电磁兼容第三章--谐波效应及谐波抑制-课件

第三章第三章 谐波效应及谐波抑制谐波效应及谐波抑制 第一节第一节 谐谐 波波 谐谐 振振 第二节第二节 谐波对一次设备的影响和危害谐波对一次设备的影响和危害 第三节第三节 谐波对二次设备骚扰的评价谐波对二次设备骚扰的评价 第四节第四节 谐波对用电设备的影响谐波对用电设备的影响 第五节第五节 减小谐波影响的技术措施减小谐波影响的技术措施 第六节第六节 电力系统谐波的限值和标准电力系统谐波的限值和标准 第一节第一节 谐谐 波波 谐谐 振振n 电力系统是由电感、电阻、电容组成的网络，电力系统是由电感、电阻、电容组成的网络，在一定的参数配合下可能对某些频率产生谐振，在一定的参数配合下可能对某些频率产生谐振，诱发出过电压和过电流。诱发出过电压和过电流。n对于正常设计的电网来说，发生工频谐振的可对于正常设计的电网来说，发生工频谐振的可能性很小。能性很小。n但在某些高次谐波下谐振，谐波电流和电压剧但在某些高次谐波下谐振，谐波电流和电压剧增，危害设备的运行和安全。增，危害设备的运行和安全。n即使达不到谐振条件，由于电容器对谐波有放即使达不到谐振条件，由于电容器对谐波有放大作用，也会使谐波电流和电压增加。大作用，也会使谐波电流和电压增加。一、谐波的并联谐振一、谐波的并联谐振 1 电容器无串联电感的情况电容器无串联电感的情况 图图3-1 n次谐波等值电路次谐波等值电路 n谐波源大多数为恒流源谐波源大多数为恒流源Inn系统的基波阻抗为系统的基波阻抗为Zs=Rs+jXsn并联电容器的基波电抗为并联电容器的基波电抗为-jXcn对于对于n次谐波次谐波:n系统的谐波阻抗系统的谐波阻抗:Zsn=Rsn+jnXs jnXs；n电容器的谐波电抗为电容器的谐波电抗为-jXc/n其中：其中：图图3-2 Isn和和Icn的变化曲线的变化曲线(l)当当=-1，即，即 时，时，Isn=Icn=，发生并联谐振发生并联谐振,其中其中 为谐振的为谐振的谐波次数。谐波次数。(2)当当-，即，即 时，时，Isn In，Icn 0 (3)当当=-2，即，即 时，时，Isn=2In，ICn=-In(4)当当=-0.5，即，即 时，时，Isn=-In，ICn=2In(5)当=0，即 时，Isn=0，ICn=In(6)以以=-1为界，为界，左侧为感性左侧为感性 ,右侧为容性右侧为容性,(7)在在=-2-0.5区区间间，|Isn|In，|ICn|In，称称为为谐谐波波电电流流严严重重放放大大区区，对对应的谐波次数应的谐波次数n为为:总结总结:(1).并联谐波谐振出现谐波过电流，并联谐波谐振出现谐波过电流，谐振点谐振点:(2).出现谐波电流严重放大区，放大出现谐波电流严重放大区，放大区范围区范围(宽度宽度)(3).谐振点两边，谐波电压反相。谐振点两边，谐波电压反相。2、电容器有串联电感的情况、电容器有串联电感的情况(1)目的目的:C串联一定数值的串联一定数值的L是为了降低是为了降低C合闸时的涌流。合闸时的涌流。(2)作用作用:降低谐振谐波次数降低谐振谐波次数;缩小谐波电流严重放大区。缩小谐波电流严重放大区。图图3-3-3 电容器串联电感时的谐波等值电路电容器串联电感时的谐波等值电路n次谐波电流为：次谐波电流为：式中式中当当1+=0时，出现并联谐振。时，出现并联谐振。谐振点的谐波次数为谐振点的谐波次数为:3、比较有串联比较有串联L和无串联和无串联L两种情况两种情况 （1）有串联电感时，）有串联电感时，可能大于可能大于0，即当即当nXL XC/n时，时，C 支路变成感支路变成感性。这时性。这时C 支路只是起分流作用。支路只是起分流作用。（2）两种情况下的并联谐振点不同）两种情况下的并联谐振点不同 （3）两种情况下谐波电流的严重放大区不同）两种情况下谐波电流的严重放大区不同 可以证明可以证明N0.82时时应应按按局局部部放放电电条条件件确确定电容器的容许谐波含量；定电容器的容许谐波含量；n当当K f0时，时，|Z|R 2.谐波阻抗谐波阻抗:n 为最小值时的谐波次数为最小值时的谐波次数nmin为为:其中，其中，式中式中 n0 对应于截止频率的谐波次数。对应于截止频率的谐波次数。3.HF的品质因数的品质因数 4.HF的特点：的特点：(1)一般设计得较低一般设计得较低,约约:0.71.4。(2)不不考考虑虑频频率率失失谐谐,它它的的运运行行特特性性对对频频率率偏偏差差的的敏敏感感性性较较低低，在在相相当当宽宽的频率范围内，它的阻抗大致相等。的频率范围内，它的阻抗大致相等。