諧波會降低電能質量，縮短設備的使用壽命，并可能損害系統穩定性。本常見問題解答提供了諧波、其主要來源以及為其控制而制定的行業標準的技術概述。

電氣系統中的諧波是如何定義的？

理想的交流電源以基頻（例如 50 Hz 或 60 Hz）提供純正弦波形。在實踐中，現代電子設備的使用越來越多地導致了這種波形的失真。這種失真是由稱為諧波的更高頻波形引起的。

失真電波形是由不同頻率的多個正弦波相加形成的復合信號。主要的、預期的波形是基頻。諧波是頻率為基頻整數倍的正弦波形。

圖1通過將失真電流波形I（t）解構為基波分量及其隨后的奇諧波來說明這一概念。

圖 1.失真電流波形 I（t） 是第一基頻及其奇諧波（第三次、第五次和第七次）的總和。（圖片：IEEE)

對于 50 Hz 系統，關系如下：

• 1次諧波（基波）= 50 Hz

• 三次諧波：3 x 50 Hz = 150 Hz

• 五次諧波：5 x 50 Hz = 250 Hz

• 7次諧波：7 x 50 Hz = 350 Hz

在三相電力系統中，奇諧波（三次、五次、七次等）是最普遍和最具破壞性的。它們的累積效應將干凈的正弦波轉換為失真、效率較低的波形，從而導致作問題。

諧波的主要來源是什么？

諧波的主要原因是非線性負載的運行。與響應正弦電壓而消耗正弦電流的線性負載（例如白熾燈泡、電阻加熱器）不同，非線性負載以短而突然的脈沖消耗電流。此過程將諧波電流注入電力系統。

工業和商業設施中的非線性負載數量顯著增長。圖 2 繪制了電網中最常見的諧波源。

圖 2.電力系統諧波失真的主要來源。（圖片：Wiley)

如圖所示，電力電子轉換器是主要來源。此類別包括：

• 變速驅動器用于工業和暖通空調系統中的電機控制。

• 光伏逆變器，將太陽能電池板的直流電轉換為交流電以供電網使用。

• 開關模式電源，是計算機、充電器和大多數電子產品不可或缺的一部分。

其他重要來源包括電動汽車充電站、熒光燈和 LED 照明以及電弧爐等工業設備。

諧波和相關標準有什么影響？

諧波的存在會對電氣系統產生明顯的負面影響。這些包括：

• 過熱：諧波電流會增加 I2R 損耗，導致接線、變壓器和電機過熱，從而降低效率并縮短設備壽命。

• 設備故障：電壓失真會破壞敏感電子設備的運行，導致數據錯誤、控制系統故障或斷路器誤跳閘。

• 能量損失：諧波代表不執行有用功的能量，只會導致系統損失并增加運營成本。

由于這些不利影響，電氣和電子工程師協會 （IEEE） 和國際電工委員會 （IEC） 等國際機構制定了限制諧波失真的標準。圖 3 顯示了這些標準中最突出的標準。

圖 3.主要國際諧波標準概述。（圖片來源：IEEE)

這些標準定義了諧波注入的可接受限值，以確保電能質量和系統穩定性。它們涵蓋了幾個關鍵領域：

• 消費者限制（例如 IEEE 519）：指定允許設施注入公用電網的最大失真。

• 設備限制（例如 IEC 61000-3-2）：對特定類型設備產生的諧波電流設置限制。

• 測量協議（例如 IEC 1000-4-7）：標準化諧波測量方法。

這些標準的主要目標是將總諧波失真保持在指定閾值以下，對于一般應用來說通常為 5%。這是量化整體波形失真的關鍵指標。

總結

諧波是電力電子負載的固有副產品。它們對系統效率、可靠性和成本的影響是巨大的。通過了解諧波的原理、其來源和管理標準，工程師可以設計、分析和維護更強大、更高效的電氣系統。