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第一章绪论1

1.1概述1

1.2谐波的产生3

1.2.1谐波的概念3

1.2.2电源本身谐波3

1.2.3非线性负载3

1.3谐波的危害6

第二章谐波抑制技术13

2.1抑制谐波电流13

2.2受端治理措施15

2.3主动治理谐波的措施17

2.4被动治理谐波的措施18

2.5其余抑制高次谐波的技术19

2.5.1开关电源干扰的抑制技术19

2.5.2变压器空载合闸涌流19

2.5.3抑制电压互感器铁磁涌流抑止方法20

2.5.4抑止整流和逆变产生的谐波22

2.5.5抑止电弧炉运行时的干扰22

2.6一种新的谐波抑制方案25

第三章电力滤波器原理及应用28

3.1无源电力滤波器28

3.1.1无源电力滤波器的介绍28

3.1.2无源电力滤波器原理28

3.1.3无源滤波器的分类29

3.1.4无源滤波器的特点31

3.1.5无源滤波器设计要求和步骤32

3.2有源电力滤波器35

3.2.1有源电力滤波器的介绍35

3.2.2有源电力滤波器研究现状36

3.2.3有源电力滤波器原理36

3.2.4有源电力滤波器的特点37

3.2.5有源电力滤波器拓扑分类39

第四章基于小波的电力系统谐波分析44

4.1基于小波的谐波分析44

4.2谐波检测仿真分析47

4.2.1谐波信号模型的建立47

4.2.2MATLAB小波分析54

第五章谐波综合治理的展望61

致谢62

参考文献63

第一章绪论

1.1概述

电力系统理想的电压、电流波形是正弦波。

但由于电力系统中存在各种非线性元件,使电压和电流波形发生畸变产生谐波。

谐波会造成电网的功率损耗增加、设备寿命缩短、保护功能失常,还会引起变电站局部并联或串联谐振,造成电压互感器等设备损坏。

随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量（PowerQuality）受到人们的日益重视。

例如，工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰影响，致使计算机系统无法正常运行，将会带来巨大的经济损失。

电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，如果这些装置不能正常运行，必定扰乱人们的正常生活。

但是，电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变，增加谐波成份。

近几年，传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术日臻成熟。

集成度愈来愈高的微电子技术使计算器的功能更加完美，体积愈来愈小，从而促使各种电器设备的控制向智能型控制器方向发展。

随着微电子技术集成度的提高，微电子器件工作电压变得更低，耐压水平也相对更低，更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。

例如，20世纪70年代计算机迅速普遍推广，电磁干扰及抑制问题更是十分突出，一些功能正常的计算机常出现误动作，而无法找出原因。

1966年日本三基电子工业公司率先开发了“模拟脉冲的高频噪音模拟器”，将它产生的脉冲注入被试计算机的电源部分，结果发现计算机在注入100～200V脉冲时就误动作，难怪计算机在现场无法正常工作，其原因之一是计算机的电源受到了污染。

因此，受谐波电流污染的公用电源，轻者干扰设备正常运行，影响人们的正常生活，重者致使工业上的大型生产线、系统运行瘫痪，会造成严重经济损失。

国际电工委员会（IEC）已于1988年开始对谐波限定提出了明确的要求。

美国“IEEE电子电气工程师协会”于1992年制定了谐波限定标准IEEE—1000。

在IEEEstd．519-1992标准中明确规定了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数（THD）应在5%以下，而对于医院、飞机场等关键场所则要求THD应低于3%。

1.2谐波的产生

1.2.1谐波的概念

国际上通行的谐波定义为：

“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。

"

