动力培训、谐波与谐波治理

动力培训谐波与谐波治理一谐波与谐波治理1线性电流与非线性电流2谐波的定义和基本特征参数3谐波电流对电压的影响4谐波的危害与谐波治理的必要性5机房供电系统谐波治理的主要方法6谐波治理效果的评估1线性电流与非线性电流同一交流供电电源中，可有多种不同负载,当施加正弦电压时，会呈现不同的电流特性。1线性电流与非线性电流IR－线性负载IL-线性负载ID－非线性负载IS－非线性负载I由于非线性负载的影响总线路中电流发生畸变IC－线性负载

非线性负载举例：整流器、充电器、开关电源、调光器、变频调速器、电子计算机、感应电炉、荧光灯、微波炉、电视机、电话、传真机等等…开关电源变频调速器充电器荧光灯1线性电流与非线性电流1线性电流与非线性电流IR－线性电流IL－线性电流IC－线性电流当时i=?超前电压90度滞后电压90度与电压同相一个非正弦波（电压、电流）是由直流分量、基波和许多2、3、4…..倍于基波的（电压、电流）高次正弦波叠加组成畸变的正弦波形畸变的正弦波是直流分量、基波和许多高次谐波的合成1线性电流与非线性电流对非正弦电压有u=Ud+U1msineωt+U2msine2ωt+U3msine3ωt+………Unmsinenωt=Ud+u1+u2+u3+……un对非正弦电流有i=Id+I1msineωt+I2msine2ωt+I3msine3ωt+………Inmsinenωt

=Id+i1+i2+i3+……in=1线性电流与非线性电流其中第3次、6次、9次…3的倍数次电流谐波（零序分量）的特殊性对三相四线电路，各相中的3次谐波电流为ia3=Ia3msine3ωtib3=Ib3msine3（ωt–2/3π）＝Ib3msine3ωtic3=Ic3msine3（ωt+2/3π）＝Ic3msine3ωt由于各相中的零序电流是同相的因此有：

In=Ia+Ib+IcInIa+Ib+Ic这是为什么要加粗N线的原因之一小结：电阻、电容、电感等负载是线性负载二极管、可控硅等负载是非线性负载非线性负载会从电源中吸收非线性电流非线性电压或电流的波形是失真的正弦波，可分解为不同频率、不同幅值的正弦波3相4线电路中3次及3的倍数次谐波电流会在N线上叠加1线性电流与非线性电流2谐波的定义和基本特征参数基波——指频率为F的正弦波

如50HZ的正弦波，如60HZ的正弦波谐波——指频率为F正整数倍的正弦波如50HZ的正弦交流线路中的

100HZ－2次谐波

150HZ－3次谐波

250HZ－5次谐波

N×50HZ－N次谐波1）单次谐波电流的有效值(IHrms)按照傅立叶级数展开时，各次谐波电流都是正弦波，因此可以测量每次谐波的有效值，但这些正弦波的频率各不相同，为基波频率的整数倍：IH1为基波成分(50或60Hz)；IHk

为谐波成分，其中k为谐波次数(50或60Hz的k倍)。2）总电流有效值（Irms）它是基波电流有效值IH1与谐波电流IHk的平方和的根值：

2谐波的定义和基本特征参数4）电压和电流的谐波失真度非线性负载同时产生电流和电压的失真，这是因为每次谐波电流都会产生对应同频率的电压谐波，正弦波的总失真度用百分数来表示：

3）各次谐波的含量每次谐波的含量都可以用一个百分数来表示，即该次谐波电流的有效值与基波电流有效值之比，这个比率就代表了各次谐波的含量水平： 例如：总电流谐波失真度TDHI%，是基于电流谐波的度量：

