什么叫谐波

谐波是电力系统中频率为基波频率整数倍的正弦波分量，通常由非线性负载产生。它会导致电能质量下降、设备过热以及能源浪费等问题。理解谐波的特性、产生机理及抑制方法，对保障电力系统安全稳定运行具有重要意义。

       谐波的基本定义与数学本质

       谐波是指电力系统中频率为基波频率整数倍的正弦波分量。根据国际电工委员会（International Electrotechnical Commission）标准，当基波频率为50赫兹时，二次谐波为100赫兹，三次谐波为150赫兹，以此类推。这种周期性非正弦信号可通过傅里叶级数分解为基波和若干高次谐波的叠加，其数学表达式为一系列正弦函数的线性组合。

       谐波产生的物理机理

       非线性负载是谐波产生的主要根源。当设备端电压与电流不成正比关系时，就会导致电流波形畸变。典型代表包括变频驱动装置、不间断电源（Uninterruptible Power Supply）、电弧炉等电力电子设备。这些设备在导通和关断过程中产生的突变电流，会向电网注入谐波电流。

       谐波分类与特征频率

       按频率倍数可分为奇次谐波（3、5、7…次）和偶次谐波（2、4、6…次）。在三相系统中，奇次谐波又分为正序（7、13…次）、负序（5、11…次）和零序（3、9…次）分量。其中三次谐波及其倍数次谐波具有零序特性，会在中性线上叠加，导致线路过载。

       谐波对电力系统的具体影响

       谐波会导致变压器铁损和铜损增加，使其温升超过设计标准。根据国家标准《电能质量 公用电网谐波》的数据，电压总谐波畸变率超过5%时，配电变压器容量需降额使用。同时谐波电流会使电缆集肤效应加剧，导致线路附加发热，加速绝缘老化。

       谐波对旋转电机的特殊危害

       异步电动机在谐波电压作用下会产生脉动转矩，导致转速波动和机械振动。高次谐波磁场还会在转子表面感应出涡流，使电机效率下降。国际电气与电子工程师协会（Institute of Electrical and Electronics Engineers）研究表明，当电压畸变率达8%时，电机温升将增加40%。

       谐波对保护装置的干扰

       谐波会导致数字式继电保护装置误动作，因其采样算法易受高频分量干扰。熔断器在谐波电流作用下可能异常熔断，而断路器则可能因谐波造成的电流过零点偏移而拒动。这类问题在含有大量非线性负载的工业配电系统中尤为突出。

       谐波对计量系统的影响

       传统电磁式电能表对谐波功率的计量存在偏差。当谐波方向与基波相反时，会出现电能表倒转现象。智能电表虽采用数字采样技术，但仍需符合国际法制计量组织（International Organization of Legal Metrology）关于谐波条件下计量准确度的特殊规范。

       谐波与谐振现象关联

       当系统谐波频率与容抗-感抗网络的固有频率重合时，会发生并联或串联谐振。某化工厂曾因5次谐波引发电容器组谐振，导致电压畸变率从4%骤增至15%，最终造成多台变频器损坏。这种谐振效应可使谐波电流放大至原始值的10倍以上。

       谐波检测与测量技术

       采用符合IEC 61000-4-7标准的谐波分析仪进行测量时，需确保采样窗口宽度为10个周期（200毫秒）。现代便携式电能质量分析仪通常配备1024点快速傅里叶变换算法，可同时测量至50次谐波。关键指标包括总谐波畸变率、各次谐波含有率及相位角等参数。

       无源滤波器设计原理

       单调谐滤波器由电容、电感和电阻串联构成，其谐振频率设定为特定谐波次数。如针对5次谐波（250赫兹）的滤波器，需精确计算参数使ωL=1/ωC。高通滤波器则用于吸收13次以上的高次谐波，其截止频率通常设置为最低滤除谐波频率的0.8倍。

       有源滤波器工作原理

       采用绝缘栅双极型晶体管作为核心功率器件，通过检测负载谐波电流，生成与之幅值相等相位相反的补偿电流。现代有源电力滤波器响应时间小于100微秒，补偿精度达97%以上。其控制系统采用瞬时无功功率理论，可实现选择性谐波补偿功能。

       谐波治理的标准化要求

       国家标准GB/T 14549-93规定：380伏电网电压总谐波畸变率限值为5%，各次谐波电压含有率限值为4%。国际标准IEEE 519-2014则对不同电压等级电网的谐波电流发射限值作出了分级规定，要求用户侧谐波电流不得导致公共连接点电压畸变超标。

       新兴负载的谐波特性

       LED照明驱动电源的谐波电流以3次为主，其典型总谐波畸变率在15%-30%之间。电动汽车充电桩采用三相整流电路时，特征谐波为6k±1次（5、7、11、13…次）。光伏逆变器通过采用多电平拓扑结构和改进调制策略，可将电流总谐波畸变率控制在3%以内。

       谐波与能效管理的关联

       谐波电流不仅造成额外线损，还会降低用电设备效率。实测数据表明，当电流总谐波畸变率达40%时，配电系统整体效率下降约5-8%。采用谐波治理技术后，某数据中心年度节电量达120万千瓦时，相当于减少碳排放量750吨。

       谐波分析的数学工具演进

       除传统傅里叶变换外，小波变换因其时频局部化特性，特别适用于暂态谐波分析。希尔伯特-黄变换通过经验模态分解，可处理非平稳信号中的间谐波分量。这些先进算法已集成于现代电能质量监测装置中，为谐波源定位提供技术支撑。

       谐波兼容性设计规范

       IEC 61000-3-2对每相电流不大于16安的设备谐波发射作出限值规定。Class A类设备（平衡三相设备）的奇次谐波电流限值需满足绝对值和百分比双重约束。产品设计时需采用功率因数校正电路，使输入电流波形正弦化，确保符合电磁兼容要求。

       谐波研究的未来挑战

       随着新能源大规模接入，变流器与电网的交互谐波问题日益突出。宽禁带半导体器件开关频率提升至百千赫兹级别，带来超高频谐波新课题。需发展基于人工智能的谐波预测算法，建立考虑分布式电源的谐波传播模型，完善主动配电网谐波治理标准体系。