隨著我國製造業的蓬勃發展和人民生活水平的不斷提高，電力電子技術在電網設備中得到廣泛應用，大量的非線性負荷廣泛應用在工業、商業和民用電網中，給電網造成的嚴重汙染。例如，辦公樓宇和生產工廠中平均負載供電的變壓器產生了過熱，平衡電路中的中線因負載過大而發生過熱，其斷路器在沒有明顯原因的情況下而脫扣。但標準的故障排查顯示，所有情況都是正常的。那問題究竟出在哪裡?簡言之，原因就是諧波。
尤其是近幾年在我國節能技術產業的發展過程中出現了各種類型的專用節電裝置，這些節電裝置採用的均是電力電子控制技術如變頻控制和可控硅調壓原理，屬典型的諧波源，大量使用導致諧波的產生，輕者影響供電質量使製造工藝較為精細的產品質量受到影響，或者由於在節電過程中使用的節電器具產生的諧波導致諧振，因此，目前的電網中已經存在著大量的諧波源，且隨著時間的推移，其總量和數量在不斷增加，隨著新技術的推廣應用，新的諧波源也將不斷的在電網中出現，由其產生的諧波必將對原有電網和未來電網中的各類設備帶來越來越嚴重的危害，如設備壽命縮短、電器燒燬等，在供用電設計中有必要對已有的和可預見的諧波源考慮諧波濾波裝置，以提高電網質量和減少諧波危害造成的損失，降低重複投資。
1、電力電子諧波的診斷排查
1.1諧波是現代電子技術的副產物
諧波是現代電子技術的副產物。在存在大量個人計算機、可凋速驅動器和其它以短脈衝形式吸收電流的設備的場合，諧波現象尤其突出。這種設備在設計上僅在進線電壓波形的受控制部分吸入電流。雖然這種方式會顯著提高效率，但它會在負載電流中引起諧波。諧波會引起變壓器和中線導體過熱，並使斷路器脫扣。
如果收聽一條普通60Hz電力線的音頻聲，您只會聽到單音交流聲。當存在諧波時，您就會聽到不同的音頻，其中包含很多高音調。在您查看波形時，這一問題更加明顯。一個標準60Hz電力線電壓在示波器上表現為接近正弦波。當存在諧波時，波形發生失真，其失真的電流波形見圖1A，失真的電壓波形見圖1B。
這些波形表現為非正弦形式。電壓和電流波形不再具有簡單關係，因此採用“非線性”這個術語。
1.2 典型諧波源的分類及其特徵諧波
當今在工業、商業和民用電網中產生諧波的諧波源主要有三大類：
其一是鐵磁飽和型。主要指各種帶鐵心的電力設備，鐵芯飽和電流、勵磁電流及在投入或電壓恢復時的勵磁湧流都是非正弦波，含有高次諧波，這也是供電系統的諧波源，典型的如變壓器、電抗器、互感器等。變壓器正常運行時，鐵芯處於磁飽和狀態。當外施電壓是正弦波時，主磁通也是正弦波。由於鐵芯飽和，勵磁電流波形畸變為尖頂波，考慮到磁滯影響，勵磁電流波形不再是對稱於最大值。諧波電流的大小與變壓器的鐵芯材料、磁通密度、結構和使用條件等因素有關，取決於鐵芯的飽和程度。變壓器勵磁電流的特徵諧波以3、5、7次為主，3次諧波電流約佔15%～55%，5次諧波電流約佔3%-25%，7次諧波電流約佔2%～10%。
其二是電子開關型。主要指各種交直流換流設備，如整流器、逆變器、雙向晶閘管及可控硅開關設備等。廣泛應用與冶金、化工、電氣化機車等行業，包括家用電器、節能燈具和電力系統直流輸電等都是電子開關型諧波源。典型的諧波源如電力機車，變頻器，中頻爐，電化學槽，軋機，家用電器(電視機、節能燈、計算機、空調機、電冰箱、洗衣機等)。而電子開關型負載產生的特徵諧波主要與整流器的脈動數(即6脈動與12脈動)相關，其各次諧波(即5、7、11、13次)可使總電流畸變率約在10%左右。
