波形畸变与电力谐波实用教案

1、6.1 概述(i sh) 谐波属于电能质量体系中波形质量问题，也是电能质量体系中研究最多的问题。86年起，IEEE两年一次学术(xush)会议，96年称电力谐波与电能质量学术(xush)会，。国内 84年和93年相继颁布部标和国家标准。85和88 年国外、国内出版第一部专著，98年改为供电系统谐波。 谐波是非线性用电设备产生的，这些用电设备向电网注入谐波电流，使电网 PCC点电压波形发生严重畸变。因此谐波主要是供电系统的问题。 电力电子装置等非线性设备对现实需求发挥了重要作用，但也对系统安全、优质、经济运行带来了危害，谐波的分析、评估、治理成为解决的课题。第六章第六章 波形畸变波形畸变(jbi

2、n)(jbin)与电力与电力谐波谐波第1页/共30页第一页，共31页。6.2 6.2 波形(b xn)(b xn)畸变的概念 一、波形(b xn)畸变 在非线性电阻上加理想正弦电压，但流过的电流是非正弦的，电流波形发生畸变(jbin)。因此，非线性设备是电力系统谐波源。图6-2表明畸变(jbin)波形可用正弦波形的和表示。第2页/共30页第二页，共31页。6.2 6.2 波形(b xn)(b xn)畸变的基本概念 一、波形畸变 谐波定义：谐波是周期性电气量的正弦波分量(fn ling)，其频率为基波频率的整数倍。 谐波性质：1）谐波次数h必须为正整数； 2）间谐波和次谐波不属于高次谐波； 3）

3、谐波是稳态、连续现象；暂态过程的波形畸变和陷波都不属于高次谐波范畴； 4）短时间谐波也不属于稳态谐波范畴。 二、有效值和总谐波畸变率 负荷产生的谐波电流引起PCC点电压畸变，电压畸变程度(chngd)取决于系统阻抗和谐波电流。第3页/共30页第三页，共31页。 二、畸变(jbin)波形有效值和总谐波畸变(jbin)率 频域内畸变(jbin)电压和电流可分解为傅里叶级数 Mhhh)thsin(V) t ( v112i tIhthhhM( )sin()211有效值： MhhTUUttvTU22212d)(1MhhTIIttiTI22212d)(1 畸变波形峰值(fn zh)与有效值间的关系： 1）

4、畸变波形峰值与有效值不存在 倍的关系，但各次谐波存在。 2） 畸变波形有效值与各次谐波分量初相角无关。初相角影响波形。2第4页/共30页第四页，共31页。 二、畸变(jbin)波形有效值和总谐波畸变(jbin)率 畸变波形的畸变指标(zhbio)：谐波含有率和总谐波畸变率。 谐波含有率指某次谐波分量(fn ling)的大小；总谐波畸变率指畸变波形偏离正弦波形的程度。表达式如下 HRIIIhh1100%1001UUHRUhh电流、电压总谐波畸变率：T H DIIIhhM221100%谐波电流、电压含有率： 提高供电系统电能质量，对谐波进行综合治理，防止谐波造成的危害，就是要把谐波含有率和总谐波畸

5、变率限制到国家标准规定的允许范围之内。 %100122UUTHDMhhU第5页/共30页第五页，共31页。 三、非正弦电路(dinl)的功率和功率因数 1、正弦电路的功率(gngl)和功率(gngl)因数 有功功率(gngl)： 功率(gngl)因数： 无功功率(gngl)： 说明：非正弦条件下的无功功率没有明确物理意义，式中各次谐波无功功率互相抵消现象与实际不符。 cosVIP sinVIQ SPcos 2、非正弦电路的功率和功率因数 有功功率： 说明：同频率的电压和电流才构成有功功率。 仿照上式定义无功功率：ThhhhcosIVtviTP01d11hhhhfsinIVQ第6页/共30页第六

