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一、1. 何為諧波？ “諧波”一詞起源于聲學。有關(guān)諧波的數(shù)學分析在18世紀和19世紀已經(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用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。 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(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學術(shù)會議，不少國家和國際學術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標準和規(guī)定。 一、1. 何為諧波？ “諧波”一詞起源于聲學。有關(guān)諧波的數(shù)學分析在18世紀和19世紀已經(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用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。 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(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學術(shù)會議，不少國家和國際學術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標準和規(guī)定。 無功功率對供電系統(tǒng)和負荷的運行都是十分重要的。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當寬的范圍內(nèi)可以實現(xiàn)；而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內(nèi)實現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡元件消耗無功功率，大多數(shù)負載也需要消耗無功功率。網(wǎng)絡元件和負載所需要的無功功率必須從網(wǎng)絡中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發(fā)電機提供并經(jīng)過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功率，這就是無功補償。 無功補償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c： （1） 提高供用電系統(tǒng)及負載的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗。 （2） 穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線中合適的地點設(shè)置動態(tài)無功補償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力。 （3） 在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當?shù)臒o功襝可以平衡三相的有功及無功負載。 二、諧波和無功功率的產(chǎn)生 在工業(yè)和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統(tǒng)所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統(tǒng)中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的性質(zhì)所決定的。 電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率，特別是各種相控裝置。 如相控整流器、相控交流功率調(diào)整電路和周波變流器，在工作時基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網(wǎng)電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產(chǎn)生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無功功率。 近30年來，電力電子裝置的應用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。目前，常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟悉。