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1、2020/4/6,1,电网内电压波形畸变与电力谐波,6.1,概述,理想电力系统要求,：单一频率，单一波形（正弦），若干电,压等级的电能属性。,现代,电力电子装置的大量出现，非线性负荷的使用，供电电源,与用电设备间的非线性接口电路等，都不可避免的产生很强的电流,谐波及电磁干扰,(EMI),，对电力系统的安全、优质、经济运行构成,潜在的威胁，给周围电气环境带来极大的污染。,负荷（整流、逆变）、系统（,HVDC,、,SVC,等）,1993,年,7,月，国家技术监督局正式颁布了,(GB/T14549,1993),电,能质量,公用电网谐波,本章主要内容：,波形畸变的基本概念、危害、典型谐波源、谐波放大、
2、标准。,2020/4/6,2,6,波形畸变与电力谐波,6.2,波形畸变的基本概念,非线性负荷引起电流波形,的畸变，一般畸变波形是周期,的，属于谐波范畴。,畸变电流流经系统时，在系统,阻抗上产生压降，从而产生电,压畸变。,2020/4/6,3,6,波形畸变与电力谐波,一、几个概念：,1.,谐波：,基波频率的整数倍。,2.,间谐波和次谐波：,有些用电负荷会出现非工频频率整数倍,的周期性电流的波动，又称为分数谐波，或称为间谐波。,频率低于工频的间谐波又称为次谐波。,3.,谐波和暂态现象：,暂态和谐波是两个完全不同的现象，它,们的分析方法也是不同的。暂态过程高频分量与系统的基,波频率无关。,4.,短时
3、间谐波：,对于短时间的冲击电流（变压器空载合闸），,将包含短时间的谐波和间谐波电流，称为短时间的谐波电,流或快速变化谐波电流，应与电力系统稳态和准稳态谐波,区别开来。,5.,陷波：,换流装置在换相时，会导致电压波形出现陷波或称,换相缺口，不属于谐波范畴。,2020/4/6,4,6,波形畸变与电力谐波,二、均方根值和总谐波畸变率,均方根值,h,次谐波电流（电压）的含有率,电流（电压）总畸变率,总畸变率描述电流时的局限,性,2,2,2,1,0,2,),(,1,h,M,h,T,I,I,dt,t,i,T,I,?,?,?,?,?,?,2,2,1,100%,M,h,h,I,I,THD,I,?,?,?,?,
4、1,1,(,),2,sin(,),M,h,h,h,i,t,I,h,t,?,?,?,?,?,?,%,100,I,1,?,?,I,I,HR,h,h,2020/4/6,5,6,波形畸变与电力谐波,三、非正弦电路的功率和功率因数,1,、正弦电压、电流,无功功率物理意义为能量互换的最大规模，并不消耗电能,2,、非正弦电压、电流,仅同频率的电压和电流才能构成有功功率，不同频率的电压和电流,不构成有功功率,定义无功,Q,f,没有正弦波情况下能量交换的最大量度等明确的物理意义，,某谐波可能出现感性无功功率,，而另一次谐波可能出现容性无,功功率，,不同频率的无功相加本身无意义,。,cos,sin,P,UI,Q,
5、UI,?,?,?,?,h,h,h,h,T,I,U,uidt,T,P,?,cos,1,0,?,?,?,?,h,h,h,h,f,I,U,Q,?,sin,?,?,2020/4/6,6,6,波形畸变与电力谐波,定义视在功率：,定义畸变功率,一般实际情况：电压畸变小，可考虑成正弦信号，有,功率因数,可见：,功率因数受两方面影响,：,相移功率因数，即基频电压、电流的相位差：,电流的基波分量所占比例，即电流畸变程度：,),)(,(,2,2,h,h,h,h,I,U,UI,S,?,?,?,?,),(,2,2,2,f,Q,P,S,D,?,?,?,1,1,1,1,1,cos,sin,P,UI,Q,UI,?,?,?,
