諧波（harmonic）是指電流中所含有的頻率為基波的整數倍的電量，一般是指對周期性的非正弦電量進行傅里葉級數分解，其余大于基波頻率的電流產生的電量。
諧波的產生
用傅立葉分析原理，能夠把非正弦曲線信號分解成基本部分和它的倍數。在電力系統中，諧波產生的根本原因是由于非線性負載所致。當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產生。由于半導體晶閘管的開關操作和二極管、半導體晶閘管的非線性特性，電力系統的某些設備如功率轉換器比較大的背離正弦曲線波形。
諧波電流的產生是與功率轉換器的脈沖數相關的。6脈沖設備僅有5、7、11、13、17、19 ….n倍于電網頻率。 功率變換器的脈沖數越高，最低次的諧波分量的頻率的次數就越高。其他功率消耗裝置，例如熒光燈的電子控制調節器產生大強度的3 次諧波( 150 赫茲)。
在供電網絡阻抗( 電阻) 下這樣的非正弦曲線電流導致一個非正弦曲線的電壓降。 在供電網絡阻抗下產生諧波電壓的振幅等于相應諧波電流和對應于該電流頻率的供電網絡阻抗Z的乘積。 次數越高，諧波分量的振幅越低。
只要哪里有諧波源那里就有諧波產生。也有可能，諧波分量通過供電網絡到達用戶網絡。例如，供電網絡中一個用戶工廠的運轉可能被相鄰的另一個用戶設備產生的諧波所干擾。根據傅立葉級數的原理，周期函數都可以展開為常數與一組具有共同周期的正弦函數和余弦函數之和。其展開式中，常數表達的部分稱之為直流分量，最小正周期等于原函數的周期的部分稱之為基波或一次諧波，最小正周期的若干倍等于原函數的周期的部分稱之為高次諧波。
因此高次諧波的頻率必然也等于基波的頻率的若干倍，基波頻率3倍的波稱之為三次諧波，基波頻率5倍的波稱之為五次諧波，以此類推。不管幾次諧波，他們都是正弦波。
諧波的分類
諧波是正弦波，每個諧波都具有不同的頻率，幅度與相角。諧波頻率是基波頻率的整倍數，根據法國數學家傅立葉(M．Fourier)分析原理證明，任何重復的波形都可以分解為含有基波頻率和一系列為基波倍數的諧波的正弦波分量。
根據諧波頻率的不同，可以分為：
1、奇次諧波
額定頻率為基波頻率奇數倍的諧波，被稱為“奇次諧波”，如3、5、7次諧波；
2、偶次諧波
額定頻率為基波頻率偶數倍的諧波，被稱為“偶次諧波”，如2、4、6、8次諧波。一般地講，奇次諧波引起的危害比偶次諧波更多更大。在平衡的三相系統中，由于對稱關系，偶次諧波已經被消除了，只有奇次諧波存在。對于三相整流負載，出現的諧波電流是6n±1次諧波，例如5、7、11、13、17、19等。變頻器主要產生5、7次諧波。
3、分量諧波
頻率不是基波分量倍數的正弦曲線波。
4、諧波的參數
(1)諧波電流
諧波電流是由設備或系統引入的非正弦特性電流。諧波電流疊加在主電源上；
(2)諧波電壓
諧波電壓是由諧波電流和配電系統上產生的阻抗導致的電壓降；
諧波的危害
理想的公用電網所提供的電壓應該是單一而固定的頻率以及規定的電壓幅值。諧波電流和諧波電壓的出現，對公用電網是一種污染，它使用電設備所處的環境惡化，也對周圍的能耐在電力電子設備廣泛應用以前，人們對諧波及其危害就進行過一些研究，并有一定認識，但那時諧波污染還沒有引起足夠的重視。近三四十年來，各種電力電子裝置的迅速發展使得公用電網的諧波污染日趨嚴重，由諧波引起的各種故障和事故也不斷發生，諧波危害的嚴重性才引起人們高度的關注。
諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可引起電力系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現混亂。對于電力系統外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重干擾。諧波對公用電網和其他系統的危害大致有以下幾個方面：
1、加大企業的電力運行成本
由于諧波不經治理是無法自然消除的，因此大量諧波電壓電流在電網中游蕩并積累疊加導致線路損耗增加、電力設備過熱，從而加大了電力運行成本，增加了電費的支出。
2、降低了供電的可靠性
