《谐波与谐波阻抗》PPT课件

电气化铁道并联综合补偿及其应用 谐波定义供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2n40。 4谐波及谐波阻抗特性4.1概述 用Fourier级数表示( ) ( ), 0,1,2,f t f t kT k 设用周期为T的函数表示实际畸变电流或电压0 11( ) sin( )n nnf t a a n 交直型电力牵引负荷是单相整流负荷，主要含有奇次谐波)sin(2)( 11 nn n tnIti 谐波的产生向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。1.非正弦电压作用于线性负载或系统2.正弦电压作用于非线性系统 具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例如带有功率电子器件的变流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变压器等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参 数无关，故可视为恒流源。 第一种谐波产生方式：非正弦电压作用于线性网络。从线性网络观之，可视非正弦电压为内阻很低的谐波电压源，或直接视为谐波电压源。电力系统中这类谐波源主要描述处于逆变状态下的换流装置对交流系统的作用。第二种谐波产生方式：正弦电压作用于非线性系统。从交流系统看非线性系统，则非线性系统表现为内阻很低的谐波电流源，或直接视为谐波电流源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源。 1、非线性电磁耦合装置几乎所有带铁芯的装置，像电力变压器、静止补偿装置的饱和电抗器等通常都具有非线性伏安特性，故即使正弦电压作用下也会使电流波形畸变，其中以3次谐波为主。磁路严重饱和（如暂态过程中的直流分量作用）时，电流波形畸变加剧，除3次及3的整数倍谐波电流外的高次谐波愈加显著，同时也使系统电压的波形畸变。一般变压器和电抗器的空载合闸涌流可达额定电流的68倍，此时谐波分量极为明显。但正常工作时变压器的饱和非线性及产生的谐波可予不记，而饱和电抗器的正常工作产生的谐波通常因配有较好的滤波装置而不对交流系统产生过大影响。 2.换流装置相对三相系统而言，这些换流装置可进一步分为对称换流装置和不对称换流装置。对称换流装置中最简单的和具有原理性的是三相换流桥，它又分为三相全控（使用6晶闸管即可控硅）桥，三相半控（用3个可控硅和价格便宜的3支二极管）桥和三相不控（用6支二极管）桥三种。三相不控桥：整流，自然换相，电压不可调半控桥：整流，改变三支可控硅的控制角可调电压全控桥：整流，逆变，电压可调 p相换流装置，其谐波次数为 12 kpn认为直流侧输出理想直流电流时，则交流侧（波形为方波）的谐波电流含量 na n 1相数倍增法。工程中有6相，12相，24相等的应用，并通过3-相变压器（配以移相装置）完成倍相变换。p相换流装置正常工作时只产生部分奇次谐波而不产生偶次谐波。 广义地看，基波以外的频率信号都称之为谐波。通常，谐波：把基波整倍数频率的正弦信号分量称为谐波分数谐波：基波分数倍数的谐波称为分数谐波次谐波：小于1的分数对应的谐波称为次谐波（中）间谐波：大于1的分数对应的谐波称为交互谐波或中间谐波。特征谐波是指定系统（装置）正常运行所产生的谐波。如三相整流桥产生的5、7、11、13、17、19等次谐波为其特征谐波，电力机车产生的3、5、7、9等次谐波以外的谐波称为非特征谐波，它通常在3及以上相的换流装置中因电压不平衡、相或触发不对称以及其他不正常情况下而造成。 变压器激磁电流中含有3，5，7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法，为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相激磁电流不平衡时，可使3次谐波的残余分量（最多可达20%）进入电网。当电网接有多个谐波源时，由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同，其和将小于各分量的算术和。 谐波污染对电网及用户的主要影响谐 波 电 流 对 电 力 系 统 发 电 机 的 不 良 影 响 谐 波 电 流 流 入 三 相 定 子 绕 组 时 ， 产 生 旋 转 磁 场 ， 引 起 振 动扭 矩 。 谐 波 旋 转 磁 场 对 转 子 以 数 倍 同 步 转 速 的 速 度 相 交 链 ，因 此 在 转 子 回 路 中 感 应 出 数 倍 基 波 频 率 的 电 压 和 电 流 。 