直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴懲的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數(shù)接近1。 但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成嚴重污染，也使得總的功率因數(shù)很低。另外，采用相控方式的交流電力調(diào)整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流。 三、無功功率的影響和諧波的危害 1.無功功率的影響 （1）無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發(fā)電機、變壓器及其他電氣設(shè)備容量和導線容量增加。 。同時，電力用戶的起動及控制設(shè)備、測量儀表的尺寸和規(guī)格也要加大。 （2）無功功率的增加，使總電流增大，因而使設(shè)備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。 （3）使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產(chǎn)生劇烈波動，使供電質(zhì)量嚴重降低。 2.諧波的危害 理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化，也對周圍的能耐電力電子設(shè)備廣泛應用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，并有一定認識，但那時諧波污染還需要嚴懲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使得公。用電網(wǎng)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(fā)生，諧波危害的嚴重性才引起人們高度的關(guān)注。諧波對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)的危害大致有以下幾個方面。 （1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生了附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線時會使線路過熱甚至發(fā)生火災。 （2）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作。 諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱。諧波使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。 （3）諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，這就使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起嚴重事故。 （4）諧波會導致繼電保護和自動裝置的誤動作，并會使電氣測量儀表計量不準確。 （5）諧波會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導致住處丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。
3 諧波知識 對該問題的介紹基于以下幾個方面：基本原理，主要現(xiàn)象和防止諧波故障的建議。 由于功率轉(zhuǎn)換（整流和逆變）而導致配電系統(tǒng)污染的問題早在1960年代初就被許多專家意識到了。直到1980年代初，日益增長的設(shè)備故障和配電系統(tǒng)異常現(xiàn)象，使得解決這一問題成為迫在眉睫的事情。 今天，許多生產(chǎn)過程中沒有電力電子裝置是不可想象的。至少以下用電設(shè)備在每個工廠都得到了應用： - 照明控制系統(tǒng)（亮度調(diào)節(jié)） - 開關(guān)電源（計算機，電視機） - 電動機調(diào)速設(shè)備 - 自感飽和鐵芯 - 不間斷電源 - 整流器 - 電焊設(shè)備 - 電弧爐 - 機床（CNC） - 電子控制機構(gòu) - EDM機械 所有這些非線性用電設(shè)備產(chǎn)生諧波，它可導致配電系統(tǒng)本身或聯(lián)接在該系統(tǒng)上的設(shè)備故障。 僅考慮導致設(shè)備故障的根源就在發(fā)生故障現(xiàn)象的用電工廠內(nèi)可能是錯誤的。故障也可能是由于相鄰工廠產(chǎn)生的諧波影響到公用配電網(wǎng)絡而產(chǎn)生的。 