电能质量分析与控制6章-肖湘宁

6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、标准。2020/1/2416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。2020/1/2426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。2020/1/2436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11()2sin()MhhhitIht2020/1/244222102)(1hMhTIIdttiTI221100%MhhIITHDI%100I1IIHRhh1.谐波初相角对波形的影响图6-32.THD的局限性总需量畸变率TDD2020/1/2456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Qf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。2020/1/246cossinPUIQUIhhhhTIUuidtTPcos10hhhhfIUQsin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：①相移功率因数，即基频电压、电流的相位差：②电流的基波分量所占比例，即电流畸变程度：1cos2020/1/247))((22hhhhIUUIS)(222fQPSD11111cossinPUIQUI121111cos11coscosITHDIIUIUISPPF1/II6波形畸变与电力谐波四、三相电路中的谐波1.当h=3k+1（k=０,１,２,…）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２、５、８、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３、６、９、1２等次谐波都为零序性谐波。2020/1/248)sin(21hhahthUu)120sin(21hthUuhhbh)120sin(21hthUuhhch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。2020/1/2496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。111411()(sinsin3sinh)3dIitttth2020/1/24101.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。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。2020/1/24116波形畸变与电力谐波2.三相全控桥式整流器（1）控制角为零时电流为波宽120o的缺口矩形波，缺口宽度为60o。谐波含有率1/h。电压、基波电流同相，整流器无功=011111231111()(sinsin5sin7sin11sin13)571113daIitttttt2020/1/241212/6/0035.16331UUdtudtuTUabTdd6波形畸变与电力谐波（2）控制角不为零时电流为波宽120o的缺口矩形波，缺口宽度为60o。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6-12020/1/24131111111cos63cos3cos3dUIUIIUPPcoscosU6331026/0dabTddUdtudtuTU6波形畸变与电力谐波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kph2020/1/24146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。2020/1/24156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。2020/1/2416rad36.0~16.0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)2020/1/24176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：⑴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；⑵谐波谐振过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏；⑶电能计量错误。在信号干扰方面：⑴对通信系统产生电磁干扰，使电信质量下降；⑵重要的和敏感的自动控制、保护装置不正确动作；⑶危害到功率处理器自身的正常运行。2020/1/24186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2020/1/24196波形畸变与电力谐波二、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2020/1/242025011100%8001000fhhhhfhhpfUTHFFfpU谐波频率该频率权值6波形畸变与电力谐波四、谐波对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：K1M≈1,在THD=20时：K3M≈0.6，K5M≈0.4，K7M≈0.28对电子式电度表：K1M=KhM=1可见：机械感应式电度表更能反映实际情况。2020/1/242111MMhMhMPKPKP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，不利于线性用户和电力部门。1R1RRRPJ2hhKPKP：2020/1/242211PJ1MMhMhMKPKP：hMhRPP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。1hXhX2020/1/2423若：IshIh，系统谐波电流放大IchIh，电容器谐波电流放大Ish，IchIh，谐波严重放大1cchXXh6波形畸变与电力谐波2020/1/2424为防止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sCKCsXXkXXCXhChhCKsshChKhshChIIhXhXhXhXIXXXI'hshhcKsCKhshshshIIhXhXhXhXhXIXXI'21hkssIIhChCh2211hkshkIIhshsh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01hsk1khk2020/1/2425112hsk212hsk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2020/1/24266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：1111112111CKCCKKCUIXXUIXUIXUQXk2020/1/24272221122222112211221122111111ChCCChChhhKKKhKhhhMCCChhhMKKKhKhhhUUUUHRIhUUUUhHRIUUUUHRIhUUUUhHRIdNcNdCSUQUXQU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h35711139,13,偶次Kh1.621.280.720.180.0802020/1/2428hjhihhjhihAAKAAM226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2020/1/2429