1.諧波

對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，這部分電量被稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（N＝FN／F1）稱為諧波次數。諧波實際上是一種干擾量，使電網受到“污染”。其頻率范圍一般為2≤N≤40。

2.諧波源

向公用電網注入諧波電流或在公用電網上產生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源，針對天津港這一特定供電環(huán)境而言，經上海坤友電氣測試，主要的諧波源是采用交－直－交及變頻調速的碼頭機械，這些設備取用的電流是非正弦形的，其諧波分量使系統(tǒng)正弦電壓產生畸變。諧波電流的量取決于諧波源設備本身的特性及其工作狀況，而與電網參數無關，故可視為恒流源。各種晶閘管電路產生的諧波次數與其電路形式有關，稱為該電路的特征諧波。除特征諧波外，在三相電壓不平衡，觸發(fā)脈沖不對稱或非穩(wěn)定工作狀態(tài)下，上述電路還會產生非特征諧波。進行諧波分析和計算*有意義的是特征諧波，如5，7，11，13次等。

當電網接有多個諧波源時，由于各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同，其和將小于各分量的算術和。變壓器激磁電流中含有3，5，7等各次諧波分量。由于變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法，為3次諧波提供了通路，故3次諧波電流不流入電網。但當各相激磁電流不平衡時，可使3次諧波的殘余分量（*多可達20％）進入電網。

3.諧波傳輸

對于多電壓等級的電網，其諧波的特點是諧波電流由低壓側流向高壓側，其大小基本上與高壓側參數無關，可視為恒流源。諧波電壓由高壓側傳輸到低壓側，可視為恒壓源。在進行諧波分析時，就是根據這個原則構造電網的諧波等效電路。

3.1電網元件的頻率特性

在諧波頻率范圍內，由于渦流和漏磁場作用，電網元件的諧波參數要考慮長線效應，即變壓器和導線的等效電阻R隨頻率的上升而增加，等效電感L隨頻率的上升而降低。電纜、導線和電容器的電容C基本不隨頻率變化而保持恒定。負載阻抗與頻率的關系依負載的不同而異。

3.2電網等效電路

電網可以由電網各元件的諧波參數RN、IN和CN組成等效網絡。三相對稱電網的等效電路圖通常采用單相表示。根據等效電路計算各頻率下的節(jié)點導納矩陣YN，求出阻抗ZN，計算諧波電壓UN＝ZNIN。

4.諧波限值

為使電網諧波電壓保持在允許值以下，必須限制諧波源注入電網的諧波電流量。大多數工業(yè)發(fā)達國家相繼制定了電網諧波管理的標準或規(guī)定。諧波管理標準的制定是基于電磁相容性的原則，即在一個共同的電磁環(huán)境中，電氣設備既能正常工作，又不得過量地干擾這個環(huán)境。

我國已于1993年頒布了限制電力系統(tǒng)諧波的國家標準《電能質量：公用電網諧波》（GB／T14549－93），規(guī)定了公用電網諧波電壓限值和用戶向公用電網注入諧波電流的允許值。

5.諧波危險

諧波增加電氣設備的熱損耗，干擾其功能甚至引發(fā)故障。另外諧波可對信息系統(tǒng)產生頻率耦合干擾。

5.1電動機

諧波電壓在電動機短路阻抗上產生的諧波電流和電動機負序基波電流I一起使設備產生附加熱損耗，并且在電動機起動時容易發(fā)展成干擾力矩。諧波電流和負序基波電流有效值之和一般不得大于電動機額定電流IE的5％～10％。

5.2電容器

諧波可使電容器過流發(fā)熱。有關規(guī)程規(guī)定電容器長期工作電流不得超過1.3倍額定電流（IC＝CUN）。位于諧波源附近的電容器或者濾波電容器通常按較高的電流有效值特殊制造。

5.3電子裝置

諧波電壓可使晶閘管觸發(fā)裝置發(fā)生觸發(fā)錯誤，甚至導致設備故障。諧波也會對電網音頻控制系統(tǒng)和計算機產生**影響。

5.4通訊系統(tǒng)