其三是電弧型。主要指各種鍊鋼爐、金屬熔化設備、電焊機群等。電弧爐是利用電弧的熱量熔化金屬原料，在熔化期內，由於熔化的爐料倒塌，使電極發生短路，引起電流衝擊。由於電極分別控制，三相電弧爐的各相電阻也不可能同步變化，甚至差異很大，造成三相電流不對稱。電弧電阻又是非線性的，並且隨著電弧電壓瞬時值的變化而變化。因此，電弧爐是一種衝擊性、不對稱、時變和非線性負荷，是系統中另一種主要的諧波源。
1.3諧波檢査的新方法
首先解決單相非線性負載的問題，如果諧波源是保證你的工作的關鍵設備和裝置不能取消，那麼解決諧波問題是極具挑戰性的。第一步是檢查諧波的存在和程度。我們稱作第一步故障檢測。檢查的結果會提示一些解決方法，如重新分配負載，變壓器降載使用或安裝K因數變壓器。檢查首先要攜帶真有效值數字萬用表和電流鉗對電力設施進行測試。這裡要進行5個基本的測量。
檢查用電負載：查看一下用電負載的類型。如果有大量的PC機，打印機，可調速電機，固體電路控制加熱器和某些類型的熒光燈，諧波存在的可能性就非常大。
檢查變壓器的溫度：找到給非線性負載供電的變壓器，查看溫度是否過高。同時要檢查其散熱的風扇沒有被遮擋。
檢查變壓器二次側電流：用儀表檢查變壓器的電流，下面是如何理解儀表的測量讀數。
首先檢查所用測試儀表的電壓等級是否滿足被測的變壓器;測量並記錄變壓器二次側每相的電流以及中線電流(如果使用中線);計算負載的kVA並和變壓器銘牌上列出的數值進行比較。如果有諧波，即使計算出來的kVA值小於銘牌上的額定值，變壓器仍可能過熱;如果變壓器二次側是四線制系統，將測量的中線電流和預估的不平衡相電流數值比較(中線電流是相電流的矢量和，如果相電流的幅度和相位平衡中線電流應該為零)。如果中線電流比預計的值高，那麼就很有可能有三次諧波的存在，變壓器就應該降載使用;測量中線電流的頻率。中線上150Hz的電流數值大部分是三次諧波構成的。
檢查輔配電盤的中線電流：檢查給單相非線性負載供電的輔配電盤。測試每個支路中線的電流並和使用的電線的額定容量相比較。檢查中線母線和饋線的發熱和褪色情況。此時，非接觸紅外測溫探頭(例如福祿克公司的80PK)是非常有用的。
檢查插座上中線至地線的電壓：插座支路的中線過載有時可以通過測量插座上中線至地的電壓來發現。測量電壓要在負載工作時進行。電壓小於2V是正常情況。高於2V則表示有麻煩。再測量頻率，150Hz表示有很強的諧波出現，而50Hz表明三相不平衡。
2 、關於諧波治理的方案與諧波濾波裝置的選用
2.1諧波治理方案
諧波治理必須從設計入手，尤其是供配電網系統，一般通過用戶側諧波治理是無法實現的，通過供配電網的合理設計，可以抵消特定次諧波。下面就從供電、用電兩個方面簡述諧波治理方案及諧波濾波裝置的選用。
供電方諧波治理方案
在電力系統中，供電電壓波型是中心對稱的，因此基本上不含有偶次諧波，主要存在在奇次諧波，而三、九次諧波可以通過Y0/△、Y/△接線組別進行隔離。而11、13次以上諧波由於其頻率比較高，而且輸電線路有一定電感量，對地又有一定電容量，相間及線間也有一定電容量。因此，高次諧波在線路傳輸過程中衰減比較快，同時高次諧波在電網中所佔的比重也不大，故在電力系統中不作為主要整治對象。例如在10kV配電系統中，配變採用Y/Y0接線，Y0(400V)側由於有非線性用電設備，會產生三、五、七……次諧波，五、七次諧波可以用並聯LC濾波器進行治理，而對三次諧波往往採用串聯諧振使三次諧波在主變一次側和二次側之間進線隔離，其原理(見圖2所示)如下：當L、C並聯諧振在三次諧波頻率時，三次諧波電流流不過主變二次側線圈，從而使主變一次側感應不出三次諧波的電壓分量，同時使中性線三次諧波電流大大下降。有意識的將配變中間相改接A或者C相，減少變壓器群產生的諧波。
