电能质量分析与控制(第六章)

电能质量分析与控制第六章波形畸变与电力谐波孙辉《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院内容提要《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院内容提要大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院内容提要《电能质量分析与控制》《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院谐波畸变非线性电阻引起的电流畸变6.2波形畸变的基本概念畸变波形的Fourier级数表示谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍6.2波形畸变的基本概念大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》几个概念问题间谐波与次谐波谐波与暂态现象间谐波——非工频频率整数倍的周期性电流的波动次谐波——频率低于工频的间谐波暂态过程的实测波形中带有明显高频分量的畸变波形。电力系统仅在受到突然扰动之后，才呈现出高频特性，但这些高频分量并不是谐波，与系统的基波频率无关。陷波换流装置在换相时会导致电压波形出现换相缺口，这种畸变是周期性的，但不属于谐波范围6.2波形畸变的基本概念大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》畸变的周期性电压和电流分解成傅里叶级数畸变周期性电压电流总方均根值的确定仍可以根据方均根值的定义谐波初相角对波形的影响6.2波形畸变的基本概念大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》•谐波的数学表达理想状态：)sin(2)(tUtu非正弦状态：)sin()(10nnntncatuN次谐波含有率：%100HRU1UUnn谐波含量：22UnnHU谐波总畸变率：％100THD1uUUH6.2波形畸变的基本概念《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院•无功功率正弦电路：若tUusin2qpiitIi)sin(2有功功率：cosUIP无功功率：sinUIQ平均功率6.2波形畸变的基本概念大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》有功功率：nnnnIUPcos1电压和电流的有效值：1212UnnnnIIU视在功率：1212SnnnnIU无功功率：22QPS畸变功率：2222222DnnfIUQPS非正弦电路：《电能质量分析与控制》6.2波形畸变的基本概念大连理工大学电气工程学院111121cos=cos1+IIIPFDPFIITHD功率因数：仅有同频率的电压和电流才构成有功功率；对称三相系统电压、电流的各次谐波具有不同的相序特性；不同频率的无功功率是不可能互相抵消或补偿的。不对称三相系统各次谐波的相序和对称时不同，各次谐波都可能不对称，可用对称分量法分解。内容提要《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院发电机和电动机变压器与电抗器电弧的非线性伏安特性整流换流装置电力机车家用电器6.3供用电系统典型谐波源铁磁饱和型电弧型电子开关型《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院（1）发电机磁饱和非线性产生的谐波发电机磁极磁场并非完全按正弦分布定子绕组出现的负序电流引起，转子侧偶次，定子侧齐次6.3供用电系统典型谐波源《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院变压器与电抗器铁磁饱和电压与磁通为正弦波电流为正弦波计及磁滞影响6.3供用电系统典型谐波源一般小于额定满载电流的1%《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院实测某变压器空载电流谐波变压器空载电流谐波成分与铁芯材料的关系6.3供用电系统典型谐波源《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院电弧的非线性伏安特性电弧炉熔炼初期的谐波电流成分电石炉一次侧谐波电流成分电弧炉电石炉电流增大，电阻更快降低6.3供用电系统典型谐波源《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院电力机车系统侧双半波整流6.3供用电系统典型谐波源《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院6.3供用电系统典型谐波源《电能质量分析与控制》6.3供用电系统典型谐波源大连理工大学电气工程学院整流换流装置单相全控桥式整流器工作原理：直流侧电感量不够大，电流将出现波动。当电感中储存的能量不足以维持电流导通到，负载电流就会出现断续。+6.3供用电系统典型谐波源《电能质量分析与控制》《电能质量分析与控制》整流换流装置6.3供用电系统典型谐波源大连理工大学电气工程学院特点：每个基波周期变换6次；整流电压脉动较小，脉动频率很高；三相平衡，对电力系统影响很小；不产生三次谐波。cabuuu56611223344556VVVVVVVVVVVVVV三相六脉动全波不控整流分析6.3供用电系统典型谐波源《电能质量分析与控制》直流侧平均电压：A相电流：61k基波电流方均根值：h次谐波电流方均根值：交流侧线电压的方均根值6.3供用电系统典型谐波源三相全波全控整流桥从线电压过零处开始计算直流侧电压平均值：有功功率：功率因数角1直流功率：整流电路从电力系统吸取无功功率；畸变所引起的功率因数降低则只能通过减小谐波含有率得到改善《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院电弧炉6.3供用电系统典型谐波源交流电弧炉为三相不平衡的谐波电流源《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院桥式整流电容平波电路整流元件要等到整流电压大于电容器的储能电压时才能导通6.3供用电系统典型谐波源家用电器《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院家用电器电力调节电路用于照明调光及电热调温等家电中用晶闸管调节负荷电流的大小6.3供用电系统典型谐波源《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院家用电器6.3供用电系统典型谐波源《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院内容提要《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院谐波谐振引起设备烧毁干扰通讯产生振动与噪声电气设备过热绝缘老化6.4谐波的影响与危害《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院对变压器的影响负荷电流含有谐波引起变压器发热涡流损耗：涡流是由磁链引起的变压器的感应电流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。