《諧波與諧波阻抗》PPT課件

電氣化鐵道并聯(lián)綜合補償及其應用 諧波定義供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1)稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics)或分數(shù)諧波。諧波實際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。電工技術領域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制，其頻率范圍一般為2n40。 4諧波及諧波阻抗特性4.1概述 用Fourier級數(shù)表示( ) ( ), 0,1,2,f t f t kT k 設用周期為T的函數(shù)表示實際畸變電流或電壓0 11( ) sin( )n nnf t a a n 交直型電力牽引負荷是單相整流負荷，主要含有奇次諧波)sin(2)( 11 nn n tnIti 諧波的產(chǎn)生向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波電壓的電氣設備稱為諧波源。1.非正弦電壓作用于線性負載或系統(tǒng)2.正弦電壓作用于非線性系統(tǒng) 具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源，例如帶有功率電子器件的變流設備，交流控制器和電弧爐、感應爐、熒光燈、變壓器等。這些設備取用的電流是非正弦形的，其諧波分量使系統(tǒng)正弦電壓產(chǎn)生畸變。諧波電流的量取決于諧波源設備本身的特性及其工作狀況，而與電網(wǎng)參 數(shù)無關，故可視為恒流源。 第一種諧波產(chǎn)生方式：非正弦電壓作用于線性網(wǎng)絡。從線性網(wǎng)絡觀之，可視非正弦電壓為內(nèi)阻很低的諧波電壓源，或直接視為諧波電壓源。電力系統(tǒng)中這類諧波源主要描述處于逆變狀態(tài)下的換流裝置對交流系統(tǒng)的作用。第二種諧波產(chǎn)生方式：正弦電壓作用于非線性系統(tǒng)。從交流系統(tǒng)看非線性系統(tǒng)，則非線性系統(tǒng)表現(xiàn)為內(nèi)阻很低的諧波電流源，或直接視為諧波電流源。具有非線性特性的電氣設備是主要的諧波源，諧波電流的量取決于諧波源設備本身的特性及其工作狀況，而與電網(wǎng)參數(shù)無關，故可視為恒流源。 1、非線性電磁耦合裝置幾乎所有帶鐵芯的裝置，像電力變壓器、靜止補償裝置的飽和電抗器等通常都具有非線性伏安特性，故即使正弦電壓作用下也會使電流波形畸變，其中以3次諧波為主。磁路嚴重飽和（如暫態(tài)過程中的直流分量作用）時，電流波形畸變加劇，除3次及3的整數(shù)倍諧波電流外的高次諧波愈加顯著，同時也使系統(tǒng)電壓的波形畸變。一般變壓器和電抗器的空載合閘涌流可達額定電流的68倍，此時諧波分量極為明顯。但正常工作時變壓器的飽和非線性及產(chǎn)生的諧波可予不記，而飽和電抗器的正常工作產(chǎn)生的諧波通常因配有較好的濾波裝置而不對交流系統(tǒng)產(chǎn)生過大影響。 2.換流裝置相對三相系統(tǒng)而言，這些換流裝置可進一步分為對稱換流裝置和不對稱換流裝置。對稱換流裝置中最簡單的和具有原理性的是三相換流橋，它又分為三相全控（使用6晶閘管即可控硅）橋，三相半控（用3個可控硅和價格便宜的3支二極管）橋和三相不控（用6支二極管）橋三種。三相不控橋：整流，自然換相，電壓不可調半控橋：整流，改變?nèi)Э煽毓璧目刂平强烧{電壓全控橋：整流，逆變，電壓可調 p相換流裝置，其諧波次數(shù)為 12 kpn認為直流側輸出理想直流電流時，則交流側（波形為方波）的諧波電流含量 na n 1相數(shù)倍增法。