理想电网中的电压应该是提供单一而固定的工频频率，以及规定的电压幅值。但近几十年以来，各种电力电子装置的迅速发展、应用使得谐波电流和谐波电压大量出现，日益污染电网，频频引发事故。因此，认识谐波、发现谐波危害的严重性，研究谐波治理的方法逐渐引起人们的高度关注。 1谐波
在电力系统中部分负载在投入、运行过程中，其电压与电流不成线性关系，而是经常变化的。我们称此类负载为非线性负载。
当一个正弦电压源加在一个非线性负载上，产生的电流不是完全正弦形的。由于存在系统阻抗，这个电流造成一个非正弦电压降，因而在负荷端引起电压畸变，也就是电压中含有谐波。从交流电的早期开始，电力系统设计中已把降低电压和电流波形畸变，抑制其在可以接受的水平内作为了一个问题。
恒功率直流电源1.2定义和标准
1.2.1谐波的定义
电力系统通常将谐波定义为电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量。对称三相电力系统上的谐波通
常是奇数：3次、5次、7次、9次……，并且随谐波次数的增加其量级减小。谐波构成了电源电压和负荷电流波形的主要畸变成分，谐波含量越大，畸变的程度就越大。
从广义上讲，任何与交流电网的工频频率不同的成分都可以称之为谐波。
1.2.2现有谐波标准
为了规范和治理日益严重的谐波问题，国际电工委员会（IEC）已经制定了一系列标准，用以处理电能质量问题。
（1）IEC610001—4提供了限制设备工频传导谐波和间谐波（频率9kHz及以下）电流发射的基本原理。 （2）IEC610002—1按3类设备概述主要谐波源：电力系统设备、工业负荷和民用负荷。
（3）IEC610002—2文中有一节论述低压公用供电系统中谐波和间谐波电压畸变兼容值。
（4）IEC610003—2和3—4文件包括谐波电流发射限值（每相16A及以下和以上输入电流的设备）。
（5）IEC610003—6文件指出低压和中压电网中谐波电压的兼容值以及中压、高压和超高压电力系统中谐波电压的规划值。
（6）IEC610003—12文件提供了接到低压系统，而且连接上受限的设备（每相输入电流75A及以下）谐波电流发射限值。
我国在国标GB17625.1—1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值（设备每相输入电流≤16A）》，等效采用IEC61000 3—2：1995中，规定准备接入公用低压配电系统中的电气、电子设备（每相输入电流≤16A）可能产生的谐波的限值。只有经过试验证实符合该标准限值要求的设备才能接入到配电系统中。
双电源自动切换装置在国标GB/T14549—1993《电能质量公用电网谐波》中，考虑了不同谐波源叠加计算的方法，规定了各级电网电压谐波总畸变率和用户注入电网的谐波电流容许值，规定电压奇次谐波畸变率＜4%，偶次谐波畸变率＜4%。3次谐波电流＜38A，5次谐波电流＜61A，7次谐波电流＜43A。
1.2.3通用谐波指标
褐煤干燥
为了更好地分析、计算谐波值，对于电压波形最通用的谐波指标是THD，THD为以基波分量百分数表示的谐波有效值（r.m.s），即：
THD=
Σ
N
n
=2V2
n
姨
V
1
（1）式中，Vn为n次谐波电压有效值；N为所考虑的最高谐波次数；V1为基波相电压有效值。
2谐波源
非线性负载产生的谐波电流会流入电网中，对供电系统和其他用电设备造成干扰。我们可以用图1来表示电网中谐波电流的干扰。
eee17电网中的谐波来自于3个方面：（1）发电电源质量不高产生谐波；（2）输配电系统产生谐波；（3）用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波最多。如变频器、晶闸管整流器、计算机、不间断电源（UPS）、节能荧光灯等。下面将举例分析一些谐波源。
2.1晶闸管整流器
晶闸管整流器在电力机车、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。
如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉冲整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，则还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。
电视机、计算机以及微波炉等设备都是单相畸变整流电器的典型实例。以计算机为例：1台个人计算机产生的主要谐波成分是3次（72%）、5次（60%）、7次（40%）和9次（22.6%）。
2.2电弧炉
电弧炉的伏安特性类似不规则的四边形，其大小随弧长而变。电流值主要被电缆以及变压器的阻抗所限。那些阻抗对供电电压有缓冲作用，故使电弧负荷呈现为相对稳定的谐波电流源。而产生
