变频电源的谐波危害及解决措施

一、变频电源应用中的问题
在工业调速传动领域中，与传统的机械调速相比，用变频电源调速有诸多优点，应用非常广泛，但由于变频电源逆变电路的开关特性，对其供电电源形成了一个典型的非线性负载，变频电源在现场通常与其它设备同时运行，例如计算机和传感器，这些设备常常安装得很近，这样可能会造成相互影响。因此，以变频电源为代表的电力电子装置是公用电网中最主要的谐波源之一，其对电力系统中电能质量有着重要的影响。供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值(n=fn/f1) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波(Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种 干扰量，使电网受到“污染”，电能质量下降。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般 为2≤n≤40。
二、谐波的产生过程
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。
三、谐波危害
对于电力系统来说，电力谐波的危害主要表现有以下几方面：
(1)增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益：
(2)电力谐波对输电线路的影响：
谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。
(3)电力谐波对变压器的影响：
谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言，会大大增加励磁电流的谐波分量。
(4) 电力谐波对电力电容器的影响：
含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。
(5)影响继电保护和自动装置的工作可靠性：
特别对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。
(6)对通讯系统工作产生干扰：
电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端的情况下，还会威胁着通信设备和人员的安全。
(7)对用电设备的影响：
电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。
此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响，它已经成为当前电力系统中影响电能质量的大公害。
四、谐波治理
治理谐波问题，抑制辐射干扰和供电系统干扰，可采取屏蔽、隔离、接地及滤波等技术手段。治理谐波的主要措施有：加大系统短路容量;提高供电电压等级;增加变流装置的脉动数;改善系统的运行方式，设置交流滤波器等都能减小系统中的谐波成分。交流滤波器又分为无源滤波器和有源滤波器两种。有源滤波器是一种向系统注入补偿谐波电流，以抵消非线性负荷所产生的谐波电流的能动式滤波装置。它能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，且补偿特性不受系统阻抗影响。其结构相对复杂，运行损耗较大，设备造价高;在补偿谐波的同时，也会注入新的谐波。无源滤波器(又称LC滤波器)是利用LC谐振原理，人为地造成一条串联谐振支路，为欲滤除的主要谐波提供阻抗极低的通道，使之不注入电网。LC滤波器结构简单，吸收谐波效果明显;但仅对固有频率的谐波有较好的补偿效果;且补偿特性受电网阻抗的影响很大，在特定频率下，电网阻抗和LC滤波器之间可能会发生并联谐振或者串联谐振。
五、综述
无功功率补偿, 谐波治理技术是当前乃至今后相当长的时期内, 缓解电力供需矛盾, 改善供电质量的一种行之有效的手段之一, 经广泛推广应用后, 能为国家和用户带来巨大的经济效益和良好的社会效益。将变频电源产生的谐波控制在最小范围内，达到科学合理用电，抑制电网污染，提高电源质量。