基波和谐波（电网谐波的产生）

在交流电力工程中，谐波仅仅指由于非线性负载引起的非正弦波电流。如果电网中仅仅存在电感、电容、电阻等线性负载，则线路中的电流应该也为标准正弦波，只不过波形和电压有一个相位差，这种情况我们需要使用功率因数的概念来衡量不同步性。但是如果电路中存在非线性器件，比如电力电子设备，如UPS，整流、逆变设备，电机换向，磁性饱和设备等，电流将出现断续或畸变现象。这时，电流波形按照傅里叶级数展开便有了各种不同的频率分量，总之已完全不是正弦波。我们习惯上将除了基频之外的其他频率的电流分量都称为谐波。

一般地，我们定义：电网谐波是电网中存在的除基波电压、电流以外的高次谐波分量。

向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。

谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，从而产生谐波。

谐波频率是基波频率的整倍数，根据法国数学家傅立叶(M.Fourier)分析原理证明，任何重复的波形都可以分解为含有基波频率和一系列为基波倍数的谐波的正弦波分量。谐波是正弦波，每个谐波都具有不同的频率、幅度与相角。谐波可以区分为偶次与奇次谐波。

在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。我国工业企业也越来越多的使用产生谐波的电气设备，例如晶闸管电路供电的直流提升机、交-交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源。 各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关，称为该电路的特征谐波。

除特征谐波外，在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波，如果5，7，11，13次等。如直流侧电流波纹较大，则5次谐波幅值将增大，其余各次谐波幅值将减少。 当电网接有多个谐波源时，由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同，其和将小于各分量的算术和。 变压器激磁电流中含有3，5，7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法，为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相激磁电流不平衡时，可使3次谐波的残余分量(最多可达20%)进入电网。

对电网的影响

1）系统角度，谐波会导致一些不正常现象：一是超高压长线上，谐波电流若较大，潜供电弧熄灭会被延缓，单相重合闸可能会失败，扩大事故，消弧线圈接地的系统中同样存在这个问题；二是谐波分量较大的时候，可能引起保护误动或拒动，如零序三次谐波过大，可能引起接地保护误动；三是计量和测量误差，尤其对过零检测相位的表计来说，更为严重。

三次谐波导致零线过热

2）谐波引起设备的附加损耗，降低效率。尤其是对电容器组的影响，随着频率的提高，其介质损耗会明显增加；对输电线路来说，由于谐波频率高和趋肤效应的原因，线路电阻会增加，因而引起附件线损；同时变压器和电机等，都会引起一定附加的铜耗和铁损，产生局部过热。

3）加速绝缘老化，很大缩短设备寿命。谐波作用下，绝缘老化物理过程明显加剧，对电缆，电容器等危害很大。

4）可能产生局部的串联或并联谐振，并放大谐波水平。从而导致谐波支路中的设备因过电压或过电流而损坏。

简单LC并联谐振示意图

5）谐波对通信系统的干扰。若谐波频率接近载波频率，电力线载波通信和远动装置信号传输会被一定程度干扰，此外通过电磁、静电和耦合途径，也会对平行敷设的通信线路产生干扰。

措施，在技术经济条件允许的情况下，可以采取以下：

1）增大电网公共接点（PCC）处的短路容量，降低系统谐波阻抗。这是系统接入角度所要考虑的问题，而且是基础且重要的。（并不是有些答友说的不具操作性，答这种问题最好不要仅站在设备角度回答）比如，靠近发电厂处短路容量大，即基波和谐波短路阻抗小，同样电压等级允许的谐波电流就大。也就是说注入电网相同的谐波电流时，此谐波电流在较小的谐波阻抗上、产生的谐波电压比较小。如浙江衙州化工厂装有许多甚大的非线性负荷，但该厂拥有较大机组的自备电厂，系统短路容量较大，结果谐波电压并不高，均未超标;反之如临海电化厂仅有2000kW的非线性负荷，但该厂处在电网末端，谐波阻抗较大，谐波电压竟超标许多。再比如，一般较高电压等级母线的短路容量比较低电压等级大，具有承担较大谐波的能力。有时一台3吨电弧炉若从l0kV母线供电，谐波电流往往超标，若改用35kV母线供电，谐波电流可能合格，故必要时应适当升高谐波源用户供电的电压等级。所以一般的做法是尽量将谐波源用户的谐波源及非谐波源用电设备分配到不同的供电母线上，以减少谐波对本厂电气设备的影响。