或2谐波的定义和基本特征参数用电流有效值计算用谐波失真度计算4）谐波失真度举例：三相整流器输入电流的谐波频谱为：Ih5=33%、Ih7=2.7%、Ih11=7.3%、Ih13=1.6%、Ih17=2.6%、Ih19=1.1%、Ih23=1.5%、Ih25=1.3%，计算THDI%：因此，总电流的有效值比基波电流的有效值增大了5.6%，即比没有谐波时的额定电流增大5.6%，这将在导体中造成温度升高。2谐波的定义和基本特征参数总电流的有效值5）峰值因数(CrestFactor)峰值因数(Fc)定义为峰值（最大幅值）与有效值的比率，用来表示信号(电流或电压)形状的特征：下面是不同负载的典型峰值因数：线性负载： Fc=1.414

六脉冲整流器：Fc＝1.5到2；小型计算机： Fc=2到2.5

微机： Fc=2到3。H3 = 80%H5 = 35%H7 = 18%H9 = 9%H11= 5%

THDI=90%H5 = 21%H7 = 16%H9 = 0%H11 = 10%H13 = 9%

THDI=30%H5 =32%H7 =3%H9 =0%H11 = 7%

THDI=33%RCD(微机)小型计算机可控硅整流器2谐波的定义和基本特征参数5）峰值因数举例：峰值因数对UPS容量的影响例如：200KVAUPS的峰值因数Cf=3:1，UPS额定电流In=303A，则：

UPS峰值电流为303Ax3=909A（这是200KVAUPS不能超过的）假设：负载峰值因数为3.5:1，则：

UPS对于该负载所提供的电流有效值为909A/3.5=259.7A即:UPS的使用容量为259.7Ax660V=171.4KVA因此：非线性负载Cf=3,5In线性负载2xInCf=2谐波的定义和基本特征参数或者说200KVA峰值因数为3.5的负载需要用200×3.5/3＝233.3KVA的UPS－需要增加UPS容量小结：某次谐波的频率＝谐波次数×基波频率某次谐波的大小可以用有效值和失真度（相对值）来度量有效值直接反映谐波电流（电压）的大小，单位是A失真度是反映失真电流（电压）相对于基波的比例，是％总失真度的计算方法有2种峰值因数的定义，当负载峰值因数超标时，UPS要降容使用2谐波的定义和基本特征参数3谐波电流对电压的影响

一个局部供电网络网络中我们希望在每一级都能得到非常好的电压波形。因为我们所有的用电设备的技术指标都是以380V50HZ正弦交流电作为基准条件来设计的。离开这一条件，设备的技术性能指标和可靠性都会受到影响。3谐波电流对电压的影响

变压器有输出阻抗，以阻抗电压来衡量其大小阻抗电压－变压器一边绕组短路，在另一边绕组施加电压，从小到大直到绕组中的电流达到额定值，此时的电压值与额定电压值之比叫阻抗电压或短路电压。他是一个标么值。如5％，对400V额定电压为20V；对10KV额定电压为50V这是反映变压器内阻的一个重要指标，也是影响电压失真的重要因素此指标在50HZ条件下测定,当电源频率升高时，短路电压会升高。机房供电来自于变电室变压器3谐波电流对电压的影响变压器输出端变压器的输出，对不同频率的电流呈现不同的阻抗电感的阻抗XL＝2πfL与频率成正比变压器等效电路3谐波电流对电压的影响当负载是线性负载时，负载电流只会引起交流供电线路各点电压不同程度的降低当负载是非线性负载时，负载电流不但引起交流供电线路各点电压降低，也会引起各点电压产生失真，越靠近非线性负载失真度越高。电源和线路的实际情况3谐波电流对电压的影响总的压降是各部分压降之和线路某处电压UO是电源电压－压降谐波电流在电阻上产生的压降与电流同相并成正比谐波电流在电感上产生的压降不与电流同相，其幅值与各次谐波成分多少有关如果电压Uo是其他负载的电源，这个电源本身就是一个失真的电压，即使线性负载，在此电压作用之下也会出现非线性电流3谐波电流对电压的影响基波、各次谐波电流在电阻上的压降＝R（i1+i2+i3+…+in）基波、各次谐波电流在电感上的压降＝2πL50i1+2πL100i2+2πL150i3+……+2πL×n×50in－－50HZ电路感抗XL＝2πfL，对不同频率的电流呈现不同的阻抗，因此高频电流在线路上引起的压降比基波严重的多。计算电压失真的公式3谐波电流对电压的影响

