【正文】 電壓施加在非正弦電路上時，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變?yōu)榉钦也ā＠碚撋先魏沃芷谛圆ㄐ味伎梢苑纸獬筛盗⑷~級數(shù)形式，稱為諧波分析或頻域分析。對于周期為T=2/的非正弦電壓U，一般滿足狄力赫利條件，可以分解為如下形式的傅立葉級數(shù)： （22）式中（22）：a0= (23)an= n=1,2,3…… (24)bn=n=1,2,3…… (25)在傅立葉級數(shù)中頻率的分量稱為諧波，均以非正弦電壓為例，頻率為1/T的分量稱為基波，大于諧波次數(shù)為基波頻率和基波頻率的整數(shù)比。由于電網(wǎng)中的諧波電壓和電流會對電網(wǎng)本身和用電設(shè)備造成根大的危害，所以必須限制諧波電流流入電網(wǎng)和控制諧波電壓在允許的范圍內(nèi)，以保證供電質(zhì)量。各級電網(wǎng)的諧波水平一般用諧波電壓含有率或諧波畸變率來反映。我國原水利電力部于1984年根據(jù)原國家經(jīng)濟(jì)委員會所批的《全國供用電規(guī)則》的規(guī)定，制定并發(fā)布了SDl26．84《電力系統(tǒng)諧波暫行規(guī)定》。表2．1公用電網(wǎng)諧波電流(相電流)限值 諧波的產(chǎn)生 諧波的產(chǎn)生形式是多種多樣的。 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方式下的諧波都來自于各種各樣的諧波源。它們是電力系統(tǒng)中某些地區(qū)或網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)嚴(yán)重諧波影響的主要原因。雖然變壓器個體一般產(chǎn)生的諧波較小或很小，但其群體產(chǎn)生的諧波總和則相當(dāng)大。需要指出的是，在諧波潮流分析中，普遍不把發(fā)電機(jī)看作諧波源。大、中型發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的其他次諧波電動勢也都很小，而電力系統(tǒng)承受諧波主要依靠這些發(fā)電機(jī)的巨大短路容量。超高壓輸電線的電暈也產(chǎn)生主要構(gòu)成零序分量的三次諧波電流，但其值常小到難以測出。綜上所述，諧波源即為各類非線性用電設(shè)備、變壓器和各類鐵芯電抗器。輸配電系統(tǒng)中，諧波主要產(chǎn)生于電力變壓器。諧波電流的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。（2）電力電子裝置。其主要為各種交直流變流裝置（整流器、逆變器、斬波器、變頻器）以及雙向晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負(fù)載時則含有奇次諧波電流成分，其中三次諧波的含量可達(dá)基波的30%；在接容性負(fù)載時則含有奇次諧波電壓成分，其諧波含量與電容值成正比。（3）電弧爐。在諧波源分類上，直流電弧爐有整流器饋電，故應(yīng)列入電力電子裝置。鐵合金礦石爐、電石爐和電弧爐雖都采用石墨電極來注入熔化電流，但用電特性有很大差別。我們?nèi)粘Ｓ玫降囊恍┰O(shè)備含有非線性元件，故會產(chǎn)生諧波電流，這些設(shè)備主要有電視機(jī)、節(jié)能燈、充電器、電冰箱、微波爐、電磁爐、洗衣機(jī)、計算機(jī)、激光打印機(jī)、各種醫(yī)療和科研用的儀器和設(shè)備等等。其勵磁電流所占比例較大，雖然其單個容量小到只有數(shù)十瓦到數(shù)千瓦，但因其數(shù)量較多且分布很廣，產(chǎn)生的高次諧波自然也會對電力系統(tǒng)造成影響，加重電力網(wǎng)的諧波污染。 （2）增加用電設(shè)備消耗的功率，降低系統(tǒng)的功率因數(shù)。諧波電流一方面在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。對于電纜輸電情況，諧波電壓正比于其幅值電壓形式增強(qiáng)了介質(zhì)的電場強(qiáng)度，這會影響電纜的使用壽命。 （4）增加變壓器損耗。同時也使鐵耗增加。對于帶不對稱負(fù)載的變壓器來說，如果負(fù)載電流中含有直流分量，會引起變壓器磁路飽和，從而大大增加交流勵磁電流的諧波分量。諧波對電容器的危害是通過電效應(yīng)、熱效應(yīng)和諧振引起諧波電流放大。諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖頂波形，最不情況是諧波和基波電壓峰值的疊加，峰值電壓上升使電容器介質(zhì)更容易發(fā)電。