諧波是一系列的正弦波，其頻率是基波的整數(shù)倍這一系列的正弦波中，存在無數(shù)種頻率不同、幅值不同的頻率波，這些正弦波會造成電力系統(tǒng)中的正弦電流以及電力系統(tǒng)電壓不對稱，對系統(tǒng)造成非常嚴(yán)重的危害。

　　因?yàn)橹C波的危害十分嚴(yán)重，研究諧波的意義重大，諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴(yán)重干擾。

　　什么叫諧波

　　“諧波”一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在18世紀(jì)和19世紀(jì)已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代和30年代就引起了人們的注意。當(dāng)時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。

　　在電力系統(tǒng)中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。諧波頻率是基波頻率的整倍數(shù)，根據(jù)法國數(shù)學(xué)家傅立葉（M．Fourier）分析原理證明，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以區(qū)分為偶次與奇次性，第3、5、7次編號的為奇次諧波，而2、4、6、8等為偶次諧波，如基波為50Hz時，2次諧波為l00Hz，3次諧波則是150Hz。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統(tǒng)中， 由于對稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負(fù)載， 出現(xiàn)的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13、17、19等，變頻器主要產(chǎn)生5、7次諧波。

　　到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文。70年代以來，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。世界各國都對諧波問題予以充分和關(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會議，不少國家和國際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定。

　　從嚴(yán)格的意義來講，諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解，其余大于基波頻率的電流產(chǎn)生的電量。從廣義上講，由于交流電網(wǎng)有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波，這時“諧波”這個詞的的意義已經(jīng)變得與原意有些不符。正是因?yàn)閺V義的諧波概念，才有了“分?jǐn)?shù)諧波”、“間諧波”、“次諧波”等等說法。

　　諧波產(chǎn)生的原因

? ? ? ?由于正弦電壓加壓于非線性負(fù)載，基波電流發(fā)生畸變產(chǎn)生諧波。主要非線性負(fù)載有UPS、開關(guān)電源、整流器、變頻器、逆變器等。

　　電力系統(tǒng)向非線性設(shè)備以及負(fù)荷設(shè)備供電時會產(chǎn)生高次諧波電力系統(tǒng)向這些設(shè)備傳遞和供給基波能量的同時，也將一部分的基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量，進(jìn)而產(chǎn)生高次諧波，這一系列高次諧波導(dǎo)致電力系統(tǒng)中的電壓和電流波嚴(yán)重畸變，對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性造成巨大的影響。

　　抑制諧波的措施有哪些？

　　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(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波，這對各種諧波源都是適用的;另一條是對電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1，這當(dāng)然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。

　　裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調(diào)諧濾波器。這種方法既可補(bǔ)償諧波，又可補(bǔ)償無功功率，而且結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不甚理想。

　　1加裝無源濾波器 （PassivePowerFilter，簡稱PPF）

　　無源濾波器安裝在電力電子設(shè)備的交流側(cè)，由L、C、R元件構(gòu)成無源網(wǎng)絡(luò)，吸收負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流。無源濾波器分調(diào)諧濾波器與高通濾波器，前者分單調(diào)諧濾波器和雙調(diào)諧濾波器，用于吸收單一次數(shù)或相鄰的兩次諧波，后者用于吸收某一次及以上各次諧波。無源濾波器濾除諧波以外還在基波電壓的作用下向諧波負(fù)載提供容性基波無功功率，同時兼顧諧波源無功補(bǔ)償?shù)男枰?。由于具有成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，無源濾波器時目前采用的抑制諧波即無功補(bǔ)償?shù)闹饕侄巍?/p>

　　濾波裝置一般由一組或數(shù)組單調(diào)諧濾波器組成，有時再加一組高通濾波器。單調(diào)諧濾波器利用R、L、C電路串聯(lián)諧振構(gòu)成，如下圖所示。濾波器對n次諧波阻抗為

R很小，所以n次諧波電流主要由R分流，很少流入電網(wǎng)中，而對于其他次數(shù)的諧波，諧波阻抗Z》》R，濾波器分流很少。雙調(diào)諧濾波器圖4一1（b）的兩個諧振頻率實(shí)際上相當(dāng)于兩個并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器，它同時吸收兩種頻率的諧波。與兩個單調(diào)諧濾波器相比，減少了回路，基波損耗較小，只有一個電抗器承受全部沖擊電壓。這種濾波器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)諧較困難，但在高壓大容量濾波裝置中采用有一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢。

