谐波形成原因及谐波治理方法的探讨

电网谐波来自于3个方面：
1.发电源质量不高产生谐波：发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。
2.是输配电系统产生谐波：输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流0.5%。
3.是用电设备产生的谐波：晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的 30%;接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流;如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。
谐波来源
电力系统中的谐波来自电气设备，也就是说来自发电设备和用电设备。由于发电机的转子产生的磁场不可能是完善的正弦波，因此发电机发出的电压波形不可能是一点不失真的正弦波。目前我国应用的发电机有两大类：隐极机和凸极机。隐极机多用于汽轮发电机，凸极机多用于水轮发电机。
对于谐波分量而言，隐极机优于凸极机，但随着科技进步，可控硅、IGBT等电子励磁装置的投入，使发电机的谐波分量有所上升。当发电机的端电压高于额定电压的10%以上时，由于电机的磁饱和，会使电压的三次谐波明显增加。同样在变压器的电源侧电压超过额定电压10%以上时，也会使二次侧电压的三次谐波明显增加。由于电网电压偏移在±7%以下，所以发电、变电设备产生的谐波分量都比较小，比国家的考核标准低的多，因此发电、变电设备不是影响电网电压波形方面质量的主要矛盾。
为此，影响电网电压波形质量的主要矛盾是非线性用电设备，也就是说非线性用电设备是主要的谐波源，非线性用电设备主要有以下四大类：
· 电弧加热设备：如电弧炉、电焊机等。
· 交流整流的直流用电设备：如电力机车、电解、电镀等。
· 交流整流再逆变用电设备：如变频调速、变频空调等。
· 开关电源设备：如中频炉、彩色电视机、电脑、电子整流器等。
这些用电设备都是非线性用电设备，但它们产生的谐波各不相同，具体举例分析如下：
电弧加热设备是由于电弧在70伏以上才会起弧，才会有弧电流，并且灭弧电压略低于起弧电压，造成弧电流与弧电压的非线性。
此外，弧电流的波形还有一定的非对称性。正是由于弧电流是非正弦波，造成电弧加热设备对电网的谐波污染比较大，而且多为18次以下的低次谐波污染。其实电焊机在上世纪四、五十年代已广泛应用。由于当时电弧加热设备量少，电焊机应用的同时率就更小了，对整个电网的影响比较小，但发现在烧电焊时，局部低压电网的电压和电流变化很大，有较大的谐波影响。
交流整流直流用电设备的谐波产生的原因是由于整流设备有一个阀电压，在小于阀电压时，电流为零。这类用电设备为了提供平稳的直流电源，在整流设备中加入了储能元件（滤波电容和滤波电感），从而使阀电压提高，加激了谐波的产生量。为了控制直流用电设备的电压和电流，在整流设备中应用了可控硅，这使得该类设备的谐波污染更严重，而且谐波的次数比较低。
交流整流再逆变用电设备，在交流变直流过程中产生的谐波与上述的交流整流直流用电设备一样，它在直流逆变成交流时又有逆变波形反射到交流电流，这类设备产生的谐波分量不仅有低次谐波，也有高次谐波。
虽然这类设备单台容量比上述两类设备容量要小，但它的分布面广，数量多，是推广使用的技术手段，因此它的谐波污染应引起足够关注。
开关电源设备应用很广，它的工作原理是先把交流整流成直流，通过开关管控制变压器初级电流的开通和关闭，从而在变压器二次侧感应出电流，供给用电设备。此外，开关电源的频率比较高一般在40kHz左右，不仅在整流时产生谐波，而且在开关管开闭时，反射40kHz左右的波至电源。这类用电设备同样是单台容量不大，但它是应用面最广、量最大的非线性用电设备，它还有一定量的三次谐波，造成配变的中心线电流居高不下，而且三次谐波还会通过配变污染到10kV电网。
现状浅析
通过对市场的常用用电器的谐波状况的测试，我们了解到目前我国内工业企业的谐波污染十分严重，尤其是早些年为了节能，引入的变频电源和直流用电器的投入，其5次、7次、11次谐波电流的含量分别占基波的20%、11%、6%，这对于小功率的用户而言，还不怎样，但对于大功率的用户来说，危害就很大了，对于中频炉用户，它用常规的无功补偿就无法进行，有的用户用常规的电容器无功补偿，无法投入电容器，有的即便投入了，也对5次谐波电流放大了1.8~3.8倍以上，使得电动机、变压器等用电器的铜损、铁损大大地增加，缩短了设备的使用寿命，多交了电费。
谐波治理
1．谐波治理的总体思路。谐波的治理应当首先考虑预防，控制好谐波产生的源头，使系统中产生的谐波尽量减小，就可以更方便的治理或者不用再进行进一步的治理。因此，在选择设备和构建系统时，就应该将减小谐波做为一项重要的条件来考虑。对于交流和直流两大类通信电源设备：在其他条件同等或类似的情况下，UPS系统应该优先选择12脉冲或者Delta变换的设备，直流系统应优先选择有更好的整流电路和完善的滤波措施的产品。
其次，在预防的基础上，再考虑补救措施。特别是对于既有的用户低压系统来说，由于系统结构已经基本固定，谐波问题的解决只能通过加装电抗器、滤波器等补救措施得以控制。
2．治理谐波的预防性措施。预防性的解决办法是指避免谐波及其后果出现的措施，如下。
（1）整流器中的相位抵消（通过选择合适的相位移动，由低脉波数整流器构成的高脉波数整流器可以消除谐波）或谐波控制。应该使用具有较高脉波数的整流器，如使用12脉冲的整流器来代替6脉冲整流器。
（2）开发有效的过程和方法来控制、减小或消除电力系统设备的谐波。
3．治理谐波的补救性措施。补救性的解决方法是指为克服既有谐波问题所采用的技术，包括使用LC无源滤波器、使用有源滤波器、电路解谐，详见下面的治理方法。
3治理方法综述
对于公用电网中的谐波电压和谐波电流，在世界上和我国均有相关的标准规范，例如国际上IEEEstd519要求商业和工业用户向公共电源系统反馈的最大THD应小于5%。我国国家技术监督局于1993年又发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549—93《电能质量公用电网谐波》，根据不同电压等级的公用电网，明确规定出了各次谐波电流的最大允许值见表1。