GB17625.1谐波超标分析：仿真实测与整改设计全指南

原标题：2026原创技术文章第2期：谐波的仿真实测与问题分析方法

谐波电流的在电力传输线上的无功损耗以及对高次谐波对电网变压器、并网发电机的运行负面影响使得谐波控制对于电网传输效率和稳定性非常重要。居民环境的用电设备（主要是单相家用电器和照明设备）天然存在相间不均衡和谐波问题，影响配电网络的效率和稳定，因此市场监督管理局发布强制性国标GB17625.1进行针对相电流小于等于16A的设备谐波发射进行监管，工业环境和其他环境的用电设备谐波监管在此不做讨论。

针对电子产品研发中遇到的关于EMC谐波发射问题分析方法，本文从谐波标准、谐波与波形的仿真分析、波形的谐波实测对比分析，谐波问题的分析方法以及谐波抑制设计等方面对谐波问题处理进行探讨。

1 标准中的谐波的限值和条件

GB17625.1：2022谐波标准将用电设备分为ABCD四类，针对类别进行限值要求。其中A类是覆盖最广限值要求最严格，B类在A类基础上放宽到1.5倍，C类仅针对照明设备，D类设备的奇次谐波要求与A类的相同，偶次谐波不做要求同时限定功率600W以下。

图一标准的谐波限值要求相同电流限值的条件下对于小功率设备实际要求是降低的，因此D类限值比A类限值宽松。研发设计中A类限值来进行设计约束是合理的。标准也对一些特殊设备工况谐波发射给出一定的放宽条件。

图二标准中的限值应用条件监管标准由于需要覆盖所有的产品因此，但对于特殊的应用场景也不能一刀切地强制进行要求，因此总是会给出类似的放宽限值约束的条件。比如对于短时间谐波超标的放宽：当长时间的平均谐波电流值要满足限值要求，短时1.5S内的谐波电流均方根可以放宽到1.5倍限值，甚至2倍限值（超过1.5倍小于2倍的时间小于10%，长时间平均值的时间大于90%）。利用这个放宽条件可以对某些谐波超标的运行序列与谐波良好的序列进行组合，保证总谐波满足要求即可。

2 谐波的分析

当谐波的测试结果超出限值不能通过测试时，我们需要对谐波超标的原因进行分析。谐波测试结果是分析的基本数据，但由于测试软件并不提供实时的电流波形数据很难对问题原因进行快速分析。且由于谐波测试结果属于频域数据，对于采用时域进行分析和设计的工程场景很难直接建立联系，因此我们需要对谐波与波形的相关性进行分析研究。时域波形与各次谐波的关系，各次谐波对波形的影响，不同波形的不同谐波频谱是相关性研究的关键方向。我们可以利用谐波分析软件来利用谐波分量对波形进行模拟合成，通过仿真结果来对相关性进行研究，也就能寻找有效的谐波超标的问题分析方法。

2.1 谐波的软件仿真分析

利用谐波模拟仿真软件可以进行谐波问题的仿真和研究。该仿真软件具备了1-20次谐波合成波形的功能，能够对各次谐波的幅度和相位进行调整，可以分析单次谐波对波形的影响（相位、幅值、频谱），奇次和偶次的不同表现以及不同奇偶次组合对时域波形的影响。我们也可以通过仿真模拟得到谐波标准要求的限值pass/fail的时域波形，并对关键的一些谐波次数进行研究。

图三谐波仿真软件界面以下是利用仿真软件进行的一些谐波分析

同幅度2次谐波叠加， 相位错开0度	相位错开90度
分析：偶次谐波由于与基波会有叠加，无论在同相还是错相的情况下都会对波形的幅度产生影响，对波形的包络的上下半周期对称性也有影响

同幅度3次谐波叠加，相位错开0度	相位错开90度
分析：3次谐波与基波同相位时不存在最大相位角叠，错相90度的情况下都会对波形的幅度产生影响，但总体对波形的上下对称性没有影响

按50%逐次衰减的偶次谐波	按50%逐次衰减的奇次谐波
分析：偶次谐波组合由于与互相会有叠加对波形的幅度影响较大，对波形的包络的上下半周期对称性影响也越大； 奇次谐波组合不存在最大相位角叠，波形的幅度影响较小，波形的包络的对称性没有影响，且叠加的奇次谐波越多波形越接近方波

谐波仿真软件能够实现谐波的仿真和比对，也能够对谐波组合进行仿真。将Class A谐波电流的限值作为各次谐波的参数输入到软件中进行仿真（20次以上谐波限值很低，在此仅输入1-20次）

