濾波補償原理

諧波的來源

諧波是一個週期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍。

在電力系統中，諧波產生的根本原因是由於非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關係，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。由於半導體晶閘管的開關操作和二極體、半導體晶閘管的非線性特性，電力系統的某些設備如功率轉換器比較大的背離正弦曲線波形。

所有的非線性負荷都能產生諧波電流，產生諧波的設備類型有：開關模式電源(SMPS)、電子螢光燈鎮流器、調速傳動裝置、不間斷電源(UPS)、磁性鐵芯設備及某些家用電器如電視機等。

諧波的分類

1、諧波的次數h必須為基波頻率的整數倍。

2、間諧波和次諧波。在一定的供電系統條件下，有些用電負荷會出現非工頻頻率整數倍的週期性電流的波動，從而出現非基波整數倍頻率的電流分量，稱為分數諧波或稱為間諧波。頻率低於工頻的間諧波又稱為次諧波。

3、暫態過程的波形是一個帶有明顯高頻分量的畸變波形，但這些高頻分量並不是諧波，與系統的基波頻率無關。諧波是在穩態情況下出現的，並且其頻率是基波頻率的整數倍。產生諧波的畸變波形是連續的，或至少持續幾秒鐘，而暫態現象則通常在幾個週期後就消失了。

4、短時間諧波。對於短時間的衝擊電流，例如，變壓器空載合閘的勵磁湧流，按週期函數分解，將包含短時間的諧波和間諧波電流，稱為短時間的諧波電流或快速變化諧波電流，應將其與電力系統穩態和准穩態諧波區別開來。

5、陷波。換流裝置在換相時，會導致電壓波形出現陷波或稱換相缺口。這種畸變雖然也是週期性的，但與通常所說的諧波問題不同。

諧波的基本概念

1、每個諧波分量都具有不同的頻率，幅度與相角。

2、h為奇數的諧波，被稱為“奇次諧波”；h為偶數的諧波，被稱為“偶次諧波”。在平衡的三相系統中，由於對稱關係，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。同時，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。

3、h=3k+1，k=0，1，2…次諧波稱為正序性諧波，其諧波相序與基波相同；h=3k+2次諧波稱為負序性諧波，其諧波相序與基波相反；h=3k+3次諧波稱為零序性諧波，其三相諧波都有相同的相位。

4、諧波電流的含有率定義為，此處電流均是均方根值。

5、諧波電流畸變率定義為，其中M在國標中定為25次。

6、引入電流畸變後，，故此時功率因數還與電流畸變程度相關。

7、含有諧波的電流將在供電電網變壓器的阻抗上產生一個非正弦曲線的電壓降，從而導致電壓畸變。

8、供電網路中一個用戶工廠的運轉可能被相鄰的另一個用戶設備所產生的諧波所干擾。

典型的諧波源

一般而言，當前電力系統的諧波源，就其非線性特性而言主要有三大類：

1、鐵磁飽和型：如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽和特性呈現非線性。

現代製造的變壓器常設計在額定電壓時的磁密已接近磁化飽和特性曲線的拐點，所以當電壓超過額定值後，變壓器的諧波電流隨電壓升高而迅速增加。在輕負荷期間，運行電壓較高，鐵芯飽和程度變深，故而諧波含量增大。其中，單相或三相Y形中性點接地的變壓器電流含有大量的3次諧波電流。△形接線和Y型中性點不接地變壓器，可防止零序性諧波電流的流通。

2、電子開關型：主要為各種交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開關設備、PWM變頻器以及開關電源等電力電子設備。

電力系統中最重要的非線性負荷是產生諧波電流並具有相當容量的功率換流器。其諧波幅值大小與換流器的脈動數和控制角有關。變頻器主要產生5、7次諧波。

3、電弧型：交流電弧爐、交流電焊機以及螢光燈等。

這些設備，即使供給它理想的正弦波電壓，它取用的電流也是非正弦的，即有諧波電流存在。其諧波電流含量基本決定於它本身的特性和工作狀況以及施加給它的電壓，而與電力系統的參數關係不大，因而常被看作諧波恒流源。

電弧爐諧波電流含有率 （%）

螢光燈的電子控制調節器產生大量的3次諧波。

諧波的危害

在電力電子設備廣泛應用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，並有一定認識，但當時諧波污染還沒有引起足夠的重視。

近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速發展使得公用電網的諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發生，諧波危害的嚴重性才引起人們高度的關注。

