间谐波 - 标准谐波分析仪上不会显示的电能质量干扰
| 定义 | 不是基波整数倍的频率分量 - 例如. 75 赫兹, 130 赫兹, 267 赫兹上 50 赫兹系统 |
| IEC定义 | 符合IEC 61000-2-1: “工频电压和电流的谐波之间, 可以观察到更多频率，这些频率不是基波的整数” |
| 经典的来源 | 循环变流器 · 电弧炉 · 变速 AC/DC 驱动器 · 感应炉 · 与基波不同步的脉动负载 |
| 新的 DER 来源 | 光伏逆变器 (MPPT算法纹波) · 风力涡轮机 (转差频率) · 电动汽车充电器 (开关不对称性) · 高压直流转换器 (控制回路相互作用) |
| 最危险的影响 | 闪烁 — 频率为 f 的间谐波间质性H 以拍频产生电压闪变 |f间质性H - 50| 赫兹. 拍频为 0–15 Hz, 闪烁落在人类视觉敏感度峰值范围内 |
| 现场案例 | 带光伏板的低压安装 + 电动车充电器 + 微波 — 同时运行会产生随机间谐波，导致光闪烁和直流母线电压波动 |
| 测量问题 | 基于 FFT 的标准谐波分析仪 (符合IEC 61000-4-7) 假设基波的整数倍——他们将间谐波误认为是扩散噪声，而不是离散的音调分量 |
| 监管状况 | 符合IEC 61000-3-6 提供中压/高压间谐波的规划水平，但未建立低压单个设备的发射限值 |
01 什么是间谐波?
经典谐波分析假设电力系统电压和电流波形中的所有非正弦成分均由基频的整数倍组成 - 100 赫兹, 150 赫兹, 200 赫兹, 250 赫兹, 等等 50 赫兹. 该假设适用于大多数传统非线性负载的稳态运行: 连接到刚性交流电源的 6 脉冲整流器会产生 5 次谐波电流, 7日, 11日, 13第 3 个订单, 并且它们的大小随着时间的推移相对恒定.
间谐波是打破这一假设的频率分量. 它们发生的频率不是基波的整数倍—— 75 赫兹, 130 赫兹, 183 赫兹, 267 赫兹, 或谐波次数之间的任何其他值. 符合IEC 61000-2-1 精确地定义它们: “工频电压和电流的谐波之间, 可以观察到更多频率，这些频率不是基波的整数. 它们可以显示为离散频率或宽带频谱。”
当间谐波分量低于基频时 - 例如, 35 Hz或 20 赫兹上 50 Hz 系统 — 有时称为次谐波. 符合IEC 61000-2-1 注意到 “术语“次谐波”没有任何官方定义，而只是小于电力系统频率的频率分量的间谐波的特例. 优选使用术语次同步频率分量。” 次谐波尤其成问题，因为它们会激发旋转机械中的机械共振——涡轮轴扭转振动, 例如 - 在低于基频的频率, 标准振动阻尼并非设计用于运行.
02 来源——传统和新兴
当功率转换设备以与电源频率不同步的频率处理能量时，就会出现间谐波. 转换过程的输出频率调制市电频率, 产生边带（间谐波分量），其频率由转换频率与电源频率及其谐波之间的差异确定.
