電磁兼容中諧波的產(chǎn)生及其危害

1. 何為諧波？
在電力系統中諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線(xiàn)性負載所致。當電流流經(jīng)負載時(shí)，與所加的電壓不呈線(xiàn)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，根據法國數學(xué)家傅立葉(M．Fourier)分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。諧波是正弦波，每個(gè)諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波可以區分為偶次與奇次性，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(shí)，2次諧波為100Hz，3次諧波則是150Hz。

一般來(lái)講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統中，由于對稱(chēng)關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載，出現的諧波電流是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。

“諧波”一詞起源于聲學(xué)。有關(guān)諧波的數學(xué)分析在18世紀和19世紀已經(jīng)奠定了良好的基礎。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應用。電力系統的諧波問(wèn)題早在20世紀20年代和30年代就引起了人們的注意。當時(shí)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諧波問(wèn)題的大量論文。70年代以來(lái)，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、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(wèn)題予以充分和關(guān)注。國際上召開(kāi)了多次有關(guān)諧波問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì )議，不少?lài)液蛧H學(xué)術(shù)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。

2. 諧波抑制
為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問(wèn)題，基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來(lái)補償諧波，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，且功率因數可控制為1，這當然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。

裝設諧波補償裝置的傳統方法就是采用LC調諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無(wú)功功率，而且結構簡(jiǎn)單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點(diǎn)是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大，使LC濾波器過(guò)載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。

3. 無(wú)功補償
人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無(wú)功功率卻并不是輕而易舉的。在正弦電路中，無(wú)功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時(shí)，至今尚無(wú)獲得公認的無(wú)功功率定義。但是，對無(wú)功功率這一概念的重要性，對無(wú)功補償重要性的認識，卻是一致的。無(wú)功補償應包含對基波無(wú)功功率補償和對諧波無(wú)功功率的補償。

無(wú)功功率對供電系統和負荷的運行都是十分重要的。電力系統網(wǎng)絡(luò )元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地說(shuō)，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可以實(shí)現；而為了輸送無(wú)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實(shí)現。不僅大多數網(wǎng)絡(luò )元件消耗無(wú)功功率，大多數負載也需要消耗無(wú)功功率。網(wǎng)絡(luò )元件和負載所需要的無(wú)功功率必須從網(wǎng)絡(luò )中某個(gè)地方獲得。顯然，這些無(wú)功功率如果都要由發(fā)電機提供并經(jīng)過(guò)長(cháng)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(wú)功功率的地方產(chǎn)生無(wú)功功率，這就是無(wú)功補償。
無(wú)功補償的作用主要有以下幾點(diǎn)：
（1）提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗。
（2）穩定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長(cháng)距離輸電線(xiàn)中合適的地點(diǎn)設置動(dòng)態(tài)無(wú)功補償裝置還可以改善輸電系統的穩定性，提高輸電能力。
（3）在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場(chǎng)合，通過(guò)適當的無(wú)功襝可以平衡三相的有功及無(wú)功負載。

二、諧波和無(wú)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(dòng)機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動(dòng)機和變壓器所消耗的無(wú)功功率在電力系統所提供的無(wú)功功率中占有很高的比例。電力系統中的電抗器和架空線(xiàn)等也消耗一些無(wú)功功率。阻感負載必須吸收無(wú)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(xiàn)性裝置也要消耗無(wú)功功率，特別是各種相控裝置。如相控整流器、相控交流功率調整電路和周波變流器，在工作時(shí)基波電流滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無(wú)功功率。另外，這些裝置也會(huì )產(chǎn)生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無(wú)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(wú)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(wú)功功率。
近30年來(lái)，電力電子裝置的應用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為*大的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例*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*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滯后已為人們所熟悉。直流側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很低。另外，采用相控方式的交流電力調整電路及周波變流器等電力電子裝置也會(huì )在輸入側產(chǎn)生大量的諧波電流。

三、無(wú)功功率的影響和諧波的危害

1.無(wú)功功率的影響
（1）無(wú)功功率的增加，會(huì )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備容量和導線(xiàn)容量增加。同時(shí)，電力用戶(hù)的起動(dòng)及控制設備、測量?jì)x表的尺寸和規格也要加大。
（2）無(wú)功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線(xiàn)路的損耗增加，這是顯而易見(jiàn)的。
（3）使線(xiàn)路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無(wú)功功率負載，還會(huì )使電壓產(chǎn)生劇烈波動(dòng)，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定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網(wǎng)是一種污染，它使用電設備所處的環(huán)境惡化，也對周?chē)哪苣碗娏﹄娮釉O備廣泛應用以前，人們對諧波及其危害就進(jìn)行過(guò)一些研究，并有一定認識，但那時(shí)諧波污染還沒(méi)有引起足夠的重視。近三四十年來(lái)，各種電力電子裝置的迅速發(fā)展使得公用電網(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)和其他系統的危害大致有以下幾個(gè)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、輸電及用電設備的效率，大量的3次諧波流過(guò)中性線(xiàn)時(shí)會(huì )使線(xiàn)路過(guò)熱甚至發(fā)生火災。
（2）諧波影響各種電氣設備的正常工作。諧波對電機的影響除引起附加損耗外，還會(huì )產(chǎn)生機械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，使變壓器局部嚴重過(guò)熱。諧波使電容器、電纜等設備過(guò)熱、絕緣老化、壽命縮短，以至損壞。
（3）諧波會(huì )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(huì )導致繼電保護和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并會(huì )使電氣測量?jì)x表計量不準確。
（5）諧波會(huì )對鄰近的通信系統產(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，使通信系統無(wú)法正常工作。