第六章波形畸變與電力諧波

1、6.1 概述 諧波屬于電能質(zhì)量體系中波形質(zhì)量問題，也是電能質(zhì)量體系中研究最多的問題。86年起，IEEE兩年一次學(xué)術(shù)會議，96年稱電力諧波與電能質(zhì)量學(xué)術(shù)會，。國內(nèi) 84年和93年相繼頒布部標(biāo)和國家標(biāo)準(zhǔn)。85和88 年國外、國內(nèi)出版第一部專著，98年改為供電系統(tǒng)諧波。 諧波是非線性用電設(shè)備產(chǎn)生的，這些用電設(shè)備向電網(wǎng)注入諧波電流，使電網(wǎng) PCC點電壓波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。因此諧波主要是供電系統(tǒng)的問題。 電力電子裝置等非線性設(shè)備對現(xiàn)實需求發(fā)揮了重要作用，但也對系統(tǒng)安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運行帶來了危害，諧波的分析、評估、治理成為解決的課題。 一、波形畸變 在非線性電阻上加理想正弦電壓，但流過的電流是非正弦的，電流

2、波形發(fā)生畸變。因此，非線性設(shè)備是電力系統(tǒng)諧波源。圖6-2表明畸變波形可用正弦波形的和表示。 一、波形畸變 諧波定義：諧波是周期性電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。 諧波性質(zhì)：1）諧波次數(shù)h必須為正整數(shù)； 2）間諧波和次諧波不屬于高次諧波； 3）諧波是穩(wěn)態(tài)、連續(xù)現(xiàn)象；暫態(tài)過程的波形畸變和陷波都不屬于高次諧波范疇； 4）短時間諧波也不屬于穩(wěn)態(tài)諧波范疇。 二、有效值和總諧波畸變率 負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流引起PCC點電壓畸變，電壓畸變程度取決于系統(tǒng)阻抗和諧波電流。 頻域內(nèi)畸變電壓和電流可分解為傅里葉級數(shù) Mhhh)thsin(V) t ( v112i tIhthhhM( )sin()211有效

3、值： MhhTUUttvTU22212d)(1MhhTIIttiTI22212d)(1 畸變波形峰值與有效值間的關(guān)系： 1）畸變波形峰值與有效值不存在 倍的關(guān)系，但各次諧波存在。 2） 畸變波形有效值與各次諧波分量初相角無關(guān)。初相角影響波形。2 畸變波形的畸變指標(biāo)：諧波含有率和總諧波畸變率。 諧波含有率指某次諧波分量的大??；總諧波畸變率指畸變波形偏離正弦波形的程度。表達(dá)式如下 HRIIIhh1100%1001UUHRUhh電流、電壓總諧波畸變率：T H DIIIhhM221100%諧波電流、電壓含有率： 提高供電系統(tǒng)電能質(zhì)量，對諧波進(jìn)行綜合治理，防止諧波造成的危害，就是要把諧波含有率和總諧波畸

4、變率限制到國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。 %100122UUTHDMhhU 1、正弦電路的功率和功率因數(shù) 有功功率： 功率因數(shù)： 無功功率： 說明：非正弦條件下的無功功率沒有明確物理意義，式中各次諧波無功功率互相抵消現(xiàn)象與實際不符。 cosVIP sinVIQ SPcos 2、非正弦電路的功率和功率因數(shù) 有功功率： 說明：同頻率的電壓和電流才構(gòu)成有功功率。 仿照上式定義無功功率：ThhhhcosIVtviTP01d11hhhhfsinIVQ 視在功率： 說明：S、P、Q之間不保持直角三角形關(guān)系，且比較可知 ，差值稱為畸變功率D： 畸變功率：hhhhIVVIS22SPQf222DSPQf222()

