5次谐波对变压器的影响

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在网侧电压波形正弦的条件下，D1000可以实现5次谐波为零的逆变电流波形。

但是，如果网侧电压波形本身就正弦性不佳，那么必然会影响到并网逆变的电流波形。

本贴讨论的情形，实测结果电网电压仅5次谐波含量就高达6.77%，因此，无法实现正弦波逆变的目标。

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逆变器通过LCL滤波器并网：





下面是当网侧电压为尖顶波时，实测的网侧电抗器电流、逆变器侧电抗器电流。


1、每10mV代表1A；

2、两条曲线几乎完全重合无法分辨，故对其中一条曲线特别放大20%，以便图形显示清晰；

3、网侧电流波形毛刺很少，逆变器侧电流波形毛刺极多；

4、明显可见，电流波形偏离正弦波较远，这是由于网侧电压非正弦所致；

5、两个电流波形相减，就是滤波电容器上的电流波形。

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先来看看电容器上的高频电流，时间轴逐步细分，逆变器载波频率6kHz


纵轴为实际的电流值，大锯齿对应载波频率，小锯齿猜测应该是LC振荡导致的（频率高达120kHz以上，接近电流传感器的带宽上限）

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LCL滤波的并网逆变器，电感、电容上的电流仿真波形如下，确实是太理想化了！

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对网侧电抗器电流进行FFT分析，可见5次谐波含量竟然高达14.81%，而且还含有直流分量、偶次谐波等。

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光伏并网老国标的要求根本就无法达到，也不知道有没有新国标？







其他并网逆变器的标准可到这个帖子下载。
https://bbs.simol.cn/thread-2269-1-1.html

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虽然并网逆变器的5次谐波电流远超各类标准的限值，但是实际上对于电网电压的波形却几乎无可观测的影响！

也就是用示波器实时监视电网电压波形，在断开逆变器时、逆变器全负荷工作时，电网电压波形肉眼观察不到有任何变化，而且进行基于FFT的数据处理和分析也无法得到统计意义上的“显著性”差别。

有些用电设备（尤其是其中的脆弱电子系统）对于电网的谐波污染极其敏感，只要示波器观察到电网电压波形有些许毛刺，就无法正常工作————立即罢工。在这种场合专门验证了安川D1000的工作情况，结果就是虽然回馈电流波形谐波含量很高，但是由于对电网电压波形无影响，最敏感的电子系统都可以正常工作。

GB/T 14549-1993是我国电网谐波、电能质量的要求，其核心内容浓缩为2张表格。

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下面是当网侧电压为平顶波时（不通过隔离变压器，逆变器直连电网），实测的网侧电抗器电流及其FFT结果。





可见，电流波形与经过隔离变压器逆变时非常相似，也就是说电网电压中5次谐波的相位对逆变器电流波形无重大影响。

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楼上直连电网回馈逆变时，电流波形里面的直流分量、偶次谐波分量都明显减少了，但5次谐波含量增加到了18.51%


对逆变侧的电抗器电流进行FFT，明显含有一段以载波频率6000Hz（12000Hz、18000Hz、24000Hz......）为中心频率的双边带调制频谱，这段频谱实际上也就是滤波电容器的电流频谱。

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特地翻找了一下过往的好些现场记录，尤其是示波器波形打印存档结果，确实是电网电压波形越是正弦，回馈电流的波形也就越是正弦！

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zengxiaodong 发表于 2025-10-4 09:17
特地翻找了一下过往的好些现场记录，尤其是示波器波形打印存档结果，确实是电网电压波形越是正弦，回馈电流 ...

在27楼提到的电网干扰问题，就是用示波器监视电网电压波形。

楼上电网电压波形就是实测记录结果，在用隔离开关完全切断并网逆变器时，以及并网逆变器全功率工作时，从示波器上看不出电网电压波形有任何变化，此时敏感电子设备能够正常工作；

但凡电网电压波形出现一点点毛刺，敏感电子设备都是立马就会罢工！



下面记录打印的波形是隔离变压器电网侧的电流、电压（三相四线制）



零线电流数值不小，且基本上是3次谐波电流。

零线断开时，变压器网侧电流波形与上楼相同。

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楼上波形用电能质量分析仪分析了并网逆变电流的谐波，3次谐波含量很丰富。

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找了几篇关于变压器5次谐波的论文

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电力变压器新技术、新工艺、新材料的使用与推广，具体指的是什么呢？

我的理解是大幅度减轻变压器的体积和重量，进一步减小设计裕量、推进到靠近物理边界，就像异步电机由Y系列进展到Y2系列一样一样的......

学过《电机学》的人都知道，旋转电机可以通过绕组的短距、分布、斜槽等一系列技术措施来削弱高次谐波，而变压器领域却从未有类似的削弱高次谐波措施——除了3相电路、磁路系统之外！那么，旋转电机和变压器在这方面有什么区别和联系呢？

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看看3相完全对称的变压器，这实际上就是轴向磁通的旋转电机！


如果在红线处切分成上下两半，那么真的就可以构成旋转电机了，假设不是采用同心式线圈，而是上下部分分别安放原边、副边线圈，那就构成了轴向磁通绕线式三相异步电机！

绕线式异步电机可以充当感应调压器，当然也可以充当变压器使用：只需要把铁芯柱对齐，同时完全固定住转子即可。

气隙的存在会增加空载电流，所以气隙可以省去，总而言之，这种变压器本来就可以认为是一台气隙长度为零的轴向磁通感应电机！

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轴向磁通旋转电机本质上是空间3维电磁问题，但也可以简化成二维的直线电机问题，下图就是Motor-CAD建模结果（由于该软件目前仅有永磁电机类型，但这不影响分析结论）

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Motor-CAD用于计算轴向磁通永磁电机的简化直线电机模型，必然是左右边界使用“周期性边界条件”

而且，切开位置可以任意选取：既可以在齿中线切开，也可以在槽中线切开。

所以楼上的模型可以变成下面的模型。

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如果左右边界放松“周期性边界条件”，改为适当厚度的空气层，且最外层空气施加“无穷远边界条件”，那么，左右两侧伸出的的轭部铁芯可以改为空气，模型简化成如下：

这就是三相心式变压器的计算模型。

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可以证明，“周期性边界条件”和“无穷远边界条件”这两者的计算结果可以差距很小很小很小（需满足的条件后续帖子讨论）

前者3相完全对称，相当于无穷长直线电机；而后者3相略有不对称，属于有限长直线电机，但广泛应用于实际的三相变压器中。

如果中间的永磁动子自由无阻力运动，就构成了永磁变压器，这种变压器甚至可以容性运行，也可以功率因数为1运行，这是从永磁电机理论自然而然可以得到的结论！

想象一下，把中间的永磁动子去除，上下定子铁芯无限靠近，那就是绕线式直线感应电机了————也就是三相心式变压器。

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真正实用的永磁变压器，当然不会采用直线运动的永磁动子，而应该采用转动的永磁转子。

而且可以取消轭部，使得铁芯的损耗减小到最低，具体结构如下图：


根据永磁电机理论，可以推知其优点如下：

1、励磁电流极小，可以感性、阻性、容性运行；

2、空载损耗极低；

3、电压波形可以设计，实现完美正弦波；

4、大范围有载平滑调压；

5、耐受三相不对称运行

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