由于諧波使通過電的電流增加，使電容器損耗增加，從而引起電容器發(fā)熱和溫升，加速老化。由于電容器的容抗與頻率成反比，因諧波電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電波形畸變比基波電壓的波形畸變大得多，即使電壓中諧波所占比例不大，也生顯著的諧波電流。諧波改變繼電器的工作特性，這與繼電器的設(shè)計特點和原理有關(guān)。諧波對過電流、欠電壓、距離、頻率繼電器等均會引起誤動、拒動、保護(hù)裝置失靈或動作不穩(wěn)定。另外，當(dāng)電動機(jī)的諧波電流頻率接近某零件固有頻率時，會使電動機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動，發(fā)出噪聲。當(dāng)換流裝置的容量達(dá)到電網(wǎng)短路容量的1／3．1／2或以上時，或者雖未達(dá)到此值而電網(wǎng)參數(shù)易引起較低次諧波次數(shù)(第2次至第9次)的諧波諧振時，交流電網(wǎng)電壓畸變可能引起常規(guī)控制角的觸發(fā)脈沖間隔不等，并通過正反饋而放大系統(tǒng)的電壓畸變，使整流器工作不穩(wěn)定，對逆變器可能發(fā)生連續(xù)的換相失敗而無法工作。用戶為線性用戶時，諧波潮流主要由系統(tǒng)注入線性用戶，電能表計量的是該用戶吸收的基波電能和部分或全部諧波電能，計量值大于基波電能，線性用戶不但要多交電費，還要受到諧波破壞。因此，非線性用戶(諧波源)不僅污染電網(wǎng)，還少交了電費。諧波通過電容禍合、電磁感應(yīng)、電氣傳導(dǎo)對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，如損害通話清晰度、引起危害過電壓等。諧波還會對以下設(shè)備產(chǎn)生影響：使斷路器斷弧困難，斷路器開斷能力降低；引起避雷器諧波過電壓而損害；延遲或阻礙消弧線圈滅弧作用；電壓互感器由于諧振而損害；增大中性線電流；電視機(jī)圖像變壞、翻滾：收音機(jī)引起雜音；微機(jī)系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、自動錄波系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、誤動、誤顯示和波形異常等。對具有整流元件的設(shè)備，盡量增加整流的相數(shù)或脈動數(shù)，可使特征諧波次數(shù)提高，較有效地消除低次特征諧波。除了可對整流器本身進(jìn)行改造外，當(dāng)有多臺相同的6 脈動換流器同時工作時，可以用取自同一電源的換流變壓器二次繞組之間適當(dāng)?shù)囊葡?，以達(dá)到提高整流脈動數(shù)的目的。采用交流濾波裝置在諧波源的附近就近吸收諧波電流，以降低連接點處的諧波電壓。在運行中濾波器除了能起到濾波作用外還能兼顧無功補(bǔ)償?shù)男枰??？焖僮兓闹C波源（如電弧爐、電力機(jī)車、晶閘管供電的軋鋼機(jī)和卷揚機(jī)等）除了產(chǎn)生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的（如電氣化鐵道的機(jī)車，處于熔化期的電弧爐等）還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。（4）避免并聯(lián)電容器組對諧波的放大作用。當(dāng)有諧波源時，在一定的參數(shù)下，電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全。（5）LC無源濾波法。它的基本工作原理是利用LC諧振回路的特點抑制向電網(wǎng)注入的諧波電流。多個不同諧振頻率的諧振回路可溥除多個高次諧波電流，這種方法簡單易行。有源電力濾波器是一種用動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，它可以對大小和頻率都變化的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，其應(yīng)用可克服無源濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制方法的缺點。 無源電力濾波器簡述 無源電力濾波器（Passive Power Filter，簡稱PPF）是目前工程上應(yīng)用最多的濾波器，它不僅結(jié)構(gòu)簡單，投資少，而且可靠性高，運行費用也比較低。