圖2為用L、C並聯諧振中性線三次諧波電流大大下降
為此對於諧波治理方法可以有以下五種基本方法：其一是將配變中間相改接A或者C相，減少變壓器群產生的諧波;其二是採用△/Y0、△/Y接線組別的變壓器，隔離三、九次諧波;其三是採用L、C並聯無源濾波器，對五、七次諧波進行治理;其四是採用L、C串聯無源濾波器，對三次、九次諧波電流進行阻塞;其五是增加電網系統容量，即增加了諧波允許值。
用電方諧波治理方案
按“誰幹擾，誰汙染，誰治理”的原則，進行諧波源用戶側治理。即對於產生大量諧波的用戶，在用戶變的低壓側加裝諧波濾波裝置。根據裝置的原理不同，可分為靜止型無功動態補償裝置SVC，無源電力濾波裝置(PF/FC)和有源電力濾波裝置(APF)。為此僅就用電方諧波濾波裝置方案選擇作探討。
2.2 諧波濾波裝置的選用
2.21有源濾波器(APF)的選型
有源濾波器(APF)的應用特徵
有源濾波器的基本原理是從電網中檢測出諧波電流，經內部芯片快速計算、分析、比較，控制主功率單元產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波成分。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響。圖3為有源濾波器(APF)基本架構.
從圖3可知，APF根據電網和負載性質，分別有三相三線系列和三相四線系列有源電力濾波裝置，三相三線系列主要針對整流器、變頻器、大型UPS、中頻爐、電弧爐等工業型大容量非線性負荷，擁有高效的濾波能力，能同時濾除2～31此諧波，小於20ms的響應時間，具備一拖四擴展功能。適用於各種工況領域，是工業型大容量非線性負載諧波治理的理想解決方案。三相四線系列APF適用於商業建築電氣系統，由於商業建築電氣系統大量使用熒光燈、電腦、UPS、電梯、變頻空調等設備，不僅汙染電網，而且其產生的三次諧波疊加到中性線上，使中性線發熱，嚴重威脅電力系統安全。該系列APF能徹底消除因三次諧波產生的中性線諧波電流，並消除2～31次全部或選定次諧波。該系列APF體積小，具備完全的通訊功能，是保障電力系統安全的重要電氣設備。
有源濾波器APF的構建簡單，補償特性不受電網阻抗的影響，只需按照所需諧波電流配置。
有源濾波器APP主要性能
額定電壓：0.38kV~lkV，可同時濾除：2～31次諧波，響應時間：<20ms，頻率：50Hz，保護方式：交流過壓、欠壓，直流過壓，IGBT過流，裝置過熱，冷卻方式：風冷，運行環境溫度：-30℃一+50℃，相對溼度：<90%(25℃)，
2.22無源濾波器PF(FC)的選型
無源濾波器包估低壓無源濾波器(簡稱PF)和中高壓無源濾波器(簡稱FC)。
無源濾波器的應用特徵(在此僅以低壓無源濾波器為例乍作說明)