电力系统谐波治理
顾凯
（上海泰科热控伴热工程有限公司，上海200233）
摘要：电力电子装置的迅速发展及应用使得谐波电流和谐波电压大量出现，日益污染电网，频频引发事故。现主要介绍了谐波产生的机理、常见谐波源及其危害，并分析了使用滤波器进行谐波治理的原理和方法。rbd-573
关键词：谐波源；畸变；滤波器
Dianqigongcheng yu Zidonghua
◆电气工程与自动化
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机电信息2011年第9期总第291期
的谐波电流，会经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2～7次的谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达45%。2.3放电类型的电光源
荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，能产生相当大的奇次谐波电流。在三相四线制系统中，中性线上的3倍次谐波基本上是相加的，因此3次谐波最为突出。
2.4变频器
变频器是工业调速传动领域中应用较为广泛的设备之一，常用于风机、水泵、电梯等设备中作为电动机的调速装置。变频器是把工频（50Hz）变换成各种频率的交流电源，以实现电机的变速运行的设备。其中控制电路完成对主电路的控制，整流电路将交流电转换成直流电，直流中间电路对整流电路的输出进行平滑滤波，逆变电路将直流电再逆变成交流电。由于变频器逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载。因此以变频器为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐
波源之一。
3谐波畸变的影响
电压和电流谐波在电力系统内部的主要影响包括：
电能收集充电器
（1）电流有效值增加，导致配电网过载；
（2）使发电、输电和用电设备过载、振荡，以及电能效率降低；
（3）电气设备绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命；
（4）供电电源畸变，引起系统或设备误动作。
谐波的经济影响包括：
（1）设备过早老化使得在开始设计时就必须选的过大，否则很快就需要更换设备；
（2）配电网过载，需要更高的功率水平，损耗加大；
（3）电流波形畸变会引起尖峰电流，尖峰电流会引起误跳闸，从而造成停产。
下面将列举分析谐波对部分系统或设备的影响。
3.1谐波对旋转电机的影响
非正弦电压加到电机上，如果产生的谐波畸变超过5%的限值，电动机常常会有过热问题。同时谐波电压或电流可以使定子绕组、转子回路以及定子和转子叠片中的损耗增加。此外，由于涡流和集肤效应，定子和转子导线中的损耗也要比直流电阻的损耗大。
为了弄清电源波形畸变对功率损耗的影响，文献［2］中报道了由逆变器供电的电机。当供给谐波时，电机损耗的典型分配情况是定子绕组14.2%，转子导条41.2%，端部18.8%，斜槽磁通25.8%。
虽然这个损耗分布不能再按各次谐波加以细分，也不能应用在其他电机上。但可以看出，大部分损耗是消耗在转子内。
3.2谐波对静止电力设备的影响
3.2.1输电系统
谐波电流对输电网有2种主要影响。
一种是附加功率损耗，由电流波形有效值增加的部分产生，即：
Σ
∞
n =2I2
n
R
n
（2）
式中，I n为n次谐波电流；R n为此谐波频率下的系统电阻。
当非线性负荷占总负荷的30%时，输出能力降低量大约为发电机的10%，因此需要增大发电机的容量。
第二种影响是谐波电流在电路阻抗上产生的电压降。这种影响给“弱系统”造成的电压骚扰要比“强系统”严重。这是因为弱系统的阻抗很高但短路容量小，而强系统的短路容量大但阻抗很低。
3.2.2变压器
电力系统谐波对变压器的主要影响是负荷电流的谐波损耗引起的附加发热。另外一些问题包括使变压器电感和系统电容之间可能产生谐振、由于温度变化造成绕组和铁心叠片的绝缘机械应力以及铁心可能发生小振动等。
由于磁滞，谐波电压会引起铁损。谐波使得电压的波形变得越差，则铁损越大。谐波引起的铁损增加取决于电源电压的谐波以及变压器铁心的设计，与THD是线性关系。
由于焦耳效应和涡流，谐波电流增加了铜损，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗，以及导体外部因漏磁通引起的杂散损耗等。
以上两方面损耗的增加减少了变压器的实际使用容量。谐波还导致变压器噪声增大。
3.3谐波对电力系统保护的干扰
