电力电子谐波.ppt

电力电子谐波.ppt

《电力电子谐波.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《电力电子谐波.ppt（61页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

谐波及谐波治理谐波及谐波治理谐波问题交流一、什么是谐波二、谐波的产生三、谐波的危害四、谐波的抑制和消除一、什么是谐波一、什么是谐波来源“谐波”一词起源于声学。

18世纪人们就已经用数学对谐波进行分析。

傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。

电力系统的谐波问题早在20世纪20年代就引起了人们的注意。

当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。

1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文。

定义根据国标电能质量公用电网GB/T14549-93的定义：

“谐波（分量）为对周期性交流分量进行傅立叶分解，得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。

”也就是说谐波是一个周期电气量的正弦分量，其频率为基波频率的整倍数。

一个正弦波在5次谐波和7次谐波的影响下怎样发生畸变。

（相对于基波的24%和9%）。

7thharmonic5thharmonicfundamentalharmonicsdistortedwavefundamental基波和谐波引起的失真波形非正弦（余弦）波形的分析非正弦波信号通过傅立叶分析，可分解为多个不同频率的正弦波叠加3次谐波叠加29次谐波叠加那么对于一个电流波形，我们怎么分析他含有的谐波呢？

一般的，我们一个周期函数可表示如下：

发电厂出来的电可表示为：

利用傅立叶变换对函数进行分解系数可通过以下方式求得谐波种类偶次谐波:

2nd,4th,6th,8th奇次谐波:

3rd,5th,7th,11th正序谐波:

（3n+1）4th,7th,10th负序谐波:

（3n-1）2nd,5th,8th零序谐波:

（3n）3rd,6th,9th电压谐波总畸变率（失真率）:

V（THD）例如有一方波函数f（t）=20tT/2f（t）=-2T/2tT根据傅立叶展开公式，可以展开为合成图9次合成图形5次合成图形一般的，我们研究的电压、电流的瞬时值可以展开为：

在工程实际中常采用有效值来衡量电流和电压的大小。

以周期电流i（t）为例，其有效值I定义为含有谐波分量的电流值含有谐波分量的电流值定义非正弦周期电压或电流的有效值等于它的恒定分量的平方和各次谐波有效值的平方之和的平方根。

表示谐波的参量为了表示畸变波形偏离正弦波形的程度，最常用的特征量：

谐波含量总畸变率h次谐波的含有率所谓谐波含量，就是各次谐波的平方和开方。

谐波电流总畸变率第h次谐波电流含有率谐波电流的功率分析因为不同频率正弦波瞬时值的乘积在一个周期内的平均值等于零，经积分后得这就是说，非正弦周期量的平均功率等于恒定功率分量与各次谐波构成的平均功率之和，即仅有同频率的电压和电流才构成有功功率，而不同频率的电压和电流则不构成有功功率。

有功功率P无功功率Q我们知道，在正弦电路里无功功率表示电磁能量交换的最大值。

可是在非正弦情况下，按上式计算时，由于可以在四个象限之内，可能是正，也可能是负，所以各次可能相互抵消，甚至出现Q为零，但电流中的无功分量却不为零，也就是它不再有能量交换最大量度等物理意义了。

Q只是表明由于各次谐波电压和电流存在相位差而产生的无功功率之和。

视在功率S在非正弦波的情况下，视在功率仍可定义为显然而是畸变功率因Q只是同频电压和电流存在相位差引起的无功功率的总和，而交换功率中尚包含有不同次频率电压和电流引起的部分。

于是引入畸变功率D，使得D和Q的区别Q是由同频率电压和电流间的相位差引起的。

D是由于波形畸变，不同频率电压和电流相互作用引起的。

在存在非线性负荷的情况，即使没有储能元件，也可能产生无功功率。

由线性的储能元件引起电压和电流间的相位差别而产生的无功功率，可以利用线性元件（电容或电感）加以补偿，而由非线性负荷或元件引起的谐波，则不能简单地用线性元件加以补偿。

通常电压的波形畸变都很小，而电流波形的畸变则可能很大，因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波时的情况有较大的实际意义。