(3)电电容容器器的的额额定定电电压压比比单单调调谐谐滤滤波波器器低，容量等于基波频率容量。低，容量等于基波频率容量。高通滤波器的设计步骤：高通滤波器的设计步骤：1.由补偿作用确定电容器由补偿作用确定电容器C(额定电压较单额定电压较单调谐滤波器的低、容量等于基波容量调谐滤波器的低、容量等于基波容量)2.3.二、有源电力滤波器、有源电力滤波器(APF)(一一)APF的基本原理的基本原理 无源滤波器的缺点无源滤波器的缺点：1.有效材料消耗大、体积大；有效材料消耗大、体积大；2.滤滤波波要要求求和和无无功功补补偿偿、调调压压要要求求有有时时难难以以协调；协调；3.滤滤波波效效果果不不够够理理想想(特特别别是是对对非非特特征征谐谐波波有时还会放大有时还会放大)；4.装置的损耗较大；装置的损耗较大；5.在某些条件下和系统发生谐振，引发事故。在某些条件下和系统发生谐振，引发事故。nAPF的原理结构如图的原理结构如图3-16所示。所示。这种滤波器是这种滤波器是向电网送入与原有谐波电流幅值相等、相位相向电网送入与原有谐波电流幅值相等、相位相同、方向相反的电流，使流入电源的总谐波电同、方向相反的电流，使流入电源的总谐波电流为零。流为零。图图3-16 有源电力滤波器结构框图有源电力滤波器结构框图图图3-12 电流的时域分解电流的时域分解将将谐谐波波源源电电流流i分分解解为为有有功功ip和和无无功功iQ(i=ip+iQ )，如如 图图 3-12所所 示示。在在电电网网U基基本本上上是是正正弦弦波波的的情情况况下下，ip为为基基波波有有功功电电流流，而而iQ包包含含基基波波无无功功和和全全部部谐波电流。谐波电流。n常见的常见的APF可分为可分为电流型电流型和和电压型电压型两大类型。两大类型。n电流型电流型APF的主电路如图的主电路如图3-13所示。在电桥所示。在电桥的直流侧由的直流侧由L保持稳定的直流保持稳定的直流i,根据检测的根据检测的i和和u信号由控制电路给出信号由控制电路给出iQ的目标值，在电的目标值，在电桥的交流侧用脉宽调制方法向系统输出补偿桥的交流侧用脉宽调制方法向系统输出补偿的无功的无功i。n将每周期分成将每周期分成N个等间隔个等间隔T，在每间隔，在每间隔T内内,电桥向外输出电桥向外输出i的瞬时值，脉冲幅值的瞬时值，脉冲幅值Id为定值，为定值，iQ的瞬时值由脉冲宽度的瞬时值由脉冲宽度t所决定，最后经过所决定，最后经过滤除波形脉动的滤波器，便可向系统输出无滤除波形脉动的滤波器，便可向系统输出无功功iQ的目标值。的目标值。图图3-14 脉脉宽宽调调制制输输出电流的波形出电流的波形图图3-13 电电流流型型有有源源滤滤波器的主电路波器的主电路n电压型电压型APF主电路如图主电路如图3-15所示。在电所示。在电桥的直流侧由电容器桥的直流侧由电容器C保持稳定的直流保持稳定的直流电压电压Ud，在交流侧由脉宽调制电压，在交流侧由脉宽调制电压Ud使其输出的电流通过交流电抗器来补使其输出的电流通过交流电抗器来补偿电网波形的畸变。偿电网波形的畸变。n利用利用PWM来得到与高次谐波近似的波来得到与高次谐波近似的波形，必须提高载波的频率，但这将受形，必须提高载波的频率，但这将受到所使用的元器件固有开关频率的限到所使用的元器件固有开关频率的限制。制。图图3-15 电压型有源滤波器的主电路电压型有源滤波器的主电路(二二)典型的典型的APLC方案简介方案简介 无无源源电电力力滤滤波波器器初初期期投投资资较较少少，相相对对于于APF来来说说容容量量作作大大一一些些要要容容易易得得多多。因因此此，为为了了充充分分利利用用两两者者的的优优点点，许许多多学学者者提提出出了了不不少少APF和和无无源源电电力力滤滤波波器器组合的方案。组合的方案。一一般般把把APF和和无无源源滤滤波波器器所所组组成成的的整整个个系系统统称称为为有有源源电电力力调调理理器器(active power line conditioner，APLC)。n典型的串联于线路的方案见图典型的串联于线路的方案见图3-17，它，它用并联的无源滤波器和相对较小容量串用并联的无源滤波器和相对较小容量串联型联型APF相结合的系统。相结合的系统。n其中，无源滤波器吸收由非线性负荷所其中，无源滤波器吸收由非线性负荷所产生的谐波电流，而产生的谐波电流，而APF提高无源滤波提高无源滤波器的滤波性能。器的滤波性能。n该系统解决了无源滤波器的一些固有问该系统解决了无源滤波器的一些固有问题，如可能产生谐波放大等问题；同时，题，如可能产生谐波放大等问题；同时，相对于传统的相对于传统的APF来说，容量大大下降。