　　高通濾波器有一階減幅型（圖4一1（c））、二階減幅型（圖4一1（d））、三階減幅型（圖4一1（e））和C型（圖4一1（f））。當(dāng)頻率低于其截止頻率f0（f0=1/2RC）時，由于容抗的作用，使得低次諧波電流難以通過;而當(dāng)頻率高于f0時，由于容抗減小，高次諧波電流便可順利通過電容器和電阻，總的阻抗也變化不大，形成一個通頻帶。一階減幅型由于基波功率損耗太大，

　　一般不采用；二階減幅型的基波損耗較小，且阻抗頻率特性較好，結(jié)構(gòu)也簡單，故工程上用的較多；三階減幅型的基波損耗更小，但特性不如二階減幅型，用的也不太多；C型濾波器濾波特性介于二階和三階之間，主要優(yōu)點(diǎn)是C與L對基波串聯(lián)調(diào)諧，有功功率損耗較低

　　低成本的無源濾波器是至今為止在濾除諧波時使用最為廣泛的補(bǔ)償裝置，用其抑制諧波在經(jīng)濟(jì)上和技術(shù)上都可以接受。其主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，致使諧波放大使無源濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能消除特定次諧波，導(dǎo)致整個裝置占地面積大。因而隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器

　　2 裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置

　　快速變化的諧波源，如：電弧爐、電力機(jī)車和卷揚(yáng)機(jī)等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在網(wǎng)側(cè)投入無功補(bǔ)償裝置是用來補(bǔ)償由諧波造成的無功功率，從而提高功率因數(shù)。另外，無功補(bǔ)償裝置中通過電感和電容的合理設(shè)置，可在某次頻率點(diǎn)產(chǎn)生諧振，即可對該頻率的諧波實(shí)現(xiàn)濾波?？捎行p少波動的諧波量，同時，可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡，還可補(bǔ)償功率因數(shù)。

　　靜止補(bǔ)償裝置的基本結(jié)構(gòu)是由快速變化的電抗或電容元件組合而成。目前應(yīng)用較多的四種是自飽和電抗器SR、晶閘管控制電抗器、晶閘管控制高漏抗變壓器和晶閘管投切電容器。自飽和電抗器SR由負(fù)荷電流控制飽和電抗器的磁飽和程度，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時其電抗值隨之發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)無功輸出的大?。壕чl管控制電抗器TCR通過改變控制角而改變導(dǎo)通時間，相當(dāng)于調(diào)節(jié)電抗器電抗達(dá)到改變無功輸出的目的;晶閘管控制高漏抗變壓器TCT工作原理與TCR相同，晶閘管斷開時呈高電抗特性，接通時根據(jù)控制角調(diào)節(jié)無功輸出的大小，因?yàn)槭褂昧俗儔浩?，故可以直接接入高壓?cè);晶閘管投切電容器TSC的晶閘管在超前電壓90度時接通并在斷開前一直保持該控制角，如果電壓是正弦波，則流過TSC電流也是正弦波，故沒有諧波產(chǎn)生，但這種TSC不能在導(dǎo)通期間改變無功輸出的大小。

　　由于TCR和TCT通過控制晶閘管的開通角度以調(diào)節(jié)電抗器電抗，在控制角大于90°時不能得到與交流電源對應(yīng)的完整波形。SR的諧波來自磁飽和和非線性。所以這三種形式不可避免有諧波產(chǎn)生。因此在使用時必須考慮到對它們自身所產(chǎn)生諧波的抑制，這就增加了結(jié)構(gòu)和設(shè)計上的復(fù)雜

　　3 電力有源濾波器補(bǔ)償法

　　無源濾波器及靜止無功補(bǔ)償裝置雖然能減少諧波分量，抑制某些諧波，但卻不能對變的高次諧波動態(tài)補(bǔ)償?，F(xiàn)階段諧波補(bǔ)償和抑制的一個重要趨勢是采用有源濾波器 APF（AC activePowerFilter）了。APF能對幅值和頻率都變化的諧波及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時補(bǔ)償諧波電流的目的。