工程中有6相，12相，24相等的應用，并通過3-相變壓器（配以移相裝置）完成倍相變換。p相換流裝置正常工作時只產(chǎn)生部分奇次諧波而不產(chǎn)生偶次諧波。 廣義地看，基波以外的頻率信號都稱之為諧波。通常，諧波：把基波整倍數(shù)頻率的正弦信號分量稱為諧波分數(shù)諧波：基波分數(shù)倍數(shù)的諧波稱為分數(shù)諧波次諧波：小于1的分數(shù)對應的諧波稱為次諧波（中）間諧波：大于1的分數(shù)對應的諧波稱為交互諧波或中間諧波。特征諧波是指定系統(tǒng)（裝置）正常運行所產(chǎn)生的諧波。如三相整流橋產(chǎn)生的5、7、11、13、17、19等次諧波為其特征諧波，電力機車產(chǎn)生的3、5、7、9等次諧波以外的諧波稱為非特征諧波，它通常在3及以上相的換流裝置中因電壓不平衡、相或觸發(fā)不對稱以及其他不正常情況下而造成。 變壓器激磁電流中含有3，5，7等各次諧波分量。由于變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法，為3次諧波提供了通路，故3次諧波電流不流入電網(wǎng)。但當各相激磁電流不平衡時，可使3次諧波的殘余分量（最多可達20%）進入電網(wǎng)。當電網(wǎng)接有多個諧波源時，由于各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同，其和將小于各分量的算術和。 諧波污染對電網(wǎng)及用戶的主要影響諧 波 電 流 對 電 力 系 統(tǒng) 發(fā) 電 機 的 不 良 影 響 諧 波 電 流 流 入 三 相 定 子 繞 組 時 ， 產(chǎn) 生 旋 轉 磁 場 ， 引 起 振 動扭 矩 。 諧 波 旋 轉 磁 場 對 轉 子 以 數(shù) 倍 同 步 轉 速 的 速 度 相 交 鏈 ，因 此 在 轉 子 回 路 中 感 應 出 數(shù) 倍 基 波 頻 率 的 電 壓 和 電 流 。 由 定子 的 諧 波 旋 轉 磁 場 與 轉 子 的 激 磁 電 流 以 及 由 定 子 的 工 作 旋 轉磁 場 與 諧 波 在 轉 子 中 感 應 的 電 流 相 互 作 用 而 產(chǎn) 生 的 交 變 電 磁力 矩 ， 傳 到 轉 子 轉 軸 和 定 子 機 座 上 ， 引 起 額 外 的 振 動 扭 矩 。 諧 波 電 流 流 入 三 相 定 子 繞 組 時 ， 還 增 加 定 子 繞 組 和 定 子 鐵芯 的 附 加 電 能 損 失 和 發(fā) 熱 。 引 起 轉 子 激 磁 繞 組 的 附 加 發(fā) 熱 。 當 諧 波 電 流 與 負 序 電 流 同時 流 入 三 相 定 子 繞 組 時 ， 則 在 轉 子 激 磁 繞 組 回 路 中 感 應 出 6倍 或 12倍 基 波 頻 率 的 電 流 。 該 電 流 引 起 附 加 的 電 能 損 失 和 發(fā) 熱 。 引 起 阻 尼 繞 組 過 熱 ， 以 致 損 壞 。 由 于 諧 波 旋 轉 磁 場 在 轉 子上 的 阻 尼 繞 組 中 感 應 出 電 勢 而 引 起 電 流 。 當 感 應 電 流 過 大 時 ，會 導 致 阻 尼 繞 組 過 熱 ， 以 致 損 壞 。諧 波 電 流 對 感 應 電 動 機 的 不 良 影 響感 應 電 動 機 的 諧 波 功 率 損 失 主 要 是 銅 損 ， 當 流 過 感 應 電 動 機的 諧 波 電 流 增 大 時 ， 其 鐵 芯 齒 部 磁 飽 和 增 大 ， 使 基 波 電 抗 和諧 波 電 抗 都 減 小 ， 因 而 使 諧 波 功 率 損 失 增 大 。 此 外 ， 磁 飽 和也 會 引 起 激 磁 阻 抗 和 基 波 負 序 阻 抗 減 小 。 在 感 應 電 動 機 的 端電 壓 和 基 波 負 序 電 壓 一 定 時 ， 激 磁 電 流 和 負 序 電 流 引 起 的 銅損 也 會 增 大 。 