[科普中国]-谐波含量

谐波含量是从交流量中减去基波分量后所得到的量。

自镇流荧光灯谐波含量的改进功率因数校正电路对自镇流荧光灯谐波含量的改进

谐波电流限值电流谐波的危害已经众所周知，它不仅会影响电网供电质量，造成电能浪费，还会使设备发热、损耗增大，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，造成重大经济损失。自镇流荧光灯、电子镇流器等照明产品使用时也会产生大量谐波，尤其在大面积使用时，其危害性不可小觑。

国家标准对谐波含量有严格要求。GB/T17263—2002《普通照明用自镇流荧光灯性能要求》中对自镇流荧光灯谐波电流限值的规定见表1。从表1中可以看出，国家标准对于25W以上和不高于25W的自镇流荧光灯的谐波要求不同，对25W以上自镇流荧光灯的要求比25W及以下的自镇流荧光灯高很多。

此外，对所有的C类设备（照明设备），的差异见表2。国家标准也有专门的谐波电流限值的要求，GB17625.1—2012《电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16A）》已于2012年12月31日发布换版，2013年7月1日起正式实施。新标准对检测方法及设备有了更高的要求，对具体指标要求的表达也有变化。针对C类设备，与老版标准存在的差异见表2。

功率因数校正电路国家标准对自镇流荧光灯功率因数的要求是：在额定电压和额定频率下工作时，其实际功率因数

不得比制造商的标称值低0.05。标准并未对功率因数的大小做出具体规定，也就是说根据标准的要求，并没有不允许使用低功率因数自镇流荧光灯。但功率因数的大小与谐波含量是相辅相成的，谐波含量低，功率因数就高。要达到国家标准规定的谐波含量，一定要提高自镇流荧光灯的功率因数。在电子镇流器中，通常采用图1(a)所示输入电路，由于电解电容的容量很大，工作时储存电荷很多，只有输入电压超过电容上的电压时，才有输入电流，所以电流波形严重失真，仅在电压峰值附近出现1个电流尖脉冲，如图1(b)所示。

由于谐波含量丰富，普通自镇流荧光灯的功率因数变得很低。功率因数校正（Power FactorCorrection，PFC）技术是1种提高自镇流荧光灯功率因数的有效方法。功率因数校正电路分为无源PFC（Passive PFC）电路和有源PFC（Active PFC，APFC）电路。

无源PFC电路由电感器、电容器及二极管等无源元件组成，包括LC滤波型无源PFC电路、部分滤波（填谷式）无源PFC电路、带辅助电路的LC滤波型无源PFC电路和改进型LC滤波型无源PFC电路。无源PFC电路的特点是电路简单，成本较低，对线路的功率因数会有一定的提升，有的甚至可高达0.95，但滤波效果较差，难以实现低谐波的要求，往往还会影响到系统的其他参数，一般适用于25W以下自镇流荧光灯电路。

APFC电路基于功率因数控制器IC，利用开关器件的切换，并搭配无源元件，使系统从市电汲取的电流波形与电压波形相一致，从而消除电流波形

畸变和相位畸变，获得近似于1的高功率因数，也可大大降低谐波失真。APFC电路结构远比无源PFC复杂，需使用控制IC，在系统前端通常单独组成1级电路，成本较高。但由于其在高频下工作，电感元件的体积小，重量轻。随着PFC控制IC价格的不断降低，APFC已经得到广泛应用。对于功率大于25W以上的自镇流荧光灯电路，必须采用APFC电路或无源PFC电路来降低谐波含量。

图2是APFC工作原理示意图，整个电路由功率MOS开关管VT 1、升压电感L、升压二极管VD、输出电容C o及APFC控制器IC组成。其中起关键性作用的APFC控制器IC，国内外比较具有代表性的有：FAN7527B、FAN7529/FAN7530、L6561/L6562、MC33262/MC34262、MC33368、SG6561、NCP1601A/B、UCC1817、IR1150等。

25W以上自镇流荧光灯谐波电流改进对于25W以上自镇流荧光灯，可以通过APFC技术来提升功率因数，从而改善各次电流谐波值。

以某一标称为32W的自镇流荧光灯电子镇流器为例，在改进前，其2~29次谐波均超差；经安装APFC电路后，其各次谐波大大降低（见表3）。这里采用的APFC控制器IC为L6562。

由于APFC较为复杂，改进后不仅电路面积增大许多，背面也安装了很多贴片元件，整个自镇流荧光灯的外壳都要根据电路的大小重新进行设计，使其成本大幅增加（见图3）。

25W及以下自镇流荧光灯谐波电流改进对于25W及以下自镇流荧光灯，可采用无源PFC电路来提高其功率因数。只需降低其电路中的滤波电解电容器的容量，即可满足标准要求。

以5W半螺旋形自镇流荧光灯、5W全螺旋形自镇流荧光灯和11W双2U形自镇流荧光灯为例，我们替换了其中的滤波电解电容器以改进谐波。改进后，3种规格自镇流荧光灯的3次谐波、5次谐波均有明显改善，并且都达到了国家标准要求，见表4。

但是滤波电解电容器容量降低，会损失一定的灯寿命，因此对材料的要求更高。所以还需要根据自镇流荧光灯的寿命要求，选择质量可靠的电解电容器供应商，以及较高的寿命等级和抗纹波的能力。例如，原来选用3.3μF、5000h的电解电容器，换成1.2μF的电解电容器后，我们需要选寿命为8000h的电解电容器，以确保自镇流荧光灯的寿命。

结束语由于低功率因数自镇流荧光灯的可靠性一般高于高功率因数自镇流荧光灯，因此世界各国市场上低功率因数自镇流荧光灯还占有一定的主导地位。但限制谐波含量已经成为1种全球性的规定和行动。各自镇流荧光灯生产企业应努力提高产品的功率因数，减小谐波电流的危害，为构建节约型社会尽一己之力。1