無源濾波器是采用電抗器、電力電容器和電阻按功能要求組合而成的，其中最簡單的是單調(diào)諧的LC 濾波器。無源濾波器還可以設(shè)計成雙調(diào)諧的LC 濾波器。另外，無源濾波器還可以設(shè)計成高通濾波器，用以濾除某個一次以上的諧波。LC 濾波器的濾波原理是提供一并聯(lián)低阻抗通路，因此其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定的，但無源電力濾波器也因此就存在以下缺點： （1）由于無源電力濾波器的濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)與系統(tǒng)運行的工況影響比較大，想要設(shè)計得很理想往往比較困難，且諧振頻率依賴于元件參數(shù)，因此只能對主要諧波進(jìn)行濾波。因而電網(wǎng)供電質(zhì)量會因此下降； （3）濾波要求和無功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時難以協(xié)調(diào)。有源電力濾波器的原理是利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實時補(bǔ)償諧波電流的目的。 有源濾波器的基本原理 為最基本的有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖。 有源電力濾波器的分類1．直流APF 和交流APF 根據(jù)應(yīng)用場合不同，APF 可以分為直流APF 和交流APF 兩大類。而交流APF 主要用于交流電力系統(tǒng)，所以是目前研究主要對象。并聯(lián)型APF 是最早期的有源濾波裝置，也是現(xiàn)在實際工業(yè)應(yīng)用最多的一種APF。并聯(lián)型APF 最大優(yōu)點是安裝、調(diào)試、維修、保護(hù)方便，負(fù)載甚至不用斷電就可將APF 安裝投入運行，所以工業(yè)上投入運行并聯(lián)型APF占多數(shù)。另外，串聯(lián)型APF 經(jīng)過耦合變壓器串聯(lián)接入電網(wǎng)，相當(dāng)于一個受控電壓源，流過正常負(fù)荷電流，損耗較大。從補(bǔ)償對象來看，并聯(lián)型APF 適合補(bǔ)償電流型諧波負(fù)載，串聯(lián)型APF適合補(bǔ)償電壓型諧波負(fù)載。下面列出幾種典型HAPF 拓?fù)?。所以較好方法是APF和PPF 按頻率分段完成濾波功能，即由PPF 濾除低次諧波，APF 濾除高次諧波，或者反之。后者PPF 為一組高通濾波器，濾除高次諧波及APF（變流器）產(chǎn)生的開關(guān)次諧波，而APF 只補(bǔ)償較低次諧波，這樣，變流器開關(guān)頻率可以較低，可以采用頻率較低的大功率開關(guān)器件，降低成本，減少損耗。（2）串聯(lián)型APF+并聯(lián)PF 串聯(lián)型APF+并聯(lián)PF 的HAPF串聯(lián)APF 相當(dāng)于一個電流控制電壓源，產(chǎn)生的諧波電壓與電網(wǎng)支路中諧波電流成正比。當(dāng)諧波電阻的阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電網(wǎng)阻抗和無源濾波器等效阻抗時，電網(wǎng)支路電壓和電流中將只有很小的諧波殘余。因此，APF 相當(dāng)于一個諧波隔離裝置。對諧振頻率處的諧波，無源濾波器呈極低阻抗。由于大部分諧波由相對廉價的無源濾波器濾除，裝置成本相對較低。（3） APF 與PPF 串聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng) APF 與PF 并聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng)的HAPF該方式中諧波主要由LC 濾波器濾除，而APF 的作用是改善LC 濾波器的濾波特性，克服LC 濾波器易受電網(wǎng)阻抗的影響、可能與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振等缺點。另外，這種方案的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，需針對特征諧波選取LC 網(wǎng)絡(luò)的調(diào)諧頻率，不適用于非特征諧波源補(bǔ)償。