由 定子 的 谐 波 旋 转 磁 场 与 转 子 的 激 磁 电 流 以 及 由 定 子 的 工 作 旋 转磁 场 与 谐 波 在 转 子 中 感 应 的 电 流 相 互 作 用 而 产 生 的 交 变 电 磁力 矩 ， 传 到 转 子 转 轴 和 定 子 机 座 上 ， 引 起 额 外 的 振 动 扭 矩 。 谐 波 电 流 流 入 三 相 定 子 绕 组 时 ， 还 增 加 定 子 绕 组 和 定 子 铁芯 的 附 加 电 能 损 失 和 发 热 。 引 起 转 子 激 磁 绕 组 的 附 加 发 热 。 当 谐 波 电 流 与 负 序 电 流 同时 流 入 三 相 定 子 绕 组 时 ， 则 在 转 子 激 磁 绕 组 回 路 中 感 应 出 6倍 或 12倍 基 波 频 率 的 电 流 。 该 电 流 引 起 附 加 的 电 能 损 失 和 发 热 。 引 起 阻 尼 绕 组 过 热 ， 以 致 损 坏 。 由 于 谐 波 旋 转 磁 场 在 转 子上 的 阻 尼 绕 组 中 感 应 出 电 势 而 引 起 电 流 。 当 感 应 电 流 过 大 时 ，会 导 致 阻 尼 绕 组 过 热 ， 以 致 损 坏 。谐 波 电 流 对 感 应 电 动 机 的 不 良 影 响感 应 电 动 机 的 谐 波 功 率 损 失 主 要 是 铜 损 ， 当 流 过 感 应 电 动 机的 谐 波 电 流 增 大 时 ， 其 铁 芯 齿 部 磁 饱 和 增 大 ， 使 基 波 电 抗 和谐 波 电 抗 都 减 小 ， 因 而 使 谐 波 功 率 损 失 增 大 。 此 外 ， 磁 饱 和也 会 引 起 激 磁 阻 抗 和 基 波 负 序 阻 抗 减 小 。 在 感 应 电 动 机 的 端电 压 和 基 波 负 序 电 压 一 定 时 ， 激 磁 电 流 和 负 序 电 流 引 起 的 铜损 也 会 增 大 。 从 而 引 起 附 加 发 热 增 大 。 谐 波 电 流 对 电 力 系 统电 气 计 量 仪 表 的 不 良 影 响高 次 谐 波 对 电 气 计 量 仪 表 ， 特 别 是 电 能 计 量 仪 表 ， 影 响较 大 。 这 是 因 为 现 在 使 用 的 功 率 表 并 没 有 关 于 受 高 次 谐 波 和 功 率 因 数 影 响 而 产 生 误 差 的 限 制 措 施 。 谐 波 电 流 对 电 力 系 统 变 压 器 的 不 良 影 响由 于 谐 波 电 流 流 入 变 压 器 产 生 的 铁 芯 磁 滞 现 象 会 引 起 噪 音 增大 。 此 外 ， 还 会 由 高 次 谐 波 电 流 、 电 压 而 引 起 的 附 加 铁 损 和铜 损 ， 使 变 压 器 总 电 能 损 失 增 大 ， 容 量 利 用 率 减 小 。造 成 电 网 功 率 损 耗 增 加 ， 线 路 和 设 备 过 热 ；引 起 变 电 站 局 部 的 并 联 或 串 联 谐 振 ， 造 成 电 力 设 备损 坏 ；造 成 继 电 保 护 和 自 动 装 置 误 动 作 ； 增 大 磁 场 干 扰 ， 影 响 电 子 仪 表 和 通 信 系 统 的 正 常 工作 ， 降 低 通 信 质 量 。 国 外 电 力 专 家 对 谐 波 标 准 的 认 识 (1) 谐 波 标 准 制 定 受 经 验 影 响 ， 各 国 的 经 验 都 是 在谐 波 问 题 长 期 研 究 和 治 理 过 程 中 逐 步 积 累 的 ， 各 国 形 成谐 波 标 准 时 考 虑 的 因 素 也 是 多 样 化 的 ， 很 少 有 标 准 是 完全 建 立 在 对 系 统 特 性 的 详 细 理 论 研 究 基 础 上 ， 所 以 标 准在 形 式 上 大 多 是 趋 于 经 验 和 保 守 的 。 (2) 各 国 在 制 定 谐 波 标 准 时 ， 充 分 考 虑 了 本 国 电 力系 统 的 特 殊 性 以 及 多 种 关 注 因 素 。 不 同 国 家 的 标 准 ， 例如 英 国 和 新 西 兰 标 准 ， 存 在 较 大 差 异 也 是 正 常 的 。 脱 离 各 国 背 景 ， 评 论 不 同 国 家 标 准 优 劣 是 没 有 意 义的 ;同 样 ,不 了 解 本 国 实 际 情 况 套 用 他 国 标 准 也 是 不 妥 的 。 (3) 各 国 谐 波 标 准 反 映 的 是 当 前 时 期 本 国 电 网 和 非线 性 用 户 之 间 达 成 的 平 衡 或 妥 协 ， 所 以 谐 波 标 准 不 是 永久 不 变 的 ， 谐 波 标 准 的 执 行 也 不 是 僵 硬 的 。 (4) 用 户 在 谐 波 标 准 下 的 权 益 应 予 充 分 关 注 。 我 国 自 20世 纪 80年 代 起 开 展 电 力 谐 波 研 究 ， 并 已 取 得众 多 基 础 性 成 果 。 谐 波 国 家 标 准 GB/T 14549-93 电 能 质 量 公 用 电 网 谐波 自 1994年 3月 起 开 始 实 施 。 基 于 IEC 61000-3-6技 术 文 件 的 国 家 标 准 化 指 导 性 技 术文 件 GB/Z 17625.4-2000 电 磁 兼 容 限 值 中 、 高 压 电 力 系统 中 畸 变 负 荷 发 射 限 值 的 评 估 也 于 2000年 12月 颁 布 。 在 电 气 化 铁 道 谐 波 评 估 方 面 ， 我 国 电 力 和 铁 路 部 门 长 期 以来 存 在 较 大 争 议 。 综 合 考 虑 国 内 外 经 验 ， 我 国 铁 路 专 家 认 为 对 电 气 化 铁 路谐 波 考 核 应 主 要 针 对 谐 波 电 压 ， 采 用 总 量 控 制 方 法 ， 以 电 铁总 谐 波 电 压 畸 变 率 作 为 谐 波 限 值 ， 不 再 对 各 次 谐 波 电 流 进 行评 估 。 铁 路 专 家 认 为 牵 引 变 电 所 作 为 电 气 化 铁 路 谐 波 源 头 ， 如 果控 制 其 110 kV（ 或 220 kV） 母 线 总 谐 波 电 压 畸 变 率 不 超 标 ，那 么 连 接 它 的 公 共 连 接 点 的 总 谐 波 电 压 畸 变 率 必 然 不 会 超 标 。 英 、 美 、 加 拿 大 等 国 对 电 气 化 铁 路 侧 重 谐 波 电 压 考 核 。 传 统 功 率 理 论 单相正弦电路功率理论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 电路的无功功率sinQ U I 无功分量的平均值为零说明它只进行能量交换而不消耗功率，这种能量交换通常发生在电源和有储能元件的负载之间，Q表明了这种能量交换的幅度 。ip有功电流分量，iq无功电流分量。 工程上还把设备的电压和电流的有效值的乘积作为其功率设计的极限，用来表示设备的最大可利用容量。即视在功率 2 2 2S U IS P Q S为有功P的最大值。P越接近S则说明设备的容量利用得越充分。功率因数: c o sPS 非正弦不平衡条件下的电压量和电流量假设非正弦相电压和线电流定义如下（b、c相类似）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 相电压和线电流的方均根值和谐波分量有关 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 区分了基频和非基频分量（总谐波） 三相三线制电力系统没有中性线电流，有效三相电压和电流的计算表示为2 2 2 2 2 23 3a b c a b ce eU U U I I IU I 三相三线制电力系统与无法采用人为中性点来测量相电压，则有效三相电压可以用相间电压方均根值计算 2 2 23ab bc cae U U UU 三相三线制电力系统中有效电压和有效电流的基频和非基频分量定义为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 有效三相电压和电流 2 2 212 2 21e e eHe e eHU U UI I I 电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率1 1eH eHeU eIe eU ITHD THDU I 视在功率定义:广泛使用的是在功率定义可以区分为算数或矢量视在功率方法，IEEE1459-2000中阐述并论证了有效（或系统）是在功率是最合适的定义。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 三相算术视在功率1、算术视在功率：单相电力系统的Budeanu功率定义, ,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 三相矢量视在功率2、矢量视在功率 2 2 2,3 ,3 ,3VS P Q D 三相总有功功率、Budeanu无功功率、畸变功率视在功率, ,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、有效视在功率三相有效视在功率可以用基频与非基频电压和电流分量表示三相有效视在功率包括基频视在功率和非基频视在功率2 2 21e