簡介
諧波治理裝置隨著科學技術的發展，隨著工業生產水平和人民生活水平的提高，非線性用電設備在電網中大量投運，造成了電網的諧波分量占的比重越來越大。它不僅增加了電網的供電損耗，而且干擾電網的保護裝置與自動化裝置的正常運行，造成了這些裝置的誤動與拒動，直接威脅電網的安全運行。舉個常見的例子來說，電子節能燈在使用量所占比重較小的電網中運行，的確比常用的白熾燈好，不僅亮度高又省電，而且使用壽命也長。但是相反，在大量投運節能燈後，就會發現節能燈的損壞率大大提高。這是由於節能燈是非線性負荷，它產生較大的諧波污染了這一片電網，造成三相負荷基本平衡情況下，中心線電流居高不下，線電壓與相電壓之比比1要小得多，造成了該片電網供電質量下降，用電設備發熱增加，電網線損增加，使得該區的配變發熱嚴重，嚴重影響其使用壽命。因此我們對非線性用電設備產生的諧波必須進行治理，使諧波分量不超過國家標準。
諧波成因
電網諧波來自於3個方面：
1.發電源質量不高產生諧波：發電機由於三相繞組在製作上很難做到絕對對稱，鐵心也很難做到絕對均勻一致和其他一些原因，發電源多少也會產生一些諧波，但一般來說很少。
2.是輸配電系統產生諧波：輸配電系統中主要是電力變壓器產生諧波，由於變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，加上設計變壓器時考慮經濟性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。它的大小與磁路的結構形式、鐵心的飽和程度有關。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大，其中3次諧波電流可達額定電流0.5%。
3.是用電設備產生的諧波：晶閘管整流設備。由於晶閘管整流在電力機車、鋁電解槽、充電裝置、開關電源等許多方面得到了越來越廣泛的套用，給電網造成了大量的諧波。我們知道，晶閘管整流裝置採用移相控制，從電網吸收的是缺角的正弦波，從而給電網留下的也是另一部分缺角的正弦波，顯然在留下部分中含有大量的諧波。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流，其中3次諧波的含量可達基波的30%;接容性負載時則含有奇次諧波電壓，其諧波含量隨電容值的增大而增大。如果整流裝置為三相全控橋6脈整流器，變壓器原邊及供電線路含有5次及以上奇次諧波電流;如果是12脈衝整流器，也還有11次及以上奇次諧波電流。經統計表明：由整流裝置產生的諧波占所有諧波的近40%，這是最大的諧波源。
諧波來源
電力系統中的諧波來自電氣設備，也就是說來自發電設備和用電設備。由於發電機的轉子產生的磁場不可能是完善的正弦波，因此發電機發出的電壓波形不可能是一點不失真的正弦波。目前我國套用的發電機有兩大類：隱極機和凸極機。隱極機多用於汽輪發電機，凸極機多用於水輪發電機。
對於諧波分量而言，隱極機優於凸極機，但隨著科技進步，可控矽、IGBT等電子勵磁裝置的投入，使發電機的諧波分量有所上升。當發電機的端電壓高於額定電壓的10%以上時，由於電機的磁飽和，會使電壓的三次諧波明顯增加。同樣在變壓器的電源側電壓超過額定電壓10%以上時，也會使二次側電壓的三次諧波明顯增加。由於電網電壓偏移在±7%以下，所以發電、變電設備產生的諧波分量都比較小，比國家的考核標準低的多，因此發電、變電設備不是影響電網電壓波形方面質量的主要矛盾。
為此，影響電網電壓波形質量的主要矛盾是非線性用電設備，也就是說非線性用電設備是主要的諧波源，非線性用電設備主要有以下四大類：
·電弧加熱設備：如電弧爐、電焊機等。
·交流整流的直流用電設備：如電力機車、電解、電鍍等。