諧波電壓在許多情況下能使正弦波變得更尖，不僅導致變壓器、電容器等電氣設備的磁滯及渦流損耗增加，而且使絕緣材料承受的電應力增大。諧波電流能使變壓器的銅耗增加，所以變壓器在嚴重的諧波負荷下將產生局部過熱，噪聲增大，從而加速絕緣老化，大大縮短了變壓器、電動機的使用壽命，降低供電可靠性，極有可能在生產過程中造成斷電的嚴重后果。
3、引發供電事故的發生
電網中含有大量的諧波源（變頻或整流設備）以及電力電容器、變壓器、電纜、電動機等負荷，這些電氣設備處于經常的變動之中，極易構成串聯或并聯的諧振條件。當電網參數配合不利時，在一定的頻率下，形成諧波振蕩，產生過電壓或過電流，危及電力系統的安全運行，如不加以治理極易引發輸配電事故的發生。
4、導致設備無法正常工作
對旋轉的發電機、電動機，由于諧波電流或諧波電壓在定子繞組、轉子回路及鐵芯中產生附加損耗，從而降低發輸電及用電設備的效率，更為嚴重的是諧波振蕩容易使汽輪發電機產生震蕩力矩，可能引起機械共振，造成汽輪機葉片扭曲及產生疲勞循環，導致設備無法正常工作。
5、引發惡性事故
繼電保護自動裝置對于保證電網的安全運行具有十分重要的作用。但是，由于諧波的大量存在，易使電網的各類保護及自動裝置產生誤動或拒動，特別在廣泛應用的微機保護、綜合自動化裝置中表現突出，引起區域（廠內）電網瓦解，造成大面積停電等惡性事故。
6、導致線路短路
電網諧波將使測量儀表、計量裝置產生誤差，達不到正確指示及計量(計量儀表的誤差主要反映在電能表上)。斷路器開斷諧波含量較高的電流時，斷路器的遮斷能力將大大降低，造成電弧重燃，發生短路，甚至斷路器爆炸。
7、降低產品質量
由于諧振波的長期存在,電機等設備運行增大了振動, 使生產誤差加大,降低產品的加工精度，降低產品質量。
8、影響通訊系統的正常工作
當輸電線路與通訊線路平行或相距較近時，由于兩者之間存在靜電感應和電磁感應，形成電場耦合和磁場耦合，諧波分量將在通訊系統內產生聲頻干擾，從而降低信號的傳輸質量，破壞信號的正常傳輸，不僅影響通話的清晰度，嚴重時將威脅通訊設備及人身安全。諧波會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量；重者導致住處丟失，使通信系統無法正常工作。
9、國內治理諧波污染的幾種方法
目前常用的諧波治理的方法無外乎有三種，無源濾波、有源濾波無功補償。下面就談談這二種方法的優缺點以及市場前景及其經濟效益的分析。
(1)無源諧波濾除裝置
無源濾波器的主要結構是用電感器與電容器串聯起來，組成LC 串聯回路，并聯于系統中，LC回路的諧振頻率設定在需要濾除的諧波頻率上，例如5次、7次、11次諧振點上，達到濾除這3次諧波的目的。
無源濾波裝置的優點：無源濾波裝置的生產成本較低，吸收高次諧波，而所有濾波支路對基波呈現容性，正好滿足無功補償要求，不必另裝并聯電容器補償裝置，這種方法經濟、簡便，國內外廣泛采用。
無源濾波裝置的缺點：無源濾波裝置濾波效果不太好，如果諧振頻率設定得不好，會與系統產生諧振。
現在，市場上流通較多的采取的濾波方法就是這一種，主要是因為低成本，用戶容易接受。雖濾波的效果較差，只要滿足國家對諧波的限制標準和電力部門對無功的要求就行了。由于其低成本，市場的需求也就大，一般而言，低壓0.4KV系統大多數采用無源濾波方式，高壓10KV幾乎都是采用這種方式對諧波進行治理。由于我國的中小企業大多數是私有的，業主對諧波的危害認識不足，一般不愿意拿出大量的經費來治理諧波，而有的企業由于諧波的含量太大，常規的無功補償不能湊效，供電部門對無功的要求又是十分嚴格的，達不到就要罰款。因此，業主不得不要求濾波。因而，其市場的前景可觀，經濟效益也就可觀了。
(2)有源諧波濾除裝置
有源諧波濾除裝置是在無源濾波裝置的基礎上發展起來的。
有源濾波裝置的優點：有源濾波裝置能做到適時補償，且不增加電網的容性元件，濾波效果好，在其額定的無功功率范圍內，濾波效果是百分之百的。
有源濾波裝置的缺點：有源濾波裝置由于受到電力電子元件耐壓，額定電流的發展限制，成本極高，其制作也較之無源濾波裝置復雜得多，成本也就高得多了。
有源濾波裝置的原理：有源濾波裝置主要是由電力電子元件組成電路，使之產生一個和系統的諧波同頻率、同幅度，但相位相反的諧波電流與系統中的諧波電流抵消。
有源濾波裝置的適用場合：有源濾波器主要的應用范圍是計算機控制系統的供電系統，尤其是寫字樓的供電系統，工廠的計算機控制供電系統。
