智能電網(wǎng)的發(fā)展給電能質(zhì)量研究與產(chǎn)業(yè)帶來的機(jī)遇和挑戰(zhàn)課件

6波形畸變與電力諧波6.1概述

理想電力系統(tǒng)要求：單一頻率，單一波形（正弦），若干電壓等級的電能屬性。 現(xiàn)代電力電子裝置的大量出現(xiàn)，非線性負(fù)荷的使用，供電電源與用電設(shè)備間的非線性接口電路等，都不可避免的產(chǎn)生很強(qiáng)的電流諧波及電磁干擾(EMI)，對電力系統(tǒng)的安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成潛在的威脅，給周圍電氣環(huán)境帶來極大的污染。 負(fù)荷（整流、逆變）、系統(tǒng)（HVDC、SVC等）

1993年7月，國家技術(shù)監(jiān)督局正式頒布了(GB/T14549—1993)《電能質(zhì)量—公用電網(wǎng)諧波》

本章主要內(nèi)容： 波形畸變的基本概念、危害、典型諧波源、諧波放大、標(biāo)準(zhǔn)。10/1/202316波形畸變與電力諧波6.1概述8/6/202316波形畸變與電力諧波6.2波形畸變的基本概念

非線性負(fù)荷引起電流波形的畸變，一般畸變波形是周期的，屬于諧波范疇?；冸娏髁鹘?jīng)系統(tǒng)時，在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生壓降，從而產(chǎn)生電壓畸變。10/1/202326波形畸變與電力諧波6.2波形畸變的基本概念8/6/2026波形畸變與電力諧波一、幾個概念：諧波：基波頻率的整數(shù)倍。間諧波和次諧波：有些用電負(fù)荷會出現(xiàn)非工頻頻率整數(shù)倍的周期性電流的波動，又稱為分?jǐn)?shù)諧波，或稱為間諧波。頻率低于工頻的間諧波又稱為次諧波。諧波和暫態(tài)現(xiàn)象：暫態(tài)和諧波是兩個完全不同的現(xiàn)象，它們的分析方法也是不同的。暫態(tài)過程高頻分量與系統(tǒng)的基波頻率無關(guān)。短時間諧波：對于短時間的沖擊電流（變壓器空載合閘），將包含短時間的諧波和間諧波電流，稱為短時間的諧波電流或快速變化諧波電流，應(yīng)與電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)諧波區(qū)別開來。陷波：換流裝置在換相時，會導(dǎo)致電壓波形出現(xiàn)陷波或稱換相缺口，不屬于諧波范疇。10/1/202336波形畸變與電力諧波一、幾個概念：8/6/202336波形畸變與電力諧波二、均方根值和總諧波畸變率均方根值h次諧波電流（電壓）的含有率

電流（電壓）總畸變率

總畸變率描述電流時的局限性

10/1/202346波形畸變與電力諧波二、均方根值和總諧波畸變率8/6/2026波形畸變與電力諧波三、非正弦電路的功率和功率因數(shù)1、正弦電壓、電流

無功功率物理意義為能量互換的最大規(guī)模，并不消耗電能2、非正弦電壓、電流 僅同頻率的電壓和電流才能構(gòu)成有功功率，不同頻率的電壓和電流不構(gòu)成有功功率 定義無功 Qf沒有正弦波情況下能量交換的最大量度等明確的物理意義，某諧波可能出現(xiàn)感性無功功率，而另一次諧波可能出現(xiàn)容性無功功率，不同頻率的無功相加本身無意義。10/1/202356波形畸變與電力諧波三、非正弦電路的功率和功率因數(shù)8/6/26波形畸變與電力諧波定義視在功率：定義畸變功率一般實際情況：電壓畸變小，可考慮成正弦信號，有功率因數(shù)可見：功率因數(shù)受兩方面影響：①相移功率因數(shù)，即基頻電壓、電流的相位差：②電流的基波分量所占比例，即電流畸變程度：10/1/202366波形畸變與電力諧波定義視在功率：8/6/202366波形畸變與電力諧波四、三相電路中的諧波當(dāng)h=3k+1（k=０,１,２,…）時，三相電壓諧波的相序都與基波的相序相同，即1、4、7、10等次諧波都為正序性諧波。當(dāng)h=3k+2時，三相電壓諧波的相序都與基波的相序相反，即２、５、８、11等次諧波都為負(fù)序性諧波。當(dāng)h=3k+3時，三相電壓諧波的相序都有相同的相位，即３、６、９、1２等次諧波都為零序性諧波。10/1/202376波形畸變與電力諧波四、三相電路中的諧波8/6/202376波形畸變與電力諧波6.3供用電系統(tǒng)典型諧波源

