[科普中國]-諧波含量

諧波含量是從交流量中減去基波分量后所得到的量。

自鎮(zhèn)流熒光燈諧波含量的改進功率因數(shù)校正電路對自鎮(zhèn)流熒光燈諧波含量的改進

諧波電流限值電流諧波的危害已經(jīng)眾所周知，它不僅會影響電網(wǎng)供電質(zhì)量，造成電能浪費，還會使設(shè)備發(fā)熱、損耗增大，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀，造成重大經(jīng)濟損失。自鎮(zhèn)流熒光燈、電子鎮(zhèn)流器等照明產(chǎn)品使用時也會產(chǎn)生大量諧波，尤其在大面積使用時，其危害性不可小覷。

國家標準對諧波含量有嚴格要求。GB/T17263—2002《普通照明用自鎮(zhèn)流熒光燈性能要求》中對自鎮(zhèn)流熒光燈諧波電流限值的規(guī)定見表1。從表1中可以看出，國家標準對于25W以上和不高于25W的自鎮(zhèn)流熒光燈的諧波要求不同，對25W以上自鎮(zhèn)流熒光燈的要求比25W及以下的自鎮(zhèn)流熒光燈高很多。

此外，對所有的C類設(shè)備（照明設(shè)備），的差異見表2。國家標準也有專門的諧波電流限值的要求，GB17625.1—2012《電磁兼容 限值 諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備每相輸入電流≤16A）》已于2012年12月31日發(fā)布換版，2013年7月1日起正式實施。新標準對檢測方法及設(shè)備有了更高的要求，對具體指標要求的表達也有變化。針對C類設(shè)備，與老版標準存在的差異見表2。

功率因數(shù)校正電路國家標準對自鎮(zhèn)流熒光燈功率因數(shù)的要求是：在額定電壓和額定頻率下工作時，其實際功率因數(shù)

不得比制造商的標稱值低0.05。標準并未對功率因數(shù)的大小做出具體規(guī)定，也就是說根據(jù)標準的要求，并沒有不允許使用低功率因數(shù)自鎮(zhèn)流熒光燈。但功率因數(shù)的大小與諧波含量是相輔相成的，諧波含量低，功率因數(shù)就高。要達到國家標準規(guī)定的諧波含量，一定要提高自鎮(zhèn)流熒光燈的功率因數(shù)。在電子鎮(zhèn)流器中，通常采用圖1(a)所示輸入電路，由于電解電容的容量很大，工作時儲存電荷很多，只有輸入電壓超過電容上的電壓時，才有輸入電流，所以電流波形嚴重失真，僅在電壓峰值附近出現(xiàn)1個電流尖脈沖，如圖1(b)所示。

由于諧波含量豐富，普通自鎮(zhèn)流熒光燈的功率因數(shù)變得很低。功率因數(shù)校正（Power FactorCorrection，PFC）技術(shù)是1種提高自鎮(zhèn)流熒光燈功率因數(shù)的有效方法。功率因數(shù)校正電路分為無源PFC（Passive PFC）電路和有源PFC（Active PFC，APFC）電路。

無源PFC電路由電感器、電容器及二極管等無源元件組成，包括LC濾波型無源PFC電路、部分濾波（填谷式）無源PFC電路、帶輔助電路的LC濾波型無源PFC電路和改進型LC濾波型無源PFC電路。無源PFC電路的特點是電路簡單，成本較低，對線路的功率因數(shù)會有一定的提升，有的甚至可高達0.95，但濾波效果較差，難以實現(xiàn)低諧波的要求，往往還會影響到系統(tǒng)的其他參數(shù)，一般適用于25W以下自鎮(zhèn)流熒光燈電路。

APFC電路基于功率因數(shù)控制器IC，利用開關(guān)器件的切換，并搭配無源元件，使系統(tǒng)從市電汲取的電流波形與電壓波形相一致，從而消除電流波形

畸變和相位畸變，獲得近似于1的高功率因數(shù)，也可大大降低諧波失真。APFC電路結(jié)構(gòu)遠比無源PFC復(fù)雜，需使用控制IC，在系統(tǒng)前端通常單獨組成1級電路，成本較高。但由于其在高頻下工作，電感元件的體積小，重量輕。隨著PFC控制IC價格的不斷降低，APFC已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。對于功率大于25W以上的自鎮(zhèn)流熒光燈電路，必須采用APFC電路或無源PFC電路來降低諧波含量。

圖2是APFC工作原理示意圖，整個電路由功率MOS開關(guān)管VT 1、升壓電感L、升壓二極管VD、輸出電容C o及APFC控制器IC組成。其中起關(guān)鍵性作用的APFC控制器IC，國內(nèi)外比較具有代表性的有：FAN7527B、FAN7529/FAN7530、L6561/L6562、MC33262/MC34262、MC33368、SG6561、NCP1601A/B、UCC1817、IR1150等。