在您安裝一套功率因數(shù)補償系統(tǒng)之前，如下工作是非常重要的：對配電系統(tǒng)進行測試以確定什么樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)對您是合適的。 可調(diào)諧的濾波電路和組合濾波器已經(jīng)是眾所周知的針對諧波問題的解決方案。另外的方法就是使用動態(tài)有源濾波器。本報告將詳細講解各種濾波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)并分析它們的優(yōu)缺點。 1.基本術(shù)語 載波 (AF) 是附加在電網(wǎng)電壓上的一個高頻信號，用于控制路燈、 HT/NT 轉(zhuǎn)換系統(tǒng)和夜間儲能加熱器。 載波 (AF) 檢出電路 由一個初級扼流線圈和一個并聯(lián)諧振電路（次級扼流線圈和電容）并聯(lián)組成的元件。 AF 鎖相電路用于檢出供電部門加載的 AF 信號。 電抗 在電容器回路串聯(lián)扼流線圈。 電抗系數(shù) 扼流線圈的電感 X L 相對于電容電感 X C 的百分比。 標準的電抗系數(shù)是：例如 5.5% 、 7% 和 14% 。 組合濾波器 兩個不同電抗系數(shù)回路并聯(lián)以檢出雜波信號，用于低成本地清潔電網(wǎng)質(zhì)量。 Cos Φ 功率因數(shù)代表了電流和電壓之間的相位差。電感性的和電容性的 cosΦ 說明了電源的質(zhì)量特性。用 cosΦ 可以表述電網(wǎng)中的無功功率分量。 傅立葉分析 通過傅立葉分析使得將非正弦函數(shù)分解為它的諧波分量成為可能。在正弦頻率 ω 0 上的波形已知為基波分量。在頻率 n × ω 0 上的波形被稱為諧波分量。 諧波吸收器，調(diào)諧的
由一個扼流線圈和一個電容器串聯(lián)組成的諧振電路并調(diào)諧為對諧波電流具有極小的阻抗。該調(diào)諧的諧振電路用于精確地清除配電網(wǎng)絡中的主要諧波成分。 諧波吸收器，非調(diào)諧的
由一個扼流線圈和一個電容器串聯(lián)組成的諧振電路并調(diào)諧為低于最低次諧波的頻率以防止諧振。 諧波電流
諧波電流是由設(shè)備或系統(tǒng)引入的非正弦特性電流。諧波電流疊加在主電源上。 諧波
其頻率為配電系統(tǒng)工作頻率倍數(shù)的波形。按其倍數(shù)稱為 n 次（ 3 、 5 、 7 等）諧波分量。 諧波電壓
諧波電壓是由諧波電流和配電系統(tǒng)上產(chǎn)生的阻抗導致的電壓降。 阻抗
阻抗是在特定頻率下配電系統(tǒng)某一點產(chǎn)生的電阻。阻抗取決于變壓器和連在系統(tǒng)上的用電設(shè)備，以及所采用導體的截面積和長度。 阻抗系數(shù)
阻抗系數(shù)是 AF （載波）阻抗相對于 50Hz （基波）阻抗的比率。 并聯(lián)諧振頻率
網(wǎng)絡阻抗達到最大值的頻率。在并聯(lián)諧振電路中，電流分量 I L 和 I C 大于總電流 I 。 無功功率
電動機和變壓器的磁能部分，以及用于能量交換目的的功率轉(zhuǎn)換器等處需要無功功率 Q 。與有功功率不同，無功功率并不做功。計量無功功率的單位是 Var 或 kvar 。 無功功率補償
供電部門規(guī)定一個最小功率因數(shù)以避免電能浪費。如果一個工廠的功率因數(shù)小于這個最小值，它要為無功功率的部分付費。否則它就應該用電容器提高功率因數(shù)，這就必須在用電設(shè)備上并聯(lián)安裝電容器。 諧振：
在配電系統(tǒng)里的設(shè)備，與它們存在的電容 ( 電纜，補償電容器等 ) 和電感 ( 變壓器，電抗線圈等 ) 形成共振電路。后者能夠被系統(tǒng)諧波激勵而成為諧振。配電系統(tǒng)諧波的一個原因是變壓器鐵芯非線性磁化的特性。在這種情況下主要的諧波是 3 次的；它在全部 導體內(nèi)與單相分量具有相同的長度，因而在星形點上不能消除。 諧振頻率：
每個電感和電容的連接形成一個具有特定共振頻率的諧振電路。一個網(wǎng)絡有幾個電感和電容就有幾個諧振頻率。 串聯(lián)諧振諧電路：
由電感（電抗器）和電容 ( 電容器 ) 串聯(lián)的電路。 串聯(lián)諧振頻率：
網(wǎng)絡的阻抗水平達到最小的頻率。在串聯(lián)諧振電路內(nèi)分路電壓 U L 和 U C 大于總電壓 U 。 分量諧波
頻率不是基波分量倍數(shù)的正弦曲線波。 2. 諧波是什么？
諧波是主電網(wǎng)頻率的倍數(shù)。 術(shù)語“電網(wǎng)諧波 也被使用。
電網(wǎng)頻率 f = 50 赫茲
3 次諧波 f = 150 赫茲
5 次諧波 f = 250 赫茲
7 次諧波 f = 350 赫茲
等 用傅立葉分析能夠把非正弦曲線信號分解成基本部分和它的倍數(shù)。 3.諧波分量是如何產(chǎn)生的？
由于半導體晶閘管的開關(guān)操作和二極管、半導體晶閘管的非線性特性，電力系統(tǒng)的某些設(shè)備如功率轉(zhuǎn)換器比較大的背離正弦曲線波形。
