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谐波问题交流. 广东电信研究院动力室. 谐波问题交流 ( 上 ). 一、什么是谐波 二、谐波的产生 三、谐波的危害 四、谐波的抑制和消除. 一、什么是谐波. 来源. “ 谐波 ” 一词起源于声学。 18 世纪人们就已经用数学对谐波进行分析。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在 20 世纪 20 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。. 定义.
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谐波问题交流 广东电信研究院动力室
谐波问题交流(上) • 一、什么是谐波 • 二、谐波的产生 • 三、谐波的危害 • 四、谐波的抑制和消除
来源 • “谐波”一词起源于声学。 18世纪人们就已经用数学对谐波进行分析。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20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。
定义 • 根据国标《电能质量 公用电网GB/T 14549-93》的定义：“谐波（分量）为对周期性交流分量进行傅立叶分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。”也就是说谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整倍数。
fundamental fundamental distorted wave 5th harmonic harmonics 7th harmonic 一个正弦波在5次谐波和7次谐波的影响下怎样发生畸变。（相对于基波的24%和9%）。 基波和谐波 引起的失真波形
那么对于一个电流波形，我们怎么分析他含有的谐波呢？那么对于一个电流波形，我们怎么分析他含有的谐波呢？
一般的，我们一个周期函数可表示如下： 发电厂出来的电可表示为：
例如有一方波函数 f(t)=2 0≤t≤T/2 f(t)=- 2 T/2≤t≤T
合成图 5次合成图形 9次合成图形
一般的，我们研究的电压、电流的瞬时值可以展开为：一般的，我们研究的电压、电流的瞬时值可以展开为：
在工程实际中常采用有效值来衡量电流和电压的大小。以周期电流i(t)为例，其有效值I定义为在工程实际中常采用有效值来衡量电流和电压的大小。以周期电流i(t)为例，其有效值I定义为
定义 • 非正弦周期电压或电流的有效值等于它的恒定分量的平方和各次谐波有效值的平方之和的平方根。
表示谐波的参量 为了表示畸变波形偏离正弦波形的程 度，最常用的特征量： • 谐波含量 • 总畸变率 • h次谐波的含有率
所谓谐波含量，就是各次谐波的平方和开方。 谐波电流总畸变率 第h次谐波电流含有率
谐波电流的功率分析 • 有功功率P 因为不同频率正弦波瞬时值的乘积在一个周期内的平均值等于零，经积分后得 这就是说，非正弦周期量的平均功率等于恒定功率分量与各次谐波构成的平均功率之和，即仅有同频率的电压和电流才构成有功功率，而不同频率的电压和电流则不构成有功功率。
无功功率Q 我们知道，在正弦电路里无功功率表示电磁能量交换的最大值。可是在非正弦情况下，按上式计算时，由于可以在四个象限之内，可能是正，也可能是负，所以各次可能相互抵消，甚至出现Q为零，但电流中的无功分量却不为零，也就是它不再有能量交换最大量度等物理意义了。Q只是表明由于各次谐波电压和电流存在相位差而产生的无功功率之和。
视在功率S • 在非正弦波的情况下，视在功率仍可定义为 显然 而是
畸变功率 • 因Q只是同频电压和电流存在相位差引起的无功功率的总和，而交换功率中尚包含有不同次频率电压和电流引起的部分。于是引入畸变功率D，使得
D和Q的区别 • Q是由同频率电压和电流间的相位差引起的。 • D是由于波形畸变，不同频率电压和电流相互作用引起的。
在存在非线性负荷的情况，即使没有储能元件，也可能产生无功功率。由线性的储能元件引起电压和电流间的相位差别而产生的无功功率，可以利用线性元件（电容或电感）加以补偿，而由非线性负荷或元件引起的谐波，则不能简单地用线性元件加以补偿。在存在非线性负荷的情况，即使没有储能元件，也可能产生无功功率。由线性的储能元件引起电压和电流间的相位差别而产生的无功功率，可以利用线性元件（电容或电感）加以补偿，而由非线性负荷或元件引起的谐波，则不能简单地用线性元件加以补偿。
计算的简化 通常电压的波形畸变都很小，而电流波形的畸变则可能很大，因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波时的情况有较大的实际意义。而且直流分量一般也很小，在这忽略不计。
这样Q和D都有了明确的物理意义。Q是基波电流产生的无功功率，D是谐波电流产生的无功功率。这样Q和D都有了明确的物理意义。Q是基波电流产生的无功功率，D是谐波电流产生的无功功率。
