看似平靜如水的電力系統(tǒng)中，其實存在著一種看不見的波。它是個“搗蛋鬼”，要是放任不管，會給我們帶來不少麻煩。這種波，就是諧波（harmonicwave）。

英文“harmonic”的意思是：泛音、和聲。沒錯，諧波一詞起源于聲學(xué)。諧波確實就像是一段優(yōu)美音樂中混入的雜音，讓音樂不那么和諧了。

1994年3月，某國一博物館發(fā)生火災(zāi)，導(dǎo)致一名博物館技術(shù)員受傷。人們調(diào)查發(fā)現(xiàn)，火災(zāi)是電容器反應(yīng)器爆炸導(dǎo)致的。爆炸的原因，正是連續(xù)流動的諧波電流導(dǎo)致電容設(shè)備溫度升高。這起事故被媒體廣泛報道，也促使該國制定了嚴(yán)格的諧波排放限制標(biāo)準(zhǔn)。

模擬博物館火災(zāi)現(xiàn)場。

今天咱們就來聊一聊“愛搗蛋”的諧波，以及我們是怎么制服它的。

  什么是諧波？

  咋整出來的？

電力系統(tǒng)的諧波最早在20世紀(jì)20年代被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)時，德國工程師在使用靜止汞弧變流器時，發(fā)現(xiàn)電網(wǎng)電壓、電流波形發(fā)生了畸變。這一現(xiàn)象引起了人們對電力系統(tǒng)諧波問題的注意。

咱們平常用的電，都是交流電。完美情況下，交流電電壓和電流的波形應(yīng)該是像波浪一樣均勻起伏的正弦曲線。↓↓↓

可現(xiàn)實往往不那么完美。

電力系統(tǒng)各個環(huán)節(jié)接入的電力電子設(shè)備，有些具有非線性負(fù)載的特性。非線性負(fù)載最大的特點是會引起電力系統(tǒng)電壓或電流正弦波形的畸變。沒錯，靜止汞弧變流器就是一種非線性負(fù)載設(shè)備。

對畸變后的波形進(jìn)行傅里葉級數(shù)分解（任何重復(fù)的波形都可以分解為基波和一系列頻率為基波倍數(shù)的諧波），與電網(wǎng)頻率相同的分量叫基波，大于電網(wǎng)基波頻率的分量就是諧波。說起來有點繞，看個圖就明白了↓

我國電網(wǎng)的頻率為50赫茲，基波的頻率也就是50赫茲。頻率為150赫茲的叫3次諧波，250赫茲的叫5次諧波，以此類推。

哪些設(shè)備會產(chǎn)生諧波呢？

輸配電系統(tǒng)的非線性負(fù)載元件、非線性負(fù)載用電設(shè)備都會產(chǎn)生諧波。比如：整流器、開關(guān)電源、變頻調(diào)速器、電子計算機、熒光燈、微波爐、電磁爐、電視機、電話、變頻空調(diào)等等。

此外，發(fā)電機也會產(chǎn)生一些諧波，但相對較少。

諧波有哪些危害？

諧波影響是相對長期的，比較難與設(shè)備的自然老化、使用過度等帶來的影響區(qū)分開。但它確實是導(dǎo)致或加速設(shè)備“短命”的一個重要因素。

怎么抑制諧波呢？

諧波這個“搗蛋鬼”，竟然有這么多危害。那我們平時為啥感覺不到呢？那是因為我們國家在電力系統(tǒng)的規(guī)劃、運行各個環(huán)節(jié)，對諧波都足夠重視。除了有諧波監(jiān)測系統(tǒng)實時檢測電壓波形失真度、電流諧波含量等關(guān)鍵指標(biāo)，對產(chǎn)生的諧波也有比較成熟的抑制手段。現(xiàn)在，與諧波相關(guān)的故障是比較少的。

控制諧波主要通過安裝濾波裝置來實現(xiàn)。

無源濾波裝置

這是一種由電容器、電抗器和電阻器組合而成的濾波裝置，具有結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便、成本較低等優(yōu)點。但它只能抑制固定次諧波，其濾波效果受系統(tǒng)阻抗及頻率變化影響，且體積較為龐大。

有源電力濾波器

這種濾波器是用電力電子元件產(chǎn)生一個大小相等，但方向相反的諧波電流，用以抵消網(wǎng)絡(luò)中的諧波電流。這種裝置的主要元件是大功率電力電子元件，成本較高，在其額定功率范圍內(nèi)，原則上能將諧波全部濾除。