2）采用交流滤波器和有源滤波器，补偿谐波电流。这是目前普遍采用的做法。在谐波源设备已确定的情况下，对用户侧进行谐波治理通常采取接入无源滤波器或有源滤波器。这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。加装无源滤波器。无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成无源网络，吸收负载产生的谐波电流。具有成本低、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点。

低成本的无源滤波器是至今为止使用最为广泛的补偿装置，其主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，致使谐波放大使无源滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能消除特定次谐波，整个装置占地面积大，所以滤波研究方向逐步转向有源滤波器。

加装有源滤波器， APF(AC activePowerFilter)。

APF能对幅值和频率都变化的谐波及变化的无功进行补偿。利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，实时补偿谐波电流。

与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点;在性价比上较为合理;滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险;具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。

还有就是装设静止无功补偿装置。

在网侧投入无功补偿装置是用来补偿由谐波造成的无功功率，从而提高功率因数。另外，无功补偿装置中通过电感和电容的合理设置，可在某次频率点产生谐振，即可对该频率的谐波实现滤波。可有效减少波动的谐波量。

动态无功补偿目前算是比较好点的设备。比如SVG产生指定的谐波来补偿负荷中的电流谐波，实现谐波补偿的目的，当然这个功能是次要的的，主要还是无功补偿。

3）增加换流装置的脉波数，减少谐波电流发生。降低谐波源的谐波含量也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量。

比如增加换流装置的脉动数，换流装置是主要谐波源之一，产生的谐波主要集中在特征谐波，特征频谱为:n=kp±1，则可知脉动数p增加，n也相应增大，而工n、工l/n，故谐波电流将减少。

再比如利用脉宽调制(PWM)技术， PWM技术，就是在所需的频率周期内，通过半导体器件的导通和关断把直流电压调制成等幅不等宽的系列交流电压脉冲，可达到抑制谐波的目的。若要消除某次特定谐波，可在控制PWM输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性，根据输出波形的傅里叶级数展开式，使需要消除的谐波幅值为零，基波幅值为给定量。

还有采用多电平变流技术，也称整流电路的多重化，即将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦波，但其电路也越复杂，因此该方法一般只用于大容量场合。该方法不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可以减少直流输出电压中的谐波幅值。如果把上述方法与PWM技术配合使用，则会产生很好的谐波抑制效果。

这些属于主动型谐波抑制方案，主要问题在于成本高、效率低。有时，电力电子系统中很高的开关频率使PWM载波信号产生高次谐波，因此在设计主动型谐波抑制方案时，必须用EMI滤波器将高次谐波信号从系统中滤除。4）在设计中规避并联电容和系统感抗的谐振问题。基本的技能点要点上，不然哪天因为这变电站里什么东西爆了，你就等着吧。（记得算过一次，某枢纽站的CT爆了，怀疑是因为谐振，当然最后算了不是）5）高压直流输电线路上串联高频阻塞装置，阻塞高次谐波的传播。在HVDC里用的比较多。滤波方法分为疏导法和阻塞法，疏导法如串联调谐滤波器与主电路并联，阻塞法如平波电抗器与主电路串联，考虑经济和滤波效果，交流侧主要用交流滤波器，直流侧用平波电抗器和直流滤波器。

附国标中对谐波的要求：

参考资料：

链接：https://www.zhihu.com/question/26158749/answer/33633041

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