諧波的危害十分嚴重：

1、增加企業的電力運行成本

諧波電流將會通過變壓器“遊回”高壓電網，導致電網線路損耗增加、電力設備發熱，從而加大了企業電力運行成本和電費的支出。

2、變壓器附加發熱

諧波電流及其引起的電壓畸變會導致變壓器的銅耗和鐵損增加。同時，變壓器在嚴重的諧波影響下將出現渦流損耗激增，其損耗與諧波電流的頻率的平方成正比。故諧波電流將導致變壓器局部過熱，振動雜訊增大，加速絕緣老化，嚴重縮短了變壓器的使用壽命，降低供電可靠性，極有可能在生產過程中造成斷電的嚴重後果。

3、引發諧振

電網中含有大量串、並聯的容性和感性的負載，構成了許多串聯或並聯的諧振的條件。若諧波電流在該頻率上出現分量，則易形成該諧波電流分量放大並可能出現諧振，從而導致過電壓或過電流，危及電力系統的安全運行並引發輸配電事故。

4、損害發電機和電動機

電機受諧波電壓畸變的影響較大。諧波電壓施加在旋轉發電機和電動機的定子繞組、轉子回路及鐵芯中將產生諧波磁鏈，從而降低發電及用電設備的效率。更嚴重的場合下，諧波振盪會使汽輪發電機產生震盪力矩，引起機械共振，造成汽輪機葉片扭曲及產生疲勞迴圈，導致設備無法正常工作。當電壓畸變達到8%～10%時，電機將會出現過度發熱問題。

5、影響繼電保護

繼電保護裝置對於保證電網的安全運行具有十分重要的作用。而諧波電流易使電網的各類保護裝置產生誤動或拒動，特別是在已廣泛應用的微機保護、綜合自動化裝置中影響顯著，引起區域（廠內）電網瓦解，造成大面積停電停產的惡性事故。

6、導致計量誤差

諧波將使取電電網的測量儀錶、計量裝置產生誤差，達不到正確指示及計量的作用。

7、導致斷路器重燃

負載發生短路或超載時，需要斷路器開斷。當諧波嚴重時，斷路器遮斷能力將降低，易產生電弧重燃，甚至斷路器爆炸，影響電網的短路保護能力。

8、降低產品品質

諧振電流會引起電機等設備附加振動，使得生產誤差加大,降低產品的加工精度。

9、影響數位及類比信號通訊系統

當輸電線路與數位及類比信號通訊線路平行或相距較近時，諧波將在通訊系統內產生干擾，從而降低資訊的傳輸準確度，導致出現誤碼或雜訊，使通信系統無法正常工作，嚴重時將威脅繼電保護的執行。

諧波治理

70年代以來，由於電力電子技術的飛速發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、交通及家庭中的應用日益廣泛，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諧波和用電設備諧波的標準和規定。

我國為加強對諧波的監測、管理和治理，於1994年正式頒佈了GB/T 14549-93國家標準《電能品質--公用電網諧波》。該標準對不同電壓等級各次諧波允許注入值都作了具體規定，同時對公用電網諧波電壓的限值。

治理諧波的方法

1、無源濾波補償裝置

無功濾波補償裝置同時對基波無功功率進行補償和對諧波電流進行吸收。無功濾波補償裝置的成本較低，經濟簡便，因此獲得廣泛應用。

無功濾波補償裝置的濾波方式可分為以下幾種：

1.1、單調諧濾波器通頻帶窄，濾波效果好，損耗小，調諧容易，是使用最多的一種類型。由於單調諧濾波器使用的元件少，成本也較低，因此，極為受歡迎，應用也就較廣泛了。

1.2、雙調諧濾波器可替代兩個單調諧濾波器，只有一個電抗器承受全部衝擊電壓，但接線複雜，調諧困難，僅在超高壓系統中使用。

1.3、一階高通濾波器因基波損耗大，一般不採用。

1.4、二階高通濾波器通頻帶很寬，濾波效果好，既可調諧振點，又可調諧曲線銳度，並可防意外共振與放大，因此也有以二階寬通帶做低次濾波器。

1.5、三階高通濾波器一般用於電弧爐濾波

1.6、“C”式高通濾波器，可用於電弧爐濾波，對二次諧波特別有效。

2、有源諧波濾除裝置

有源濾波裝置主要是由電力電子元件和直流儲能元件組成電路，通過產生一個和系統的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。

有源濾波裝置的特點為：

2.1、不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變，補償無功，有一機多能的特點。

2.2、濾波特性不受系統阻抗等的影響，可消除與系統阻抗發生諧振的危險；

2.3、可自動跟蹤補償變化的諧波，具有高度可控性和快速回應性等特點。

2.4、採用的d、q、0變換適用於任意非正弦、非對稱三相電路，能夠用於各種電流分量的測量及補償方法。

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