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电力系统谐波源分析

近年来，随着直流输电和柔性交流输电技术的采用，电气化铁道的快速发展，化工、冶金、煤炭等工业部门中电力电子设备的大量应用等，使得电网的谐波含量大大增加，电网波形畸变越来越严重，对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响。电力电子装置和非线性负载的广泛应用使电力系统产生了大量的谐波。电力谐波已经成为电力系统的一大公害，是近年来国内外专家和学者普遍关注的问题。为了抑制电力系统谐波，首先必须了解谐波源的特点。

1.

1.

谐

波

的

产

生

在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件(电

阻、电感及电容)的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过的电流是 正 弦 波 。

在实际的供电系统中，由于有非线性负荷的存在，当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时，就形成非正弦电流。任何周期性波形均可分解为一个基频正弦波加上许多谐波频率的正弦波。谐波频率是基频的整倍数，例如基频为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波则为150Hz。因此畸变的电流波形可能有二

次谐波、三次谐波……可能直到第三十次谐波组成。

2.

2.谐波源的种类

电网谐波来自于3个方面：

一是发电源质量不高产生谐波：发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。

二是输配电系统产生谐波：输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。

三是用电设备产生的谐波：晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。

带平波电抗器或直流电机负载的晶闸管相控整流装置是最早出现的电力电子型谐波源，这种谐波源一般被当作电流型谐波源，其滤波器设计可以采用无源

支路和系统进行分流的方法来进行优化和计算。随着电力电子技术的发展，出现了一类整流桥后面并联一个大的滤波电容的负载，这类负载在家用电器和变频器等领域得到了广泛的应用。虽然这种谐波源单个容量并不大，但是当大量使用时(如变频器群)也会产生很大的谐渡干扰。这类非线性负载一般被当作电压型谐波源。

产 生 谐 波 的 设 备 类 型所有的非线性负荷都能产生谐波电流，产生谐波的设备类型有：变频装置、

开关模式电源(SMPS)、气体放电类电光源、电子荧火灯镇流器、调速传动装置、不间断电源(UPS)、电弧炉、电石炉、磁性铁芯设备及某些家用电器如电视机等。

变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。

开关模式电源(SMPS) ：

大多数的现代电子设备都使用开关模式电源(SMPS)。它们和老式的设备不同，它们已将传统的降压器和整流器替换成由电源直接经可控制的整流器件去给存贮电容器充电，然后用一种和所需的输出电压及电流相适合的方法输出所需的直流电流。这对于设备制造厂的好处是使用器件的尺寸、价格及重量均可大幅度地降低，它的缺点是不管它是哪一种型号，它都不能从电源汲取连续的电流，而只能汲取脉冲电流。此脉冲电流含有大量的三次及高次谐波的分量。

气体放电类电光源。

荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。

电子荧光灯镇流器：

电子荧光灯镇流器近年被大量采用。它的优点是在工作于高频时可显著提高灯管的效率，而其缺点是其逆变器在电源电流中产生谐波和电