從 而 引 起 附 加 發(fā) 熱 增 大 。 諧 波 電 流 對 電 力 系 統(tǒng)電 氣 計 量 儀 表 的 不 良 影 響高 次 諧 波 對 電 氣 計 量 儀 表 ， 特 別 是 電 能 計 量 儀 表 ， 影 響較 大 。 這 是 因 為 現(xiàn) 在 使 用 的 功 率 表 并 沒 有 關 于 受 高 次 諧 波 和 功 率 因 數(shù) 影 響 而 產(chǎn) 生 誤 差 的 限 制 措 施 。 諧 波 電 流 對 電 力 系 統(tǒng) 變 壓 器 的 不 良 影 響由 于 諧 波 電 流 流 入 變 壓 器 產(chǎn) 生 的 鐵 芯 磁 滯 現(xiàn) 象 會 引 起 噪 音 增大 。 此 外 ， 還 會 由 高 次 諧 波 電 流 、 電 壓 而 引 起 的 附 加 鐵 損 和銅 損 ， 使 變 壓 器 總 電 能 損 失 增 大 ， 容 量 利 用 率 減 小 。造 成 電 網(wǎng) 功 率 損 耗 增 加 ， 線 路 和 設 備 過 熱 ；引 起 變 電 站 局 部 的 并 聯(lián) 或 串 聯(lián) 諧 振 ， 造 成 電 力 設 備損 壞 ；造 成 繼 電 保 護 和 自 動 裝 置 誤 動 作 ； 增 大 磁 場 干 擾 ， 影 響 電 子 儀 表 和 通 信 系 統(tǒng) 的 正 常 工作 ， 降 低 通 信 質 量 。 國 外 電 力 專 家 對 諧 波 標 準 的 認 識 (1) 諧 波 標 準 制 定 受 經(jīng) 驗 影 響 ， 各 國 的 經(jīng) 驗 都 是 在諧 波 問 題 長 期 研 究 和 治 理 過 程 中 逐 步 積 累 的 ， 各 國 形 成諧 波 標 準 時 考 慮 的 因 素 也 是 多 樣 化 的 ， 很 少 有 標 準 是 完全 建 立 在 對 系 統(tǒng) 特 性 的 詳 細 理 論 研 究 基 礎 上 ， 所 以 標 準在 形 式 上 大 多 是 趨 于 經(jīng) 驗 和 保 守 的 。 (2) 各 國 在 制 定 諧 波 標 準 時 ， 充 分 考 慮 了 本 國 電 力系 統(tǒng) 的 特 殊 性 以 及 多 種 關 注 因 素 。 不 同 國 家 的 標 準 ， 例如 英 國 和 新 西 蘭 標 準 ， 存 在 較 大 差 異 也 是 正 常 的 。 脫 離 各 國 背 景 ， 評 論 不 同 國 家 標 準 優(yōu) 劣 是 沒 有 意 義的 ;同 樣 ,不 了 解 本 國 實 際 情 況 套 用 他 國 標 準 也 是 不 妥 的 。 (3) 各 國 諧 波 標 準 反 映 的 是 當 前 時 期 本 國 電 網(wǎng) 和 非線 性 用 戶 之 間 達 成 的 平 衡 或 妥 協(xié) ， 所 以 諧 波 標 準 不 是 永久 不 變 的 ， 諧 波 標 準 的 執(zhí) 行 也 不 是 僵 硬 的 。 (4) 用 戶 在 諧 波 標 準 下 的 權 益 應 予 充 分 關 注 。 我 國 自 20世 紀 80年 代 起 開 展 電 力 諧 波 研 究 ， 并 已 取 得眾 多 基 礎 性 成 果 。 諧 波 國 家 標 準 GB/T 14549-93 電 能 質 量 公 用 電 網(wǎng) 諧波 自 1994年 3月 起 開 始 實 施 。 基 于 IEC 61000-3-6技 術 文 件 的 國 家 標 準 化 指 導 性 技 術文 件 GB/Z 17625.4-2000 電 磁 兼 容 限 值 中 、 高 壓 電 力 系統(tǒng) 中 畸 變 負 荷 發(fā) 射 限 值 的 評 估 也 于 2000年 12月 頒 布 。 在 電 氣 化 鐵 道 諧 波 評 估 方 面 ， 我 國 電 力 和 鐵 路 部 門 長 期 以來 存 在 較 大 爭 議 。 