电压畸变使铁芯叠片中的涡流增加。6.4谐波的影响与危害大连理工大学电气工程学院对电机的影响电机受谐波电压畸变的影响较大谐波电压畸变谐波磁链高频电流发热、振动、高频噪声对电机的转矩影响不大6.4谐波的影响与危害《电能质量分析与控制》对通信的干扰谐波电流在相应并联导线中感应的电压频率通常在音频范围内。3次、9次、15次谐波最容易引起问题人的听觉对800-1200Hz的噪声较为敏感h次谐波的噪声加权系数6.4谐波的影响与危害《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院谐波对电能计量的影响电网中的基波和谐波有功潮流6.4谐波的影响与危害《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院1GP11RRPP11MMPP1MP1RPRMhRPhGhMhGhMPPPPhGPhMhMPPhMP考虑谐波影响产生的误差时，两电表所反映的功率为发电机消耗的燃料或水能只和所发出的基波电能成正比电动机所做的功只和它从电网得到的基波电能成正比K1工频，近于1.0Kh谐波h越大，kh越小感应式电表电子式电表对谐波功率的响应和对基波功率的响应相同Kh越小计量才越能真实反映实际的电力平衡误差大K1=Kh6.4谐波的影响与危害大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》Kh主要取决于谐波功率产生的响应内容提要《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院谐波源处看到的并联谐振隐患并联谐振造成电压降6.5谐波谐振与放大系统的谐波响应产生谐波压降承受负荷所产生的谐波电流发生谐振存在谐波阻抗容性设备并联电容器《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院shhII系统谐波电流放大shhIIChhII谐波电流严重放大ChhII电容谐波电流放大系统电容器6.5谐波谐振与放大电容器引起的谐波放大电容器与主系统的谐波电流关系分配系数谐波源《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院内容提要大连理工大学电气工程学院6.6系统谐波阻抗简化谐波网络谐波阻抗snZ——可计算或实测得到。也可据该处网络情况进行估算kNsnSUnX2谐波源接入处母线上的谐波电压估算kNnsnnnSUnIZIU233注：（1）短路容量应取最小运行方式下的短路容量（2）此算法十分粗糙，谐波源附近有电容器时应分开分析低压系统谐波阻抗的近似计算《电能质量分析与控制》《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院内容提要《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院不同源的同次谐波合成，两者相位角确定不同源的同次谐波合成，两者相位角随机概率统计6.8谐波电压限值与电流允许值《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院用户注入配电系统的谐波电流允许值6.8谐波电压限值与电流允许值2dlhdSIS公共连接点的最小短路容量基准短路容量使用时应当折算内容提要《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院6.9谐波电流的检测技术非正弦周期信号的采样《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院基于瞬时无功理论的谐波检测技术cos21212020UItduiuituidPqp基础理论——瞬时无功功率理论传统的功率定义有功功率定义：平均功率无功功率定义：sinUIQ6.9谐波电流的检测技术《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院三相电路无功功率理论思想32abceeCeee32abciiCiii3211/21/22/303/23/2C6.9谐波电流的检测技术基于瞬时无功理论的谐波检测技术cbabacacbccbbaaieeieeieeqieieiep31三相电路瞬时功率定义——H.Akagicossinpqiiii瞬时有功电流和无功电流pqpeiqei瞬时有功功率和无功功率6.9谐波电流的检测技术基于瞬时无功理论的谐波检测技术大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》运算方式运算方式pqpqii基于瞬时无功理论的谐波检测技术6.9谐波电流的检测技术《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》内容提要预防性措施6.10电力谐波的抑制技术大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》供电设备在设计、制造、配置等方面采取减少谐波的措施；增加整流器的脉动数；采用可控整流。补偿性措施改变馈线参数；采用滤波器。单调谐滤波6.10电力谐波的抑制技术——补偿性措施大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》有源滤波技术原理6.10电力谐波的抑制技术《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院全控型功率器件结构框图6.10电力谐波的抑制技术大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》分类6.10电力谐波的抑制技术《电能质量分析与控制》大连理工大学电气工程学院有源滤波装置6.10电力谐波的抑制技术大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》有源滤波6.10电力谐波的抑制技术大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》改进型有源滤波装置6.10电力谐波的抑制技术大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》基波谐振改进型有源滤波装置6.10电力谐波的抑制技术大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》•统一电能质量调节器原理框图6.10电力谐波的抑制技术大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》主电路6.10电力谐波的抑制技术大连理工大学电气工程学院《电能质量分析与控制》矢量控制2(11-1)12(10-1)23(01-1)34(-110)