線性用戶時，諧波潮流主要由系統(tǒng)注入線性用戶，電能表計量的是該用戶吸收的基波電能和部分或全部諧波電能，計量值大于基波電能，線性用戶不但要多交電費，還要受到諧波破壞。用戶為非線性用戶時，用戶除了自身消耗部分諧波，還向電網輸送諧波，電能表計量電能時基波電能和扣除這部分諧波電能的部分和或全部和，計量值小于基

41、波電能。因此，非線性用戶 （ 諧波源 ） 不僅污染電網，還少交了電費。10 干擾通信系統(tǒng)。諧波通過電容禍合、電磁感應、電氣傳導對通信系統(tǒng)產生干擾，如損害通話清晰度、引起危害過電壓等。11對其它設備影響。諧波還會對以下設備產生影響：使斷路器斷弧困難，斷路器開斷能力降低；引起避雷器諧波過電壓而損害；延遲或阻礙消弧線圈滅弧作用；電壓互感器由于諧振而損害；增大中性線電流；電視機圖像變壞、翻滾：收音機引起雜音；微機系統(tǒng)、數據傳輸系統(tǒng)、自動錄波系統(tǒng)出現數據丟失、誤動、誤顯示和波形異常等。3 、 諧波抑制技術1、整機電源需留有較大貯備量為了使測量、控制裝置能滿足負載較大變化范圍，因此在設計整機電源時，可給予

42、較大貯備量，一般選取0. 5-1倍余量；2、對干擾大的設備與測控裝置采用不同相線供電因為測量、控制裝置的許多干擾是由電源線竄入的，因此在規(guī)劃供電線路時，對干擾大的設備與測控裝置采用不同相線供電，；3、分開測量、控制裝置的供電與動力裝置的供電因為動力裝置的負荷變動大，測量、控制、微機及電視機的負荷小，動力裝置產生的干擾大，供電電源分開后，測量、控制、微機及電視機的電源與動力裝置的電源相互隔離，可以大大減少通過電源線的干擾。二、其余抑制高次諧波的技術1、開關電源干擾的抑制技術一般采用的辦法是： 電源濾波、 屏蔽及減少開關電源本身干擾能量。 采用電源濾波器，電源濾波器可以阻止電網中的干擾進入開關電源

43、， 也可以阻止開關電源的干擾進入電網。 屏 蔽技術可以有效地防止向外輻射干擾。減少開關電源本身干擾，利用改善線圈繞制工藝，確保繞組之間緊密耦合，以減少變壓器漏感。 還可以在高頻整流二極管上串入可飽和磁芯線圈， 利用流過反向電流時， 因磁芯不飽和而產生的較大電勢阻止反向電流上升。2 、變壓器空載合閘涌流抑止方法根據方程1=一1!1(2 0$(31 + 00)=蟲111$11131,如果合閘時，9 =90(即UI = U 1 m便合閘)，則：1= 一mcos(0)1: + 00)=蟲111$1113 t沒有暫態(tài)分量，合閘后磁通立即進入穩(wěn)定狀態(tài)，理論上可以避免沖擊涌流過程。3、抑制單相電容器組開斷瞬

44、態(tài)過電壓方法如果采用選相斷路器投切電容器，則可以消除或大大降低投切電容器產生的瞬態(tài)過電壓， 從而使接在母線上的電力電子調速系統(tǒng)可以穩(wěn)定地工作， 接在母線上的其余設備也可不受過電壓干擾的影響。4、 抑制電壓互感器鐵磁諧振方法其方法是要使它脫離諧振區(qū)，采用中性點不接地的電壓互感器或采用電容分壓器可以從根本上避免鐵磁諧振。5、 抑止整流和逆變產生的諧波(1 )在變頻器前加裝電源濾波器。一種成本比較低的方法是在電源側加裝三只6 8 0 M2 5 0 VAC的電容，(分別接在LN上)這種方法可使電磁干擾電流降至原來的1/1 0 ,效果較明顯；(2)變頻器的電源電纜采用屏蔽電纜，屏蔽電纜穿鐵管并接地，輸出電纜也穿鐵管并接地，屏蔽層應在接變頻器處和電機處兩端都接地。6 、抑止電弧爐運行時的干擾(1)在合適地段加入電容補償裝置，補償無功波動;(2 )可以重新安排供電系統(tǒng)。一種新的諧波抑制方案(1)三相整流變壓器采用 Y 或 Y,這樣聯接可以消除 3的整數倍的高次諧波, 電網中的諧波電流只有 5、7、11、13等奇次諧波。(2)增加整流變壓器二次側的相數。整