一个系统中各测量点出现图示中的情况是有可能的图中主要谐波源是UPS、通讯、照明，由于他们的影响使系统各点的电压出现失真假定生活、办公负载为线性负载，在供电电压出现失真的情况下，这些负载也会吸收非线性电流造成网络电压失真的原因是谐波电流在线路和变压器内阻抗上产生了谐波压降谐波电流有效值越大、电源和线路阻抗越大，引起的电压失真越严重

电压电流小结供电系统中的变压器、发电机、线路等都存在阻抗供电系统中非线性负载电流会使供电电压产生失真谐波源在系统中所处位置不同，系统各处电压失真的程度也有不同电路阻抗越大，谐波电流幅值越大，造成的电压失真越严重3谐波电流对电压的影响视在功率增大纯电阻负载在一个正弦周期内电压与基波电流的乘积(U×I)为正值；4谐波的危害与谐波治理的必要性非线性负载在一个正弦周期内电压与3次谐波电流的乘积为零(U×IH3=0)，对基波整数倍的谐波也符合此规律，因此谐波属于无功(U×I)为正值负载吸收功率，(U×I)为负值负载释放功率阻性负载只吸收有功功率非线性负载不吸收有功功率，但会与电源进行能量交换，会占有无功电流S=视在功率P=有功功率

Q=无功功率视在功率增大，功率因数降低线性负载：Cos=Pf=P/S没有谐波

非线性负载:Cos=P1/S1(基波有功功率/基波视在功率)功率因数PF=P/S（有功功率/视在功率）因在视在功率中增加了失真功率，会使功率因数降低S=视在功率P=有功功率

Q=无功功率

D＝失真功率S(VA)S(VA)D:谐波失真功率P2+Q2S=P12+Q12+D2S=P(W)Q(var)4谐波的危害与谐波治理的必要性电缆中的温度升高谐波电流在导体中趋肤效应更为严重；电流在电缆导体中的温升表示为：电缆中的温升=基波电流与各次谐波电流产生的温升之和4谐波的危害与谐波治理的必要性中线电流的增大所有3次及3的整数倍3n次谐波电流在中线上同相位迭加；它们的位移可以计算为3kx(2/3)或(4/3)，同相中线上的电流可以达到相线电流的1.7倍；后果：在中线上产生很大的附加损耗；rI中线2=中线上的温升；N－G电压升高必须考虑加粗中线以适应3次及3n次谐波电流4谐波的危害与谐波治理的必要性损坏电容电容中的电流值表示为：I=UCω对第k次谐波的角频率为：ω=2πkf，因此第k次谐波电流等于：Ik=2πkfUC，其中f=基波频率，k=谐波次数。由此可见电容中的电流I随着谐波次数k的增大而增大。结论：电容中的高次谐波成分越多，则电容运行的环境就越恶劣，通常需要使用增强型电容（>h级＋电抗器）。

后果：电容过热，受到损坏的威胁；由于电路中存在电感，电容可能受到谐振的威胁。4谐波的危害与谐波治理的必要性变压器降容(Derating)谐波对变压器的影响为以下几个方面的总和：