在2.5KHZ以下導線間電感電容耦合作用隨頻率呈近似線性上升，特別是較高次諧波會對通訊及信息處理設備產生干擾。

6.諧波抑制

將三相橋式電路的脈動數從6提高到12，可消除5次、7次諧波。將多個諧波源接于同一段母線，利用諧波的相互補償作用也可降低電網諧波含量。

當諧波量超出規(guī)程允許值或者電網在諧波范圍內有諧振時，通常設置單調諧濾波器吸收特征諧波。對于13次及以上的諧波，可設置一個高通濾波器。濾波回路也會吸收電網原有諧波并可能導致過負荷。一般通過調整失諧率，降低品質因數或者通過附加電子裝置控制電流值來避免過負荷。電容器可通過串聯電抗器形成諧波阻塞回路，以防止電容器諧波過負荷。一般將串聯諧振頻率定在250HZ以下。

7.電網中含有諧波情況下的無功補償

7.1對原有變流器負荷的補償

當電網接有諧波源負載（例如變流器等）時，不能將補償電容器直接接于電網，因為電容器與電網阻抗形成并聯諧振回路，在對諧振頻率進行估算時，可以根據電網短路功率SK”和電容器基波補償容量QC1計算VR＝F（QCL／SK”）。

在5次諧波頻率下電網具有諧振，并聯阻抗XP大大升高，由諧波源發(fā)出的5次諧波電流流入諧振回路后，會產生很高的諧波電壓，諧波電壓疊加在基波電壓上，導致電壓波形發(fā)生畸變。在電網和電容器之間流動的平衡電流可達諧波源發(fā)出的電流的數倍，即諧波放大，此時變壓器和電容器承受大于正常情況的負荷，特別是電容器，長期運行于過負荷狀態(tài)，加速絕緣老化，甚至擊穿爆炸。可以根據電網阻抗和電容器容抗預先計算出并聯諧振頻率，調整電容器容量配置，使并聯諧振頻率與特征諧波頻率保持一定的距離，避免諧波放大。但是實際的電網阻抗不為常數，而時常處于不斷變化之中，很難完全避開諧振，特別當電容器分組調節(jié)運行時，情況更為復雜。

當需要對接有諧波源設備的電網進行補償時，必須采取技術措施，將并聯諧振點移到**位置，而實踐證明*可靠的方法就是在電容器回路中串聯電抗器。

7.2電容器回路串電抗

電容器串電抗后形成一個串聯諧振回路，在諧振頻率下呈現出很低的阻抗（理論上為0）。如果串聯諧振頻率與電**征諧波頻率一致，則成為純?yōu)V波回路。如果只吸收少量諧波，則稱為失諧濾波回路。

失諧波回路的主要用途是防止諧波放大，濾波效果不大，回路串聯諧振頻率通常低于電網的*低次特征諧波頻率，即設定為基波頻率的3.8～4.2倍。

工程計算公式為：

電抗器電抗XL＝電容器容抗XC的百分比（X％）或者：電抗器功率QL＝電容器基波容量QC的百分比（X％）

電抗器電抗或容量一般為電容器容抗或容量的6％～7％。在選擇X＝6％時，諧振次數為V＝4.08。

失諧濾波回路只吸收少量5次及以上的諧波，諧波源產生的諧波的大部分流入電網，電容器容量根據預計達到的功率因數值確定。

純?yōu)V波回路的主要用途是吸收諧波，同時補償基波無功功率。

在串聯諧振狀態(tài)下，濾波回路的合成阻抗XS接近于0，因此可對相關諧波形成“短路”。

在諧振頻率以下濾波回路呈容性，因此能夠輸出容性基波無功功率以補償感性無功功率。在諧振頻率以上濾波回路呈感性。

由于濾波回路在諧振點以下呈容性，所以在其特征頻率以下又與電網電感形成并聯諧振回路。如果在這個頻率范圍內沒有特征諧波，則并聯諧振對電網不會產生危害。

設計濾波回路時，應從*低次諧波開始，例如對于6脈動橋式變流器的諧波，應從5次諧波開始設置濾波回路。多個濾波回路的并聯諧振頻率。

當電容器采用△形接線，則濾波回路的諧振頻率一般設定為特征諧波頻率的96％～98％，以便平衡電網的頻率波動和環(huán)境溫度變化引起的電容量的改變，濾波回路除了輸出基波無功功率外，還要承受諧波負荷，多個不同諧振頻率的濾波器在兩個過0點間會出現一個并聯諧振點。

