谐波治理论文范文

摘 要：本文通过谐波产生的机理分析和各行业用电设备谐波现状分析，提出了谐波防治措施，并给出了有源电力滤波器的设计选型方法。关键词：非线性负载、谐波源、谐波含量、有源电力滤波器 前言 目前，电脑、绿色照明气体放电照明光源、变频空调、变频洗衣机等普及到千家万户，智能建筑比比皆是，给人们的生活、学习、办公营造了舒适、高效、快捷生存环境，这类给人们带来诸多好处的节能、智能产品均或多或少的由非线性负载组合而成，使得低压配电网络的非线性负载容量比重日益加大，随之产生的低压配电网络的电压畸变及谐波电流对电网、非线性设备本身、同网的其它用电设备危害凸显，有的严重影响到设备运行安全、大大缩短设备的使用寿命、智能网络系统瘫痪、甚至引起火灾。 供配电网络谐波危害及亟需防治在工程设计领域已得到普通认同，并在国家、行业规范标准中逐步通过强制性标准限制谐波电流大小,在工程供配电设计中应采取谐波防治措施，确保配电网络设备不因谐波危害而产生严重后果。 1谐波分析 谐波机理及危害性 在理想的电力系统中，电压和电压都是纯粹的正弦波。实际上，当电流流过电源与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。这类非线性负载，统称为谐波源负载。 周期的非正弦电流进行傅立叶分析，就会得到一系列不同频率的正弦波电流的叠加，除了基波频率的电量，其频率为基波频率的整倍数的电流称之为谐波。 谐波次数是谐波频率与基波频率（n=fn/f1）的比值，例如150Hz称为3次谐波，250Hz称为5次谐波…… 谐波电流在电源系统内以及装置内均会造成问题，其危害表现为：谐波电流放大引起谐振、电压畸变过高；过零噪声；增大中性线电流，引起火灾；变压器和感应电动机的过热,危害电动机及变压器正常运行；断路器误动作；校正功率因数电容器的过载损毁；集肤效应，谐波电阻大于基波电阻，增加供电线路损耗；对一些敏感的电子设备造成损害，造成通讯数据丢失。 各行业谐波分析 笔者长期从事工程领域电气设计工作，通过对设计项目回访，并针对谐波问题进行基础数据收集，在各用电设备供应商及生产单位设备管理人员共同努力下按季节、多时段的对各单位主要供电电源点的电流波形数据采集分析，对各行业谐波特点有了基本了解，各行业配电网络谐波源及谐波特点表现如下: 办公写字楼宇 目前办公写字楼建筑智能化程度越来越高，用电设备中的非线性负荷用电设备数量和比重都迅速增大，对城市电网造成的电能质量污染日益严重。 在这些大量自动化设备里面，常见的非线性负载有：视频显示类设备（CRT和LCD型显示设备），计算机设备，空调，各类节能照明设备（荧光灯、各种高压气体放电灯、调光灯等），办公类用电设备（打印机、复印机、扫描仪、投影仪等），调速驱动（变频水泵、空调用压缩机、大型电梯）。这些都将成为低压供电系统的谐波畸变扰动源。 建筑内的配电具有单相设备多，非线性负载比例高和特点,所引发的电能质量问题主要有： 1) 大量的零序三次谐波电流注入电网，使低压供电母线三次谐波电压严重超过国标限值，影响低压用电设备的安全正常运行，特别是对谐波敏感的设备。 2) 中性线上的电流过高（零序电流会在中性线上叠加，主要是三次谐波电流），而导致中性线发热，线损增大，而中性线在设计时所选用的导线较细，因此容易由于温度过高而引起火灾。 办公楼宇的谐波特点见下表: 谐波主要次数 谐波含量（THDi） 3、5、7 污染程序一般：10%～15% 污染程序严重：15%～20% 医院 医技设备是重点的谐波源：主要是核磁共振设备和加速器。 核磁共振设备：谐波的频谱很复杂，典型的频谱集中在3、5、7、9次，谐波频谱范围大约在3～43次。 加速器：典型的频谱集中在3、5、7、9、11、13次，频谱宽，谐波频谱范围大约在3～49次。 对某个医院的设备进行测试，由测试数据分析发现：加速器、X光机、胃肠机等设备产生的THDi大约在50%～60%；CT（计算机断层扫描）、磁共振、DSA（数字减影血管造影机）等在30%左右；电子检测设备、手术室、伽玛刀等在10%～15%之间；变频设备在35%左右等。 医院配电系统中的谐波电流具有如下特点： 1) 谐波源产生的谐波电流的频谱很宽。 2) 谐波电流畸变率很高，设备的自然功率因数也很高。 3) 医院内电子设备、医技设备很多，这些设备对谐波很敏感。 4) 大量的谐波电流和谐波电压，会影响配电系统中继电保护设备的正常工作，影响配电系统的供电连续性。 医疗建筑的谐波特点下表: 谐波主要次数 谐波含量（THDi） 3、5、7 、9 污染程序一般：15%～20% 污染程序严重：20%～25% 通信机房 从保障通信用电高可靠性中运用的设备来讲，UPS是不可或缺的一部分。在当今的大中型UPS的生产中，较多采用6脉冲可控硅整流型UPS的设计方案。UPS可以向负载提供稳压高精度、稳频、波形失真度小的高质量电源。 UPS和通信机房内直流开关电源的使用，一方面很好地解决电压不稳、供电连续性等一般用户都非常关注的电能质量问题，但是由于UPS和直流开关电源的输入侧均采用整流电路，因此两者成为了电网中主要的非线性负载。 所引发的电能质量问题主要有： 1) 产生大量谐波电流，对电网造成污染的同时，也可能将谐波转移到IT设备上，对通信系统造成非常大的干扰甚至危害。谐波对这些系统非常敏感，可能出现如计算机系统瘫痪或死机、停滞、失真和系统控制失常，这将会造成很大的损失。而且应该特别指出谐波的干扰隐藏着随时都会发生的整个系统崩溃的灾难。