此外，如果某種裝置是某個系統(tǒng)中主要的諧波源，可對其進(jìn)行專門的改造，使其不產(chǎn)生諧波。

需要注意的是，抑制諧波不僅是電力企業(yè)的事，與用電客戶也息息相關(guān)。

1993年頒布的GB/T 14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，用電客戶購置的用電設(shè)備設(shè)計須先進(jìn)合理，產(chǎn)生的諧波電流符合限制數(shù)值。不能滿足標(biāo)準(zhǔn)的用電客戶，要安裝電力諧波濾波器。

 家用電器應(yīng)該

 如何防范諧波

從前文中可以看到，許多家用電器都是諧波的來源。這些電器正常使用一般不會有太大問題，但也有些需要注意的地方。家里的燈光閃爍、電器異常發(fā)熱，都有可能與諧波有關(guān)。

合理使用電器：避免多種大功率非線性設(shè)備同時集中使用。比如不要在同一插座上同時連接空調(diào)、微波爐和電烤箱等電器，減少諧波疊加。

安裝濾波裝置：如果家里電器頻繁出現(xiàn)異常（如燈泡易壞、電器壽命短），可以請專業(yè)電工來評估一下，看看是否是諧波導(dǎo)致的，是否需要安裝合適的濾波器。

定期檢查電路：定期請電工檢查家里的電線、插座、開關(guān)等，確保電路連接良好，避免接觸不良等問題加重諧波的影響。

敏感設(shè)備獨立供電：如果家里有特殊用電需求，比如需要為醫(yī)療儀器、精密電腦等設(shè)備供電，建議配置專用線路或UPS（不間斷電源），防止諧波干擾。

中性線加固：三相電入戶的住宅需確保中性線截面積≥相線的2倍，防止3次諧波電流過載引發(fā)火災(zāi)。

   制服諧波“搗蛋鬼”

   我們一直在努力

隨著科技的發(fā)展、新能源的大規(guī)模并網(wǎng)，接入電力系統(tǒng)的非線性電力電子元件越來越多，出現(xiàn)的新情況也越來越多。不用擔(dān)心，對于抑制諧波的研究也一直在進(jìn)行中。以下是頭條君查到的一些成果：

基于配電臺區(qū)的柔性互聯(lián)裝置的諧波治理控制方法

（專利號CN120016612A）

技術(shù)來源：國網(wǎng)（蘇州）城研院

方法：通過配電臺區(qū)的柔性互聯(lián)裝置，將多個電壓源換流器（VSC）分設(shè)為不同控制模式，實時檢測諧波電流并動態(tài)調(diào)整輸出功率。例如，設(shè)置部分VSC為有源模式主動抵消諧波，其他為無源模式輔助穩(wěn)壓。

優(yōu)勢：無需額外加裝濾波設(shè)備，降低治理成本30%以上，適用于分布式電源滲透率高的區(qū)域。

一種MMC載波移相調(diào)制高頻諧波評估和消除方法

（專利號CN119939093A）

技術(shù)來源：國網(wǎng)冀北電力、天津大學(xué)

方法：針對模塊化多電平換流器（MMC）的直流側(cè)高頻諧波，通過載波移相調(diào)制技術(shù)調(diào)整橋臂三角波，增加量化單位以抑制離散化導(dǎo)致的諧波。

優(yōu)勢：適用于高壓直流輸電（HVDC）系統(tǒng)，可減少換流閥損耗，提升系統(tǒng)效率5%～8%。

測量并預(yù)測區(qū)域電網(wǎng)背景諧波的方法、系統(tǒng)、設(shè)備和介質(zhì)

（專利號CN120414543A）

技術(shù)來源：國網(wǎng)經(jīng)研院、國網(wǎng)冀北電力

方法：建立區(qū)域電網(wǎng)諧波仿真模型，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)迭代計算，預(yù)測電網(wǎng)改造或規(guī)劃年份的諧波分布，指導(dǎo)線路改造和濾波器配置。

優(yōu)勢：適用于城市電網(wǎng)擴容改造，可提前規(guī)避諧波超標(biāo)風(fēng)險，減少損失。

……

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現(xiàn)在

你對“愛搗蛋”的諧波

有所了解了吧？

什么？它又搗蛋了？

反手來上一套

濾波、抵消組合拳吧！

參考資料來源丨全國標(biāo)準(zhǔn)信息公共服務(wù)平臺 工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化信息網(wǎng) 工業(yè)和信息化標(biāo)準(zhǔn)信息服務(wù)平臺

責(zé)編丨王一凡 張栩健

制圖丨李洋 張競?cè)?鮑滌非