而且直流分量一般也很小，在这忽略不计。

计算的简化这样Q和D都有了明确的物理意义。

Q是基波电流产生的无功功率，D是谐波电流产生的无功功率。

含有谐波的功率因数式中I1/I，即基波电流和总电流有效值之比，称为基波因数。

而cos（11）称为位移因数或基波功率因数。

可以看出，在非正弦电路中，功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变两个因数决定的。

总电流也可以分为基波有功电流，基波无功电流和谐波电流三部份组成。

谐波电流含量越大，功率因数就越低。

二、谐波的产生整流元器件是最主要的谐波源。

如UPS，开关电源，变频器等都含有整流器。

这些元件轮回地导通和关断，造成了交流电源回路的波形强行发生了变化，使得正弦波产生畸变。

电流波形不再是正弦波形。

典型谐波产生源电子开关型电子开关型:

各种交直流换流装置、变频装置铁磁饱和型铁磁饱和型:

各种铁芯设备,如变压器、电抗器等，其铁磁饱和特性呈现非线性电弧型电弧型:

各种炼钢电弧炉、交流电弧焊机三相六脉冲整流在理想情况下的图形利用傅立叶级数进行分解基波正弦波各次谐波三、谐波的危害谐波的危害设备过热、中性线电流大、断路器动作；功率因数下降，电费增加；供电波形产生畸变，精密设备工作异常；测试计量器具显示不准；干扰通信系统1.电压畸变度变大我们维护规程规定电压波形正弦畸变不大于5，但是由于大量的谐波电流存在，使输入电压发生了畸变，经测试，个别局（站）的电压畸变度已经大于5，不符合我们交流供电的质量指标了。

谐波造成波形畸变基波与2次谐波无相差叠加基波与2次谐波有相差叠加基波与3次谐波无相差叠加基波与3次谐波有相差叠加谁会在意电能质量供电局供电局制造业制造业动力部门动力部门过程工业（冶金，石化）过程工业（冶金，石化）数据中心，运维部门数据中心，运维部门军队工业军队工业&政府事业政府事业集成商集成商电能治理公司电能治理公司2.谐波电流的大量存在，将降低设备的输入功率因数。

在不考虑相位差的情况下，谐波对功率因数的影响如下：

谐波谐波含量含量10%20%30%40%50%60%70%80%功率功率因数因数099098096093089086082078一般的，设备的输入功率因数如下式：

功率因数的影响无功损耗增大，降低了设备的利用率。

降低了企业总的输入功率因数，可能要多缴电费：

一般在供电合同中都明确有规定，用户功率因数在高峰负荷期间应达到cosn（对于我们电信企业，一般取0.9），高于这个标准者可以少缴电费（奖），低于这个标准则要多缴电费（罚）。

3.谐振问题为了补偿设备的无功功率，提高功率因数在低压配电处一般并联装有电容补偿滤波器。

在工频情况下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不产生谐振。

但是如果谐波含量高，这些谐波使电容的容抗变小而使系统的感抗变大，这样就容易产生谐振，使谐波电流经过电容器时进一步放大，使电容过热、寿命缩短，严重时甚至引起爆炸。

4.谐波对油机的影响

（一）柴油发电机组的内阻相对市电来说大了很多，非线性负载产生的谐波电流引起的电压畸变就大很多，造成油机输出电压失真严重。

这就会造成：

控制部分可能对失真严重的输出波形发生误判断，认为是过压、超频等原因，从而造成油机停机；输出电压不稳，输出高压造成所带负载烧毁。

4.谐波对油机的影响

（二）下表为不同非线性负载对柴油发电机组（200KVA）输出电压畸变度的影响。

发电机组允许的电压畸变度发电机组允许带负载的百分比12脉冲整流UPS6脉冲整流UPS单相整流UPS5%78%42%22%10%100%69%36%15%100%96%52%5.谐波对能耗的影响对变压器的影响：