e eNS S S 非基频视在功率包括三个畸变分量 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 电流畸变功率电压畸变功率谐波畸变功率 非基频视在功率包括三个畸变分量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 电流畸变功率电压畸变功率谐波畸变功率有效谐波视在功率与谐波畸变功率、有效谐波有功功率有关 2 2 2,3eH H eHS P D 有效谐波视在功率有效谐波有功功率谐波畸变功率 4、基频有功功率和无功功率：基于正序分量计算 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、功率因数定义 ,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 电力系统谐波阻抗与特性电力系统的谐波阻抗就是指系统模型中指定节点的谐波阻抗随频率变化的规律。 fjXfRfZ 极坐标曲线 R f jX f阻抗模值曲线阻抗角曲线 Z f f 阻抗角导数 dffd 2 2Z f R f X fX ff arctg R f 谐振分为串联谐振和并联谐振。研究谐波阻抗特性最重要的就是研究系统中发生（局部）谐振时的阻抗特性，并找出规律，识别发生了哪种谐振并联方式串联方式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 并联方式并联方式的节点阻抗 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 设虚框内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 并联谐振的阻抗特性: 1、阻抗模值取得极大值，为纯阻性；2、电抗由感性变为容性； 并联谐振的阻抗特性:3、阻抗角由正变负，阻抗角过零处，阻抗角导数取得极小值串联谐振的阻抗特性:3、阻抗角由负变正，阻抗角过零处，阻抗角导数取得极大值串联谐振的阻抗特性:1、阻抗模值取得极小值，为纯阻性；2、电抗由容性变为感性； 结论4-1局部并联谐振 使节点阻抗模值取得极大值，阻抗角由大最快变小，即为极小值（负最大值）；局部串联谐振恰好相反，节点阻抗模值为最小值，阻抗角由小最快变大，即为极大值（正最大值）。 pff pZ f f fpfdffd sff f fsfdffd sZ f 并联谐振：谐波阻抗取得极大值谐波阻抗角由正变负串联谐振：谐波阻抗取得极小值谐波阻抗角由负变正 并联谐振：X过零，由正变负串联谐振：X过零，由负变正 无源交流滤波器分类：1按接入系统的方式，可分为串联和并联两种类型。串联滤波器串入系统调谐滤波器，利用LC并联谐振来阻碍谐波进入系统 基波下呈感性经受全部电流，绝缘水平要求高并联滤波器并入系统调谐滤波器，利用LC串联谐振构成谐波通路 基波下呈容性 承受调谐的谐波电流和部分无功电流 2按调谐锐度，可把并联滤波器分为调谐滤波器和阻尼滤波器两种调谐滤波器调谐在某一、二次较低次谐波上 ，其中串联（等效）电阻很小，也称高Q（品质因数）滤波器 。阻尼滤波器 在某一宽频带上呈现低阻抗（如高通阻尼滤波器），其（等效）电阻较大，也称低Q滤波器 。3 按阶数可把并联滤波器中的阻尼滤波器分为一阶、二阶和三阶等阻尼滤波器。 常用滤波器及其特性 1 调谐滤波器v单调谐滤波器 忽略电阻，相对阻频特性为 其中 为单调谐支路的固有频率RLC( ) rrZ f fff fLC 12 rf LCrf v双调谐滤波器 1R1L1C 2R2L3R2C 阻抗频率特性在接近谐振频率时，双调谐滤波器可等效成两个并联的单调谐滤波支路。调谐滤波器对自身元件参数精度要求更高。环境温度引起的元件参数变化以及电网频率偏移都会使调谐滤波器失谐，考虑到这些因素就不能使调谐滤波器正好设计在某一次谐波的谐振点上，而是要往感性区作适当偏移。 2阻尼滤波器（高通滤波器）v一阶阻尼滤波器 v二阶阻尼滤波器 RC C LR v三阶阻尼滤波器 三阶阻尼滤波器 C型滤波器 调谐滤波器比阻尼滤波器对元件参数精度要求高。元件参数变化及电网频率偏移都会使调谐滤波器失谐。设计时，需要在谐振点上向感性区做适当偏移。1C LR2C 1CL R2C 四、滤波原理与系统阻抗非线性负荷一般可视为谐波电流源。系统谐波电流和谐波电压分别为 理想滤波器时， FhSh hSh FhZi iZ Z Sh FhSh nSh FhZ ZU iZ Z 0FhZ 实际滤波效果取决于滤波器阻抗及系统阻抗的关系。为感性且较大时，则能取得好的滤波效果。为容性时，就会造成h次谐波的放大。ShZShZ