来说，容量大大下降。图图3-17 串联于线路的方案串联于线路的方案第六节第六节 电力系统谐波的限值和标准电力系统谐波的限值和标准 n为了限制电力系统中日益严重的谐波污染，为了限制电力系统中日益严重的谐波污染，增强电力系统中发电、输配电和用电设备增强电力系统中发电、输配电和用电设备之间的电磁兼容性，国家技术监督局于之间的电磁兼容性，国家技术监督局于1993年批准了国家标准年批准了国家标准GB/T14549-93 电能质量公用电网谐波电能质量公用电网谐波。n该标准规定了公用电网谐波的允许值及其该标准规定了公用电网谐波的允许值及其测试方法。测试方法。n制定限制谐波标准的原则是：制定限制谐波标准的原则是：(1)限制注入电力系统的谐波电流，把电限制注入电力系统的谐波电流，把电力系统中的谐波含量控制在允许范围内，力系统中的谐波含量控制在允许范围内，使接入电网中的各种电气设备免受谐波使接入电网中的各种电气设备免受谐波骚扰；骚扰；(2)能够有利于国际间的技术经济交流和能够有利于国际间的技术经济交流和合作。合作。为了便于国际间的技术合作与交流，为了便于国际间的技术合作与交流，各国的标准都互相借鉴，趋于统一。各国的标准都互相借鉴，趋于统一。一、电压总谐波畸变率和、电压总谐波畸变率和 谐波电压含有率谐波电压含有率 n电压总谐波畸变率电压总谐波畸变率 周期性交流量中的谐波含量的方根均周期性交流量中的谐波含量的方根均值与其基波分量的方根均值之比。值与其基波分量的方根均值之比。n谐波电压含有率谐波电压含有率 周期性交流量中含有的第周期性交流量中含有的第n次谐波分次谐波分量的方根均值与基波分量的方根均值量的方根均值与基波分量的方根均值之比。之比。n 380/220V低压电网电压的波形畸变低压电网电压的波形畸变率的限值为率的限值为5%；对于；对于6kV及以上各及以上各级电压的电网，规定波形畸变率的级电压的电网，规定波形畸变率的出发点是，保证低压电网电压波形出发点是，保证低压电网电压波形畸变率不超过畸变率不超过5%，并且防止高压电，并且防止高压电网发生谐波谐振或谐波放大。网发生谐波谐振或谐波放大。n电压等级越高，电压波形畸变率的电压等级越高，电压波形畸变率的限值越小。限值越小。表表 3-3 公用电网谐波电压限值公用电网谐波电压限值(以相电压为基准，以相电压为基准，%)电网电网额定额定电电 压压(kV)电压电压总谐总谐波畸波畸变率变率(%)各次谐波电各次谐波电压压含有率含有率(%)电网额电网额定电压定电压(kV)电压电压总谐总谐波畸波畸变率变率(%)各次谐波各次谐波电压电压含有率含有率(%)奇次奇次 偶次偶次 奇次奇次 偶次偶次 0.38 54235或或66 32.41.26或或1043.21.611021.60.8二、谐波电流的限值二、谐波电流的限值 n规定谐波电流限值的目的在于限制谐规定谐波电流限值的目的在于限制谐波电压。表波电压。表3-4列出谐波源用户注入列出谐波源用户注入公共连接点的各次谐波电流的允许值。公共连接点的各次谐波电流的允许值。n电压波形畸变率限值确定的情况下，电压波形畸变率限值确定的情况下，谐波电流与系统谐波阻抗成反比，亦谐波电流与系统谐波阻抗成反比，亦即，系统的短路容量越大，谐波阻抗即，系统的短路容量越大，谐波阻抗就越小，容许注入的谐波电流越大。就越小，容许注入的谐波电流越大。(1)公共连接点的全部用户向该点注入的谐波公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量不应超过表电流分量不应超过表3-4中规定的允许值。中规定的允许值。当公共连接点实际的最小短路容量与表当公共连接点实际的最小短路容量与表3-4所规定的数值不相同时，可按下式进行修正所规定的数值不相同时，可按下式进行修正:n式中式中：nSk1 公共连接点实际可能出现的最小运行公共连接点实际可能出现的最小运行方式下的短路容量方式下的短路容量(MVA)；nSk2 表表3-4所列的基准短路容量所列的基准短路容量(MVA)；nInp 表表3-4规定的规定的n次谐波电流允许值次谐波电流允许值(A)；nIn 对对应应于于短短路路容容量量Sk1的的n次次谐谐波波电电流流允允许许值值(A)。(2)同同公公共共连连接接点点的的每每个个用用户户向向电电网网注注入入的的谐谐波波电电流流允允许许值值按按此此用用户户在在该该点点的的协协议议容容量量与与其其公公共共连连接接点点的的供供电电设设备备容容量量之之比比进行分配。进行分配。