6、页，共31页。 三、非正弦(zhngxin)电路的功率和功率因数 视在功率： 说明：S、P、Q之间不保持直角三角形关系(gun x)，且比较可知 ，差值称为畸变功率D： 畸变功率：hhhhIVVIS22SPQf222DSPQf222() 假定电压波形(b xn)为正弦函数变化 ，可推出： ， 11cosVIP2221222212hhhhIIVIVIVVIS功率因数： 12111111cosTHDcosIIVIcosVISPPFi 说明：功率因数与移相功率因数和电流畸变率有关。 第7页/共30页第七页，共31页。 四、三相(sn xin)电路中的谐波 三相对称正弦电路(dinl)三相电压互差12

7、00，三相对称非正弦电压也符合这种关系： 分析：1）当h=3k+1时，三相(sn xin)谐波电压相序与基波相序相同，即第1、4、7、10等次谐波都为正序性谐波； 2）当h=3k+2时，三相(sn xin)谐波电压相序与基波相序相反，即第2、5、8、11等次谐波都为负序性谐波。 3）当h=3k+3时，三相(sn xin)谐波电压相位相同，即第3、6、9、12等次谐波都为零序性谐波。 )thsin(Vvhhah12)hthsin(Vvhhbh12021)hthsin(Vvhhch12021第8页/共30页第八页，共31页。6.3 6.3 典型谐波(xi b)(xi b)源分析 谐波源指系统(xt

8、ng)中产生谐波的非线性用电设备。按非线性特性分类包括铁磁饱和型、电子开关型和电弧型三类。 一、磁饱和型设备（变压器、电抗器等） 1、铁芯设备谐波电流特点 2）中性点接地变压器含有大量3及3倍次谐波(xi b)电流； 3）有角形绕组变压器线电流中无三倍次频谐电流。 1）i0 为尖顶波，含有3、5、7等奇次谐波电流； 2）谐 波大小与电压有关，U高、 i0 大，谐波大。 2、变压器中的谐波电流 1）配电变谐波问题突出；第9页/共30页第九页，共31页。 二、整流装置(zhungzh)(zhungzh)的谐波（影响最大的谐波源） 1、单相(dn xin)全控桥式整流 结论：理想单相全控桥式整流交流

9、侧电流(dinli)为连续周期方波，只含有2K1次谐波电流(dinli)，不含直流和偶次谐波分量。 若直流侧电感量不够大，负载电流(dinli)波形将出现间断。第10页/共30页第十页，共31页。单相全控桥整流(zhngli)，电感量不够大时的负载电压、电流波形第11页/共30页第十一页，共31页。二、整流(zhngli)(zhngli)装置的谐波 结论：理想三相全控桥式整流(zhngli)交 流侧各相电流为断续周期方波，只含 有6K1次谐波电流。 2、三相(sn xin)全控桥式整流第12页/共30页第十二页，共31页。二、整流(zhngli)(zhngli)装置的谐波 理想6 相桥式整流直

10、流侧的波头脉动数P=12。 结论：理想6 相桥式整流交流侧各相电流为连续周期梯形波，含有12K1次谐波电流。 下面(xi mian)讲述整流装置的特征谐波和非特征谐波。 3、6相桥式整流 可采用Y/y12和Y/d11接线的整流变压器组成 6 相桥式整流电路。单相电路如图所示。 图a谐波电流同6-29式，图b谐波电流为6-53式，图c为两者结合(jih)构成的6 相桥式整流电路。第13页/共30页第十三页，共31页。 4 4、整流装置(zhungzh)(zhungzh)的特征谐波和非特征谐波 1）特征谐波整流(zhngli)装置在理想情况下产生的谐波。 整流(zhngli)装置交流侧为谐波电流源

11、，特征谐波 h=KP 1； 整流(zhngli)装置直流侧为谐波电压源，特征谐波 h=KP。 例如：单相全波，P=2，产生1、3、5、7次谐波； 三相半波，P=3，产生2、4、6、8次谐波； 三相全波，P=6，产生5、7、11、13次谐波。 产生的各次谐波电流Ih小于或等于I1/h。 结论：装置整流(zhngli)波形的波头脉动数P越多，谐波次数h越高，谐波电流Ih越小。 2）非特征谐波 指由于控制角不等，电压、阻抗不对称等因素产生的次数不定的谐波。难以进行数值分析。第14页/共30页第十四页，共31页。三、电力机车产生(chnshng)(chnshng)的谐波 电力机车负荷为波动性很大的大功