6、?,1,2,1,1,1,1,cos,1,1,cos,cos,?,?,?,I,THD,I,I,UI,UI,S,P,PF,?,?,?,?,?,1,cos,?,1,/,I,I,2020/4/6,7,6,波形畸变与电力谐波,四、三相电路中的谐波,1.,当,h=3k+1,（,k=,）时，三相电压谐波的相序都与基波的,相序相同，即,1,、,4,、,7,、,10,等次谐波都为正序性谐波。,2.,当,h=3k+2,时，三相电压谐波的相序都与基波的相序相反，即、,、,11,等次谐波都为负序性谐波。,3.,当,h=3k+3,时，三相电压谐波的相序都有相同的相位，即、,、,1,等次谐波都为零序性谐波。,),sin(
7、,2,1,h,h,ah,t,h,U,u,?,?,?,?,),120,sin(,2,1,?,?,?,?,?,h,t,h,U,u,h,h,bh,?,?,),120,sin(,2,1,?,?,?,?,?,h,t,h,U,u,h,h,ch,?,?,2020/4/6,8,6,波形畸变与电力谐波,6.3,供用电系统典型谐波源,非线性特性的用电设备是系统中产生,谐波的主要原因,谐波电流含量基本决定于它本身的,特性和工作状况以及施加给它的电压，,而与电力系统的参数关系不大，因此,常被看作谐波恒流源。,一、磁饱和装置,铁芯的非线性化磁化特性引起谐波。,各种铁芯设备,如变压器、电抗器、,电机等。,2020/4/6
8、,9,6,波形畸变与电力谐波,二、整流装置,AC/DC,整流器、,DC/AC,逆变器以及变频设备等。,1.,单相全控桥式整流器,1,）直流侧电感足够大，电流波,形是连续的交变方波，正负半周,的波形完全相同，幅值相等。,谐波含有率,1/h,。,1,1,1,4,1,1,(,),(sin,sin,3,sinh,),3,d,I,i,t,t,t,t,h,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2020/4/6,10,6,波形畸变与电力谐波,2,）直流侧电感量不够大，,则电流将出现断续。,3,）当负载为蓄电池、,直,流电动机等带有反电动势,负荷时。,2020/4/6,11,6,波形畸变与电力谐波,2.,三
9、相全控桥式整流器,（,1,）控制角为零时,电流为波宽,120,o,的缺口矩形波，,缺口宽度为,60,o,。,谐波含有率,1/h,。,电压、基波电流同相，整流器,无功,=0,1,1,1,1,1,2,3,1,1,1,1,(,),(sin,sin,5,sin,7,sin11,sin13,),5,7,11,13,d,a,I,i,t,t,t,t,t,t,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,1,2,/,6,/,0,0,35,.,1,6,3,3,1,U,U,dt,u,dt,u,T,U,ab,T,d,d,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,2020/4/6,12,6,波形畸变与电力谐波,（
10、,2,）控制角不为零时,电流为波宽,120,o,的缺口矩形波，缺口宽度为,60,o,。,谐波含有率,1/h,。,基波电流相位落后电压，功率因数,1,，吸取无功,（,3,）考虑到实际情况，存在换相重叠角，,电流变,化平滑，谐波含量较理论值有所降低,例,6-1,1,1,1,1,1,1,1,cos,6,3,cos,3,cos,3,?,?,?,?,d,UI,UI,I,U,P,P,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,cos,cos,U,6,3,3,1,0,2,6,/,0,d,ab,T,d,d,U,dt,u,dt,u,T,U,?,?,?,?,?,?,?,?,2020/4/6,13,6,波形