7.3濾波回路的無功功率調節(jié)

由于濾波回路的主要任務是吸收電網諧波，所以限制了對基波無功功率進行調節(jié)的靈活性，只能對各個回路進行投切，投入的順序為從低次到高次，切除的順序為從高次到低次。對于容量較大的補償濾波裝置，可以采取純?yōu)V波回路和失諧濾波回路結合的方法，即純?yōu)V波回路固定運行，補償基本負荷，失諧濾波回路作為調節(jié)運行。

對于低壓諧波裝置，也可以采取多個同次濾波回路并聯的方法，但需注意以下兩點：

A）失諧濾波回路可以并聯運行，用于對濾波效果沒有嚴格要求的場所。

B）同次調諧濾波回路并聯運行會出現問題。在諧振頻率下回路阻抗理論上為0，但實際上電流不可能在2個支路間平均分配，其主要原因：

——由于元件制作誤差、環(huán)境溫度變化、電容器老化和元件容絲的動作等因素影響，導致各支路阻抗不為0，并且互有差異。

——電感和電容的調諧精度的限制。不可能將兩個支路的參數調得完全一樣。

如果兩個同次濾波回路中的一個在特征諧波頻率下呈感性，另一個呈容性，則會產生并聯諧振，使諧波放大。

如果經過經濟技術比較需要采用并聯方式，可以將兩個支路均調為在特征諧波頻率下呈感性，即ωR《V×ωL，各支路電阻接近，可以較好解決電流分配問題，但是濾波效果要降低。

如果既要吸收諧波，又要保持調節(jié)的靈活性，可以采用并聯支路的方式，即若干個同次濾波回路同時接入電網，各支路的電容同時并聯，形成一個總的濾波回路，調節(jié)時可以投切其中的一個或多個并聯支路。這種方式不會出現支路間的并聯諧振，同時提高了濾波效果。除了對電容器分組調節(jié)以外，對于負載波動頻繁的場合，采用動態(tài)補償及濾波裝置是*佳的解決方案。

7.4濾波回路的選擇

選擇濾波回路有以下兩個原則：

A）主要用于吸收諧波，降低電網電壓畸變，基波無功補償居次要位置。

B）提高電網功率因數，同時吸收諧波，電容器容量按無功補償的要求配置。

7.5濾波回路的效應

在諧振頻率下濾波回路仍然具有電阻，因此會產生損耗。圖6原理圖中忽略了所有其他負載，包括電纜電容，但并不影響計算準確度。

電容器容量越小，諧振曲線越陡，一旦失諧，會有大量諧波電流進入電網。電容器容量越大，濾波效果也越好。

品質因數改變時諧振曲線只在特征諧波附近變化，在濾波器調諧頻率與諧波頻率相等或相近的情況下，品質因數越高，濾波效果越好。考慮到電容器和電抗器制造技術和費用等條件，品質因數一般在30～80之間。

諧波分流特性只適用于諧波源和濾波器穩(wěn)定狀態(tài)，在諧波源（例如可逆軋機傳動）動態(tài)變化過程中，諧波電流的每次改變均會引起濾波器震蕩，濾波器回路電阻越大（品質因數越小），則震蕩時間越短，但濾波效果要降低。對于頻繁變化的諧波源負載，在過渡過程期間，電網要承受較大的諧波電流。

7.6電網分析與計算

設計補償裝置和濾波回路時，除了計算選擇元器件參數外，對于特定的供電系統(tǒng)還需要進行具體電網分析，模擬出設備投入后預期的效果。