| 来源类型 | 生成机制 | 典型间谐波频率 | 趋势 |
|---|---|---|---|
| 环路转换器 | 直接 AC/AC 变频产生任意输出频率 f 的输出出 — 间谐波 |NF手 ±mf出| | 连续频谱 - 取决于输出速度 | 遗产——轧机, 大型驱动器 |
| 电弧炉和感应炉 | 混沌电弧电流产生随机的非周期波形 - 所有频率同时出现 | 宽带 — 下面的连续频谱 2 千赫 | 稳定——仍然广泛使用 |
| 变速 VFD | 在非整数速比下, VFD 输出频率和谐波相对于电源频率的跳动 — 间谐波出现在跳动频率处 | 随电机速度变化 — 在加速过程中连续扫描 | 成长——行业主导 |
| 光伏逆变器 (最大功率点跟踪) | 最大功率点跟踪算法周期性地扰动工作点 — 直流总线上的纹波在扰动频率及其谐波处产生间谐波注入 | 谐波周围的边带通常为 5–100 Hz | 快速增长——占主导地位的新来源 |
| 风力涡轮机 | 可变转子速度产生转差频率 (f转子 ≠ f手) — nf 处的间谐波手 ±f滑 | 随风速变化 — 通常为 45–55 Hz 范围 (接近基本面) 创造节拍 | 快速增长——离岸, 陆上 |
| 电动车充电器 | 开关频率不对称和直流母线纹波会产生互调产物，当电网电压本身失真时，互调产物会加剧 | 2–10 Hz 基波和谐波周围的边带 | 快速增长——住宅, 广告 |
| 高压直流转换器 | 交流侧和直流侧之间的控制环路相互作用产生次同步振荡——控制环路频率处的间谐波 | 次同步 (5–45赫兹) - 对电网稳定性有潜在危险 | 增长——输电系统运营商主要关注的问题 |
传统间谐波源——环路转换器, 电弧炉——很大, 可识别的, 通常位于工业设施中，可以在连接点评估和管理其 PQ 影响. 基于 DER 的新型间谐波源——光伏逆变器, 风力涡轮机, 电动汽车充电器——体积小, 很多的, 地理分布, 且安装时未进行单独的 PQ 影响评估. 每个设备产生的间谐波发射均低于任何单个设备的限值. 但数以千计的设备在同一低压馈线上同时运行, 每个都具有略微不同频率的随机间谐波发射, 创建一个复合间谐波环境，这是现有低压基础设施设计中没有预料到的，也是当前监测设备所没有的特征.
03 效果——闪烁, 设备故障, 和电网振荡
闪烁——最敏感的效果
间谐波最重要且记录最充分的影响是电压闪变. 频率为 f 的间谐波分量间质性H 调制基波电压, 在拍频处产生幅度变化 |f间质性H –f根本|. 上一个 50 赫兹系统, 间谐波在 55 Hz 产生闪烁 5 Hz — 正好位于由 IEC 闪烁计表征的人类视觉灵敏度峰值的 1–15 Hz 范围内. 间谐波在 62 赫兹产生 12 赫兹闪烁. 闪烁强度与间谐波幅度成正比: 甚至只有一个间谐波 5% 振幅会产生可见的闪烁，从而导致 IEC 失败 61000-4-15 闪变仪评估.
整流负载直流母线电压波动
电源电压中的间谐波分量会导致二极管整流器（变频驱动器的直流总线电容器）所见的峰值电压逐周期变化, 不间断电源系统, 和开关模式电源. 这些直流母线电压波动会导致电容器充放电不均匀, 在直流总线上产生纹波，驱动器的控制系统必须对其进行管理. 在高间谐波幅度下, 直流母线波动可能会触发驱动器中的过压或欠压保护，从而导致意外跳闸，这些跳闸表现为设备故障而不是电源质量问题.
电网振荡和次同步谐振
次同步间谐波 — 下面的组件 50 Hz — 可以在大型涡轮发电机轴中激发扭转共振，其频率与轴带发电机系统的自然机械共振频率一致. 这种次同步谐振 (固态继电器) 该机制导致通过串联补偿输电线路连接的火力发电站发生灾难性的轴故障. 在现代电力系统中, HVDC 转换器控制环路相互作用会产生类似的次同步振荡，并通过互连的交流网络传播——随着 HVDC 容量的扩展，这一问题日益受到关注.
04 现场案例——光伏, 首页, 和微波在同一低压电路上
一 2025 MDPI Sustainability 中的论文提供了现代家用低压装置中谐波产生的具体现场测量 - 特别是, 带光伏板的电路, 电动汽车充电器, 和同时运行的微波炉. 这种组合代表了分布式能源采用率较高的发达国家新兴的标准住宅能源环境.