含有谐波的功率因数 式中γ＝I1/ I，即基波电流和总电流有效值之比，称为基波因数。而cos（α1－β1）称为位移因数或基波功率因数。可以看出，在非正弦电路中，功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因数决定的。总电流也可以分为基波有功电流，基波无功电流和谐波电流三部份组成。谐波电流含量越大，功率因数就越低。
二、谐波的产生 • 整流元器件是最主要的谐波源。如UPS，开关电源，变频器等都含有整流器。这些元件轮回地导通和关断，造成了交流电源回路的波形强行发生了变化，使得正弦波产生畸变。电流波形不再是正弦波形。
利用傅立叶级数进行分解 基波正弦波 各次谐波
1. 电压畸变度变大 • 我们维护规程规定电压波形正弦畸变不大于5％，但是由于大量的谐波电流存在，使输入电压发生了畸变，经测试，个别局（站）的电压畸变度已经大于5％，不符合我们交流供电的质量指标了。
谐波 含量 10% 20% 30% 40% 50% 60% 70% 80% 功率 因数 0．99 0．98 0．96 0．93 0．89 0．86 0．82 0．78 2.谐波电流的大量存在，将降低设备的输入功率因数。 在不考虑相位差的情况下，谐波对功率因数的影响如下： 一般的，设备的输入功率因数如下式 ：
功率因数的影响 • 无功损耗增大，降低了设备的利用率。 • 降低了企业总的输入功率因数，可能要多缴电费：一般在供电合同中都明确有规定，用户功率因数在高峰负荷期间应达到cosφn（对于我们电信企业，一般取0.9），高于这个标准者可以少缴电费（奖），低于这个标准则要多缴电费（罚）。
3.谐振问题 为了补偿设备的无功功率，提高功率因数在低压 配电处一般并联装有电容补偿滤波器。 在工频情况下，这些电容器的容抗比系统 的感抗大得多，不产生谐振。 但是如果谐波含量高，这些谐波使电容的容抗变 小而使系统的感抗变大，这样就容易产生谐振， 使谐波电流经过电容器时进一步放大，使电容过 热、寿命缩短，严重时甚至引起爆炸。
4.谐波对油机的影响（一） 柴油发电机组的内阻相对市电来说大了很多 ，非 线性负载产生的谐波电流引起的电压畸变就大很 多，造成油机输出电压失真严重。这就会造成： • 控制部分可能对失真严重的输出波形发生误判断，认为是过压、超频等原因，从而造成油机停机； • 输出电压不稳，输出高压造成所带负载烧毁。
发电机组允许的电压畸变度 发电机组允许带负载的百分比 12脉冲整流UPS 6脉冲整流UPS 单相整流UPS 5% 78% 42% 22% 10% 100% 69% 36% 15% 100% 96% 52% 4.谐波对油机的影响（二） 下表为不同非线性负载对柴油发电机组 （200KVA）输出电压畸变度的影响。
5.谐波对能耗的影响 • 对变压器的影响 ： 对变压器而言，谐波电流可导致铜损和 杂散损耗增加，谐波电压则会增加铁损。与 纯基波运行的正弦波电流和电压相比较， 谐波对变压器的整体影响是温升较高。 由谐波所引起的额外损耗将与电流和频 率的平方成比例上升，进而导致变压器的基 波负载容量下降。
5.谐波对能耗的影响 • 对电缆的影响 在导体中非正弦波电流所产生的热量与 具有相同均方根值的纯正弦波电流相比较， 非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由 众所周知的集肤效应所引起的，而这种现象 取决于频率及导体的尺寸。这种效应如同增 加导体交流电阻，进而导致损耗增加。
式中 Rh－h次谐波频率下的线路电阻。 Rh随频率升高而增加，例如直径为0.76cm的圆形导体，其基波及5、7、11次谐波的交流电阻分别为直流电阻的1.01，1.21，1.35倍及1.65倍。导线的直径愈大，因集肤效应而使谐波频率下的电阻增加愈明显，谐波产生的附加损耗也越大。
例：基波电流300A,含有100A谐波电流的导线，其损耗可计算得：例：基波电流300A,含有100A谐波电流的导线，其损耗可计算得： 电阻取0.5欧 一年耗费电费
值得注意的地方 • 虽然谐波治理可以带来一定的节能效果，但谐波治理的主要目的不是为了节能。
6.谐波电流产生的电磁干扰 • 谐波的存在，会使控制设备损坏或出现误动作的几率大大增加。电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，如可编程控制器(PLC)，通常要求总谐波电压畸变率(VTHD)小于5%，且个别谐波电压畸变率低于3%，较高的畸变量可导致控制设备误动作。这也是为什么一些大型UPS控制板容易烧坏，以及一些监控设备出现误动作的重要原因。
四、谐波的抑制和消除 • 采用新型的设备 • 增加滤波器
采用新技术的设备 • 可以从源头上减少谐波电流。比如12脉冲的ups。
滤波器 分为无源滤波器和有源滤波器
无源滤波器 • 无源滤波器由电容器和电抗器串联而成，并调谐在某个特定谐波频率。滤波器对其所调谐的谐波来说是一个低阻抗的“陷阱”。理论上，滤波器在其调谐频率处阻抗为零，因此可吸收掉要滤出的谐波。
无源滤波器的不足（一） • 只能抑制固定的几次谐波，并且对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大，引起其他事故； • 只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；