非線性特性的用電設(shè)備是系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的主要原因 諧波電流含量基本決定于它本身的特性和工作狀況以及施加給它的電壓，而與電力系統(tǒng)的參數(shù)關(guān)系不大，因此常被看作諧波恒流源。一、磁飽和裝置 鐵芯的非線性化磁化特性引起諧波。 各種鐵芯設(shè)備,如變壓器、電抗器、電機(jī)等。10/1/202386波形畸變與電力諧波6.3供用電系統(tǒng)典型諧波源8/6/2026波形畸變與電力諧波二、整流裝置

AC/DC整流器、DC/AC逆變器以及變頻設(shè)備等。

1.單相全控橋式整流器1）直流側(cè)電感足夠大，電流波形是連續(xù)的交變方波，正負(fù)半周的波形完全相同，幅值相等。諧波含有率1/h。10/1/202396波形畸變與電力諧波二、整流裝置1.單相全控橋式整流器8/66波形畸變與電力諧波

2）直流側(cè)電感量不夠大，則電流將出現(xiàn)斷續(xù)。3）當(dāng)負(fù)載為蓄電池、直流電動機(jī)等帶有反電動勢負(fù)荷時。

10/1/2023106波形畸變與電力諧波 8/6/2023106波形畸變與電力諧波2.三相全控橋式整流器（1）控制角為零時電流為波寬120o的缺口矩形波，缺口寬度為60o。諧波含有率1/h。電壓、基波電流同相，整流器無功=010/1/2023116波形畸變與電力諧波2.三相全控橋式整流器8/6/202316波形畸變與電力諧波（2）控制角不為零時電流為波寬120o的缺口矩形波，缺口寬度為60o。諧波含有率1/h。基波電流相位落后電壓，功率因數(shù)<1，吸取無功（3）考慮到實際情況，存在換相重疊角，電流變化平滑，諧波含量較理論值有所降低例6-110/1/2023126波形畸變與電力諧波（2）控制角不為零時8/6/2023126波形畸變與電力諧波3.雙三相橋式整流

12脈動整流器，只含12k±1次諧波。特征諧波：三、電弧爐10/1/2023136波形畸變與電力諧波3.雙三相橋式整流8/6/202316波形畸變與電力諧波四、電力機(jī)車由于電力機(jī)車的負(fù)荷是單相整流性質(zhì)，故對電網(wǎng)影響主要是“負(fù)序”和“高次諧波”。其諧波特點(diǎn)：隨機(jī)波動性、高壓滲透性、穩(wěn)態(tài)奇次性。10/1/2023146波形畸變與電力諧波四、電力機(jī)車8/6/2023146波形畸變與電力諧波五、家用電器1、橋式整流電容平波電路 電視機(jī)的諧波特點(diǎn)是諧波的峰值與基波峰值重合，同相電壓供電的多臺電視機(jī)產(chǎn)生的諧波相位相同，而且同時間的使用頻率高，造成供電系統(tǒng)諧波增大。10/1/2023156波形畸變與電力諧波五、家用電器8/6/2023156波形畸變與電力諧波2、電力調(diào)節(jié)電路移相控制單相交流調(diào)壓電路(電阻性負(fù)載)10/1/2023166波形畸變與電力諧波2、電力調(diào)節(jié)電路8/6/2023166波形畸變與電力諧波6.4諧波的影響和危害在電力危害方面：⑴旋轉(zhuǎn)電機(jī)等的（換流變壓器過載）附加諧波損耗與發(fā)熱，縮短使用壽命；⑵諧波諧振過電壓，造成電氣元件及設(shè)備的故障與損壞；⑶電能計量錯誤。在信號干擾方面：⑴對通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，使電信質(zhì)量下降；⑵重要的和敏感的自動控制、保護(hù)裝置不正確動作；⑶危害到功率處理器自身的正常運(yùn)行。10/1/2023176波形畸變與電力諧波6.4諧波的影響和危害8/6/20236波形畸變與電力諧波一、諧波對變壓器的影響均方根值電流。如果變壓器容量正好與負(fù)荷容量相同，那么諧波電流將使得均方根值電流大于額定值。總均方根值電流的增加會引起導(dǎo)體損耗增加。渦流損耗。渦流是由磁鏈引起的變壓器的感應(yīng)電流。感應(yīng)電流流經(jīng)繞組、鐵芯以及變壓器磁場環(huán)繞的其他導(dǎo)體時，會產(chǎn)生附加發(fā)熱。損耗以引起渦流的諧波電流的頻率的平方增加。鐵芯損耗。鐵損的增加取決于諧波對外加電壓的影響以及變壓器鐵芯的設(shè)計。電壓畸變的增加將使得鐵芯疊片中渦流電流增加，總的影響取決于鐵芯疊片的厚度以及鋼芯的質(zhì)量。隨著諧波頻率的增高，集膚效應(yīng)更加嚴(yán)重。另外可能引起噪音的增大。 電流畸變超過5%，變壓器的出力應(yīng)降低。K—因子10/1/2023186波形畸變與電力諧波一、諧波對變壓器的影響8/6/202316波形畸變與電力諧波二、諧波對電機(jī)的影響電機(jī)受諧波電壓畸變的影響較大。電機(jī)末端的諧波電壓畸變，在電機(jī)里表現(xiàn)為諧波磁鏈。諧波磁鏈以與轉(zhuǎn)子同步頻率不同的頻率旋轉(zhuǎn)，在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)出高頻電流。諧波電壓畸變將引起電機(jī)的效率下降、發(fā)熱、振動和高頻噪聲。三、諧波對通訊的干擾通過感應(yīng)方式與通訊線路耦合干擾通訊國際電報電話咨詢委員會（CCITT）：電話諧波波形系數(shù)10/1/2023196波形畸變與電力諧波二、諧波對電機(jī)的影響8/6/2023196波形畸變與電力諧波四、諧波對電能計量的影響概念：基波功率做功，諧波功率不做功，應(yīng)不計量。電表計量時為基波和各次諧波功率之和對機(jī)械感應(yīng)式電度表： K1M≈1,在THD=20時：K3M≈0.6，K5M≈0.4，K7M≈0.28對電子式電度表： K1M=KhM=1可見：機(jī)械感應(yīng)式電度表更能反映實際情況。10/1/2023206波形畸變與電力諧波四、諧波對電能計量的影響8/6/20236波形畸變與電力諧波圖：基波及諧波有功潮流對線性用戶對非線性用戶由于表現(xiàn)為諧波的影響使少計的電量遠(yuǎn)大于多計的電量，兩者的差額表現(xiàn)為供電線損率有所增大。結(jié)論：在計量上有利于非線性用戶，不利于線性用戶和電力部門。10/1/2023216波形畸變與電力諧波圖：基波及諧波有功潮流8/6/202326波形畸變與電力諧波6.5諧波諧振與放大