無源濾波器是通過L、C串聯或並聯，使其在某次諧波產生諧振，當發生串聯諧振時，使濾波器兩端該次諧波的電壓很小，幾乎接近零，這類濾波器往往接在變壓器的二次側出口處，從而使變壓器的一次側該次諧波的分量也很小，達到對該次諧波治理的目的。
由於計算精度和濾波電容器、濾波電感器的製造精度等原因，若按計算結果數據來配備，將與實際產生誤差，為了保證串聯濾波器能在5、7次諧波頻率時諧振，要求電感有—定的調節範圍，調節電感，使電網中該次諧波值最小時，同時設計比較合理的品質因數，從而確保濾波器能正常工作。但因PF響應速度慢的缺陷，故需與其它諧波濾波裝置配合使用，達到合理治理諧波的效果。
2.23 混合型電力濾波器(HAPF)的選型
混合型濾波器(HAPF)的應用特徵
混合型電力濾波裝置是基於有源電力濾波器(APF)和無源電力濾波器(PF)技術的一種電力濾波器(見圖4架構示意圖)，集中具有APF和PF治理諧波所長，在諧波含量很高時，大部分的諧波通過無源濾波器吸收，剩餘的動態變化的諧波由有源濾波器實時跟蹤補償，既減少了投資，解決PF響應速度慢的缺陷，又可避免由於諧波環境變化引起的系統諧振等危害，實現經濟、合理的治理諧波和無功補償。混合型有源濾波器適用於諧波含量比較大， 電網諧波含有率不斷變化的配電系統應用。
混合型濾波器(HAPF)的型號命名
HAPF--300十50/0.38—4，左式中‘4’表示三線四線制，‘0.38’表示裝置額定電壓U。(kV)，‘50’表示有源濾波裝置容量(A)，‘300’表示無源濾波裝置容量Q。(kvar)，HAPF表示混合型濾波器。
混合犁濾波器HAPP主要性能
額定電壓：0.38kV-1kV，可同時濾除：2～31次諧波，頻率：50Hz，保護方式：交流過壓、欠壓，直流過壓，IGBT過流，裝置過熱，冷卻方式：風冷，運行環境溫度：-30℃一+50 ℃，相對溼度：<90%(25℃)。
2.24 靜止型動態無功補償裝置(SVC)的選型
靜止型動態無功補償裝置(SVC)的應用特徵
對於大型電弧爐負荷，運行時既有大量諧波產生，同時由於衝擊性負荷產生電壓波動、電壓閃變和三相不半衡，此時需要採用靜止則動態尤功補償裝置(SVC)進行諧波治理。SVC主要有晶閘管控制電抗器(TCR)型和晶閘管投切電容器(TSC)型以及這兩種形式的組合。圖5為靜止型動態無功補償裝置(TRC型) 架構圖，它由SVC構建示意圖和SVC工作波形圖合成。
從圖5可知，由於靜止型動態無功補償通常需要與無功補償及濾波電路結合使用，—般採用TCR+FC(高次諧波濾波器)方式。晶閘管控制電抗器(TCR方式)產生變化的感性無功功率，每相由兩組反並聯品閘管與一個電抗器串聯組成，在35KV及以下電壓等級可以採取直聯方式。
靜止型動態無功補償裝置SVC主要性能：電壓等級：6～35Ky，控制器響應時間≤10ms
控制方式：無功功率，無功調節範圍：-100%—100%，容量：6~300Mvar，調節方式：分相調節，觸發方式：光電觸發，控制系統：DSP全數寧控制系統，冷卻方式：純水冷卻。
本文是對電力系統諧波的診斷排查及諧波濾波裝置設計與選擇作探討，它不是為了代替專業電氣系統顧問的服務。建議在進行任何測量以診斷或解決潛在諧波問題之前，應由專業電氣工程師對操作進行徹底分析說明。
如今諧波濾波裝置已有不少著名廠商生產，在此僅以和順電氣公司產品為例說明。
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