在電力系統(tǒng)中采用電力電子裝置可靈活方便地變換電路形態(tài)，為用戶提供使用電能的手段,。但是,，電力電子裝置的廣泛應(yīng)用也使電網(wǎng)的諧波污染問題日趨嚴(yán)重，影響了供電質(zhì)量,。目前諧波與電磁干擾,、功率因數(shù)降低已并列為電力系統(tǒng)的三大公害。因而了解諧波產(chǎn)生的機(jī)理,，研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常積極的意義,。

1、諧波及其起源

所謂諧波是指一個周期電氣量的正弦波分量,，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍,。周期為T＝2π／ω的非正弦電壓u（ωt），在滿足狄里赫利條件下,，可分解為如下形式的傅里葉級數(shù)：式中頻率為nω（n＝2,，3…）的項即為諧波項,，通常也稱之為高次諧波。

應(yīng)該注意,，電力系統(tǒng)所指的諧波是穩(wěn)態(tài)的工頻整數(shù)倍數(shù)的波形,，電網(wǎng)暫態(tài)變化諸如涌流、各種干擾或故障引起的過壓,、欠壓均不屬諧波范疇,；諧波與不是工頻整倍數(shù)的次諧波（頻率低于工頻基波頻率的分量）和分?jǐn)?shù)諧波（頻率非基波頻率整倍數(shù)的分?jǐn)?shù)）有定義上的區(qū)別。

諧波主要由諧波電流源產(chǎn)生：當(dāng)正弦基波電壓施加于非線性設(shè)備時,，設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同,，電流因而發(fā)生了畸變，由于負(fù)荷與電網(wǎng)相連,，故諧波電流注入到電網(wǎng)中,，這些設(shè)備就成了電力系統(tǒng)的諧波源。系統(tǒng)中的主要諧波源可分為兩類：含半導(dǎo)體的非線性元件,，如各種整流設(shè)備,、變流器、交直流換流設(shè)備,、PWM變頻器等節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備,；含電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源，如日光燈,、交流電弧爐,、變壓器及鐵磁諧振設(shè)備等。

上對電力諧波問題的研究大約起源于五六十年代,，當(dāng)時的研究主要是針對高壓直流輸電技術(shù)中變流器引起的電力系統(tǒng)諧波問題,。進(jìn)入70年代后，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè),、交通及家庭中的廣泛應(yīng)用,，諧波問題日趨嚴(yán)重，從而引起世界各國的高度重視,。各種學(xué)術(shù)組織如電氣與電子工程師協(xié)會（IEEE）,、電工委員會（IEC）和大電網(wǎng)會議（CIGRE）相繼各自制定了包括供電系統(tǒng)、各項電力和用電設(shè)備以及家用電器在內(nèi)的諧波標(biāo)準(zhǔn),。我國國家技術(shù)監(jiān)督局于1993年頒布了國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T14549－93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》,，標(biāo)準(zhǔn)給出了公用電網(wǎng)諧波電壓、諧波電流的限制值,。

如國內(nèi)某軋鋼廠的4000kW交流變頻同步電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng),，在某種工況下5次諧波含量達(dá)到15．88％，7次諧波含量達(dá)7．9％。另外,，低于電網(wǎng)頻率的次諧波和大量的分?jǐn)?shù)次諧波,，使電流總諧波畸變率gao時可達(dá)25．87％，電壓總諧波畸變率gao時可達(dá)6．19％,。遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T14549－93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》,，可見，諧波對電網(wǎng)的污染是相當(dāng)嚴(yán)重的,。

2,、高次諧波的危害

諧波污染對電力系統(tǒng)的危害是嚴(yán)重的,，主要表現(xiàn)在：

（1）諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作,。對如發(fā)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)電機(jī)產(chǎn)生附加功率損耗、發(fā)熱,、機(jī)械振動和噪聲,；對斷路器，當(dāng)電流波形過零點(diǎn)時,，由于諧波的存在可能造成高的di／dt,，這將使開斷困難，并且延長故障電流的切除時間,。

（2）諧波對供電線路產(chǎn)生了附加損耗,。由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使線路電阻隨頻率增加而提高,，造成電能的浪費(fèi),；由于中性線正常時流過電流很小，故其導(dǎo)線較細(xì),，當(dāng)大量的三次諧波流過中性線時,，會使導(dǎo)線過熱，損害絕緣,，引起短路甚至火災(zāi),。

（3）使電網(wǎng)中的電容器產(chǎn)生諧振。工頻下,，系統(tǒng)裝設(shè)的各種用途的電容器比系統(tǒng)中的感抗要大得多,，不會產(chǎn)生諧振，但諧波頻率時,，感抗值成倍增加而容抗值成倍減少,，這就有可能出現(xiàn)諧振，諧振將放大諧波電流,，導(dǎo)致電容器等設(shè)備被燒毀,。

