电能质量提高综合技能培训班张一工教授02

谐波抑制与无功功率补偿,*,*,第二部分,电力系统谐波及相关问题,电能质量提高综合技能培训班,张一工 教授,9/21/2024,1,谐波基本概念：源于声学,电力系统谐波及相关问题,“谐”：和谐，,Harmonic,谐波：频率为基频整倍数的分量,（,基音与泛音列,）,谐波：决定音色的因素,（音高、音量与音色）,谐波的物理学意义：决定音频波形的形状,律学的物理学基础,9/21/2024,2,电力系统波形畸变并不是新问题,电力系统谐波及相关问题,1920,1930,：德国已提出波形畸变问题,20,世纪,60,年代前，谐波问题并不突出,HVDC,的应用促进了谐波研究的发展,大量电力电子装置的应用使得谐波问题日益严重,电力电子装置的不利影响不仅限于谐波,9/21/2024,3,电力系统谐波的基本概念,电力系统谐波及相关问题,定义,数学工具,不同类型谐波的性质与特点,.,9/21/2024,4,电力系统谐波的基本概念,电力系统谐波及相关问题,定义,数学工具,不同类型谐波的性质与特点,一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整倍数。也称为高次谐波。,9/21/2024,5,电力系统谐波的基本概念,电力系统谐波及相关问题,定义,数学工具,不同类型谐波的性质与特点,傅立叶级数。畸变周期波形（非正弦波形）可以用有限个不同频率的正弦波的叠加来近似。,9/21/2024,6,电力系统谐波的基本概念,电力系统谐波及相关问题,定义,数学工具,不同类型谐波的性质与特点,谐波次数必为整数,谐波和暂态现象,谐波与波形缺口,短时间谐波和暂态过程中的谐波,9/21/2024,7,非正弦周期函数的傅立叶级数展开,电力系统谐波及相关问题,直流分量,周期函数角频率,1,2,T,p,w,=,三角形式：直流分量、正弦分量与余弦分量,9/21/2024,8,非正弦周期函数的傅立叶级数展开,电力系统谐波及相关问题,三角形式：直流分量、正弦分量与余弦分量,9/21/2024,9,非正弦周期函数的傅立叶级数展开,电力系统谐波及相关问题,n,次分量振幅,n,次分量初相角,三角形式：直流分量、振幅与初相角,9/21/2024,10,非正弦周期函数的傅立叶级数展开,电力系统谐波及相关问题,指数形式：直流分量、振幅与初相角,9/21/2024,11,傅立叶级数展开的意义,电力系统谐波及相关问题,简化复杂波形的分析,充分利用针对正弦电路的简化算法,进行谐波治理的理论依据,.,9/21/2024,12,傅立叶级数展开的意义,电力系统谐波及相关问题,简化复杂波形的分析,充分利用针对正弦电路的简化算法,进行谐波治理的理论依据,将复杂波形的分析问题化为正弦波的分析问题；将千变万化的波形分析化为单一的波形分析问题,9/21/2024,13,傅立叶级数展开的意义,电力系统谐波及相关问题,简化复杂波形的分析,充分利用针对正弦电路的简化算法,进行谐波治理的理论依据,简单的稳态解的计算分析方法,复阻抗,复阻抗串、并联,叠加原理仅对线性电路适用,9/21/2024,14,傅立叶级数展开的意义,电力系统谐波及相关问题,简化复杂波形的分析,充分利用针对正弦电路的简化算法,进行谐波治理的理论依据,频谱的构成,治理方案的制定,治理效果的评价,9/21/2024,15,典型波形傅立叶级数分析：方波,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,16,典型波形傅立叶级数分析：方波,电力系统谐波及相关问题,基波与前三个谐波,9/21/2024,17,典型波形傅立叶级数分析：方波,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,18,典型波形傅立叶级数分析：三角波,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,19,典型波形傅立叶级数分析：三角波,电力系统谐波及相关问题,基波与前三个谐波,9/21/2024,20,典型波形傅立叶级数分析：三角波,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,21,谐波大小的度量：谐波含有率,电力系统谐波及相关问题,n,次谐波电压含有率,HRU,n,：,n,次谐波电流含有率,HRI,n,：,9/21/2024,22,谐波大小的度量：总谐波畸变率,电力系统谐波及相关问题,总电压谐波畸变率,THD,u,：,总电流谐波畸变率,THD,i,：,9/21/2024,23,谐波大小的度量：总谐波含量,电力系统谐波及相关问题,方波,9/21/2024,24,谐波大小的度量：总谐波含量,电力系统谐波及相关问题,三角波,9/21/2024,25,谐波限值：公用电网电压,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,26,谐波限值：公共连接点注入电流,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,27,谐波限值：公共连接点注入电流（续）,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,28,谐波的危害,谐波,附加损耗,谐波过电压,引起继电保护装置误动,引起电气测量与计量的误差,对通信系统的干扰,电压换相缺口,EMI,电力系统谐波及相关问题,.,9/21/2024,29,谐波的危害,谐波,附加损耗,谐波过电压,引起继电保护装置误动,引起电气测量与计量的误差,对通信系统的干扰,电压换相缺口,EMI,电力系统谐波及相关问题,附加铁损（涡流，磁滞）,附加铜损（集肤效应，层叠效应）,9/21/2024,30,谐波的危害,谐波,附加损耗,谐波过电压,引起继电保护装置误动,引起电气测量与计量的误差,对通信系统的干扰,电压换相缺口,EMI,电力系统谐波及相关问题,容性元件与系统阻抗（感性）发生并联谐振,谐波放大,过电压,9/21/2024,