綜 合 考 慮 國 內(nèi) 外 經(jīng) 驗 ， 我 國 鐵 路 專 家 認 為 對 電 氣 化 鐵 路諧 波 考 核 應 主 要 針 對 諧 波 電 壓 ， 采 用 總 量 控 制 方 法 ， 以 電 鐵總 諧 波 電 壓 畸 變 率 作 為 諧 波 限 值 ， 不 再 對 各 次 諧 波 電 流 進 行評 估 。 鐵 路 專 家 認 為 牽 引 變 電 所 作 為 電 氣 化 鐵 路 諧 波 源 頭 ， 如 果控 制 其 110 kV（ 或 220 kV） 母 線 總 諧 波 電 壓 畸 變 率 不 超 標 ，那 么 連 接 它 的 公 共 連 接 點 的 總 諧 波 電 壓 畸 變 率 必 然 不 會 超 標 。 英 、 美 、 加 拿 大 等 國 對 電 氣 化 鐵 路 側 重 諧 波 電 壓 考 核 。 傳 統(tǒng) 功 率 理 論 單相正弦電路功率理論2 sin2 sin( )2 cos sin 2 sin cosp qu U ti I tI t I ti i 2 cos sin2 sin cospqi I ti I t 有功功率P（平均功率） 202020201 ( )21 ( ) ( )21 ( cos cos 2 ) ( )21 sin sin 2 ( )2 cos p qP uid tui ui d tUI UI t d tUI td tUI 電路的無功功率sinQ U I 無功分量的平均值為零說明它只進行能量交換而不消耗功率，這種能量交換通常發(fā)生在電源和有儲能元件的負載之間，Q表明了這種能量交換的幅度 。ip有功電流分量，iq無功電流分量。 工程上還把設備的電壓和電流的有效值的乘積作為其功率設計的極限，用來表示設備的最大可利用容量。即視在功率 2 2 2S U IS P Q S為有功P的最大值。P越接近S則說明設備的容量利用得越充分。功率因數(shù): c o sPS 非正弦不平衡條件下的電壓量和電流量假設非正弦相電壓和線電流定義如下（b、c相類似）1 ,1( ) 2 ( )sin( )a a a hhu t U h h t 1 ,1( ) 2 ( )sin( )a a a hhi t I h h t 相電壓和線電流的方均根值和諧波分量有關 2 2 2 2 2112 2 2 2 211(1) ( ) (1)(1) ( ) (1)a a a a aHha a a a aHhU U U h U UI I I h I I 區(qū)分了基頻和非基頻分量（總諧波） 三相三線制電力系統(tǒng)沒有中性線電流，有效三相電壓和電流的計算表示為2 2 2 2 2 23 3a b c a b ce eU U U I I IU I 三相三線制電力系統(tǒng)與無法采用人為中性點來測量相電壓，則有效三相電壓可以用相間電壓方均根值計算 2 2 23ab bc cae U U UU 三相三線制電力系統(tǒng)中有效電壓和有效電流的基頻和非基頻分量定義為2 2 21 2 2 21 (1) (1) (1)3(1) (1) (1)3ab bc cae a b ce U U UU I I II 2 2 22 2 233abH bcH caHeH aH bH cHeH U U UU I I II 有效三相電壓和電流 2 2 212 2 21e e eHe e eHU U UI I I 電壓總諧波畸變率和電流總諧波畸變率1 1eH eHeU eIe eU ITHD THDU I 視在功率定義:廣泛使用的是在功率定義可以區(qū)分為算數(shù)或矢量視在功率方法，IEEE1459-2000中闡述并論證了有效（或系統(tǒng)）是在功率是最合適的定義。