该研究的主要发现是这三个设备的同时操作会产生随机, 概率性间谐波发射——而非确定性, 经典非线性负载的可预测谐波模式. 间谐波频率和幅度随周期随机变化, 驱动于:
- 光伏逆变器MPPT算法 — 扰动观察算法以与电源不同步的速率改变工作点, 在扰动频率及其边带处与电源谐波注入间谐波
- 电动汽车充电器切换 — 充电器的开关频率随电池充电状态略有变化, 产生扫描整个频率范围而不是固定值的间谐波发射
- 微波磁控管 — 磁控管振荡频率与电源不精确同步, 产生 50–3000 Hz 范围内的宽带间谐波含量
研究表明，当多个间谐波源同时工作时, 总间谐波含量可能明显高于各个贡献的总和——超加性聚合效应. 当两个源以接近但不相同的频率产生间谐波时，就会发生这种情况, 创建一个节拍模式，放大节拍频率处的复合振幅. 对于产生间谐波的光伏逆变器 53 Hz 和电动汽车充电器产生一个 54 Hz同时, 复合信号有一个 1 Hz 节拍 — 一种非常慢的幅度调制, 在足够的幅度, 产生可察觉的闪烁 1 赫兹. 没有任何单独的设备会单独产生这种闪烁.
该论文的方法论贡献是间谐波生成的概率模型 - 不仅表征平均间谐波幅度，而且使用适合实时测量的概率密度函数表征其统计分布. 这种概率方法比确定性最坏情况模型更准确，并且比简单的统计摘要更有用: 它可以预测超过给定间谐波幅度的频率, 这是评估对规划水平（以 95% 的值表示）的遵守情况所需的信息. 对于一个 50 赫兹系统, 国际电工委员会 61000-3-6 LV 间谐波的规划水平为 0.2% — 概率模型允许工程师确定给定安装的间谐波分布的第 95 个百分位数是否超过此水平.
05 测量挑战
间谐波提出了经典谐波不会出现的基本测量问题: 标准测量方法是针对整数倍频率分量而设计的，并且系统地无法正确表征非整数分量.
国际电工委员会 61000-4-7 局限性
符合IEC 61000-4-7 ——谐波分析仪的标准测量方法——规定了 200 毫秒测量窗口 (10 周期在 50 赫兹) 并应用 DFT 生成谐波子组 50 赫兹间隔. 精确的光谱分量 75 赫兹 (1 次和 2 次谐波之间的中间位置 50 赫兹和 100 赫兹) 生成的 DFT 输出分布在多个箱中，而不是集中在单个箱中 - 它表现为谐波阶次之间升高的噪声，而不是离散的噪声 75 Hz分量. 然后，该标准将此间能量分配给最近的谐波子组, 可能会夸大谐波幅度并完全掩盖间谐波.
频率分辨率问题
一 200 ms 测量窗口提供的频率分辨率为 1/0.2 = 5 赫兹. 这意味着间谐波分量比 5 无法解析 Hz 之外的频率 - 它们显示为单个加宽的光谱特征. 对于间谐波 52 赫兹和 54 Hz——在不同的 DER 设备中都是合理的——它们在一个问题中是无法解决的 200 窗口女士. 解决这些问题需要更长的测量窗口: 1 第二个为 1 赫兹分辨率, 10 秒为 0.1 赫兹分辨率. 但较长的窗口会增加测量过程中间谐波频率发生变化的可能性，这是 VFD 产生的间谐波的常见问题，其频率随电机速度连续变化.