（4） 注入型APF 串聯(lián)諧振注入型 并聯(lián)諧振注入型 為了將單獨使用的APF 上承受的基波電壓移去，使有源裝置只承受諧波電壓，從而顯著降低有源裝置的容量，可以選擇用LC 串聯(lián)或并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)作為注入電路（）。并聯(lián)諧振注入方式原理與之類似。另外，值得一提的是，串聯(lián)諧振注入型APF 可以補(bǔ)償無功功率，主要由支路上端的電容補(bǔ)償；而并聯(lián)諧振注入型APF 可以補(bǔ)償無功功率，因為之路上端的并聯(lián)諧振電路的基波阻抗很大，難以產(chǎn)生較大的基波無功電流注入主電路。適用于補(bǔ)償諧波電流源。諧波源分為諧波電流源和諧波電壓源件，這是諧波產(chǎn)生的根本原因。且諧波成分基本上只與其固有的非線性及工況有關(guān)，而與這些負(fù)載的內(nèi)部阻抗的變化幾乎無關(guān)。2．諧波電壓源典型的諧波電壓源是發(fā)電機(jī)。通常忽略由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的諧波電勢，只考慮非線性負(fù)載產(chǎn)生的非正弦電流。1．諧波含有率HR 該次諧波的均方根值與基波均方根值的百分比表示，稱為諧波含有率HR。補(bǔ)償后的電源電流總諧波畸變率THD越小，補(bǔ)償效果越好。因為在諧波檢測環(huán)節(jié)、控制系統(tǒng)和指令電流運算電路的誤差導(dǎo)致補(bǔ)償電流存在誤差。 并聯(lián)型APF對諧波源進(jìn)行補(bǔ)償時。由于電力系統(tǒng)中大多數(shù)諧波源為諧波電流源要補(bǔ)償諧波就要有一個APF向電流型諧波源提供諧波電流，從而，電源只向諧波源提供基波電流。若電源向其它負(fù)荷供電，因為電源本身只包含基波，不會對其它設(shè)備產(chǎn)生干擾。為便于分析，假設(shè)以下理想條件：交流側(cè)電抗為零，而直流側(cè)電感L 為窮大，并且忽略電流脈動，則交流側(cè)電流為理想方波。 三相橋式整流電路非線性負(fù)荷 三相整流裝置可整流電壓脈動較小，脈動頻率較高，而且由于三相平衡，對供電系統(tǒng)得影響較小，因而容量較大的整流裝置常采用三相整流的方式。 是三相6 脈波整流電路接線圖。 A，B，C 三相的電流波形都是由正負(fù)兩個序列的方波組成。然后對各相非正弦電流波形進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，得到基波和一系列諧波表達(dá)式： 由上式可見，A 相電流除基波外，還包含了5，7，11，13，17，19…等次諧波。1）次諧波；（3）（6k1）次諧波，即5，11，17．．．次諧波構(gòu)成負(fù)序三相系統(tǒng)，而（6k+1）次為正序三相系統(tǒng)；（4）三相橋式整流電路不存在電流的零序分量。優(yōu)點是原理和實現(xiàn)電路簡單、造價低、輸出阻抗低、品質(zhì)因素易于控制。由于上述嚴(yán)重缺陷，隨著電力系統(tǒng)諧波檢測要求的提高及新的諧波檢測方法日益成熟，該方法已極少采用。因為Fryze功率定義是建立在平均功率基礎(chǔ)上，所以要求瞬時有功電流需要一個周期的積分，需要一個周期才能得出檢測結(jié)果，再加上其它運算電路，需要有幾個周期的延遲。 3．近年來，國內(nèi)外對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(N眥al Network，NN)進(jìn)行諧波檢測的相關(guān)研究文獻(xiàn)迅速增加，并取得了一些工程應(yīng)用或成果，概括起來有兩個方面：一是提出了基于多層前饋網(wǎng)絡(luò)NN的電力系統(tǒng)諧波檢測方法，該方法利用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行諧波檢測；二是將Adaline神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)對消噪聲技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行諧波檢測。但是，NN用于工程實際還有很多問題：沒有規(guī)范的NN構(gòu)造方法，需要大量的訓(xùn)練樣本，如何確定需要的樣本數(shù)沒有規(guī)范方法，NN的精度對樣本有很大依賴性等。 4．基于傅里葉變換的諧波檢測法方法檢測精度高、實現(xiàn)簡單、功能多且使用方便，在諧波檢測方面得到廣泛應(yīng)用。5．與傅立葉變換，窗口傅立葉變換(Gabor變換)相比，小波變換是時間和頻率的局域變換，因而能有效地從信號中提取有用的信息，通過伸縮和平移等運算