5、 假定電壓波形為正弦函數(shù)變化 ，可推出： ， 11cosVIP2221222212hhhhIIVIVIVVIS功率因數(shù)： 12111111cosTHDcosIIVIcosVISPPFi 說明：功率因數(shù)與移相功率因數(shù)和電流畸變率有關(guān)。 三相對稱正弦電路三相電壓互差1200，三相對稱非正弦電壓也符合這種關(guān)系： 分析：1）當(dāng)h=3k+1時，三相諧波電壓相序與基波相序相同，即第1、4、7、10等次諧波都為正序性諧波； 2）當(dāng)h=3k+2時，三相諧波電壓相序與基波相序相反，即第2、5、8、11等次諧波都為負(fù)序性諧波。 3）當(dāng)h=3k+3時，三相諧波電壓相位相同，即第3、6、9、12等次諧波都為零序性諧波

6、。 )thsin(Vvhhah12)hthsin(Vvhhbh12021)hthsin(Vvhhch12021 諧波源指系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的非線性用電設(shè)備。按非線性特性分類包括鐵磁飽和型、電子開關(guān)型和電弧型三類。 一、磁飽和型設(shè)備（變壓器、電抗器等） 1、鐵芯設(shè)備諧波電流特點 2）中性點接地變壓器含有大量3及3倍次諧波電流； 3）有角形繞組變壓器線電流中無三倍次頻諧電流。 1）i0 為尖頂波，含有3、5、7等奇次諧波電流； 2）諧 波大小與電壓有關(guān)，U高、 i0 大，諧波大。 2、變壓器中的諧波電流 1）配電變諧波問題突出； 1、單相全控橋式整流 結(jié)論：理想單相全控橋式整流交流側(cè)電流為連續(xù)周期方波

7、，只含有2K1次諧波電流，不含直流和偶次諧波分量。 若直流側(cè)電感量不夠大，負(fù)載電流波形將出現(xiàn)間斷。單相全控橋整流，電感量不夠大時的負(fù)載電壓、電流波形 結(jié)論：理想三相全控橋式整流交 流側(cè)各相電流為斷續(xù)周期方波，只含 有6K1次諧波電流。 2、三相全控橋式整流 理想6 相橋式整流直流側(cè)的波頭脈動數(shù)P=12。 結(jié)論：理想6 相橋式整流交流側(cè)各相電流為連續(xù)周期梯形波，含有12K1次諧波電流。 下面講述整流裝置的特征諧波和非特征諧波。 3、6相橋式整流 可采用Y/y12和Y/d11接線的整流變壓器組成 6 相橋式整流電路。單相電路如圖所示。 圖a諧波電流同6-29式，圖b諧波電流為6-53式，圖c為兩者

8、結(jié)合構(gòu)成的6 相橋式整流電路。 1）特征諧波整流裝置在理想情況下產(chǎn)生的諧波。 整流裝置交流側(cè)為諧波電流源，特征諧波 h=KP 1； 整流裝置直流側(cè)為諧波電壓源，特征諧波 h=KP。 例如：單相全波，P=2，產(chǎn)生1、3、5、7次諧波； 三相半波，P=3，產(chǎn)生2、4、6、8次諧波； 三相全波，P=6，產(chǎn)生5、7、11、13次諧波。 產(chǎn)生的各次諧波電流Ih小于或等于I1/h。 結(jié)論：裝置整流波形的波頭脈動數(shù)P越多，諧波次數(shù)h越高，諧波電流Ih越小。 2）非特征諧波 指由于控制角不等，電壓、阻抗不對稱等因素產(chǎn)生的次數(shù)不定的諧波。難以進(jìn)行數(shù)值分析。 電力機(jī)車負(fù)荷為波動性很大的大功率單相整流負(fù)荷，具有不對