| 测量方法 | 频率分辨率 | 间谐波检测 | 标准 |
|---|---|---|---|
| 符合IEC 61000-4-7 密度泛函理论 (200 毫秒) | 5 赫兹 | 差 - 间谐波分布在各个箱中, 错误识别为谐波含量 | 符合IEC 61000-4-7:2002+AMD1:2008 |
| 扩展窗口DFT (1 小号) | 1 赫兹 | 适用于平稳间谐波 - 不适用于时变 | 研究实践 |
| 插值快速傅里叶变换 / 无线快速傅里叶变换 | 亚赫兹分辨率 | 好——减少频谱泄漏, 更好的间谐波幅度估计 | IEEE P519.1 工作组 |
| 时频法 (小波, 短时傅里叶变换) | 多变的 | 最适合时变 — 捕获频率随时间的演变 | 研究——尚未标准化 |
| 概率模型 (PDF拟合) | 统计 | 最适合随机源 (光伏, 首页) - 特征分布不仅仅是均值 | MDPI 可持续发展 2025 |
06 电能质量视角
间谐波是介于所有标准框架之间的电能质量干扰. 对于电力系统稳定性研究中使用的经典机械谐振分析来说，它们的频率太高. 它们的频率太低，无法进行 EMC 分析, 开始于 150 千赫. IEC 中的谐波发射限制并未解决这些问题 61000-3-2 (适用于 40 次以下的整数谐波). IEC 中的标准测量方法没有正确表征它们 61000-4-7.
其结果是，随着分布式能源渗透率的增加，由光伏逆变器驱动的干扰类别变得越来越重要, 风力涡轮机, 电动车充电器, 和 HVDC 链路 - 但对于大多数公用事业和工业工程师部署的测量基础设施来说是系统不可见的. 当 PQ 分析仪运行 IEC 61000-4-7 在产生可见闪烁的地点显示干净的谐波合规性, 间谐波是标准分析最可能遗漏的解释.
从公用事业 PQ 工程角度来看, 当标准谐波分析无法解释观察到的问题时识别间谐波的实用协议 - 没有明显来源的闪烁, 不明原因的 VFD 跳闸, 谐波次数之间的噪声升高 — 是: 第一的, 扩展测量窗口 200 ms 提高频率分辨率; 第二, 查看谐波阶次之间的完整频谱，而不仅仅是谐波子组; 第三, 将间谐波频率与所连接设备的已知机械或开关频率相关联. 一台 VFD 运行电机 1,450 4 极电机上的转差频率为 |50 - 1450/60| = |50 - 24.17| = 25.83 Hz — 和间谐波 50 ± 25.83 = 24.17 赫兹和 75.83 赫兹. 寻找光谱分量 75.83 电源电压 Hz 确认 VFD 是高置信度的电源. 这种系统的方法改变了一个无法解释的问题 “测量噪声” 观察确诊, 可归因的 PQ 问题.
参考文献
- 莫约 RT 等人. “多个可持续电源和电动汽车并联运行产生的间谐波的时域聚合。” 可持续发展, 17(3), 1214, 二月 2025. DOI: 10.3390/苏17031214. 开放获取 CC BY 4.0.
- 符合IEC 61000-2-1:1990. 电磁兼容性 - 环境描述 - 公共供电系统中低频传导骚扰和信号的电磁环境. 符合IEC, 日内瓦. (间谐波的定义。)
- 符合IEC 61000-4-7:2002+AMD1:2008. 测试和测量技术 - 电源系统及其连接设备的谐波和间谐波测量和仪器的一般指南. 符合IEC, 日内瓦.
- 符合IEC 61000-3-6:2008. 限值 — 扭曲装置与中压连接的排放限值评估, 高压和超高压电力系统. 符合IEC, 日内瓦.
- IEEE 谐波建模与仿真工作组. “间谐波: 理论和建模。” IEEE电力输送交易, 飞行. 22, 不. 4, PP. 2335–2348, 2007.
- Yong J, 陈琳, 陈生. “背景谐波和间谐波的建模。” IEEE电力输送交易, 飞行. 26, 不. 2, PP. 900–909, 2011.
主要来源: 莫约 RT 等人. “多个可持续电源和电动汽车并联运行产生的间谐波的时域聚合。” 可持续发展, MDPI, 17(3), 1214, 二月 2025. DOI: 10.3390/苏17031214. 开放获取 CC BY 4.0. 支持参考文献: 符合IEC 61000-2-1 (定义), 符合IEC 61000-4-7 (测量), IEEE 谐波工作组 (2007).
SVG 图和 PQ 透视图 (部分 6) 是 Denis Ruest 的原创 IPQDF 编辑内容, 硕士. (应用), P.Eng. (ret。). IPQDF 不声称原始研究的作者.