有源濾波裝置的現狀：對單臺的有源濾波裝置而言，其利潤是可觀的，但用戶一般不愿意用有源濾波，對于諧波的含量，不必濾得太干凈，只要不危害其他用電器也就可以了。
(3)無功補償
人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無功功率卻并不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時，至今尚無獲得公認的無功功率定義。但是，對無功功率這一概念的重要性，對無功補償重要性的認識，卻是一致的。無功補償應包含對基波無功功率補償和對諧波無功功率的補償。
(4)諧波和無功功率的產生
在工業和生活用電負載中，阻感負載占有很大的比例。異步電動機、變壓器、熒光燈等都是典型的阻感負載。異步電動機和變壓器所消耗的無功功率在電力系統所提供的無功功率中占有很高的比例。電力系統中的電抗器和架空線等也消耗一些無功功率。阻感負載必須吸收無功功率才能正常工作，這是由其本身的性質所決定的。
電力電子裝置等非線性裝置也要消耗無功功率，特別是各種相控裝置。 如相控整流器、相控交流功率調整電路和周波變流器，在工作時基波電流滯后于電網電壓，要消耗大量的無功功率。另外，這些裝置也會產生大量的諧波電流，諧波源都是要消耗無功功率的。二極管整流電路的基波電流相位和電網電壓相位大致相同，所以基本不消耗基波無功功率。但是它也產生大量的諧波電流，因此也消耗一定的無功功率。
近30年來，電力電子裝置的應用日益廣泛，也使得電力電子裝置成為最大的諧波源。在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。目前，常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路為最多。帶阻感負載的整流電路所產生的諧波污染和功率因數滯后已為人們所熟悉。直流側采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴懲的諧波污染源。這種電路輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數接近1。 但其輸入電流的諧波分量卻很大，給電網造成嚴重污染，也使得總的功率因數很低。另外，采用相控方式的交流電力調整電路及周波變流器等電力電子裝置也會在輸入側產生大量的諧波電流。
(5)無功補償概述
無功功率對供電系統和負荷的運行都是十分重要的。電力系統網絡元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當寬的范圍內可以實現；而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內實現。不僅大多數網絡元件消耗無功功率，大多數負載也需要消耗無功功率。
網絡元件和負載所需要的無功功率必須從網絡中某個地方獲得。顯然，這些無功功率如果都要由發電機提供并經過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應是在需要消耗無功功率的地方產生無功功率，這就是無功補償。
(6)無功功率的影響
無功功率的增加，會導致電流增大和視在功率增加，從而使發電機、變壓器及其他電氣設備容量和導線容量增加。同時，電力用戶的起動及控制設備、測量儀表的尺寸和規格也要加大。無功功率的增加，使總電流增大，因而使設備及線路的損耗增加，這是顯而易見的。使線路及變壓器的電壓降增大，如果是沖擊性無功功率負載，還會使電壓產生劇烈波動，使供電質量嚴重降低。
(7)無功補償的作用
無功補償的作用主要有以下幾點：
提高供用電系統及負載的功率因數，降低設備容量，減少功率損耗。穩定受電端及電網的電壓，提高供電質量。在長距離輸電線中合適的地點設置動態無功補償裝置還可以改善輸電系統的穩定性，提高輸電能力。在電氣化鐵道等三相負載不平衡的場合，通過適當的無功補償可以平衡三相的有功及無功負載。
信息來源：www.uvdg.com.cn 信息整理：揚州拓普電氣生技部
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