电力系统的谐波源，电力系统中的谐波问题分析

很多朋友对电力系统的谐波源，电力系统中的谐波问题分析不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

谐波是指正常电流波形的失真，通常由非线性负载发出。开关电源(SMPS)、变速电机和驱动器、复印机、个人电脑、激光打印机、传真机、电池充电器和UPS 都是非线性负载的示例。单相非线性负载多见于现代办公楼，而三相非线性负载多见于工厂和工业车间。大多数配电系统上的大部分非线性电力负载来自SMPS 设备。例如，所有计算机系统都使用SMPS 将市电交流电压转换为稳定的低压直流电压，以供内部电子设备使用。这些非线性电源会产生高振幅短电流脉冲，严重扭曲电流和电压波形。 —— 谐波失真，通常以总谐波失真(THD) 来测量。这种失真会传播回电力系统，并会影响连接到同一电源的其他设备。大多数电力系统可以承受一定程度的谐波电流，但当谐波占总负载的很大比例时，就会出现问题。当这些较高频率的电流流经电力系统时，可能会导致通信错误、过热和硬件损坏，例如：由于配电设备、电缆、变压器、备用发电机等过热而导致电压过高和循环发热。严重的电压畸变导致高层中性线设备故障，浪费电能增加连接设备内部能耗，导致部件故障，缩短使用寿命分支断路器误跳闸计量错误接线和配电系统火灾发电机器故障高波峰因数及相关问题降低系统功率因数，导致可用功率降低（kW 与kVA）和每月公用事业账单罚款如果基频为60Hz，则2 次谐波为120 Hz，3 次谐波为180 Hz，依此类推（见图1） 。当谐波频率占主导地位时，配电盘和变压器会与高频谐波产生的磁场形成机械共振。发生这种情况时，配电板或变压器会振动并以不同的谐波频率发出蜂鸣声。 3 次到25 次谐波频率是配电系统中最常见的频率范围。图1 电流波形的谐波失真所有周期波都是由各种频率的正弦波产生的。傅立叶定律将周期波分解为其分量频率。谐波分量：较大的1 次谐波（基频）、较小的5 次谐波、稍大的7 次谐波图2 由基频、5 次和7 次谐波组成的失真波形信号的总谐波波形失真是谐波失真的度量，定义为所有谐波分量的功率之和与基频功率的比值。它描述了电压或电流信号的失真程度（见图3）。图3 总谐波失真补偿和减少谐波的解决方案虽然限制谐波电流产生的标准正在考虑中，但当今的谐波控制主要依赖于补救方法。补偿或减少电力系统谐波可以采取多种手段，其效果和效率各不相同。增加中性线尺寸在现代安装中，尽管电气规范允许减小尺寸，但通常要求中性线的尺寸与电源线—— 相同或更大。支持多台PC 的设计（例如呼叫中心）应指定中性线超出线路规格的1.73 倍。特别注意办公室隔间内的布线。需要注意的是，这种方法保护的是建筑物布线，而不是变压器。在三相分支电路上使用单独的中性导体，需要为每相导体单独敷设中性导体，而不是多线分支电路共用中性导体。这增加了分支电路处理谐波负载的容量和能力。该方法可以有效抑制支路中性线上谐波的增加，但仍须考虑配电盘中性母线和馈电中性导体。