·交流整流再逆變用電設備：如變頻調速、變頻空調等。
·開關電源設備：如中頻爐、彩色電視機、電腦、電子整流器等。
這些用電設備都是非線性用電設備，但它們產生的諧波各不相同，具體舉例分析如下：
電弧加熱設備是由於電弧在70伏以上才會起弧，才會有弧電流，並且滅弧電壓略低於起弧電壓，造成弧電流與弧電壓的非線性。
此外，弧電流的波形還有一定的非對稱性。正是由於弧電流是非正弦波，造成電弧加熱設備對電網的諧波污染比較大，而且多為18次以下的低次諧波污染。其實電焊機在上世紀四、五十年代已廣泛套用。由於當時電弧加熱設備量少，電焊機套用的同時率就更小了，對整個電網的影響比較小，但發現在燒電焊時，局部低壓電網的電壓和電流變化很大，有較大的諧波影響。
交流整流直流用電設備的諧波產生的原因是由於整流設備有一個閥電壓，在小於閥電壓時，電流為零。這類用電設備為了提供平穩的直流電源，在整流設備中加入了儲能元件（濾波電容和濾波電感），從而使閥電壓提高，加激了諧波的產生量。為了控制直流用電設備的電壓和電流，在整流設備中套用了可控矽，這使得該類設備的諧波污染更嚴重，而且諧波的次數比較低。
交流整流再逆變用電設備，在交流變直流過程中產生的諧波與上述的交流整流直流用電設備一樣，它在直流逆變成交流時又有逆變波形反射到交流電流，這類設備產生的諧波分量不僅有低次諧波，也有高次諧波。
雖然這類設備單台容量比上述兩類設備容量要小，但它的分布面廣，數量多，是推廣使用的技術手段，因此它的諧波污染應引起足夠關注。
開關電源設備套用很廣，它的工作原理是先把交流整流成直流，通過開關管控制變壓器初級電流的開通和關閉，從而在變壓器二次側感應出電流，供給用電設備。此外，開關電源的頻率比較高一般在40kHz左右，不僅在整流時產生諧波，而且在開關管開閉時，反射40kHz左右的波至電源。這類用電設備同樣是單台容量不大，但它是套用面最廣、量最大的非線性用電設備，它還有一定量的三次諧波，造成配變的中心線電流居高不下，而且三次諧波還會通過配變污染到10kV電網。
現狀淺析
通過對市場的常用用電器的諧波狀況的測試，我們了解到目前我國內工業企業的諧波污染十分嚴重，尤其是早些年為了節能，引入的變頻電源和直流用電器的投入，其5次、7次、11次諧波電流的含量分別占基波的20%、11%、6%，這對於小功率的用戶而言，還不怎樣，但對於大功率的用戶來說，危害就很大了，對於中頻爐用戶，它用常規的無功補償就無法進行，有的用戶用常規的電容器無功補償，無法投入電容器，有的即便投入了，也對5次諧波電流放大了1.8~3.8倍以上，使得電動機、變壓器等用電器的銅損、鐵損大大地增加，縮短了設備的使用壽命，多交了電費。
諧波治理
諧波的治理主要採用無源濾波裝置和有源濾波器。
1、無源濾波裝置主要採用LC迴路，並聯於系統中，LC迴路的設定，只能針對於某一次諧波，即針對於某一個頻率為低阻抗，使得該頻率流經為其設定的LC迴路，達到消除（濾除）某一頻率的諧波的目的。LC迴路在濾除諧波的同時，在基波對系統進行無功補償。這種濾波裝置簡單，成本低，但不能濾除乾淨。其主要元件為投切開關、電容器、電抗器以及保護和控制迴路。
2、有源電力濾波器。這種濾波器是用電力電子元件產生一個大小相等，但方向相反的諧波電流，用以抵銷網路中的諧波電流，這種裝置的主要元件是大功率電力電子器件，成本高，在其額定功率範圍內，原則上能全部濾除乾淨。
一、諧波的基本定義及基礎知識
1.1領域內關鍵字語的基本概念
★諧波：（harmonic）對周期性交流信號量進行傅立葉級數分解，得到頻率為基波頻率大於1的整數倍的分量。我國供電系統頻率為50Hz，所以5次諧波的頻率為250Hz。7次諧波的頻率為350Hz。11次諧波的頻率為550Hz，13次諧波的頻率為650Hz。
