電力電子諧波教材課件

諧波及諧波治理諧波問題交流一、什么是諧波二、諧波的產(chǎn)生三、諧波的危害四、諧波的抑制和消除一、什么是諧波來源“諧波”一詞起源于聲學(xué)。18世紀(jì)人們就已經(jīng)用數(shù)學(xué)對(duì)諧波進(jìn)行分析。傅立葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代就引起了人們的注意。當(dāng)時(shí)在德國(guó)，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。

定義

根據(jù)國(guó)標(biāo)《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)GB/T14549-93》的定義：“諧波（分量）為對(duì)周期性交流分量進(jìn)行傅立葉分解，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量?！币簿褪钦f諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波頻率的整倍數(shù)。一個(gè)正弦波在5次諧波和7次諧波的影響下怎樣發(fā)生畸變。（相對(duì)于基波的24%和9%）。

7thharmonic5thharmonicfundamentalharmonicsdistortedwavefundamental基波和諧波引起的失真波形

非正弦（余弦）波形的分析非正弦波信號(hào)通過傅立葉分析，可分解為多個(gè)不同頻率的正弦波疊加3次諧波疊加29次諧波疊加那么對(duì)于一個(gè)電流波形，我們?cè)趺捶治鏊械闹C波呢？一般的，我們一個(gè)周期函數(shù)可表示如下：發(fā)電廠出來的電可表示為：利用傅立葉變換對(duì)函數(shù)進(jìn)行分解系數(shù)可通過以下方式求得諧波種類偶次諧波:2nd,4th,6th,8th…奇次諧波:3rd,5th,7th,11th…正序諧波:(3n+1)4th,7th,10th…負(fù)序諧波:(3n-1)2nd,5th,8th…零序諧波:(3n)3rd,6th,9th…電壓諧波總畸變率(失真率):V(THD)例如有一方波函數(shù)f(t)=20≤t≤T/2f(t)=-2T/2≤t≤T

根據(jù)傅立葉展開公式，可以展開為

合成圖9次合成圖形5次合成圖形一般的，我們研究的電壓、電流的瞬時(shí)值可以展開為：

在工程實(shí)際中常采用有效值來衡量電流和電壓的大小。以周期電流i(t)為例，其有效值I定義為

含有諧波分量的電流值含有諧波分量的電流值定義非正弦周期電壓或電流的有效值等于它的恒定分量的平方和各次諧波有效值的平方之和的平方根。

表示諧波的參量為了表示畸變波形偏離正弦波形的程度，最常用的特征量：諧波含量總畸變率h次諧波的含有率所謂諧波含量，就是各次諧波的平方和開方。

諧波電流總畸變率

第h次諧波電流含有率

諧波電流的功率分析因?yàn)椴煌l率正弦波瞬時(shí)值的乘積在一個(gè)周期內(nèi)的平均值等于零，經(jīng)積分后得

這就是說，非正弦周期量的平均功率等于恒定功率分量與各次諧波構(gòu)成的平均功率之和，即僅有同頻率的電壓和電流才構(gòu)成有功功率，而不同頻率的電壓和電流則不構(gòu)成有功功率。

有功功率P無功功率

Q我們知道，在正弦電路里無功功率表示電磁能量交換的最大值?？墒窃诜钦仪闆r下，按上式計(jì)算時(shí)，由于可以在四個(gè)象限之內(nèi)，可能是正，也可能是負(fù)，所以各次可能相互抵消，甚至出現(xiàn)Q為零，但電流中的無功分量卻不為零，也就是它不再有能量交換最大量度等物理意義了。Q只是表明由于各次諧波電壓和電流存在相位差而產(chǎn)生的無功功率之和。視在功率S在非正弦波的情況下，視在功率仍可定義為