諧波感性電抗：；容性電抗從諧波源處看，在諧波頻率下，并聯(lián)電容器與系統(tǒng)等值電感為并聯(lián)關(guān)系，若諧振頻率落在某次諧波上，可引起諧振過電壓。若：Ish>Ih，系統(tǒng)諧波電流放大Ich>Ih，電容器諧波電流放大Ish，Ich>Ih，諧波嚴(yán)重放大10/1/2023226波形畸變與電力諧波6.5諧波諧振與放大若：8/6/2023為防止出現(xiàn)諧波諧振的可能，常在電容器上配置一定的電抗器，設(shè)分別是以為基值的系統(tǒng)電抗率和電抗器電抗率

6波形畸變與電力諧波

10/1/202323為防止出現(xiàn)諧波諧振的可能，常在電容器上配置一定的電抗器，設(shè)66波形畸變與電力諧波諧振狀態(tài)，并聯(lián)諧振電容器全諧振，串聯(lián)諧振第一臨界狀態(tài)，電容支路呈容性第二臨界狀態(tài)，電容支路呈感性10/1/2023246波形畸變與電力諧波諧振狀態(tài)，并聯(lián)諧振8/6/2023246波形畸變與電力諧波三次諧波問題 并聯(lián)電容器后，對三次諧波有放大作用，應(yīng)引起注意電阻性負(fù)荷的作用 起阻尼作用，一般線路的電阻可有效抑制諧振的發(fā)生10/1/2023256波形畸變與電力諧波8/6/2023256波形畸變與電力諧波6.7電容器與串聯(lián)電抗器的電壓和電流一、無功功率補(bǔ)償引起的母線電壓升高Xd、Sd為母線短路阻抗、短路容量。二、電容器與串聯(lián)電抗器的電壓和電流 設(shè)電容器與串聯(lián)電抗器的基波電抗分別為Xc和Xk，母線、電容器和電抗器的基波電壓分別為U1、Uc1和Uk1，電容器的基波電流為I1，有：10/1/2023266波形畸變與電力諧波6.7電容器與串聯(lián)電抗器的電壓和電流8/6波形畸變與電力諧波6.7諧波電壓限值與電流允許值1.不同諧波源的諧波疊加計算采用概