2 2 2 2 2 22 2 2a a Ba Bab b Bb Bbc c Bc BcS P Q DS P Q DS P Q D 三相算術視在功率1、算術視在功率：單相電力系統(tǒng)的Budeanu功率定義, ,1 , ,1 2 2 2( ) ( )cos( )( ) ( )sin( )a a a a h a hhBa a a a h a hhBa a a BaP U h I hQ U h I hD S P Q A a b cS S S S ,3,3,3 a b cBa Bb BcBa Bb BcP P P PQ Q Q QD D D D 三相矢量視在功率2、矢量視在功率 2 2 2,3 ,3 ,3VS P Q D 三相總有功功率、Budeanu無功功率、畸變功率視在功率, ,1 , ,1 2 2 2( ) ( )cos( )( ) ( )sin( )a a a a h a hhBa a a a h a hhBa a a BaP U h I hQ U h I hD S P Q 2 2 2 2 2 21 1 1 1( ) ( ) ( ) ( ) ( )e e e e e e eH eH e eH eHS U I U I U I U I U I 3、有效視在功率三相有效視在功率可以用基頻與非基頻電壓和電流分量表示三相有效視在功率包括基頻視在功率和非基頻視在功率2 2 21e e eNS S S 非基頻視在功率包括三個畸變分量 2 2 2 2 2 2 21 1( ) ( ) ( )eN e eH eH e eH eH eI eU eHS U I U I U I D D D 電流畸變功率電壓畸變功率諧波畸變功率 非基頻視在功率包括三個畸變分量2 2 2 2 2 2 21 1( ) ( ) ( )eN e eH eH e eH eH eI eU eHS U I U I U I D D D 電流畸變功率電壓畸變功率諧波畸變功率有效諧波視在功率與諧波畸變功率、有效諧波有功功率有關 2 2 2,3eH H eHS P D 有效諧波視在功率有效諧波有功功率諧波畸變功率 4、基頻有功功率和無功功率：基于正序分量計算 2 2 21 1 11 1 1 11 1 1 1(1) (1) (1)(1) 3 (1) (1)cos (1)(1) 3 (1) (1)sin (1)S P QP U IQ U I 5、功率因數(shù)定義 ,3 3 ,3(1) He e eP P PPF S S 11 1(1)(1)PPF S,3 3 3 3 3 3 ,0 1( ) (1) ( ) (1) Hh hP P h P P h P P 電力系統(tǒng)諧波阻抗與特性電力系統(tǒng)的諧波阻抗就是指系統(tǒng)模型中指定節(jié)點的諧波阻抗隨頻率變化的規(guī)律。 fjXfRfZ 極坐標曲線 R f jX f阻抗模值曲線阻抗角曲線 Z f f 阻抗角導數(shù) dffd 2 2Z f R f X fX ff arctg R f 諧振分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。研究諧波阻抗特性最重要的就是研究系統(tǒng)中發(fā)生（局部）諧振時的阻抗特性，并找出規(guī)律，識別發(fā)生了哪種諧振并聯(lián)方式串聯(lián)方式pCp fCX 2 1 pLp fLX 2 sLs fLX 2 sCs fCX 2 1 0( )Z f1( )Y f 2( )Y f pR pL pC( )Z f ( )pZ f0( )Z f1( )Y f 2( )Y f sR sL sC( )Z f ( ) sZ f 并聯(lián)方式并聯(lián)方式的節(jié)點阻抗 11111 0 2 pZ f Y f Z f Y f Z f fjXfRfZ ppp 22 22 c Lp p pp C L C Lp p p p pR X XR f R X X X X 2 2 22 C L C Lp p p p pp C L C Lp p p p pR X X X XX f R X X X X 2 2p p pZ f R f X f LpCp LpCppppp XX XXRarctgfR fXarctgf 1111201 fZfYfZfYfZ s fjXfRfZ sss ss RfR CsLss XXfX fXfRfZ sss 22 s CsLssss R XXarctgfR fXarctgf 設虛框內(nèi)在基波下有相同的端口特性400100 , 100 , 7C Lp p pR X X 64 , 100 , 148C Ls s sR X X 并聯(lián)諧振的阻抗特性: 1、阻抗模值取得極大值，為純阻性；2、電抗由感性變?yōu)槿菪裕?