居民低压配电网中谐波含量超标及其治理随着国民经济的增长，居民用电负荷趋向多样化发展，低压配电系统中各种照明灯具、计算机及社区监视器材等非线性负荷随之迅速增加，其非线性特性产生的一系列谐波电流与谐波电压，使居民低压配电网中电流和电压产生畸变。当电流和电压畸变达到一定程度时，会造成电网供电质量严重下降，同时给电气设备的正常运行带来不利影响。根据对某居民用电低压配电网谐波含量的测量，分析其配电网中谐波含量超标的问题并提出了相应的谐波治理方案。

谐波的允许限值谐波是对周期性变流量进行傅里叶级数分解，得到频率为基波频率大于1的整数倍的分量，主要由电网中非线性等设备产生。而非线性负荷不仅会产生大量谐波，还可能使电压出现波动、闪变、三相不平衡等影响电能质量的情况。国家技术监督局颁布了公用电网谐波、供电电压允许波动与闪变等五个涉及电能质量的国家标准以保障良好的供电质量。

《电能质量公用电网谐波》（GB/T 14549-1993）中严格规定了各电压等级下公用电网谐波电压（相电压）限值（如表1所示）

及公共连接点的谐波电流限值（如表2所示）。

若公共连接点处最小短路容量不同于表2中基准容量时，谐波电流允许值应按下式进行换算。

式中——公共连接点的最小短路容量MVA，

——基准短路容量MVA，

——表2中的第h次谐波电流允许值，A

——短路容量为时的第h次谐波电流允许值。

居民用电配电网中的谐波源随着我国居民生活水平的快速提高，居民用电消费量逐年增加。主要是由于计算机、微波炉、空调等大功率家用电器日益普及，以及居家照明用电量急剧增加。随着居民生活的提高，社区配套照明、景观照明用电设备及社区安防设备也大量增加。在我国大力提倡“节能减排”和“绿色照明”的环境中，照明设备主要采用节能灯、日光灯等灯具，景观照明多采用高压钠灯、金属卤化物灯等灯具。而计算机、微波炉、空调等常见的家用电器，日光灯、节能灯、金属卤化物等照明设备，摄像机、显示器、计算机等产用的安防设备，均用很严重的非线性特性，是居民用电低压配电网中严重的谐波源。其中节能灯、计算机的实测电流波形、电流频谱分别如图1～2所示。从图中可见其电流波形严重畸变，谐波含量相对较高，且3次谐波及其他奇次谐波含量较偶次谐波更高。

居民用电配电网谐波检测与治理1.居民用电配电网谐波检测

按照《电能质量·公共电网谐波》规范的相关要求，在晚上八点社区居民用电量较大且谐波产生较多的时间对某社区的配电所变压器处的2~19次谐波含量进行测量，符合规范规定的测量“应在谐波源工作周期中产生的谐波量大的时段内进行”及“测量的谐波次数一般为第2到第19次”的要求。该社区低压配电站设有一台变压器，容量为630kVA，对社区内9栋3~4单元的7层居民楼、一栋18层高层建筑及社区内道路、部分景观照明设施进行供电。居民室内照明以节能灯、日光灯及调光灯为主，因社区居民生活消费水平较高，计算机拥有率较高。测得电流总谐波含量A相为53.6A、B相为47.9A、C相为47.6A，其中A相部分谐波电流含量数据如表2所示，由于篇幅限值，未列出A相电流第14～19次谐波含量及B、C两相电流谐波测量结果，三相电压畸变率检测并整理如表3所示。

对所测数据分析可知，该社区低压配电站三相电压谐波畸变率均超出国家允许限值，且电流的奇次谐波含量已高出允许限值数倍，属于严重超标，且以3次谐波超标为最为严重，A相电流中3次谐波的含量已高达允许限值的6.73倍，而B、C两相均有相似谐波含量严重超标的情况，且所测结果与理论预测结果相符，如果不及时治理将对用电设备及电网安全运行造成恶劣影响。

2.居民用电配电网谐波治理

谐波污染的治理有减少谐波源、设置滤波器等多种方式，但针对“节能减排”发展需要、居民多采用发光效率较高的节能灯和调光灯具照明、计算机和空调等非线性家用电器设备的普及、社区安防监控所需的大量监控、录像设备的配备等情况，设置交流滤波器进行谐波治理较为合适。交流滤波器一般可分为无源滤波器、有源滤波器、混合滤波器等，有源滤波器可有效抑制波动性负荷所产生的谐波，缺点是损耗较大、价格昂贵、维护成本较高，而居民用电负载成分组成及使用时段相对固定，无较大波动性，且居民用电对供电电能质量要求相对较低，不应增设造价过的高设备，避免对居民产生过高的资金分摊压力，故采用单调谐滤波器与高通滤器相结合的混合无源滤波方式进行谐波治理。该谐波抑制方案实施后，各谐波含量已降至允许限值以内，取得了较理想的谐波治理效果。

随着居民生活水平的提高，家用电器设备的使用急剧增加，但节能照明灯具及很多家用电器均为非线性负荷，使用中产生严重的谐波污染，使低压配电网中谐波含量偏高甚至严重超标。本文基于对某社区配电系统的检测，使理论分析得到验证，并结合其具体情况提出治理方案，得到较好的治理效果。本文的检测结果也是多数社区配电系统的普遍情况的反映，谐波含量较高的情况若不能及时得到治理将会严重影响居民生活用电的质量及电网的安全、稳定运行，应得到相关管理部门的重视。2

本词条内容贡献者为:

李晓林 - 教授 - 西南大学