顯然而是畸變功率因Q只是同頻電壓和電流存在相位差引起的無功功率的總和，而交換功率中尚包含有不同次頻率電壓和電流引起的部分。于是引入畸變功率D，使得D和Q的區(qū)別Q是由同頻率電壓和電流間的相位差引起的。D是由于波形畸變，不同頻率電壓和電流相互作用引起的。在存在非線性負(fù)荷的情況，即使沒有儲(chǔ)能元件，也可能產(chǎn)生無功功率。由線性的儲(chǔ)能元件引起電壓和電流間的相位差別而產(chǎn)生的無功功率，可以利用線性元件（電容或電感）加以補(bǔ)償，而由非線性負(fù)荷或元件引起的諧波，則不能簡(jiǎn)單地用線性元件加以補(bǔ)償。通常電壓的波形畸變都很小，而電流波形的畸變則可能很大，因此，不考慮電壓畸變，研究電壓波形為正弦波、電流波形為非正弦波時(shí)的情況有較大的實(shí)際意義。而且直流分量一般也很小，在這忽略不計(jì)。

計(jì)算的簡(jiǎn)化這樣Q和D都有了明確的物理意義。Q是基波電流產(chǎn)生的無功功率，D是諧波電流產(chǎn)生的無功功率。含有諧波的功率因數(shù)式中γ＝I1

/I，即基波電流和總電流有效值之比，稱為基波因數(shù)。而cos（α1－β1）稱為位移因數(shù)或基波功率因數(shù)。可以看出，在非正弦電路中，功率因數(shù)是由基波電流相移和電流波形畸變兩個(gè)因數(shù)決定的?？傠娏饕部梢苑譃榛ㄓ泄﹄娏?，基波無功電流和諧波電流三部份組成。諧波電流含量越大，功率因數(shù)就越低。二、諧波的產(chǎn)生整流元器件是最主要的諧波源。如UPS，開關(guān)電源，變頻器等都含有整流器。這些元件輪回地導(dǎo)通和關(guān)斷，造成了交流電源回路的波形強(qiáng)行發(fā)生了變化，使得正弦波產(chǎn)生畸變。電流波形不再是正弦波形。典型諧波產(chǎn)生源電子開關(guān)型:各種交直流換流裝置、變頻裝置鐵磁飽和型:各種鐵芯設(shè)備,如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽和特性呈現(xiàn)非線性電弧型:各種煉鋼電弧爐、交流電弧焊機(jī)三相六脈沖整流在理想情況下的圖形利用傅立葉級(jí)數(shù)進(jìn)行分解基波正弦波各次諧波三、諧波的危害諧波的危害設(shè)備過熱、中性線電流大、斷路器動(dòng)作；功率因數(shù)下降，電費(fèi)增加；供電波形產(chǎn)生畸變，精密設(shè)備工作異常；測(cè)試計(jì)量器具顯示不準(zhǔn)；干擾通信系統(tǒng)1.電壓畸變度變大我們維護(hù)規(guī)程規(guī)定電壓波形正弦畸變不大于5％，但是由于大量的諧波電流存在，使輸入電壓發(fā)生了畸變，經(jīng)測(cè)試，個(gè)別局（站）的電壓畸變度已經(jīng)大于5％，不符合我們交流供電的質(zhì)量指標(biāo)了。

諧波造成波形畸變基波與2次諧波無相差疊加基波與2次諧波有相差疊加基波與3次諧波無相差疊加基波與3次諧波有相差疊加誰會(huì)在意電能質(zhì)量供電局制造業(yè)動(dòng)力部門過程工業(yè)（冶金，石化）數(shù)據(jù)中心，運(yùn)維部門軍隊(duì)工業(yè)&政府事業(yè)集成商電能治理公司2.諧波電流的大量存在，將降低設(shè)備的輸入功率因數(shù)。

在不考慮相位差的情況下，諧波對(duì)功率因數(shù)的影響如下：

諧波含量10%20%30%40%50%60%70%80%功率因數(shù)0．990．980．960．930．890．860．820．78一般的，設(shè)備的輸入功率因數(shù)如下式：功率因數(shù)的影響無功損耗增大，降低了設(shè)備的利用率。降低了企業(yè)總的輸入功率因數(shù)，可能要多繳電費(fèi)：一般在供電合同中都明確有規(guī)定，用戶功率因數(shù)在高峰負(fù)荷期間應(yīng)達(dá)到cosφn（對(duì)于我們電信企業(yè)，一般取0.9），高于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)者可以少繳電費(fèi)（獎(jiǎng)），低于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)則要多繳電費(fèi)（罰）。