以3A为基波的classA谐波限值产生的波形	以16A为基波的classA谐波限值的波形
分析：ClassA谐波限值在3A基波的情况下总谐波含量100%，但即使电流波形畸变严重，依然满足标准要求，主要是总功率小，即使有谐波电流对电网的影响也不大 在16A基波的情况下谐波含量18%，即使波形比较平滑畸变较小，但波形再稍差一点就会超出限值要求了。

16A为基波的classA谐波限值，11次谐波超标10倍的波形	16A为基波的classA谐波限值，12次谐波超标10倍的波形
分析：对于16A基波的谐波，10次以上的谐波对波形的影响在于包络上叠加的高次振荡，对波形的大致包络影响不大

16A为基波的classA谐波限值，3次谐波为基波50%的波形	16A为基波的classA谐波限值，2次谐波为基波50%的波形
对于16A基波的谐波，低次谐波对波形包络的影响要大于高次谐波

通过以上仿真分析可以大致建立波形和谐波含量之间的一些定性关系：

奇次谐波不影响对称性，偶次谐波影响上下波形的对称性；偶次谐波会增大波形的幅值，相位对幅值影响小；奇次谐波错相之后会影响波形幅值；低次谐波决定了包络的大致形状，高次谐波在包络上进行高频叠加。

谐波仿真软件可以对谐波测试结果进行时域波形重建，通过参数比对来帮助进行波形分析。

2.2 谐波的实测分析

利用波形发生器、频谱仪和示波器可以对仿真结果进行实测验证。波形发生器的谐波输出能力也可以帮助直观进行谐波组合的波形分析。

图三谐波实测分析的设备和布置波形发生器双通道同步输出信号送入到示波器和频谱分析仪进行同一信号的时域频域分析。由于频谱仪工作频率从9kHz开始，这里利用10kHz作为基频进行分析，同时频谱仪需要限定输入信号的幅值在1V以下，不超过5Vpp。实测数据仿真结果的相互验证。

实测与仿真数据结果一致，因此在谐波分量已知的情况下可以利用仿真软件便捷地复现和分析谐波波形，当然也可以利用波形发生器的谐波生成功能复现波形。常见波形与对应的频谱。利用波形发生器的波形生成功能来对不同波形的谐波进行分析，通过对比观测不同波形的谐波表现来发现波形和谐波分量的对应关系：（注意谐波频谱波形中幅值为对数显示，3dB代表一倍幅值，10dB在线性坐标上变化3倍，20dB变化10倍）

通过以上波形与谐波的相关性分析，我们可以得到以下用于快速分析的有效的结论：

所有非正弦的波形都会产生谐波分量所有上升下降沿都会产生奇次谐波分量，边沿越陡峭相应幅值越高谐波频谱约宽；时域波形不对称很大程度上是由偶次谐波引起的，低次的偶次谐波越大则不对称性越大振荡波形的振荡次数会产生一个相应峰值谐波点；振荡类的波形谐波次数在30次以下，快速上升下降沿产生的谐波会在100次以内都有分布。

这些规律可以帮助我们从时域电压和电流波形上大致推断谐波特征。

3 谐波超标问题的分析方法

从上一章节的分析可以看出，谐波问题就是时域电流波形的畸变产生不同次数谐波分量变化，与时域波形的形状密切相关，而波形的变化来自于内部电路的整流镇流、PWM开通关断、负载切投等硬件拓扑的影响，也有来自换相过零，过压过流保护主动控制有关的影响，因此谐波问题的分析就是定位产生超标谐波的硬件或软件参数。

3.1 利用示波器进行谐波问题分析

示波器是基本的硬件电路测量工具，可以对实际电流的时域波形进行跟踪检测，也可以对瞬态的脉冲促发波形进行抓取，是进行谐波问题分析的基本工具。EMC谐波测试功能一般通过谐波闪烁测量仪进行集成，两个测试所需要加在电源端的阻抗参数是相同的，测试原理都是测试加载在特定阻抗上的电流和电压来进行谐波和闪烁的分析。

图四单相设备谐波测量电路利用示波器和电流探头在谐波闪烁测试仪的端口电路上进行直接测量测试得到的电流值与测试系统内部的采样结果是一致的，在普通测试实验场地利用隔离变压器对网侧谐波进行隔离也可以获得较稳定的网电源谐波结果。因此可以利用电流探头和电压探头对谐波电流与输入电压进行同时测试，观测相应的波形推断谐波问题原因。借助上一章的分析结果和比对结果，我们能够通过观测电流时域波形推断出产生特定谐波的波形特征，从而利用电流电压的比对分析得到电路拓扑或者控制策略方面的问题。

图五电流电压的同步分析如图可以进行示波器电流电压的同步分析，可以得到相位角，电流开通关断时间，电流形状包络，如果发生某些谐波超标的问题，可以通过调整软件或硬件来对导通相位角、电流斜率、最大值优化来达到某些特定谐波的抑制。