并聯(lián)諧振的阻抗特性:3、阻抗角由正變負，阻抗角過零處，阻抗角導數(shù)取得極小值串聯(lián)諧振的阻抗特性:3、阻抗角由負變正，阻抗角過零處，阻抗角導數(shù)取得極大值串聯(lián)諧振的阻抗特性:1、阻抗模值取得極小值，為純阻性；2、電抗由容性變?yōu)楦行裕?結論4-1局部并聯(lián)諧振 使節(jié)點阻抗模值取得極大值，阻抗角由大最快變小，即為極小值（負最大值）；局部串聯(lián)諧振恰好相反，節(jié)點阻抗模值為最小值，阻抗角由小最快變大，即為極大值（正最大值）。 pff pZ f f fpfdffd sff f fsfdffd sZ f 并聯(lián)諧振：諧波阻抗取得極大值諧波阻抗角由正變負串聯(lián)諧振：諧波阻抗取得極小值諧波阻抗角由負變正 并聯(lián)諧振：X過零，由正變負串聯(lián)諧振：X過零，由負變正 無源交流濾波器分類：1按接入系統(tǒng)的方式，可分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種類型。串聯(lián)濾波器串入系統(tǒng)調諧濾波器，利用LC并聯(lián)諧振來阻礙諧波進入系統(tǒng) 基波下呈感性經(jīng)受全部電流，絕緣水平要求高并聯(lián)濾波器并入系統(tǒng)調諧濾波器，利用LC串聯(lián)諧振構成諧波通路 基波下呈容性 承受調諧的諧波電流和部分無功電流 2按調諧銳度，可把并聯(lián)濾波器分為調諧濾波器和阻尼濾波器兩種調諧濾波器調諧在某一、二次較低次諧波上 ，其中串聯(lián)（等效）電阻很小，也稱高Q（品質因數(shù)）濾波器 。阻尼濾波器 在某一寬頻帶上呈現(xiàn)低阻抗（如高通阻尼濾波器），其（等效）電阻較大，也稱低Q濾波器 。3 按階數(shù)可把并聯(lián)濾波器中的阻尼濾波器分為一階、二階和三階等阻尼濾波器。 常用濾波器及其特性 1 調諧濾波器v單調諧濾波器 忽略電阻，相對阻頻特性為 其中 為單調諧支路的固有頻率RLC( ) rrZ f fff fLC 12 rf LCrf v雙調諧濾波器 1R1L1C 2R2L3R2C 阻抗頻率特性在接近諧振頻率時，雙調諧濾波器可等效成兩個并聯(lián)的單調諧濾波支路。調諧濾波器對自身元件參數(shù)精度要求更高。環(huán)境溫度引起的元件參數(shù)變化以及電網(wǎng)頻率偏移都會使調諧濾波器失諧，考慮到這些因素就不能使調諧濾波器正好設計在某一次諧波的諧振點上，而是要往感性區(qū)作適當偏移。 2阻尼濾波器（高通濾波器）v一階阻尼濾波器 v二階阻尼濾波器 RC C LR v三階阻尼濾波器 三階阻尼濾波器 C型濾波器 調諧濾波器比阻尼濾波器對元件參數(shù)精度要求高。元件參數(shù)變化及電網(wǎng)頻率偏移都會使調諧濾波器失諧。設計時，需要在諧振點上向感性區(qū)做適當偏移。1C LR2C 1CL R2C 四、濾波原理與系統(tǒng)阻抗非線性負荷一般可視為諧波電流源。系統(tǒng)諧波電流和諧波電壓分別為 理想濾波器時， FhSh hSh FhZi iZ Z Sh FhSh nSh FhZ ZU iZ Z 0FhZ 實際濾波效果取決于濾波器阻抗及系統(tǒng)阻抗的關系。為感性且較大時，則能取得好的濾波效果。為容性時，就會造成h次諧波的放大。ShZShZ