3.諧振問題為了補(bǔ)償設(shè)備的無功功率，提高功率因數(shù)在低壓配電處一般并聯(lián)裝有電容補(bǔ)償濾波器。在工頻情況下，這些電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大得多，不產(chǎn)生諧振。但是如果諧波含量高，這些諧波使電容的容抗變小而使系統(tǒng)的感抗變大，這樣就容易產(chǎn)生諧振，使諧波電流經(jīng)過電容器時(shí)進(jìn)一步放大，使電容過熱、壽命縮短，嚴(yán)重時(shí)甚至引起爆炸。

4.諧波對(duì)油機(jī)的影響（一）柴油發(fā)電機(jī)組的內(nèi)阻相對(duì)市電來說大了很多，非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流引起的電壓畸變就大很多，造成油機(jī)輸出電壓失真嚴(yán)重。這就會(huì)造成：控制部分可能對(duì)失真嚴(yán)重的輸出波形發(fā)生誤判斷，認(rèn)為是過壓、超頻等原因，從而造成油機(jī)停機(jī)；

輸出電壓不穩(wěn)，輸出高壓造成所帶負(fù)載燒毀。4.諧波對(duì)油機(jī)的影響（二）下表為不同非線性負(fù)載對(duì)柴油發(fā)電機(jī)組（200KVA）輸出電壓畸變度的影響。

發(fā)電機(jī)組允許的電壓畸變度發(fā)電機(jī)組允許帶負(fù)載的百分比12脈沖整流UPS6脈沖整流UPS單相整流UPS5%78%42%22%10%100%69%36%15%100%96%52%5.諧波對(duì)能耗的影響對(duì)變壓器的影響：對(duì)變壓器而言，諧波電流可導(dǎo)致銅損和雜散損耗增加，諧波電壓則會(huì)增加鐵損。與純基波運(yùn)行的正弦波電流和電壓相比較，諧波對(duì)變壓器的整體影響是溫升較高。

由諧波所引起的額外損耗將與電流和頻率的平方成比例上升，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器的基波負(fù)載容量下降。

5.諧波對(duì)能耗的影響對(duì)電纜的影響

在導(dǎo)體中非正弦波電流所產(chǎn)生的熱量與具有相同均方根值的純正弦波電流相比較，非正弦波會(huì)有較高的熱量。該額外溫升是由眾所周知的集膚效應(yīng)所引起的，而這種現(xiàn)象取決于頻率及導(dǎo)體的尺寸。這種效應(yīng)如同增加導(dǎo)體交流電阻，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p耗增加。

式中Rh－h(huán)次諧波頻率下的線路電阻。Rh隨頻率升高而增加，例如直徑為0.76cm的圓形導(dǎo)體，其基波及5、7、11次諧波的交流電阻分別為直流電阻的1.01，1.21，1.35倍及1.65倍。導(dǎo)線的直徑愈大，因集膚效應(yīng)而使諧波頻率下的電阻增加愈明顯，諧波產(chǎn)生的附加損耗也越大。例：基波電流300A,含有100A諧波電流的導(dǎo)線，其損耗可計(jì)算得：電阻取0.5歐一年耗費(fèi)電費(fèi)值得注意的地方雖然諧波治理可以帶來一定的節(jié)能效果，但諧波治理的主要目的不是為了節(jié)能。6.諧波電流產(chǎn)生的電磁干擾

諧波的存在，會(huì)使控制設(shè)備損壞或出現(xiàn)誤動(dòng)作的幾率大大增加。電力電子設(shè)備對(duì)供電電壓的諧波畸變很敏感，如可編程控制器(PLC)，通常要求總諧波電壓畸變率(VTHD)小于5%，且個(gè)別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動(dòng)作。這也是為什么一些大型UPS控制板容易燒壞，以及一些監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)誤動(dòng)作的重要原因。