铜损趋肤效应(skin-effect)，变压器的阻抗随谐波次数的增大而增大铁损磁滞损耗与谐波频率成正比；涡流损耗与谐波频率的平方成正比。变压器降容使用，折算系数k由下述经验公式确定：法国标准NFC52-114及其它国家标准(例如BS7821_part4，IEEE1100-1992)也推荐使用一个相似的k系数4谐波的危害与谐波治理的必要性骚扰发电机的运行与变压器相似，磁滞现象和涡流现象也会由于谐波的作用造成发电机的损耗大增；后果：产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率；在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗；产生振动和发出异常的噪音。事实上，发电机中的电流谐波失真度THDI必须小于等于20%，否则发电机的功率也必须功率折算。4谐波的危害与谐波治理的必要性电动机损耗增大增大焦耳损耗和铁损耗(定子损耗)；脉动力矩(转子损耗，降低机械效率)。因此异步电动机上的THDU必须限定在10%以下，以避免上述现象的发生。对其它设备的影响谐波还会骚扰下述设备的正常运行：非有效值脱扣装置(non-rmstripunit)，造成断路器令人烦恼的异常脱扣；自动电话交换机；报警系统；敏感性的电子设备；远程控制系统。4谐波的危害与谐波治理的必要性现代化的电子设备和电力电子设备大量地增加，铁路、冶金、通讯、机房等需要越来越多的电力能源、越来越高的电能质量，从移动公司的发展就可以知道近些年的发展速度精密的电子设备和电力电子设备带来大量的谐波污染，使得电能质量每况愈下。提高UPS供电系统运行的可靠性（沧州、四川、北京某通信机房UPS的故障现象与谐波有关，特别是北京造成巨大的经济损失）-提高设备的效率，降低运行成本；-节能、减排、保护环境、可持续发展4谐波的危害与谐波治理的必要性

谐波治理是客观的需要：电子设备的增长，谐波成为电磁污染；谐波治理是标准的需要：IEC、EN、IEEEE等（IEC62040-3=GB/T7260.3）：不是3的倍数的奇次谐波3的倍数的奇次谐波偶次谐波谐波次数谐波电压%谐波次数谐波电压%谐波次数谐波电压%5635227591.541113.5150.360.5133210.280.5172>210.2100.5191.5

120.2231.5

>120.2251.5

>250.2+0.5x25/n

注：假设上述谐波电压不同时达到兼容值；通常限制到40次谐波。a)输入电压变化：额定标称电压的±10%；b)输入频率变化：额定标称频率的±2%；c)输入电压总奇变因数D0.08（THDU8%），各次谐波电压的最高含量列于下表：4谐波的危害与谐波治理的必要性

谐波治理是标准的需要：国家标准《电能质量、公用电网谐波》(GB/T14549-1993)4谐波的危害与谐波治理的必要性当实际短路容量与基准短路容量不同时，需要按比例折算

谐波治理是标准的需要：邮电标准(YD/T)；谐波治理是发展的需要：促进生产厂改进产品的性能。通信用不间断电源-UPS标准(YD/T1095-2000):6脉冲SCR+LC＝IEC61000-3-46脉冲SCR+LCIGBT整流器4谐波的危害与谐波治理的必要性邮电标准(YD/T)的THDI标准只是用于对UPS的分类小结谐波可造成多方面的危害国家对谐波有控制的标准4谐波的危害与谐波治理的必要性Dynh3h92主电源增大电力系统的供电容量和电缆、开关等变压器以不同的方式联接调谐式滤波器抗谐波电感器Lh5,h7L-谐波没有消除-成本昂贵2仅限制3次和3n次谐波Ddy354154仅按谐波频率选择衰减次数降低谐波电流THDI13仅削减5次和7次谐波(12脉冲整流、移相式滤波器)66无谐波有源滤波器

谐波治理的六种解决方法5机房供电系统谐波治理的主要方法

增大系统容量用一台1,000KVA的变压器只为一套6脉冲整流桥供电，当整流器产生的谐波频谱为：H5=25%、H7=14%、H11=9%、H13=8%…时，代入下述公式得到：功率折算系数为当负载的非线性越大时，功率折算系数越小；需要增加的系统容量就越大。5机房供电系统谐波治理的主要方法此例只说明谐波对供电容量的需求增加，不考虑其它因素