★公共連線點：（PCC）用戶接入電網的連線處。
★總諧波畸變率：（THD）周期性交流量的諧波含量的方均根值與基波分量的方均根值之比（用百分數表示）。電壓總諧波畸變率以THDU表示，電流總諧波畸變率以THDI表示。
★諧波源（harmonicsource）：向公用電網注入諧波電流或在公用電網中產生諧波電壓的電氣設備。
★感性無功：電動機，變壓器在能量轉換過程中建立交變磁場，在一個周期內吸收的功率和釋放的功率相等，這種功率叫感性無功功率。
★容性無功電容器在交流電網中接通時在一個周期內，上半周期的充電功率和下半周期的放電功率相等，不消耗能量，這種充放電功率叫容性無功功率。
★功率因數：有功功率與視在功率的比值稱為功率數。
★功率因數調整電費：實行兩部分電價制度的用電企業，供電部門根據用戶平均功率因數而加收或減免的電費，稱為功率因數調整電費1.2諧波的產生和危害
●諧波的產生
諧波主要是由於大容量整流或換流設備以及其它非線性負荷，導致電流波形畸變造成的。我們對這些畸的變交流量進行傅立葉級數分解，即可得到50Hz的基波分量和頻率為基波分量整數倍的諧波分量。
●諧波的危害
★影響供電系統的穩定運行：供配電系統中的電力線路與電力變壓器，一般採用電磁繼電器，感應式繼電器或新式微機保護進行檢測保護，在系統中這些屬於敏感元件，繼電器受到高次諧波的影響容易產生誤動作，微機保護由於採用了整流採樣電路，也及易受到諧波的影響導致誤動或拒動，這樣諧波嚴重威脅供電系統的穩定與安全運行。
★影響電網的質量：高次諧波能使電網的電壓與電流波形發生畸變，另外相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產生同次諧波的有功功率和無功功率，從而降低電網電壓，增加電路損耗，浪費電網容量。
★影響供電系統的無功補償設備：供電系統變電站均有無功補償設備，當諧波注入電網時容易造成高壓電容過電流和過負荷，使電容異常發熱：另外諧波的存在還會加快電容器絕緣介質的老化，縮短電容的使用壽命。
★影響電力變壓器的使用：諧波的存在會使電力變壓器的銅損和鐵損增加，直接影響變壓器的使用效率；還會造成變壓器噪聲增加，縮短變壓器的使用壽命。
★影響用電設備：諧波的存在會造成異步電機電動機效率下降，噪聲增大；使低壓開關設備產生誤動作；對工業企業自動化的正常通訊造成干擾，影響精密加工設備的正常運行，影響電力電子計量設備的準確性。
採用專門的濾波裝臵能夠有效的濾除高次諧波，同時向電網提供容性無功功率，其重要性主要表現在以下方面：
★濾除高次諧波能夠最佳化用電環境，降低視在功率，減少諧波電流在用電設備和輸配電設備中的發熱，直接節省有功功率；消除由於諧波產生的震動，延長電器的使用壽命；有效的消除對敏感元件的影響。
★由於濾波迴路是由電抗器和電容器串聯形成的，所以在濾波的過程中能向電網注入容性無功，提高了功率因數，這樣就能避免供電部門高額的功率因數調整電費，由於無功電流的抵消，也相當於提高了配電設備的容量，減少了線損。無功功率補償還能提升末端的電網電壓，對最佳化用電環境有很重要的意義。
在設計濾波器時，首先應滿足各種負載水平下對諧波限制的技術要求，然後在次前提下，使濾波器在經濟上最為合理。除以上經濟分析外，設計濾波器還應注意以下兩點：
1）單調濾波器的諧振頻率會因電容，電感參數的偏差或變化而改變，電網頻率會有一定的波動，這將導致濾波器失諧。設計時應保證在正常調諧的情況下濾波裝臵仍能滿足各項要求。
2）電網阻抗變化對濾波裝臵尤其是其中的單調諧濾波器的濾波效果有較大影響，而更為嚴重的是，電網阻抗與濾波裝臵有發生並聯諧振的可能，設計時應充分予以考慮。