（4）諧波將使繼電保護(hù)和自動裝置出現(xiàn)誤動作，并使儀表和電能計量出現(xiàn)較大誤差。諧波對其他系統(tǒng)及電力用戶危害也很大：如對附近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,，輕者出現(xiàn)噪聲,，降低通信質(zhì)量，重者丟失信息,，使通信系統(tǒng)無法正常工作,，影響電子設(shè)備工作精度，使精密機(jī)械加工的產(chǎn)品質(zhì)量降低,；設(shè)備壽命縮短,，家用電器工況變壞等。

3,、諧波的檢測和分析方法

為了有效補(bǔ)償和抑制負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流,，首先必須對含有的諧波成分有的認(rèn)識，因而需要實(shí)時檢測負(fù)載電流中的諧波分量?，F(xiàn)有的諧波電流檢測和分析方法主要基于以下幾種原理：

（1）帶阻濾波法

這是一種為簡單的諧波電流檢測方法,，其基本原理是設(shè)計一個低阻濾波器，將基波分量濾除,，從而獲得總的諧波電流量,。這種方法過于簡單，精度很低,，不能滿足諧波分析的需要,，一般不用。

（2）帶通選頻法和FFT變換法

帶通選頻方法采用多個窄帶濾波器,，逐次選出各次諧波分量,，利用FFT變換來檢測電力諧波是一種以數(shù)字信號處理為基礎(chǔ)的測量方法，其基本過程是對待測信號（電壓或電流）進(jìn)行采樣,，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換,，再用計算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù),。

這兩種方法都可以檢測到各次諧波的含量,，但以模擬濾波器為基礎(chǔ)的帶通選頻法裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜,，元件多,，測量精度受元件參數(shù)、環(huán)境溫度和濕度變化的影響大,，且沒有自適應(yīng)能力,；后一種檢測方法其優(yōu)點(diǎn)是可同時測量多個回路，能自動定時測量,。缺點(diǎn)是采樣點(diǎn)的個數(shù)限制諧波測量的gao次數(shù),，具有較長的時間延遲,，實(shí)時性較差。

（3）瞬時空間矢量法

1983年日本學(xué)者赤木泰文提出的瞬時無功功率理論,，即“p－q”理論,，對電力諧波量的檢測做出了極大的貢獻(xiàn)，由于解決了諧波和無功功率的瞬時檢測和不用儲能元件就能實(shí)現(xiàn)抑制諧波和無功補(bǔ)償?shù)葐栴},，使得電力有源濾波理論由實(shí)驗室的理論研究走向工作應(yīng)用,。根據(jù)該理論，可以得到瞬時有功功率p和瞬時無功功率q,，p和q中都含有直流分量和交流分量,，式中分別為p、q的直流分量,，即為對應(yīng)的交流分量,。由可得被檢測電流的基波分量，將基波分量與總電流相減即得相應(yīng)的諧波電流,。因為該方法忽略了零序分量,，且對于不對稱系統(tǒng)，瞬時無功的平均分量不等于三相的平均無功,。所以，該方法只適用于三相電壓正弦,、對稱情況下的三相電路諧波和基波無功電流的檢測,。

90年代提出的“d－q”理論進(jìn)一步發(fā)展和完善了“p－q”理論，該理論提出的檢測方法解決了三相電壓非正弦,、非對稱情況下三相電路諧波和基波負(fù)序電流的檢測,。

（4）自適應(yīng)檢測法

該方法基于自適應(yīng)干擾抵消原理，將電壓作為參考輸入,，負(fù)載電流作為原始輸入,，從負(fù)載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，得到需要補(bǔ)償?shù)闹C波與無功分量,。該自適應(yīng)檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)是在電壓波形畸變情況下也具有較好的自適應(yīng)能力,，缺點(diǎn)是動態(tài)響應(yīng)速度較慢。在此基礎(chǔ)上,，又有學(xué)者提出一種基于神經(jīng)元的自適應(yīng)諧波的電流檢測法,。

（5）小波變換檢測法

對于一般的諧波檢測，如電力部門出于管理而檢測,，需要獲得的是各次諧波的含量,，而對于諧波的時間則不關(guān)心，因此,，傅里葉變換就滿足要求,。然而在對諧波電流進(jìn)行動態(tài)抑制時,，不必分解出各次諧波分量，只需檢測出除基波電流外的總畸變電流,，但對出現(xiàn)諧波的時間感興趣,，對于這一點(diǎn)，傅里葉變換無能為力,。小波變換由于克服了傅里葉變換在頻域*局部化而在時域*無局部性的缺點(diǎn),，即它在時域和頻域同時具有局部性，因此通過小波變換對諧波信號進(jìn)行分析可獲得所對應(yīng)的時間信息,。

從以上檢測方法看,，基于瞬時無功功率理論的瞬時空間矢量法簡單易行，性能良好,，并已趨于完善和成熟,，今后仍將占主導(dǎo)地位?；谏窠?jīng)元的自適應(yīng)諧波電流檢測法和小波變換檢測法等新型諧波檢測方法能否應(yīng)用于工程實(shí)際,，還有待進(jìn)一步驗證。