四、諧波的抑制和消除采用新型的設(shè)備增加濾波器采用新技術(shù)的設(shè)備可以從源頭上減少諧波電流。比如12脈沖的ups。濾波器分為無源濾波器和有源濾波器無源濾波器無源濾波器由電容器和電抗器串聯(lián)而成，并調(diào)諧在某個(gè)特定諧波頻率。濾波器對(duì)其所調(diào)諧的諧波來說是一個(gè)低阻抗的“陷阱”。理論上，濾波器在其調(diào)諧頻率處阻抗為零，因此可吸收掉要濾出的諧波。無源濾波器的不足（一）只能抑制固定的幾次諧波，并且對(duì)某次諧波在一定條件下會(huì)產(chǎn)生諧振而使諧波放大，引起其他事故；只能補(bǔ)償固定的無功功率，對(duì)變化的無功負(fù)載不能進(jìn)行精確補(bǔ)償；無源濾波器的不足（二）其濾波特性依賴于電源阻抗，受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，并且其濾波特性有時(shí)很難與調(diào)壓要求相協(xié)調(diào)；由于對(duì)其中的元件參數(shù)和可靠性要求較高，且不能隨時(shí)間和外界環(huán)境變化，故對(duì)無源濾波器的制造工藝要求也很高；無源濾波器的不足（三）對(duì)系統(tǒng)負(fù)荷變化較大的情況，不宜采用；重量與體積較大等等。有源濾波器與無源濾波器相比，有源濾波器具有高度可控制特性，并且能跟蹤補(bǔ)償各次諧波、自動(dòng)產(chǎn)生所需變化的無功功率，其特性不受系統(tǒng)影響，無諧波放大危險(xiǎn)，相對(duì)體積重量較小等突出優(yōu)點(diǎn)，因而已成為電力諧波抑制和無功補(bǔ)償?shù)闹匾侄巍Ｓ性礊V波器系統(tǒng)主要由兩大部分組成，即指令電流檢測(cè)電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。補(bǔ)償電流發(fā)生器指令電流運(yùn)算電流跟蹤控制負(fù)載isicic’iLVs指令電流信號(hào)ic’=-（iLh+iLq）有源濾波器的電路控制方式模擬追蹤補(bǔ)償方式模擬追蹤補(bǔ)償方式的濾波器原理是將電源電流采樣后，將基波濾除，而將剩下的諧波量翻轉(zhuǎn)去抵消電源電流中的諧波響應(yīng)速度快（<1ms），并且可以補(bǔ)償2－50次諧波快速傅里葉級(jí)數(shù)方式

將電流采樣后，使用快速傅里葉級(jí)數(shù)計(jì)算的方式將其分解為各次波形，然后可以針對(duì)其中的特定某次諧波進(jìn)行消除。

需要采樣至少一個(gè)完整的波形才能進(jìn)行付里葉級(jí)數(shù)的計(jì)算，故響應(yīng)速度一般在20－40ms

無源與有源濾波器的比較諧波處理能力無源濾波器只能濾除固定次數(shù)的諧波；但完全可以解決系統(tǒng)中的諧波問題，解決企業(yè)用電過程中的實(shí)際問題，且可以達(dá)到國(guó)家電力部門的標(biāo)準(zhǔn)；有源濾波器可動(dòng)態(tài)濾除各次諧波。系統(tǒng)阻抗變化的影響無源濾波器受系統(tǒng)阻抗影響嚴(yán)重，存在諧波放大和共振的危險(xiǎn)；而有源濾波不受影響。頻率變化的影響無源濾波器諧振點(diǎn)偏移，效果降低；有源濾波器不受影響。負(fù)載增加的影響無源濾波器可能因?yàn)槌d而損壞；有源濾波器無損壞之危險(xiǎn)，諧波量大于補(bǔ)償能力時(shí)，僅發(fā)生補(bǔ)償效果不足而已。負(fù)載變化對(duì)諧波補(bǔ)償效果的影響無源濾波器補(bǔ)償效果隨著負(fù)載的變化而變化；有源濾波器不受負(fù)載變化影響。設(shè)備造價(jià)無源濾波器較低；有源濾波器