12、率单相整流负荷，具有不对称、非线性、波动性和功率大的特点，将产生(chnshng)高次谐波和基波负序电流。 1、牵引网的供电方式 为不对称(duchn)供电系统 两站距离4050Km； 供电距离2025Km； 供电电压110/27.5KV。 2、电力机车电路与电流波形 电力机车电路和注入电网的电流波形如图所示。由于采用单相全波整流，不采取措施将产生很大的谐波电流。第15页/共30页第十五页，共31页。第16页/共30页第十六页，共31页。 3 3、电力机车谐波(xi b)(xi b)特点 1）在工作状态才产生谐波。治理为车载或投切方式； 2）典型特征谐波为奇次谐波。单相(dn xin)全波整流

13、P=2； 3）电力机车谐波为典型的谐波电流源； 4）产生的谐波含量大、次数低（P=2），影响大。 4、电力机车供电系统谐波分析 1）注入牵引变电站的谐波电流，为多量机车谐波电流的叠加，运行方式变化大、计算复杂，通常只能实测分析； 2）注入电网的谐波电流为不平衡谐波，可能包含正序、负序、零序性质的谐波； 3）为三相不平衡负荷，有基波负序注入电力系统； 结论：电力机车谐波干扰大，基波负序对系统有影响。第17页/共30页第十七页，共31页。四、电弧炉产生的谐波(xi b)(xi b)特点 1）产生随机性、三相不平衡谐波和基波负序电流； 2）以2、3、4、5、7次谐波为主，含有偶次谐波； 3）引起PC

14、C点电压变动，存在(cnzi)闪变影响问题。谐波次数23457谐波含有率熔化期7.75.82.54.23.1精练期2.02.1 五、家用电器产生的谐波特点 电视机和调光(dio un)、调湿等电力调节家用电器产生谐波。 1）主要产生奇次谐波，虽然单个电器产生的谐波数值小，但合成的谐波影响较大； 2）治理难度大，需要通过实测选择滤波器安装位置。第18页/共30页第十八页，共31页。6.4 6.4 谐波的影响(yngxing)(yngxing)和危害 一、对变压器的影响 1）产生导体附加损耗； 2）变压器产生涡流损耗，引起(ynq)变压器发热或过热； 3）变压器产生铁芯损耗，引起(ynq)铁芯发热

15、或过热； 4）使变压器产生振动和噪声。 二、对旋转电机的影响 影响情况与变压器类似，简单描述如下： 1）在绕组上产生附加损耗； 2）在转子上产生谐波涡流，引起(ynq)附加铁损和发热； 3）引起(ynq)旋转电机振动和产生高频噪声。 总之，损耗增大、发热等影响经济运行和使用寿命。P122h2h212PR)II(RIP第19页/共30页第十九页，共31页。6.4 6.4 谐波的影响(yngxing)(yngxing)和危害 三、对通讯的影响 在540Hz1200Hz频率范围内，谐波影响通讯系统的通话质量；人听觉对8001200Hz谐波噪声较敏感。国际电报电话咨询委员会用噪声加权系数Pfh计算各次

16、谐波对电信的干扰，各谐波下 Pfh 如表4. 8所示。计算公式如下： 电话谐波波形系数： 四、谐波对电能计量的影响 1）在感应电能表绕组、圆盘(yun pn)上产生谐波涡流和使总电流增大，增大电能表的计量误差； 2）谐波功率引起较大的电能计量系统误差，电子式电能表这种误差大于感应式电能表。%VVpfTHFFhhfhh100100080025011第20页/共30页第二十页，共31页。 谐波功率(gngl)引起的电能计量误差分析 1）对线性用户(yngh)电能表WhM：P1M+PhM，多计电能，即受谐波影响还要多付费；不合理。 2）非线性用户(yngh)电能表WhR：P1R - PhR，少计电能