△型/Y型变压器三次谐波和3n次谐波在△绕组中形成环流，在输入端消除3n次谐波。5机房供电系统谐波治理的主要方法

12脉冲整流器采用两组6脉冲整流器经30°移相后迭加，消除：6K±1次谐波（K为整数），因此总谐波失真由第11次计起有：在相同条件下约为6脉冲整流器THDI（30％）的二分之一5机房供电系统谐波治理的主要方法专利号：

FR2517489-EP0080925-US449812申请日期：19811130专利描述：Staticconverterwithelectricvalvescomprisingatwelve-phaseconnectionwithtwoGraetzbridgesforthesuppressionofharmonics5and7ofnetworkcurrent

由两个Graetz整流桥组成的、可抑制电网中5、7次谐波电流的12相可控硅静态变换器应用：Alpase4000（83年）、EPS5000（89年），以及后来的Galaxy（93年）；从1997年推出GalaxyPW机型起取消12脉冲整流器选件。停产原因：1、效率低，损耗大；2、效果差，不满足新的IEC61000-3-4标准3、被新产品取代。梅兰日兰最早将12脉冲整流器应用于UPS上5机房供电系统谐波治理的主要方法假设UPS之前采用串联电抗器LF作为谐波抑制，其等效电路如下图所示；

串联电抗器如果电源和线路阻抗为Ls，e为理想电压源，B点的电压失真度THDU为D’，则A点的电压失真度为D：5机房供电系统谐波治理的主要方法将D’看作一个由负载产生的谐波电压源，而D是这个谐波源单独作用时在LS上的压降。其实质是利用阻抗（感性）对高频电流的抑制作用，降低谐波电流对上线电压的影响

调谐式滤波器（LC滤波器）当UPS之前采用LC调谐式滤波器作为谐波抑制时，其等效电路如右图所示：阻抗Zpn的等效电抗XΩ和等效阻抗ZΩ如右图所示；当忽略滤波器电阻r时，可产生如下串联谐振(阻抗最低、电流最大)频率fr：5机房供电系统谐波治理的主要方法滤波器在低频（50HZ）呈容性，在谐振频率点呈阻性，对更高的频率呈感性如果电源和线路阻抗为Ls、滤波器的串联电抗器阻抗为L’F、电容CP和并联电抗器的阻抗为LP，则输入端的第n次谐波电流为：

调谐式滤波器5机房供电系统谐波治理的主要方法可以将I’H看做一个谐波电流源，IH是在该电流源单独作用下，在LS+L’F支路的分流。其实质是负载所需的n次谐波电流由滤波电路提供，或说负载发出的n次谐波电流将通过阻抗很低的LC滤波电路，而不通过阻抗较高的供电电源电路，也可以说负载与阻抗较低的LC滤波电路进行第n次谐波的能量交换，而不需要与电源进行交换。I’Hn－负载需要的谐波电流；Ihn－电源提供的谐波电流，Zpn、ZSn－n次谐波的阻抗THDI=5%PF=0.95THDI=5%PF=0.90THDI=5%PF=0.95

调谐式滤波器5机房供电系统谐波治理的主要方法

有源滤波器5机房供电系统谐波治理的主要方法有源滤波器6SCR+6IGBT（有源的12脉冲整流器）最有效的谐波治理设备L1C-2-1,5-1-0,500,511,52L2L3+-UPS整流器

I1I2I3I1-I2-I3电源为正弦波电流I1I2I3电源输入断路器5机房供电系统谐波治理的主要方法5机房供电系统谐波治理的主要方法——SineWave的工作原理

当不加SINEWAVE时市电输入电流＝负载谐波电流=5机房供电系统谐波治理的主要方法——SineWave的工作原理SineWave当补偿谐波电流＝负载谐波电流时，电源谐波电流＝0－－使补偿谐波电流与负载吸收的谐波电流一致，电源只需提供负载所需要的基波电流+==+5机房供电系统谐波治理的主要方法——SineWa