25W以上自鎮(zhèn)流熒光燈諧波電流改進對于25W以上自鎮(zhèn)流熒光燈，可以通過APFC技術(shù)來提升功率因數(shù)，從而改善各次電流諧波值。

以某一標稱為32W的自鎮(zhèn)流熒光燈電子鎮(zhèn)流器為例，在改進前，其2~29次諧波均超差；經(jīng)安裝APFC電路后，其各次諧波大大降低（見表3）。這里采用的APFC控制器IC為L6562。

由于APFC較為復(fù)雜，改進后不僅電路面積增大許多，背面也安裝了很多貼片元件，整個自鎮(zhèn)流熒光燈的外殼都要根據(jù)電路的大小重新進行設(shè)計，使其成本大幅增加（見圖3）。

25W及以下自鎮(zhèn)流熒光燈諧波電流改進對于25W及以下自鎮(zhèn)流熒光燈，可采用無源PFC電路來提高其功率因數(shù)。只需降低其電路中的濾波電解電容器的容量，即可滿足標準要求。

以5W半螺旋形自鎮(zhèn)流熒光燈、5W全螺旋形自鎮(zhèn)流熒光燈和11W雙2U形自鎮(zhèn)流熒光燈為例，我們替換了其中的濾波電解電容器以改進諧波。改進后，3種規(guī)格自鎮(zhèn)流熒光燈的3次諧波、5次諧波均有明顯改善，并且都達到了國家標準要求，見表4。

但是濾波電解電容器容量降低，會損失一定的燈壽命，因此對材料的要求更高。所以還需要根據(jù)自鎮(zhèn)流熒光燈的壽命要求，選擇質(zhì)量可靠的電解電容器供應(yīng)商，以及較高的壽命等級和抗紋波的能力。例如，原來選用3.3μF、5000h的電解電容器，換成1.2μF的電解電容器后，我們需要選壽命為8000h的電解電容器，以確保自鎮(zhèn)流熒光燈的壽命。

結(jié)束語由于低功率因數(shù)自鎮(zhèn)流熒光燈的可靠性一般高于高功率因數(shù)自鎮(zhèn)流熒光燈，因此世界各國市場上低功率因數(shù)自鎮(zhèn)流熒光燈還占有一定的主導(dǎo)地位。但限制諧波含量已經(jīng)成為1種全球性的規(guī)定和行動。各自鎮(zhèn)流熒光燈生產(chǎn)企業(yè)應(yīng)努力提高產(chǎn)品的功率因數(shù)，減小諧波電流的危害，為構(gòu)建節(jié)約型社會盡一己之力。1

居民低壓配電網(wǎng)中諧波含量超標及其治理隨著國民經(jīng)濟的增長，居民用電負荷趨向多樣化發(fā)展，低壓配電系統(tǒng)中各種照明燈具、計算機及社區(qū)監(jiān)視器材等非線性負荷隨之迅速增加，其非線性特性產(chǎn)生的一系列諧波電流與諧波電壓，使居民低壓配電網(wǎng)中電流和電壓產(chǎn)生畸變。當電流和電壓畸變達到一定程度時，會造成電網(wǎng)供電質(zhì)量嚴重下降，同時給電氣設(shè)備的正常運行帶來不利影響。根據(jù)對某居民用電低壓配電網(wǎng)諧波含量的測量，分析其配電網(wǎng)中諧波含量超標的問題并提出了相應(yīng)的諧波治理方案。

諧波的允許限值諧波是對周期性變流量進行傅里葉級數(shù)分解，得到頻率為基波頻率大于1的整數(shù)倍的分量，主要由電網(wǎng)中非線性等設(shè)備產(chǎn)生。而非線性負荷不僅會產(chǎn)生大量諧波，還可能使電壓出現(xiàn)波動、閃變、三相不平衡等影響電能質(zhì)量的情況。國家技術(shù)監(jiān)督局頒布了公用電網(wǎng)諧波、供電電壓允許波動與閃變等五個涉及電能質(zhì)量的國家標準以保障良好的供電質(zhì)量。

《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》（GB/T 14549-1993）中嚴格規(guī)定了各電壓等級下公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值（如表1所示）