11、畸变与电力谐波,3.,双三相桥式整流,12,脉动整流器，只含,12k,1,次谐波。,特征谐波：,三、电弧炉,1,?,?,kp,h,2020/4/6,14,6,波形畸变与电力谐波,四、电力机车,由于电力机车的负荷是单相整流性质，故对电网影响主要是“负序”,和“高次谐波”。其谐波特点：随机波动性、高压渗透性、稳态,奇次性。,2020/4/6,15,6,波形畸变与电力谐波,五、家用电器,1,、桥式整流电容平波电路,电视机的谐波特点是谐波的峰值与基波峰值重合，同相电压供电,的多台电视机产生的谐波相位相同，而且同时间的使用频率高，,造成供电系统谐波增大。,rad,?,?,?,36,.,0,16,.,0,
12、?,2020/4/6,16,6,波形畸变与电力谐波,2,、电力调节电路,移相控制单相交流调压电路,(,电阻性负载,),2020/4/6,17,6,波形畸变与电力谐波,6.4,谐波的影响和危害,在电力危害方面：,旋转电机等的（换流变压器过载）附加谐波损耗与发热，缩短使用寿命；,谐波谐振过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏；,电能计量错误。,在信号干扰方面：,对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降；,重要的和敏感的自动控制、保护装置不正确动作；,危害到功率处理器自身的正常运行。,2020/4/6,18,6,波形畸变与电力谐波,一、谐波对变压器的影响,1.,均方根值电流。如果变压器容量正好与负荷容
13、量相同，那么谐,波电流将使得均方根值电流大于额定值。总均方根值电流的增,加会引起导体损耗增加。,2.,涡流损耗。涡流是由磁链引起的变压器的感应电流。感应电流,流经绕组、铁芯以及变压器磁场环绕的其他导体时，会产生附,加发热。损耗以引起涡流的谐波电流的频率的平方增加。,3.,铁芯损耗。铁损的增加取决于谐波对外加电压的影响以及变压,器铁芯的设计。电压畸变的增加将使得铁芯叠片中涡流电流增,加，总的影响取决于铁芯叠片的厚度以及钢芯的质量。,4.,随着谐波频率的增高，集肤效应更加严重。另外可能引起噪音,的增大。,电流畸变超过,5%,，变压器的出力应降低。,K,因子,2020/4/6,19,6,波形畸变与电
14、力谐波,二、谐波对电机的影响,电机受谐波电压畸变的影响较大。电机末端的谐波电压畸变，在,电机里表现为谐波磁链。谐波磁链以与转子同步频率不同,的频率旋转，在转子中感应出高频电流。谐波电压畸变将,引起电机的效率下降、发热、振动和高频噪声。,三、谐波对通讯的干扰,通过感应方式与通讯线路耦合干扰通讯,国际电报电话咨询委员会,（,CCITT,）：电话谐波波形系数,2,50,1,1,100%,800,1000,fh,h,h,h,fh,h,p,f,U,THFF,f,p,U,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,谐波频率,该频率权值,2020/4/6,20,6,波形畸变与电力谐波,四、谐波对
15、电能计量的影响,概念：基波功率做功，谐波功率不做功，应不计量。,电表计量时为基波和各次谐波功率之和,对机械感应式电度表：,K,1M,1,在,THD=20,时：,K,3M,0.6,，,K,5M,0.4,，,K,7M,0.28,对电子式电度表：,K,1M,=,K,hM,=1,可见：,机械感应式电度表更能反映实际情况。,1,1,M,M,hM,hM,P,K,P,K,P,?,?,2020/4/6,21,6,波形畸变与电力谐波,图：基波及谐波有功潮流,对线性用户,对非线性用户,由于,表现为谐波的影响使少计的电量远大于多计的电量，两者的差额,表现为供电线损率有所增大。,结论：,在计量上有利于非线性用户，不利