9、稱、非線性、波動性和功率大的特點，將產(chǎn)生高次諧波和基波負(fù)序電流。 1、牽引網(wǎng)的供電方式 為不對稱供電系統(tǒng) 兩站距離4050Km； 供電距離2025Km； 供電電壓110/27.5KV。 2、電力機(jī)車電路與電流波形 電力機(jī)車電路和注入電網(wǎng)的電流波形如圖所示。由于采用單相全波整流，不采取措施將產(chǎn)生很大的諧波電流。 1）在工作狀態(tài)才產(chǎn)生諧波。治理為車載或投切方式； 2）典型特征諧波為奇次諧波。單相全波整流P=2； 3）電力機(jī)車諧波為典型的諧波電流源； 4）產(chǎn)生的諧波含量大、次數(shù)低（P=2），影響大。 4、諧波分析 1）注入牽引變電站的諧波電流，為多量機(jī)車諧波電流的疊加，運行方式變化大、計算復(fù)雜，通常

10、只能實測分析； 2）注入電網(wǎng)的諧波電流為不平衡諧波，可能包含正序、負(fù)序、零序性質(zhì)的諧波； 3）為三相不平衡負(fù)荷，有基波負(fù)序注入電力系統(tǒng)； 結(jié)論：電力機(jī)車諧波干擾大，基波負(fù)序?qū)ο到y(tǒng)有影響。 1）產(chǎn)生隨機(jī)性、三相不平衡諧波和基波負(fù)序電流； 2）以2、3、4、5、7次諧波為主，含有偶次諧波； 3）引起PCC點電壓變動，存在閃變影響問題。諧波次數(shù)23457諧波含有率熔化期7.75.82.54.23.1精練期2.02.1 五、家用電器產(chǎn)生的諧波特點 電視機(jī)和調(diào)光、調(diào)濕等電力調(diào)節(jié)家用電器產(chǎn)生諧波。 1）主要產(chǎn)生奇次諧波，雖然單個電器產(chǎn)生的諧波數(shù)值小，但合成的諧波影響較大； 2）治理難度大，需要通過實測選擇

11、濾波器安裝位置。 一、對變壓器的影響 1）產(chǎn)生導(dǎo)體附加損耗； 2）變壓器產(chǎn)生渦流損耗，引起變壓器發(fā)熱或過熱； 3）變壓器產(chǎn)生鐵芯損耗，引起鐵芯發(fā)熱或過熱； 4）使變壓器產(chǎn)生振動和噪聲。 二、對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響 影響情況與變壓器類似，簡單描述如下： 1）在繞組上產(chǎn)生附加損耗； 2）在轉(zhuǎn)子上產(chǎn)生諧波渦流，引起附加鐵損和發(fā)熱； 3）引起旋轉(zhuǎn)電機(jī)振動和產(chǎn)生高頻噪聲。 總之，損耗增大、發(fā)熱等影響經(jīng)濟(jì)運行和使用壽命。P122h2h212PR)II(RIP 三、對通訊的影響 在540Hz1200Hz頻率范圍內(nèi)，諧波影響通訊系統(tǒng)的通話質(zhì)量；人聽覺對8001200Hz諧波噪聲較敏感。國際電報電話咨詢委員會用噪聲加

12、權(quán)系數(shù)Pfh計算各次諧波對電信的干擾，各諧波下 Pfh 如表4. 8所示。計算公式如下： 電話諧波波形系數(shù)： 四、諧波對電能計量的影響 1）在感應(yīng)電能表繞組、圓盤上產(chǎn)生諧波渦流和使總電流增大，增大電能表的計量誤差； 2）諧波功率引起較大的電能計量系統(tǒng)誤差，電子式電能表這種誤差大于感應(yīng)式電能表。%VVpfTHFFhhfhh100100080025011 1）對線性用戶電能表WhM：P1M+PhM，多計電能，即受諧波影響還要多付費；不合理。 2）非線性用戶電能表WhR：P1R - PhR，少計電能，即對系統(tǒng)造成干擾還少付費；不合理。 3）對發(fā)電廠電能表WhG：P1G - PhG，少計電能。 研究系