　　有源濾波器的思路是給諧波電流或諧波電壓提供一個在諧振頻率處等效導(dǎo)納為無窮大的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或等效阻抗無窮大的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，因此可以分為并聯(lián)有源濾波器和串聯(lián)濾波器。其基本結(jié)構(gòu)是一個DCAC逆變橋與或一個諧波注入電路。按照PWM逆變電路直流側(cè)電源的性質(zhì)又可以分為電壓型有源濾波器及電流型有源濾波器。

　　①并聯(lián)有源電力濾波器

　　1896年，AkagiH提出用并聯(lián)有源濾波器消除諧波的方法，如同4一2所示。這種裝置相當(dāng)于一個諧波電流發(fā)生器，它跟蹤負(fù)載電流中的諧波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電流，從而抵消線路中的諧波電流。通過不同的控制作用，可以對諧波、無功、不平衡分量進(jìn)行補(bǔ)償，功能多，連接也方便。但是，由于電源電壓直接加在逆變橋上，對開關(guān)器件電壓等級要求高；負(fù)載諧波電流含量高時，這種有源濾波器裝置的容量也必須很大，因?yàn)榧婢叽蟮难a(bǔ)償容量和寬的補(bǔ)償頻帶比較困難，所以它只適合電感型負(fù)荷的諧波補(bǔ)償;開關(guān)引起的諧波電流將影響電路中的PF或電容器的濾波特性，若利用LC網(wǎng)絡(luò)吸收這部分高次諧波，由于LC網(wǎng)絡(luò)受電網(wǎng)參數(shù)的影響，PWM逆變器輸出的諧波頻帶又很寬，所以LC網(wǎng)絡(luò)難以設(shè)計

　　4—2并聯(lián)有源電力濾波器框圖

　　為了降低加到逆變橋的交流電壓，可以選擇用LC串聯(lián)或并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為注入電路，如圖4一3、圖4一4所示。在圖途4一3中，LC在基波頻率處串聯(lián)諧振，逆變橋不承受基波電壓，而在諧振頻率之處有Zr》》Zc，濾波器產(chǎn)生的諧波電流可以完全流入主電路。并聯(lián)LC方式原理與之類似

　　為了使有源濾波器適用于大容量負(fù)載的補(bǔ)償，可以將高次諧波和低次諧波分開各相單獨(dú)補(bǔ)償，也可將有源濾波器和無源濾波器相結(jié)合進(jìn)行補(bǔ)償。并聯(lián)有源電力濾波器能對諧波和無功功率進(jìn)行補(bǔ)償，其補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，主要適用于感性電流源負(fù)載的諧波補(bǔ)償，目前技術(shù)上比較成熟，但其有源裝置容量相對較大，投資多，運(yùn)行效率低。

　　②串聯(lián)有源電力濾波器

　　圖4一5是單獨(dú)使用串聯(lián)有源電力濾波器的方案。通過3個單相變壓器串聯(lián)在電源和負(fù)載之間，串聯(lián)有源電力濾波器在此系統(tǒng)中相當(dāng)于一個電壓控制電壓源，跟蹤電源電壓中的諧波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電壓，使負(fù)載端交流側(cè)電壓為正弦波。主要用于消除帶電容二極管整流電路等電壓型諧波源負(fù)載對系統(tǒng)的影響，以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波電壓波動對敏感負(fù)載的影響。串聯(lián)有源電力濾波器裝置容量小，運(yùn)行效率高，對諧波電壓源類型的負(fù)荷有較好的補(bǔ)償特性。但其絕緣強(qiáng)度高，難以適應(yīng)線路故障條件而且不能進(jìn)行無功功率動態(tài)補(bǔ)償，工程實(shí)用性受到限制，其投切、故障后的退出及各種保護(hù)較并聯(lián)型APF復(fù)雜。目前單獨(dú)使用少，國內(nèi)外研究主要集中在其與LC無源濾波器所構(gòu)成的串聯(lián)混合型有源電力濾波器。

　　圖4—5串聯(lián)有源電力濾波器框圖

　　與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn);在性價比上較為合理;濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險;具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。目前在國外高低壓有源濾波技術(shù)已應(yīng)用到實(shí)踐，而我國還僅應(yīng)用到低壓有源濾波技術(shù)。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術(shù)作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用范圍也將從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展。

　　4 防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大

　　在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當(dāng)諧波存在時，在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全?？刹扇〈?lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對諧波的放大。