16、于线性用户和电力部门。,1,1,PJ1,M,M,hM,hM,K,P,K,P,?,：,1R,1R,R,R,PJ2,h,h,K,P,K,P,?,：,hM,hR,P,P,?,2020/4/6,22,6,波形畸变与电力谐波,6.5,谐波谐振与放大,谐波感性电抗：,；容性电抗,从谐波源处看，在谐波频率下，并联电容器与系统等值电感为并,联关系，若谐振频率落在某次谐波上，可引起谐振过电压。,若：,I,sh,I,h,，,系统谐波电流放大,I,ch,I,h,，,电容器谐波电流放大,I,sh,，,I,ch,I,h,，,谐波严重放大,1,h,X,hX,?,1,c,ch,X,X,h,?,2020/4/6,23,为防止
17、出现谐波谐振的可能，常在,电容器上配置一定的电抗器，设,分别是以,为基值的系统电抗率和电抗,器电抗率,6,波形畸变与电力谐波,s,C,K,C,s,X,X,k,X,X,?,?,C,X,h,Ch,h,C,K,s,s,h,Ch,Kh,sh,Ch,I,I,h,X,hX,hX,hX,I,X,X,X,I,?,?,?,?,?,?,?,h,sh,h,c,K,s,C,K,h,sh,sh,sh,I,I,h,X,hX,hX,h,X,hX,I,X,X,I,?,?,?,?,?,?,?,2,1,h,k,s,s,I,I,h,Ch,Ch,?,?,?,?,?,2,2,1,1,h,k,s,h,k,I,I,h,sh,sh,?,?,
18、?,?,?,?,2020/4/6,24,6,波形畸变与电力谐波,?,谐振状态，并联谐振,?,电容器全谐振，串联谐振,?,第一临界状态，电容支路呈容性,?,第二临界状态，电容支路呈感性,0,1,h,s,k,?,?,1,k,h,k,?,1,1,2,h,s,k,?,?,2,1,2,h,s,k,?,?,2020/4/6,25,6,波形畸变与电力谐波,?,三次谐波问题,并联电容器后，对三次谐波有放大作用，应引起注意,?,电阻性负荷的作用,起阻尼作用，一般线路的电阻可有效抑制谐振的发生,2020/4/6,26,6,波形畸变与电力谐波,6.7,电容器与串联电抗器的电压和电流,一、无功功率补偿引起的母线电压升
19、高,Xd,、,Sd,为母线短路阻抗、短路容量。,二、电容器与串联电抗器的电压和电流,设电容器与串联电抗器的基波电抗分别为,Xc,和,Xk,，母线、电容器,和电抗器的基波电压分别为,U1,、,Uc1,和,Uk1,，电容器的基波电流为,I1,，有：,1,1,1,1,1,1,2,1,1,1,?,?,?,?,?,?,C,K,C,C,K,K,C,U,I,X,X,U,I,X,U,I,X,U,Q,X,k,?,?,2,2,2,1,1,2,2,2,2,2,1,1,2,2,1,1,2,2,1,1,2,2,1,1,1,1,1,1,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?
20、,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,?,Ch,C,C,Ch,C,h,h,h,K,K,Kh,K,h,h,h,MC,C,C,h,h,h,MK,K,Kh,K,h,h,h,U,U,U,U,HRI,h,U,U,U,U,hHRI,U,U,U,U,HRI,h,U,U,U,U,hHRI,d,N,c,N,d,C,S,U,Q,U,X,Q,U,?,?,?,2020/4/6,27,6,波形畸变与电力谐波,6.7,谐波电压限值与电流允许值,1.,不同谐波源的谐波叠加计算,采用概率统计分析结果，如表所示,hj,hi,h,hj,hi,h,A,A,K,A,A,M,?,?,?,2,2,h,3,5,7,11,13,9,13,偶次,K,h,1.62,1.28,0.72,0.18,0.08,0,2020/4/6,28,6,波形畸变与电力谐波,2.,低压配电系统电压总谐波畸变率允许值。,低压,0.38kV,配电系统的电压总谐波畸变率允许值为,5%,3.,各级电网谐波电压含有率允许值,4.,用户注入配电系统的谐波电流允许值,