对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损耗增加，谐波电压则会增加铁损。

与纯基波运行的正弦波电流和电压相比较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。

由谐波所引起的额外损耗将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基波负载容量下降。

5.谐波对能耗的影响对电缆的影响在导体中非正弦波电流所产生的热量与具有相同均方根值的纯正弦波电流相比较，非正弦波会有较高的热量。

该额外温升是由众所周知的集肤效应所引起的，而这种现象取决于频率及导体的尺寸。

这种效应如同增加导体交流电阻，进而导致损耗增加。

式中Rhh次谐波频率下的线路电阻。

Rh随频率升高而增加，例如直径为0.76cm的圆形导体，其基波及5、7、11次谐波的交流电阻分别为直流电阻的1.01，1.21，1.35倍及1.65倍。

导线的直径愈大，因集肤效应而使谐波频率下的电阻增加愈明显，谐波产生的附加损耗也越大。

例：

基波电流300A,含有100A谐波电流的导线，其损耗可计算得：

电阻取0.5欧一年耗费电费值得注意的地方虽然谐波治理可以带来一定的节能效果，但谐波治理的主要目的不是为了节能。

6.谐波电流产生的电磁干扰谐波的存在，会使控制设备损坏或出现误动作的几率大大增加。

电力电子设备对供电电压的谐波畸变很敏感，如可编程控制器（PLC），通常要求总谐波电压畸变率（VTHD）小于5%，且个别谐波电压畸变率低于3%，较高的畸变量可导致控制设备误动作。

这也是为什么一些大型UPS控制板容易烧坏，以及一些监控设备出现误动作的重要原因。

四、谐波的抑制和消除采用新型的设备增加滤波器采用新技术的设备可以从源头上减少谐波电流。

比如12脉冲的ups。

滤波器分为无源滤波器和有源滤波器无源滤波器无源滤波器由电容器和电抗器串联而成，并调谐在某个特定谐波频率。

滤波器对其所调谐的谐波来说是一个低阻抗的“陷阱”。

理论上，滤波器在其调谐频率处阻抗为零，因此可吸收掉要滤出的谐波。

无源滤波器的不足

（一）只能抑制固定的几次谐波，并且对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大，引起其他事故；只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；无源滤波器的不足

（二）其滤波特性依赖于电源阻抗，受系统参数影响较大，并且其滤波特性有时很难与调压要求相协调；由于对其中的元件参数和可靠性要求较高，且不能随时间和外界环境变化，故对无源滤波器的制造工艺要求也很高；无源滤波器的不足（三）对系统负荷变化较大的情况，不宜采用；重量与体积较大等等。

有源滤波器与无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控制特性，并且能跟踪补偿各次谐波、自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，无谐波放大危险，相对体积重量较小等突出优点，因而已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段。

有源滤波器系统主要由两大部分组成，即指令电流检测电路和补偿电流发生电路。

补偿电流发生器指令电流运算电流跟踪控制负载iissiicciicciiLLVVss指令电流信号ic=-（iLh+iLq）有源滤波器的电路控制方式模拟追踪补偿方式模拟追踪补偿方式的滤波器原理是将电源电流采样后，将基波滤除，而将剩下的谐波量翻转去抵消电源电流中的谐波响应速度快（1ms），并且可以补偿250次谐波快速傅里叶级数方式将电流采样后，使用快速傅里叶级数计算的方式将其分解为各次波形，然后可以针对其中的特定某次谐波进行消除。

需要采样至少一个完整的波形才能进行付里叶级数的计算，故响应速度一般在2040ms无源与有源滤波器的比较谐波处理能力谐波处理能力无源滤波器只能滤除固定次数的谐波；但完全可以解决系统中的谐波问题，解决企业用电过程中的实际问题，且可以达到国家电力部门的标准；有源滤波器可动态滤除各次谐波。

系统阻抗变化的影响系统阻抗变化的影响无源滤波器受系统阻抗影响严重，存在谐波放大和共振的危险；而有源滤波不受影响。

频率变化的影响频率变化的影响无源滤波器谐振点偏移，效果降低；有源滤波器不受影响。

负载增加的影响负载增加的影响无源滤波器可能因为超载而损坏；有源滤波器无损坏之危险，谐波量大于补偿能力时，仅发生补偿效果不足而已。

负载变化对谐波补偿效果的影响负载变化对谐波补偿效果的影响无源滤波器补偿效果随着负载的变化而变化；有源滤波器不受负载变化影响。

设备造价设备造价无源滤波器较低；有源滤波器太高。

应用场合对比分析应用场合对比分析1.有源滤波容量单套不超过100KVA，无源滤波则无此限制；2.有源滤波在提供滤波时，不能或很少提供无功功率补偿，因为要占容量；而无源滤波则同时提供无功功率补偿。

3