某些示波器的FFT运算功能也能够用于谐波分析，可以在测试中比对确认超标谐波次数，实测谐波电流大小并且对软硬件的更改进行快速结果验证，也是谐波分析中重要的分析工具。使用示波器进行分析和调试依赖对波形与谐波关系的理解和和实际经验累积，而利用仿真软件工具能够为问题分析提供更直接的帮助。

3.2 谐波仿真软件在谐波问题中的应用

谐波仿真软件可以方便地对谐波波形和分量进行分析，在谐波问题分析中可以起到很好的辅助作用，在一些特别复杂谐波问题分析中能起到关键作用。首先可以复现时域波形。将EMC测试得到的超标谐波数据导入到仿真分析软件中，可以复现对应超标的时域波形，尤其是在研发场地上进行问题分析时面对非标准测试环境的数据需要利用这个方法来确认超标问题并且为诊断分析建立基线。可以利用时域波形帮助示波器定位超标序列。

用电设备经常会有多个工作状态和状态参数组合，在多个工作状态中可能仅有某一些特殊工况下谐波出现问题，出现问题的工况可能仅有某一小段时间节点出现谐波问题，因此在大量示波器的电流数据中寻找问题波形会面临无从下手的难题，完全依赖波形分析将问题定位出来难度很大。利用仿真软件输出的这种时域波形特征才能够从复杂的电流时间序列波形中将问题源头的波形定位出来从而利用示波器的时间存储功能将对应工况定位出来，从而达到真正找到问题源头的作用。明确超标分量的波形特征点。

不同谐波次数分量的超标和不同超标幅度对时域波形上的影响是不同的，在定位了问题序列和问题波形的情况下，我们也需要通过仿真分析的方式利用模拟的功能将对应问题分量的影响点从其他谐波分量中分离出来。再通过增大减小超标谐波分量来观测对时域波形的影响从而确定该谐波分量对波形的影响点，如对最大值、特定斜率、特定角度或特定包络的影响等，通过得到这个信息帮助我们确定谐波对应的波形问题点，从复杂的波形中找到关键的目标点，确定时域波形整改方向。

通过谐波仿真软件进行分析之后再利用示波器的电压电流分析功能结合超标谐波的电压电流特征点性进行硬件和软件分析就能更快速准确的找到问题方向。

3.3 谐波问题整改与设计

当用电设备功率因数为1，电流同相跟随正弦电压，表现为纯阻性负载的工况下谐波为0，而工作状态不连续、负载非线性（如压缩机，风机，LED灯等），电流与电压错相、电流波形畸变这些工况下会有很大的谐波发射，因此将一个非线性的用电负载模拟为功率因数接近1的纯阻性负载就是进行谐波设计的关键。大功率用电设备一般采用PFC（功率因数校正）电路对谐波进行主动抑制，PFC电路是利用更高频率的PWM（脉宽调制）的方式进行电流调制使得电流以正弦波形跟随电压。

PFC对于谐波的抑制效果是非常明显的，一般只要PFC电路正常工作，谐波就不会有超标问题，当出现特定高次谐波问题时也可以通过软件件优化PFC控制的方式解决。除主动PFC控制之外我们还需要讨论一些在小功率设备上常见的被动的谐波抑制方法，主要是母线电容和电抗器对于谐波的抑制。以下用简单实测来对谐波抑制进行说明。

电抗器和电容对谐波的抑制演示利用夹具在谐波波形信号上增加电容和电感，观测插入器件前后的波形和谐波频谱变化能够了解器件对于谐波的作用。以下为比对测试数据。

母线电容能够对电路内部的高频谐波进行抑制（如母线后级的逆变开关电路10kHz的谐波），大幅减少输入端的高频谐波成分，而差模电抗器能够对50Hz的谐波电流有抑制作用，同时对电抗器前后的电容进行阻抗失配，能够极大提升电抗器前后电容的谐波抑制效果。对于不同的问题源头的谐波问题解决方案是不同的，相应的硬件设计是谐波抑制的基础（如PFC电路、电抗器抑制、谐波补偿电路、大容量母线电容等），而软件控制的优化对于一些谐波发射问题也有很好的作用（相位跟踪优化、调制方式优化、开通角度优化、占空比和开关死区优化、控制逻辑序列优化等），需要结合实际谐波问题的原因来选择整改和优化的方案。

4 总结

为保证电网效率和电能质量，大功率用电设备需满足谐波发射限值要求并进行强制认证，因此谐波的设计和问题诊断分析也是产品研发中非常重要的一环。通过研究时域波形与频谱对应关系分析能够帮助研发工程师对两者相关性有一些直观的理解。谐波与时域波形的仿真能够在谐波问题的分析中提供直接的帮助，通过结合谐波实测、分析和仿真能力，能够对谐波问题的解决和研发设计优化有很好的帮助。