谐波次数必须为正整数。

在某些暂态现象中，电力系统会出现一些非整数次的分数次谐波，如：

间谐波、次谐波和分数次谐波等，这些概念与谐波概念完全不同。

谐波的产生来自于3个方面：

（1）发电源质量不高；

（2）输配电系统；

（3）用电设备。

1.2.2电源本身谐波

电源本身谐波即谐波电压源。

典型的谐波电压源是发电机。

由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。

当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。

1.2.3非线性负载

谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。

对于各种换流设备，电气化铁道，电弧炉及数量很大的电子节能设备、家用电器等典型非线型，即使供给理想的正弦波电压，他们也将产生非正弦波电流。

当电流流经非线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系；

而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。

但是，电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使公用电网的波形畸变，增加谐波成份。

电网运行中的主要非线性负载装置有以下几种：

（1）开关电源的高次谐波

开关电源由五部分组成：

一次整流、开关振荡回路、二次整流、负载和控制，这几个部分产生的噪声不完全一样。

这几种干扰可以通过电源线等产生辐射干扰，也可以通过电源产生传导干扰。

（2）变压器空载合闸涌流产生谐波

铁心中磁通变化时，会产生8～15倍额定电流的涌流，由于线圈电阻的存在，变压器空载合闸涌流一般经过几个周波即可达到稳定。

所产生的励磁涌流所含的谐波成份以3次谐波为主。

（3）单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰

电力电子调速系统普遍应用于工业中改进电机效率及灵活性设备，调速装置内电力电子器件对过电压特别敏感，因此线路中瞬态过电压会造成调速系统的过电压保护误跳闸。

由于与中压母线相连的电容器要经常操作，这意味着调速系统误跳闸事故会经常发生。

（4）电压互感器铁磁谐振过电压

在我国10kV、35kV等级的中性点不接地配电网中，为了监视对地绝缘，一般采用三相五柱式电压互感器。

在正常情况下，三相对地电压是平衡的，但是由于发生单相接地故障等原因，会导致三相对地电压平衡的破坏，还有可能使电压互感器线圈电感L和系统对地电容C在参数上配合，而产生谐振过电压。

（5）整流器和逆变器产生的谐波电压、电流

整流器的作用将交流电转成直流电，而逆变器是将直流电转变成交流电。

其电路中的二极管视为理想二极管，即正向阻抗接近零，反向阻抗无穷大。

因此，只允许电流单方向流动，从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波，不是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了工频正弦波（50Hz基波）外，还叠加了一系列高次波形——谐波。

应该说电动机采用变频器进行调速，可以高水平完成调速外，也可以节省大量电能（近30%），但如前面分析，变频调速过程中要产生高次谐波，即形成高次谐波污染，造成厂区的电视、音响系统不能正常工作，还要干扰二次仪表——压力、流量、可编程控制器及智能控制器正常工作，谐波还要使变压器、电动机、电容器及电抗器产生过热。

（6）电弧炉运行引起电压波动

随着冶炼工业的发展，当然会更多地使用电弧炉，这是一个重要负荷。

运行时，电极和金属碎粒之间会发生频繁断路，而在熔化期间，电源两相短路，一旦熔化金属从电极上落下，电弧熄灭，电源又开路，因此，可以说冶炼过程是频繁的短路－开路－短路的过程，会引起用户端电压波动及白炽灯闪烁，一般电压波动频率0.1Hz～几十Hz，这种谐波是以3次谐波为主。

1.3谐波的危害

谐波对电力系统的污染日益严重,谐波源的注入使电网谐波电流！

谐波电压增加,其危害波及全网,对各种电气设备都有不同程度的影响和危害。

谐波研究的意义，在于谐波的危害十分严重，主要表现在以下几个方面：

1、影响变压器工作

谐波电流，特别是3次（及其倍数）谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。

对Ｙ形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的3次谐波电流会使中性线发热，增加变压器损耗。

谐波使变压器铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗和导体外部因漏通而引起的杂散损耗。

同时也使铁耗增加。

另外，三的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使电流超过额定值。

对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器磁路饱和，从而大大增加交流励磁电流的谐波分量。

2、影响继电保护及自动装置

以电压或电流量的变化而动作的装置，在基波分量未达到整定动作值时，会与较大的谐波分量叠加，其合成的综合值超过整定值时会使装置误动。

这些装置中，电磁型或感应型的装置对谐波作用较不敏感（铁芯磁阻的影响），而整流型和晶体管型的装置对谐波的作用非常敏感，即使对短时谐波的作用也很敏感。

整流型继电保护装置对谐波电流的敏感性随谐波频率的升高而增加。

此时，可以采用在整流回路中装入适当并联电容器滤去谐波，降低谐波的影响。

（1）接于差动回路、零序回路或负序回路的继电器或自动装置，对谐波的作用很敏感，因它所接受的动作电流或电压仅为相电流或电压的一个很小的百分数，即整定的动作值都很小，而它的动作电压和动作电流中的谐波含有率却能达到很高值，故降低了装置的灵敏性，同时还存在如下几个问题：

a．本身即为非线性负荷的变压器所产生的谐波电流构成高压侧和低压侧的差电流。

变压器合闸产生的励磁涌流和谐波电流含量能达到很大数值，且在变压器中性点接地时，还会产生很大的零序谐波电流。

b．利用负序滤序器装于负序电路中，其元件参数是按照工频量来选择的，对谐波根本无滤序作用。

负序滤序器中的电抗互感器型比阻容型对谐波影响更敏感，因为前者输出电压中的谐波含有率大于输入端的谐波分量与基波负序分量的比例，而后者则不然。

负序滤序器的输出，一般经整流回路再加到执行元件上，故输出谐波量在正半周有助增作用，在负半周时却减少。

如果谐波源是不平衡负荷，例如电气化铁道，它同时产生较大谐波分量和基波负序分量，如利用负序量启动装置所受到的干扰就更强了。

c．反应“增量”的装置，由于执行元件前接入一个微分电路，它只反应突变量而不反应稳态量，能有效地减小稳态谐波量的影响，但仍会受到暂态和动态谐波（如变压器涌流）的干扰。