谐波能使保护继电器的动作特性畸变或降级。当存在谐波畸变时，数字式继电器和依靠采样数据编制的算法程序特别容易出错。
电流谐波畸变也可能影响断路器和熔丝的开断能力。原因可能是过零时di/dt较大，热磁开关的电流传
感能力变化以及由于导体的集肤效应和铁耗增加而引起线圈过热，使得额定电流和脱扣电流降低，导致脱扣点降低。
3.4谐波对用户设备的影响
在民用配电系统中，非线性用电设备，如节能荧光灯、计算机、不间断电源灯，产生了大量的奇次谐波，其中3次谐波的含量较多，最大可达40%。在三相配电线路中，相线上的3的整数倍谐波会在中性线上叠加，使中性线上的电流值可能超过相线上的电流，从而降低电网电压，浪费电网的容量。
4谐波的抑制
为了减少谐波对供电系统的影响，最根本的思想是从产生谐波的源头抓起，设法在谐波源附近防止谐波电流的产生，从而降低谐波电压。
通常解决方法有2个：一个是局部重组电网结构，分离或隔离产生谐波的设备；其二就是使用滤波设备进行治理。通常电压谐波是由电流谐波产生的，有效地抑制电流谐波就会使电压畸变达到要求的范围。下面我们将主要讨论对滤波设备的应用。
4.1无源滤波器（PF）
无源滤波器的运行原理为：将LC电路与非线性负荷并列安装，调节每次谐波进行过滤。该旁路回路吸收谐波，从而避免谐波流入配电网。图2是典型的无源滤波器工作原理图。
通常调节无源滤波器到一个谐波次数，接近该次数的谐波将被滤掉。如果为了有效降低多个谐波次数产生的畸变，可以并联若干个滤波器。
滤波器的品质因数Q决定了调谐的尖锐程度。在这方面，滤波器可以是高Q型，也可能是低Q型。高Q滤波器用于较低次的谐波，对某一频率（例如5次谐波）进行尖锐调谐，典型数值是30～60。低Q滤波器在较宽的频率范围内都具有低阻抗，多用来消除更高次的谐波（例如17次以上），也称高通滤波器，典型数值是0.5～5。高Q及低Q滤波器的典型电路如图3和图4所示。4.2有源滤波器（APF）
常规无源滤波器的运用存在设计复杂、损耗费用大、对消除间
电气工程与自动化◆Dianqigongcheng yu Zidonghua 6
机电信息2011年第9期总第291期谐波和非特征谐波能力有限等问题，因而促使开发电力电子装置来进行谐波补偿，这种装置通常称为有源滤波器。
有源滤波器接入电网的方式有2种：串联和并联。串联型的作用是阻止谐波电流的传送；并联型的作用是减小电网中谐波分量。
图5是典型的并联有源滤波器的工作原理图。其工作原理是：有源谐波滤波器产生的谐波补偿电流（I act =-I har ）与非线性负荷
产生的谐波电流反相，且大小相等，从而使得线路电流I s 保持为正弦波。
用有源滤波器可以补偿特殊非线性负荷的谐波，但它不会吸收邻近设备的谐波。从供电方的角度看，虽然对某个设备谐波消除很彻底，但可能对系统其余部分有负面影响，因为有源滤波器对现存的谐波没有减幅作用。随着高度可控的电力电子装置的不断增加，特别是在用有源波形控制的分散发电中，系统阻尼的缺乏在将来会逐渐加剧，这是值得关注的问题。4.3滤波器的设计准则
为了符合所要求的谐波限制，在设计滤波器时，需要按下列一些步骤进行：
（1）按照非线性负荷产生的谐波电流频谱，将有关频率的电流注入到电网和并联滤波器组成的电路中（图6），并计算各次谐波
的电压。
（2）将（1）的结果带入公式（1）中计算得到THD 值。（3）计算滤波器元件，即电容器、电感器和电阻器等的强度。并利用计算结果求出它们的额定值和损耗。
5结语
谐波问题关系到供电质量，不但需要供电部门大力关注，同样电力用户和电器设备制造商需要引起重视。不论是采用无源滤波方法进行被动防御，还是采用有源滤波方法进行主动性预防。总之，治理谐波的最根本思想是从谐波的源头着手，哪里产生，哪里治理。一方面要严格限制谐波的发射水平，另一方面设法提高设备自身的抗谐波干扰的能力，改善谐波保护性能，提高供电质量。
［参考文献］
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R .）.林海雪，范明天，薛蕙，译.电力系统谐波.第2版.北京：中国
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黄俊.电力电子技术.第4版.北京：机械工业出版社，2000［5］法国施耐德电气有限公司.电气装置应用
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作者简介：顾凯（1977—），男，武汉人，建筑电器中级工程师，一级注册建造师，项目经理，研究方向：民用和工业大型建筑的机电安装工程。
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