【摘 要】本文简单介绍了电力系统谐波产生的原因及危害，详细讨论了谐波的治理方案，并以弧焊逆变电源为例简单说明了软开关技术。【关键字】电力系统谐波；治理方案；弧焊逆变电源 1 谐波简介 谐波定义 从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。 谐波产生的原因 由于正弦电压加压于非线性负载，基波电流发生畸变产生谐波。主要非线性负载有UPS、开关电源、整流器、变频器、逆变器等。 谐波的危害 降低系统容量如变压器、断路器、电缆等 ；加速设备老化，缩短设备使用寿命，甚至损坏设备 ；危害生产安全与稳定；浪费电能。 2 谐波治理 目前常用的谐波治理的方法无外乎有两种，无源滤波、有源滤波，时常辅以无功补偿。 无源滤波 无源并联滤波器 现有的谐波滤除装置大都使用无源并联滤波器，对每一种频率的谐波需要使用一组滤波器，通常需要使用多组滤波器用以滤除不同频率的谐波。多组滤波器的使用造成结构复杂，成本增高，并且由于通常的系统中含有无限多种频率的谐波成分，因此无法将谐波全部滤除。不仅如此，由于并联滤波器对谐波的阻抗很低，通常会使谐波源产生更大的谐波电流，谐振在不同频率的滤波器还会互相干扰，例如7次谐波滤波器就可能会放大5次谐波。 工频是单一频率，而谐波有无限多种频率，可见谐波具有无限的复杂性，使用并联滤波器的方法显然无法对付无限频率成分的谐波。 无源串联滤波器 电感与电容串联构成的LC串联滤波器，具有一个阻抗很低的串联谐振点，由此构造一个串联谐振点为工频频率的串联滤波器，并将其串联在线路中，就可以滤掉所有的谐波。 当谐波电流由外网窜入而影响内网负荷设备的正常运行时，在电源与负荷设备之间接入串联滤波器就可以阻挡谐波保证负荷设备的正常运行。 当谐波由内网设备产生而影响系统时，产生谐波的设备即为谐波源，在谐波源与电源之间接入串联滤波器就可以使谐波源产生的谐波电流大幅度减小。 当串联滤波器连接在电源与谐波源之间时，谐波源的输入电压波形会发生严重畸变，正时这种电压波形的畸变使得谐波源的电流接近正弦波。这种输入电压波形畸变可能会影响谐波源控制电路的正常运行，如果出现控制电路不能正常运行的情况，应该将控制电路的电源改接至串联滤波器的前端。 有源谐波滤除装置 有源谐波滤除装置是在无源滤波装置的基础上发展起来的。 有源滤波装置的优点 有源滤波装置能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。 有源滤波装置的缺点 有源滤波装置由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，成本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得多，成本也就高得多了。 有源滤波装置的原理 有源滤波装置主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。 有源滤波装置的适用场合 有源滤波器主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统，尤其是写字楼的供电系统，工厂的计算机控制供电系统。 有源滤波装置的现状 对单台的有源滤波装置而言，其利润是可观的，但用户一般不愿意用有源滤波，对于谐波的含量，不必滤得太干净，只要不危害其他用电器也就可以了。 无功补偿概述 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的阻抗主要是电感性的。因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求送电端和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现。 网络元件和负载所需要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是无功补偿。 3 弧焊逆变电源 弧焊逆变电源谐波 弧焊逆变电源作为一种典型的电力电子装置,虽然具有体积小、质量轻、控制性能好等优点,但其电路中存在整流和逆变等环节,导致电流波形畸变,产生大量的高次谐波。高次电压和电流谐波之间存在严重相移,导致焊机的功率因数很低。谐波产生的原因主要有以下两方面因素: 逆变电源内部干扰源逆变电源是一个强电和弱电组合的系统。在焊接过程中,焊接电流可达到几百甚至上千安培。因电流会产生较大的电磁场,特别在逆变主电路采用高逆变频率的焊接电源系统中,整流管整流,高频变压器漏磁,控制系统振荡,高频引弧,功率管开关等均会产生较强的谐波干扰。 逆变电源外部干扰源电网上的污染对电源系统来说是较为严重的干扰。由于加到电网上的负载千变万化,这些负载或多或少对电网产生谐波干扰,如大功率设备的使用使电网电压波形产生畸变,偶然因素造成瞬时停电,高频设备的开启造成电网电压波形具有高频脉冲、尖峰脉冲成分。 软开关技术 随着电力电子技术向着高频率、高功率密度方向发展,硬开关工作方式的开关损耗及谐波干扰问题日益突出。从提高变换效率、器件利用率,增强电磁兼容性以及装置可靠性着眼,软开关技术对任何开关功率变换器都是有益的。在某些特殊情况(如有功率密度要求或散热条件限制场合)下尤为必要。在无源与有源两大类软开关技术中,不使用额外开关元件、检测手段和控制策略的无源方式有着附加成本低,可靠性、变换效率及性能价格比高等诸多优势,在工业界单端变换器制造领域基本确立了主流地位。对拓扑结构而言,串电感和并电容的方法是唯一的无源软开关手段,由此演变而来的所谓无源软开关技术,实际上就是无损耗吸收技术。 参考文献 [1]百度百科：.htm [2]中国电子网：弧焊逆变电源的谐波抑制分析

谐波的产生，习惯上理解为当电能流过非线性设备，会产生谐波。治理常见的方法：屏蔽、接地和滤波。