及公共連接點的諧波電流限值（如表2所示）。

若公共連接點處最小短路容量不同于表2中基準容量時，諧波電流允許值應(yīng)按下式進行換算。

式中——公共連接點的最小短路容量MVA，

——基準短路容量MVA，

——表2中的第h次諧波電流允許值，A

——短路容量為時的第h次諧波電流允許值。

居民用電配電網(wǎng)中的諧波源隨著我國居民生活水平的快速提高，居民用電消費量逐年增加。主要是由于計算機、微波爐、空調(diào)等大功率家用電器日益普及，以及居家照明用電量急劇增加。隨著居民生活的提高，社區(qū)配套照明、景觀照明用電設(shè)備及社區(qū)安防設(shè)備也大量增加。在我國大力提倡“節(jié)能減排”和“綠色照明”的環(huán)境中，照明設(shè)備主要采用節(jié)能燈、日光燈等燈具，景觀照明多采用高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等燈具。而計算機、微波爐、空調(diào)等常見的家用電器，日光燈、節(jié)能燈、金屬鹵化物等照明設(shè)備，攝像機、顯示器、計算機等產(chǎn)用的安防設(shè)備，均用很嚴重的非線性特性，是居民用電低壓配電網(wǎng)中嚴重的諧波源。其中節(jié)能燈、計算機的實測電流波形、電流頻譜分別如圖1～2所示。從圖中可見其電流波形嚴重畸變，諧波含量相對較高，且3次諧波及其他奇次諧波含量較偶次諧波更高。

居民用電配電網(wǎng)諧波檢測與治理1.居民用電配電網(wǎng)諧波檢測

按照《電能質(zhì)量·公共電網(wǎng)諧波》規(guī)范的相關(guān)要求，在晚上八點社區(qū)居民用電量較大且諧波產(chǎn)生較多的時間對某社區(qū)的配電所變壓器處的2~19次諧波含量進行測量，符合規(guī)范規(guī)定的測量“應(yīng)在諧波源工作周期中產(chǎn)生的諧波量大的時段內(nèi)進行”及“測量的諧波次數(shù)一般為第2到第19次”的要求。該社區(qū)低壓配電站設(shè)有一臺變壓器，容量為630kVA，對社區(qū)內(nèi)9棟3~4單元的7層居民樓、一棟18層高層建筑及社區(qū)內(nèi)道路、部分景觀照明設(shè)施進行供電。居民室內(nèi)照明以節(jié)能燈、日光燈及調(diào)光燈為主，因社區(qū)居民生活消費水平較高，計算機擁有率較高。測得電流總諧波含量A相為53.6A、B相為47.9A、C相為47.6A，其中A相部分諧波電流含量數(shù)據(jù)如表2所示，由于篇幅限值，未列出A相電流第14～19次諧波含量及B、C兩相電流諧波測量結(jié)果，三相電壓畸變率檢測并整理如表3所示。

對所測數(shù)據(jù)分析可知，該社區(qū)低壓配電站三相電壓諧波畸變率均超出國家允許限值，且電流的奇次諧波含量已高出允許限值數(shù)倍，屬于嚴重超標，且以3次諧波超標為最為嚴重，A相電流中3次諧波的含量已高達允許限值的6.73倍，而B、C兩相均有相似諧波含量嚴重超標的情況，且所測結(jié)果與理論預(yù)測結(jié)果相符，如果不及時治理將對用電設(shè)備及電網(wǎng)安全運行造成惡劣影響。

2.居民用電配電網(wǎng)諧波治理

諧波污染的治理有減少諧波源、設(shè)置濾波器等多種方式，但針對“節(jié)能減排”發(fā)展需要、居民多采用發(fā)光效率較高的節(jié)能燈和調(diào)光燈具照明、計算機和空調(diào)等非線性家用電器設(shè)備的普及、社區(qū)安防監(jiān)控所需的大量監(jiān)控、錄像設(shè)備的配備等情況，設(shè)置交流濾波器進行諧波治理較為合適。交流濾波器一般可分為無源濾波器、有源濾波器、混合濾波器等，有源濾波器可有效抑制波動性負荷所產(chǎn)生的諧波，缺點是損耗較大、價格昂貴、維護成本較高，而居民用電負載成分組成及使用時段相對固定，無較大波動性，且居民用電對供電電能質(zhì)量要求相對較低，不應(yīng)增設(shè)造價過的高設(shè)備，避免對居民產(chǎn)生過高的資金分攤壓力，故采用單調(diào)諧濾波器與高通濾器相結(jié)合的混合無源濾波方式進行諧波治理。該諧波抑制方案實施后，各諧波含量已降至允許限值以內(nèi)，取得了較理想的諧波治理效果。

隨著居民生活水平的提高，家用電器設(shè)備的使用急劇增加，但節(jié)能照明燈具及很多家用電器均為非線性負荷，使用中產(chǎn)生嚴重的諧波污染，使低壓配電網(wǎng)中諧波含量偏高甚至嚴重超標。本文基于對某社區(qū)配電系統(tǒng)的檢測，使理論分析得到驗證，并結(jié)合其具體情況提出治理方案，得到較好的治理效果。本文的檢測結(jié)果也是多數(shù)社區(qū)配電系統(tǒng)的普遍情況的反映，諧波含量較高的情況若不能及時得到治理將會嚴重影響居民生活用電的質(zhì)量及電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定運行，應(yīng)得到相關(guān)管理部門的重視。2

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

李曉林 - 教授 - 西南大學