諧波電流的產(chǎn)生是與功率轉(zhuǎn)換器的脈沖數(shù)相關(guān)的。6脈沖設(shè)備僅有5、7、11、13、17、19 ….n倍于電網(wǎng)頻率。 功率變換器的脈沖數(shù)越高，最低次的諧波分量的頻率的次數(shù)就越高。
其他功率消耗裝置，例如熒光燈的電子控制調(diào)節(jié)器產(chǎn)生大強度的3 次諧波( 150 赫茲)。
在供電網(wǎng)絡阻抗( 電阻) 下這樣的非正弦曲線電流導致一個非正弦曲線的電壓降。 在供電網(wǎng)絡阻抗下產(chǎn)生諧波電壓的振幅等于相應諧波電流和對應于該電流頻率的供電網(wǎng)絡阻抗Z的乘積。 次數(shù)越高，諧波分量的振幅越低。 4.諧波分量在哪里發(fā)生的？
只要哪里有諧波源( 參看介紹) 那里就有諧波產(chǎn)生。也有可能，諧波分量通過供電網(wǎng)絡到達用戶網(wǎng)絡。 例如，供電網(wǎng)絡中一個用戶工廠的運轉(zhuǎn)可能被相鄰的另一個用戶設(shè)備產(chǎn)生的諧波所干擾。5.電容器的技術(shù)
MKP 和 MPP 技術(shù)之間的區(qū)別在于電力電容器在補償系統(tǒng)中的連接方式。 MKP( MKK ， MKF) 電容器：
這項技術(shù)是在聚丙烯薄膜上直接鍍金屬。其尺寸小于用 MPP 技術(shù)的電容器。因為對生產(chǎn)過程較低的要求，其制造和原料成本比 MPP 技術(shù)要相對地低很多。 MKP 是最普遍的電容器技術(shù)，并且由于小型化設(shè)計和電介質(zhì)的能力，它具有更多的優(yōu)點。 MPP( MKV) 電容器：
MPP 技術(shù)是用兩面鍍金屬的紙板作為電極，用聚丙烯薄膜作為介質(zhì)。這使得它的尺寸大于采用 MKP 技術(shù)的電容器。生產(chǎn)是非常高精密的，因為必須采用真空干燥技術(shù)從電容器繞組中除去全部殘余水分而且空腔內(nèi)必須填注絕緣油。這項技術(shù)的主要優(yōu)勢是它對高溫的耐受性能。 自愈：
兩種類型的電容器都是自愈式的。在自愈的過程中電容器儲存的能量在故障穿孔點會產(chǎn)生一個小電弧。電弧會蒸發(fā)穿孔點臨近位置的細小金屬，這樣恢復介質(zhì)的充分隔離。電容器的有效面積在自愈過程中不會有任何實際程度的減少。每只電容都裝有一個過壓分斷裝置以保護電氣或熱過載。測試是符合 VDE 560 和 IEC 70 以及 70A 標準的。 6. 電容器的發(fā)展
直到大約1978年，制造電力電容器仍然使用包含PCB的介質(zhì)注入技術(shù)。后來人們發(fā)現(xiàn)，PCB 是有毒的，這種有毒的氣體在燃燒時會釋放出來。這些電容器不再被允許使用并且必須處理，它們必須被送到處理特殊廢料的焚化裝置里或者深埋到安全的地方。
包含PCB 的電容器有大約30 W/kvar的功率損耗值。 電容器本身由鍍金屬紙板做成。
由于這種電容被禁止使用，一種新的電容技術(shù)被開發(fā)出來。為了滿足節(jié)能趨勢的要求，發(fā)展低功耗電容器成為努力的目標。
新的電容器是用干燥工藝或是用充入少量油( 植物油)的技術(shù)來生產(chǎn)的�，F(xiàn)在用鍍金屬塑料薄膜代替鍍金屬紙板。因此新電容充分顯示出了其環(huán)保的特性，并且功耗僅為0.3 W/kvar。這表明改進后使功耗降至原來的1/100。 這些電容器是根據(jù)常規(guī)電網(wǎng)條件而開發(fā)的。在能源危機的過程中，人們開始相控技術(shù)的研究。相位控制的結(jié)果是導致電網(wǎng)的污染和許多到現(xiàn)在才搞清楚的故障。 由于前一代電容器存在一個很高的自電感（所以功耗情況很差，達到現(xiàn)在的100倍），高頻的電流和電壓(諧波) 不能被吸收，而新的電容器則會更多地吸收諧波。 因此存在這種可能，即，新、舊電容器工作在相同的母線上時會表現(xiàn)出運行狀況和壽命預期的很大差異， 由于上述原因有可能新電容器將在更短的時間內(nèi)損壞。
我們向市場提供的電力電容器是專門為用于補償系統(tǒng)中而開發(fā)的。電網(wǎng)條件已經(jīng)發(fā)生急劇的變化，選擇正確的電容器技術(shù)越來越重要。 電容器的使用壽命會受到如下因素的影響而縮短： -諧波負載 -較高的電網(wǎng)電壓 -高的環(huán)境溫度 我們配電系統(tǒng)中的諧波負載在持續(xù)增長。在可預知的將來，可能只有組合電抗類型的補償系統(tǒng)會適合使用。 很多供電公司已經(jīng)規(guī)定只能安裝帶電抗的補償系統(tǒng)。其它公司必須遵循他們的規(guī)定。 如果一個用戶決定繼續(xù)使用無電抗的補償系統(tǒng)，他起碼應該選用更高額定電壓的電容器。這種電容器能夠耐受較高的諧波負載，但是不能避免諧振事故。
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