d．整流型方向阻抗继电器的阻抗特性，理想状态下其动作特性曲线是一个圆，但输入电流中谐波含量较大时，其动作曲线将出现凹凸，从而导致动作阻抗值和最大灵敏角发生变化。

e．晶体管方向阻抗继电器中采用了“绝对值比较式”的方向元件和具有“记忆”初始电压的元件，谐波含量及谐波频率仍能影响其动作特性，谐波频率愈高或谐波含量愈大，特性曲线在X轴方向缩短愈多。

f．相差高频保护装置中的比相器把线路两侧电流变换成正负各半周的方波，通过收发讯机产生的载波传送而进行比较，来达到判断该线路本身是否故障。

但较大谐波电流含量可能使方波变形，从而导致比相判断失误而引起误动。

g．利用光缆通讯的线路纵差保护装置，由于其比相回路是比较两侧电流通过模数转换后的采样点，并通过相邻的几个点进行计算判断，当电流中谐波电流含量较高时，会引起波形畸变。

且由于输电线路本身如同一个隐形电容，故谐波在线路两侧所反应的含量有较大差距，由于其不能真实反应运行状况，比相回路不能正确判断，引起不正确动作。

h．对于自动准同期装置，若谐波电压含有率大幅度超标，会引起装置的合闸误差角超过允许值，从而引起装置乱发调频脉冲或拒发合闸脉冲。

i．集成芯片型周波继电器，由于所用元件抗干性差，虽采用电容等元件滤波，但只针对一部分谐波。

当谐波含有率较高，且成分较多时，由于波形的畸变，此时影响其采样值，无法进行正常的判断。

（2）谐波严重影响继电保护和自动装置的几个方面

电网中运行的继电保护及自动装置在不同之处所受的影响是不同的，有以下几个方面影响到装置的正常运行（特别是前2个方面的条件是必须具备的）：

a.在电气距离上接近大的谐波源；

b.保护装置安装地点具备谐波严重放大或接近于谐波谐振条件。

例如安装地点具有并联电容器等。

c．所接回路的装置，其整定的动作值很小。

例如接在差流回路、零序电路或负序电路上的装置。

d．装置所选取的元件或动作原理对谐波敏感，例如采用弱电继电器、半波比相判断的方式、过零点检测等等。

e．安装地点的短路容量太小，例如在海上油井平台上，自备机组等；

f．有不平衡负荷或涌流的基波负序电流，并且和谐波电流同时发生。

如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能造成继电保护、自动装置工作紊乱。

谐波改变继电器的工作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。

当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。

谐波对过电流、欠电压、距离、频率继电器等均会引起误动、拒动、保护装置失灵或动作不稳定。

3、增加电容器的损耗

谐波对电容器的危害是通过电效应、热效应和谐振引起谐波电流放大。

国内外电网运行经验表明：

受谐波影响而导致的电气设备损坏中电容器占有最大比例。

谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，最不情况是谐波和基波电压峰值的叠加，峰值电压上升使电容器介质更容易发电。

一般来说，电压升高10％，电容器寿命缩短1／2。

由于谐波使通过电的电流增加，使电容器损耗增加，从而引起电容器发热和温升，加速老化。

器温升每上升8℃，寿命缩短1／2。

由于电容器的容抗与频率成反比，因谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电波形畸变比基波电压的波形畸变大得多，即使电压中谐波所占比例不大，也生显著的谐波电流。

特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就会引起的谐波电流，导致电容器因过流而损害。

4、增加输电线路功耗

如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。

如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大10～20倍，而感抗仅为其1/3～1/2，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿，增加输电线路的损耗，缩短输电线寿命。

谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。

对于架空线路而言，电晕的产生和电压峰值有关，虽然电压基波未超过规定值，但由于谐波的存在，当谐波电压与基波电压峰值重合时，其电压峰值可能超过允许值而产生电晕，引起电晕，损耗增加。

对于电缆输电情况，谐波电压正比于其幅值电压形式增强了介质的电场强度，这会影响电缆的使用寿命。

据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约60％。

5、增加旋转电机的损耗

谐波会在电机的定子绕组、转子回路以及铁芯中产生附加损耗这些附加损耗要比其本身的直流电阻所引起的损耗大电机会产生过热现象，并使电机效率降低。

谐波电流还会增加电机的噪声产生脉冲转矩引起谐波振动。

国际上一般认为电动机在正常持续运行条件下，电网中负序电压不超过额定电压的2%，如果电网中谐波电压折算成等值基波负序电压大于这个数值，则附加功耗明显增加。

6、影响通讯系统工作

谐波通过电容祸合、电磁感应、电气传导对通信系统产生干扰，如损害通话清晰度、引起危害过电压等。

例如，直流输电中，直流换流站换相时会产生3～10kHz高频噪声，会干扰电力载波通信的正常工作。

表1-1电源质量问题主要原因统计报表：

问题

原因

商业的

公共事业的

工业的

谐波

计算机系统

感性负载切换

开关模式电源

综合因素

71%

5%

10%

14%

78%

-

17%

34%

22%

7、影响换流装置正常工作

当换流装置的容量达到电网短路容量的