13、統(tǒng)諧波的響應(yīng)特性，分析諧波對運行的影響。 一、系統(tǒng)阻抗與諧波電抗 在諧波分析中，系統(tǒng)基波阻抗為ZS，可通過短路計算求得。對高壓供電系統(tǒng)忽略電阻，假定為純電抗XS，則系統(tǒng)h次諧波電抗用XSh表示。 h 次諧波感抗與基波感抗關(guān)系：XLh=hXL h 次諧波容抗與基波容抗關(guān)系：XCh= XC/h 二、諧振電流放大與諧振現(xiàn)象分析 1、諧振現(xiàn)象分析 在一定條件下，諧波可能引發(fā)電容器與系統(tǒng)感抗的諧振，引起嚴(yán)重諧波電壓、電流畸變，影響電網(wǎng)安全運行。 含諧波源的典型供電如圖所示。對諧波源而言，電容器容抗與系統(tǒng)感抗為并聯(lián)關(guān)系。由 (c ) 圖可知，對某次諧波系統(tǒng)的等值阻抗很大，因此有電容器將引發(fā)電壓放大。 設(shè)：

14、諧波源諧波電流為Ih； 進(jìn)入系統(tǒng)電流為 Ish ；進(jìn)入電容器電流為 Ich。 則：IshIh稱系統(tǒng)支路諧波放大； IchIh稱電容支路諧波放大；IshIh和IchIh稱諧波嚴(yán)重放大。 求：系統(tǒng)、電容支路諧波電流和母線諧波電壓 母線電壓： hCksCkshhhIhXhXhXhXhXhXIXU/)/(C路電流： hCkssCkhchIhXhXhXhXhXhXUI/（1） （2） 系統(tǒng)電流： hCksCkhhshIhXhXhXhXhXhXUI/分析：1）當(dāng) ，且Ih 0時，不論Ih大小，Ich和Ish均為無窮大，此時發(fā)生諧波嚴(yán)重放大。諧波次數(shù)為h0。（3） 0hXXXhKSC 2）當(dāng) 時，有Ich=

15、Ih ，Ish =0，此時XC與XK支路發(fā)生串聯(lián)諧振，電容支路為濾波器。諧波次數(shù)為hK。KKChXXh 3）當(dāng) 時，有Ich= -Ih ，Ish=2Ih，這種情況是諧波嚴(yán)重放大第一臨界狀態(tài)。諧波次數(shù)為h1。12hXXXhKSC 4）當(dāng) 時，有Ich=2Ih ，Ish= -Ih，這種情況是諧波嚴(yán)重放大第二臨界狀態(tài)。諧波次數(shù)為h2。22/hXXXhKSC 5）由式（2）和（3）可得諧波放大曲線如圖所示。 6）由式（3）可知，影響諧波電流進(jìn)入系統(tǒng)的參數(shù)有 h、XS、XC和XK四個量，可供調(diào)節(jié)限制諧波放大的量只有XK。定義K= XK / XC為電抗率。由圖可知，采用K為4.5%和6%電抗器，可防止發(fā)生4次以上的諧波放大。 以上分析沒有考慮系統(tǒng)電阻的作用，系統(tǒng)電阻可有效抑制諧波放大現(xiàn)象。系統(tǒng)電阻對諧振的改善作用如圖所示。 1、不同諧波源的諧波疊加計算 對兩個諧波源的同次諧波，合成諧波按余弦定理計算：hhjhihjhihcosAAAAM222 1、不同諧波源的諧波疊加計算 對兩個諧波源的同次諧波，合成諧波按余弦定理計算： 當(dāng)相位角為隨機(jī)變量時，采用概率統(tǒng)計方法計算： ，估計值Kh取值見表6-11。 hjhihhjhihAAKAAM22 380V電網(wǎng)THDU允許值為5%，主要依據(jù)如下： 1）負(fù)序2%情況下，電動機(jī)發(fā)熱、壽命等要求； 2）根據(jù)電容器過電壓、過電流能力等要求； 3）依