使用不受谐波影响的直流电源在典型的数据中心中，配电系统通过变压器将480V 交流主电源转换为为服务器机架供电的208V 交流电源。然后，每台服务器中的一个或多个电源将交流电转换为直流电压，供服务器的内部组件使用。这些内部电源并不节能，而且会产生大量热量，增加了房间空调系统的工作量，增加了运营成本。散热也限制了数据中心可容纳的服务器数量。选择使用DC 来消除这一步是值得的。 《能源与电源管理杂志》上的一篇文章指出，“配备直流电源而不是交流电源的计算机和服务器产生的热量减少了20% 至40%，消耗的电力减少了30%，提高了服务器可靠性和安装灵活性，同时还减少了维护要求。”听起来不错，但是当考虑到成本、兼容性、可靠性和效率时，从交流电切换到直流电对于大多数数据中心来说是不可行的。交流电—— 虽然效率稍低，但—— 对于现有设备来说通常是可以接受的。此外，目前还没有美国保险商实验室(UL) 针对数据中心高压点的安全标准，而交流系统的标准也已完善。这意味着安全风险超过了直流电的潜在好处，至少目前如此。在配电元件中使用K 类变压器标准变压器并非针对非线性负载产生的高谐波电流而设计。这些负载在连接时可能会过热并过早失效。当谐波开始引入电气系统并达到产生有害影响的程度时（大约1980 年），业界为此，开发了K级变压器。K级变压器的设计目的不是为了消除谐波，而是为了处理谐波电流产生的热量。 K 系数额定值范围为1 到50。专为线性负载设计的标准变压器的K 系数为1。K 系数越高，变压器能够承受谐波电流的热量就越多。选择正确的K 系数至关重要，因为它会影响成本、效率和安全性。 K系数较高的变压器一般比K系数较低的变压器体积较大，因此应根据数据中心的谐波曲线选择合理的K系数，以达到尺寸、效率和耐热性之间的最佳平衡。配备K-13 级变压器（和超大中性线）的配电装置(PDU) 可以有效处理谐波功率。配备K20 级变压器的配电单元很常见，但对于大多数现代数据中心来说太大了。谐波抑制变压器的使用K级干式变压器广泛应用于电力环境中。 —— 包含在PDU 中或作为备用单元。但变压器设计的最新进展可以在减少谐波电压失真和功率损耗方面提供更好的性能。谐波抑制变压器(HMT) 用于处理电气系统中的非线性负载。该变压器采用电磁缓解技术，专门处理三重序列号（编号3、9、15……）谐波。变压器的次级绕组用于抵消零序磁通，消除初级绕组环流。该变压器还通过使用相移来处理5 次和7 次谐波。利用这两种电磁技术，HMT 允许负载按照制造商的设计运行，同时最大限度地减少谐波对能耗和失真的影响。即使在100% 非线性负载下进行测试，大多数HMT 也超过了NEMA TP-1 效率标准。只要指定K级变压器，就可以用等效的HMT直接替代。

使用HMT的主要优点是防止非线性负载引起的电压平台，减少上游谐波电流，消除变压器过热和高运行温度，消除初级绕组循环电流，通过减少谐波损耗来节能，维持高能效，即使在严重的非线性负载下处理K 级变压器无法解决的电能质量谐波问题适用于较高K 系数负载而不增加浪涌电流提高功率因数其他谐波缓解方法HMT 是首次设计时选择的变压器一个数据中心。但是，如果现有数据中心存在谐波问题，则可以使用锯齿形自耦变压器来限制三次谐波和七次谐波的影响5、锯齿形自耦变压器是一种只有初级绕组而没有次级绕组的中性点形成变压器。每个磁芯有两个初级绕组，它们以相反的方向缠绕，并对正常相电流提供高阻抗。当靠近负载放置时，锯齿形自耦变压器可以捕获三重序列号谐波。这种自耦变压器的尺寸必须足够大才能处理谐波。三重序号谐波将被限制在自耦变压器和该负载中，从而防止上游配电设备遇到谐波。然而，自耦变压器不能用于将电压改变到与主电源（电压）不同的水平。三次谐波和七次谐波5、可以通过将上述自动变压器与二次馈线并联来消除。该馈线通常由不同的电源供电。自动变压器和二次移相电源一起捕获三次谐波，即七次谐波5、该应用相当棘手，因为两个电源都需要承载平衡负载才能有效捕获三次谐波，即第七次谐波5、但这两种应用在消除不需要的谐波方面都非常有效。然而，安装单个谐波抑制变压器是防止不需要的谐波影响配电设备的最具成本效益的方法。小结谐波电流对配电系统及其供电设施有重大影响。在规划系统扩展或改造时，请务必考虑谐波的影响。此外，确定非线性负载的大小和位置是任何维护、故障排除和维修计划的重要组成部分。

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