谐波分析
一、谐波的相关概述
谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般来说是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量，其实谐波是一个正弦波分量。
谐波产生的根本原因是非线性负载造成电网中的谐波污染、三相电压的不对称性。由于非线性负荷的存在,使得电力系统中的供电电压即便是正弦波形,其电流波形也将偏离正弦波形而发生畸变。当非正弦波形的电流在供电系统中传输时,将迫使沿途电压下降,其电压波形也将受其影响而产生不同程度的畸变,这种电能质量的下降会给电力系统和用电设备带来严重的危害。
电力系统中的谐波源主要有以下几类：（1）电源自身产生的谐波。因为发电机制造的问题，使得电枢表面的磁感应强度分布偏离正弦波，所产生的电流偏离正弦电流。（2）非线性负载，如各种变流器、整流设备、PWM变频器、交直流换流设备等电力电子设备。（3）非线性设备的谐波源，如交流电弧炉、日光灯、铁磁谐振设备和变压器等。
二、谐波的危害
谐波对电力系统的危害主要表现在:(1)谐波使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗,降低发电、输电及用电设备的效率。(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。(3)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,引发严重事故。(4)谐波会导致继电保护和自动装置误动作,并使电气测量仪表计量不准确。(5)谐波对临近的通信系统产生干扰,轻则产生噪声,降低通信质量;重则导致信息丢失,使通信系统无法正常工作。
三、谐波的分析
由于谐波导致的各种各样的事故和故障的几率一直在升高，谐波已成为电力系统的一大公害。我国对于谐波相关工作的研究大致起源于20世纪80年代。我国国家技术监督局于93年颁布了国家标准《电能质量——公用电网谐波》（GB/T 14549-1993）。该标准对公用电网中各个等级的电压的限用值、电流的允许值等都做了相应的规定，并以附录的形式给出了测量谐波的方法和数据处理及测量仪器都作了相应的规定。这个规定给我国相关人员进行谐波检测分析、谐波污染的抑制提供了理论依据和大致思路。
四、谐波的检测
对电力系统谐波问题的研究涉及面很广,如谐波源分析、谐波检测、畸变波形分析、谐波抑制等,其中很重要的一个方面就是谐波的检测,它是解决其他谐波问题的基础。但由于电力系统的谐波受到随机性、非平稳性、分布性等多方面因素影响,要进行实时准确的检测并不容易,因此,随着交流电力系统的发展,也逐渐形成了多种谐波检测方法,如模拟滤波、基于傅氏变换的频域分析法、基于瞬时无功功率理论的检测方法、小波变换、神经网络等。
检测谐波是做好抑制与消除谐波工作的基础,目前大多数谐波测试仪都采用快速傅里叶变换(FFT)。(1)从理论上讲,谐波测量通常是利用谐波分析的方法求出信号的各次谐波的幅值和相角,然后由相应公式求出总谐波畸变率(DFU)、谐波功率(Ph)、谐波阻抗(Zh)等值。对于不同的谐波,采用不同的分析方法。对于稳态谐波通常采用FFT算法、FHT算法以及离散W变换等;对于暂态谐波,则有改进的FFT分析及小波变换等。(2)在实际测量过程中,应用谐波频谱分析仪对各个变压器的出线口、配电柜的各低压电容器支路、主要整流设备馈线支路和典型用户支路等测试点,进行电压和电流波形的测量、记录和保存;把测量的电压、电流波形,通过相应的分析软件,可以直接得到各次谐波分量的有效值及其占总有效值的百分比。
五、谐波的抑制
目前常用的谐波治理方法无外乎有两种，无源滤波和有源滤波。
1、无源滤波的主要结构是用电抗器与电容器串联起来，组成LC 串联回路，并联于系统中，LC回路的谐振频率设定在需要滤除的谐波频率上，例如5次、7次、11次谐振点上，达到滤除这3次谐波的目的。其成本低，但滤波效果不太好，如果谐振频率设定得不好，会与系统产生谐振。现在，市场上流通较多的采取的滤波方法就是这一种，主要是因为低成本，用户容易接受。虽滤波的效果较差，只要满足国家对谐波的限制标准和电力部门对无功的要求就行了。由于其低成本，市场的需求也就大，一般而言，低压0.4KV系统大多数采用无源滤波方式，高压10KV几乎都是采用这种方式对谐波进行治理。由于我国的中小企业大多数是私有的，业主对谐波的危害认识不足，一般不愿意拿出大量的经费来治理谐波，而有的企业由于谐波的含量太大，常规的无功补偿不能凑效，供电部门对无功的要求又是十分严格的，达不到就要罚款。因此，业主不得不要求滤波。因而，其市场的前景可观，经济效益也就可观了。
无源滤波器可分为：1）单调谐滤波器；2）高通（或带通）滤波器（一阶、二阶和三阶）。
1)单调谐滤波器
这是最为常用的一种滤波器,由L、R、C串接而成,如图1(a)所示,它是针对某一次谐波而设计。当系统中有该次谐波时,由于滤波器的存在使得谐波容抗与谐波感抗刚好抵消,整个滤波器电路对该次谐波仅相当于一个低阻通道,从而将该次谐波从系统中滤除。
2)双调谐滤波器
双调谐滤波器相当于由两个单调谐滤波器并联组成,如图1(b)所示,它可以同时吸收两种频率的谐波。与两个单独的单调谐滤波器相比,它的基波损耗较小,但是结构比较复杂。
3)二阶减幅型滤波器
这种滤波器又称为高通滤波器,其结构如图1(c)所示,可与单调谐滤波器相配合,它对于高于某次以上谐波的谐波阻抗较小,从而可以从系统中滤除高于该次以上的谐波。这种滤波器基波损耗较小,阻抗频率特性较好,因此在电力系统中应用较多。
4)三阶减幅型滤波器
结构如图1(d)所示。该滤波器在实际中应用较少,它的基波损耗比二阶减幅型滤波器小,但是特性较差。
图1 无源滤波器原理图
2、有源滤波装置是在无源滤波的基础上发展起来的，它的滤波效果好，在其额定的无功功率范围内，滤波效果是百分之百的。它主要是由电力电子元件组成电路，使之产生一个和系统的谐波同频率、同幅度，但相位相反的谐波电流与系统中的谐波电流抵消。但由于受到电力电子元件耐压，额定电流的发展限制，成本极高，其制作也较之无源滤波装置复杂得
多，成本也就高得多了。其主要的应用范围是计算机控制系统的供电系统，尤其是写字楼的供电系统，工厂的计算机控制供电系统。对单台的装置而言，其利润是可观的，但用户一般不愿意用有源滤波，对于谐波的含量，不必滤得太干净，只要不危害其他用电器也就可以了。