17、，即对系统造成干扰还少付费；不合理。 3）对发电厂电能表WhG：P1G - PhG，少计电能。 第21页/共30页第二十一页，共31页。6.5 6.5 谐波谐振(xizhn)(xizhn)与谐波放大 研究系统谐波的响应特性，分析谐波对运行的影响。 一、系统阻抗与谐波电抗 在谐波分析中，系统基波阻抗为ZS，可通过短路计算求得。对高压供电系统忽略电阻，假定为纯电抗XS，则系统h次谐波电抗用XSh表示(biosh)。 h 次谐波感抗与基波感抗关系：XLh=hXL h 次谐波容抗与基波容抗关系：XCh= XC/h 二、谐振电流放大与谐振现象分析 1、谐振现象分析 在一定条件下，谐波可能引发电容器与系统

18、感抗的谐振，引起严重谐波电压、电流畸变，影响电网安全运行。第22页/共30页第二十二页，共31页。 1、谐振现象(xinxing)分析 含谐波源的典型供电如图所示。对谐波源而言，电容器容抗与系统感抗为并联关系。由 (c ) 图可知，对某次谐波系统的等值阻抗(zkng)很大，因此有电容器将引发电压放大。 第23页/共30页第二十三页，共31页。 2、谐波放大(fngd)现象分析 设：谐波源谐波电流为Ih； 进入系统电流为 Ish ；进入电容器电流为 Ich。 则：IshIh称系统支路(zh l)谐波放大； IchIh称电容支路(zh l)谐波放大；IshIh和IchIh称谐波严重放大。 求：系统

19、、电容支路谐波(xi b)电流和母线谐波(xi b)电压 母线电压： hCksCkshhhIhXhXhXhXhXhXIXU/)/(C路电流： hCkssCkhchIhXhXhXhXhXhXUI/（1） （2） 第24页/共30页第二十四页，共31页。 2、谐波放大现象(xinxing)分析系统(xtng)电流： hCksCkhhshIhXhXhXhXhXhXUI/分析：1）当 ，且Ih 0时，不论Ih大小，Ich和Ish均为无穷大，此时发生谐波(xi b)严重放大。谐波(xi b)次数为h0。（3） 0hXXXhKSC 2）当 时，有Ich=Ih ，Ish =0，此时XC与XK支路发生串联谐振

20、，电容支路为滤波器。谐波次数为hK。KKChXXh 3）当 时，有Ich= -Ih ，Ish=2Ih，这种情况是谐波严重放大第一临界状态。谐波次数为h1。12hXXXhKSC 4）当 时，有Ich=2Ih ，Ish= -Ih，这种情况是谐波严重放大第二临界状态。谐波次数为h2。22/hXXXhKSC第25页/共30页第二十五页，共31页。 2、谐波放大(fngd)现象分析 5）由式（2）和（3）可得谐波(xi b)放大曲线如图所示。 6）由式（3）可知，影响谐波(xi b)电流进入系统的参数有 h、XS、XC和XK四个量，可供调节限制谐波(xi b)放大的量只有XK。定义K= XK / XC为

21、电抗率。由图可知，采用K为4.5%和6%电抗器，可防止发生4次以上的谐波(xi b)放大。第26页/共30页第二十六页，共31页。 三、系统(xtng)电阻的作用 以上分析没有(mi yu)考虑系统电阻的作用，系统电阻可有效抑制谐波放大现象。系统电阻对谐振的改善作用如图所示。 1、不同(b tn)谐波源的谐波叠加计算 对两个谐波源的同次谐波，合成谐波按余弦定理计算：hhjhihjhihcosAAAAM222 1、不同谐波源的谐波叠加计算 对两个谐波源的同次谐波，合成谐波按余弦定理计算： 当相位角为随机变量时，采用概率统计方法计算： ，估计值Kh取值见表6-11。 hjhihhjhihAAKAAM22第27页/共30页第二十七页，共31页。 2、低压电网(dinwng)电压总谐波畸变