4,、諧波抑制方法

在電力系統(tǒng)中對諧波的抑制就是如何減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流,，以便把諧波電壓控制在限定值之內(nèi)，抑制諧波電流主要有三方面的措施：

（1）降低諧波源的諧波含量

也就是在諧波源上采取措施,，大限度地避免諧波的產(chǎn)生,。這種方法比較積極，能夠提高電網(wǎng)質(zhì)量,，可大大節(jié)省因消除諧波影響而支出的費(fèi)用,。具體方法有：

①增加整流器的脈動數(shù)

整流器是電網(wǎng)中的主要諧波源，其特征頻譜為：n＝Kp±1,，則可知脈沖數(shù)p增加,，n也相應(yīng)增大，而In≈I1／n,，故諧波電流將減少,。因此，增加整流脈動數(shù),，可平滑波形,，減少諧波。如：整流相數(shù)為6相時,，5次諧波電流為基波電流的18．5％,，7次諧波電流為基波電流的12％，如果將整流相數(shù)增加到12相,，則5次諧波電流可下降到基波電流的4．5％,，7次諧波電流下降到基波電流的3％,。

②脈寬調(diào)制法

采用PWM，在所需的頻率周期內(nèi),，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達(dá)到抑制諧波的目的,。在PWM逆變器中，輸出波形是周期性的,，且每半波和1／4波都是對稱的,，幅值為±1，令第yi個1／4周期中開關(guān)角為γi（i＝1,，2,，3……m），且0≤γ1≤γ2≤……≤γm≤π／2,。假定γ0＝0,，γm＋1＝π／2，在（0,，π）內(nèi)開關(guān)角α＝0,，γ1，γ2,，……,，γm，π－γm,，……,，π－γ2，π－γ1,。PWM波形按傅里葉級數(shù)展開，由式可知,，若要消除n次諧波,，只需令bn＝0，得到的解即為消除n次諧波的開關(guān)角α值,。

③三相整流變壓器采用Y－d（Y／Δ）或D,、Y（Δ／Y）的接線

這種接線可消除3的倍數(shù)次的高次諧波，這是抑制高次諧波的基本的方法,。

（2）在諧波源處吸收諧波電流

這類方法是對已有的諧波進(jìn)行有效抑制的方法,，這是目前電力系統(tǒng)使用廣泛的抑制諧波方法。主要方法有以下幾種：

①無源濾波器

無源濾波器安裝在電力電子設(shè)備的交流側(cè),，由L,、C、R元件構(gòu)成諧振回路,，當(dāng)LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時,，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng),。由于具有投資少、效率高,、結(jié)構(gòu)簡單,、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補(bǔ)償?shù)闹饕侄?。但無源濾波器存在著許多缺點(diǎn),，如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響；對某些次諧波有放大的可能,；耗費(fèi)多,、體積大等。因而隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展,，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器,。

②有源濾波器

早在70年代初期，日本學(xué)者就提出了有源濾波器APF（Active Power Filter）的概念,，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等,、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零,，達(dá)到實(shí)時補(bǔ)償諧波電流的目的,。與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性,，能補(bǔ)償各次諧波,，可抑制閃變、補(bǔ)償無功,，有一機(jī)多能的特點(diǎn),；在性價比上較為合理；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響,，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險,；具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波,。目前在國外高低壓有源濾波技術(shù)已應(yīng)用到實(shí)踐,，而我國還僅應(yīng)用到低壓有源濾波技術(shù)。隨著容量的不斷提高,，有源濾波技術(shù)作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù),，其應(yīng)用范圍也將從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展。

③防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大

在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用,。當(dāng)諧波存在時,，在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全,?？刹扇〈?lián)電抗器,，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量,，避免電容器對諧波的放大,。

④加裝靜止無功補(bǔ)償裝置

快速變化的諧波源，如：電弧爐,、電力機(jī)車和卷揚(yáng)機(jī)等,，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變,，有的還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡,，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置,，可有效減小波動的諧波量,，同時，可以抑制電壓波動,、電壓閃變,、三相不平衡，還可補(bǔ)償功率因數(shù),。

（3）改善供電環(huán)境

選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡,，可以有效地減小諧波對電網(wǎng)的影響。諧波源由較大容量的供電點(diǎn)或高一級電壓的電網(wǎng)供電,，承受諧波的能力將會增大,。對諧波源負(fù)荷由專門的線路供電，減少諧波對其它負(fù)荷的影響,，也有助于集中抑制和消除高次諧波,。

隨著我國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，基于瞬時無功功率理論的有源濾波器進(jìn)行諧波治理將會有巨大的市場潛力,。綜合動態(tài)的諧波治理措施并同時考慮電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償問題,，是電力企業(yè)當(dāng)前面臨的一大課題。但是要消除諧波污染,，除在電力系統(tǒng)中大力發(fā)展的濾波措施外，還必須依靠全社會的努力,，在設(shè)計,、制造和使用非線性負(fù)載時，采取有力的抑制諧波的措施,，減小諧波侵入電網(wǎng),，從而真正減少由于諧波污染帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失。