31,谐波的危害,谐波,附加损耗,谐波过电压,引起继电保护装置误动,引起电气测量与计量的误差,对通信系统的干扰,电压换相缺口,EMI,电力系统谐波及相关问题,继电保护启动条件的误判,9/21/2024,32,谐波的危害,谐波,附加损耗,谐波过电压,引起继电保护装置误动,引起电气测量与计量的误差,对通信系统的干扰,电压换相缺口,EMI,电力系统谐波及相关问题,非正弦量的有效值测量,有功功率的计量,计量与收费政策,9/21/2024,33,谐波的危害,谐波,附加损耗,谐波过电压,引起继电保护装置误动,引起电气测量与计量的误差,对通信系统的干扰,电压换相缺口,EMI,电力系统谐波及相关问题,对平行通信线路的干扰,随着信息的数字化，危害已弱化,9/21/2024,34,谐波的危害,谐波,附加损耗,谐波过电压,引起继电保护装置误动,引起电气测量与计量的误差,对通信系统的干扰,电压换相缺口,EMI,电力系统谐波及相关问题,本质上也是谐波,具有较显著的高频分量,分压比的影响,9/21/2024,35,谐波的危害,谐波,附加损耗,谐波过电压,引起继电保护装置误动,引起电气测量与计量的误差,对通信系统的干扰,电压换相缺口,EMI,电力系统谐波及相关问题,场的影响,无线发射,9/21/2024,36,电力系统中的主要谐波源,电力系统谐波及相关问题,发电机和电动机,变压器和电抗器,电弧设备,电力电子装置,.,9/21/2024,37,电力系统中的谐波源,电力系统谐波及相关问题,发电机和电动机,变压器和电抗器,电弧设备,电力电子装置,发电机结构不完全理想,发电机不对称运行,发电机为谐波电压源,电动机的结构不完全理想,电机本身不是主要的谐波源,9/21/2024,38,电力系统中的谐波源,电力系统谐波及相关问题,发电机和电动机,变压器和电抗器,电弧设备,电力电子装置,铁心的非线性（饱和）是产生谐波的原因,电压偏高且轻载时谐波问题较为突出,直流偏磁的影响应该重视,9/21/2024,39,电力系统中的谐波源,电力系统谐波及相关问题,发电机和电动机,变压器和电抗器,电弧设备,电力电子装置,电石炉,电弧炉,电弧焊设备,气体放电灯,不容忽视的谐波源,9/21/2024,40,电力系统中的谐波源,电力系统谐波及相关问题,发电机和电动机,变压器和电抗器,电弧设备,电力电子装置,高压直流输电,电气化铁路,大容量整流设备,静止无功补偿设备,大容量调速设备,大量的家用电器,最主要的谐波源,9/21/2024,41,电力系统中的谐波源：电弧炉,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,42,电力系统中的谐波源分布情况,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,43,电力电子装置与谐波,电力系统谐波及相关问题,电力系统中最主要的谐波源,接入电力系统的电力电子装置逐年增多,随着电力电子技术的发展谐波构成发生变化,对于电力系统的危害主要取决于交流侧谐波,.,9/21/2024,44,电力电子装置与谐波,电力系统谐波及相关问题,电力系统中最主要的谐波源,接入电力系统的电力电子装置逐年增多,随着电力电子技术的发展谐波构成发生变化,对于电力系统的危害主要取决于交流侧谐波,间谐波,高频谐波,9/21/2024,45,电力电子装置与谐波,电力系统谐波及相关问题,电力系统中最主要的谐波源,接入电力系统的电力电子装置逐年增多,随着电力电子技术的发展谐波构成发生变化,对于电力系统的危害主要取决于系统侧谐波,直流侧或负载侧的状况对系统侧谐波也会产生影响,影响往往是非本质的且较复杂,9/21/2024,46,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：三相晶闸管换流器,（大电感负载）,9/21/2024,47,谐波源实例：三相晶闸管换流器,（大电感负载）,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,48,电力系统谐波及相关问题,基波电流有效值：,n,次谐波电流有效值：,谐波源实例：三相晶闸管换流器,（大电感负载）,9/21/2024,49,特征谐波和非特征谐波,电力系统谐波及相关问题,特征谐波,由换流器结构和工作方式决定,某种结构的换流器所特有,通常为主要的谐波成分,非特征谐波,由于某些理想条件不满足而产生,通常为次要的谐波成分,9/21/2024,50,特征谐波和非特征谐波,电力系统谐波及相关问题,单相全波整流器的特征谐波,3，5，7，9，,2,k,+ 1,三相桥式整流器（6脉动）的特征谐波,5，7，11，13，,6,k,1,9/21/2024,51,多相整流电路的谐波,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,52,多相整流电路的谐波,电力系统谐波及相关问题,双桥12脉动换流器特征谐波：,m,桥换流器特征谐波：,9/21/2024,53,计及换相过程时整流电路的谐波,电力系统谐波及相关问题,换相电感,g,9/21/2024,54,计及换相过程时整流电路的谐波,电力系统谐波及相关问题,谐波含量与触发滞后角,a,有关,谐波含量与换相重叠角,g,有关,谐波含量比无换相过程情况下有所减小,9/21/2024,55,计及换相过程时整流电路的谐波,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,56,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：单相整流电路带大滤波电容负载,大滤波电容,9/21/2024,57,电力系统谐波及相关问题,交流侧谐波状况,谐波源实例：单相整流电路带大滤波电容负载,9/21/2024,58,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：三相整流电路带大滤波电容负载,9/21/2024,59,电力系统谐波及相关问题,交流侧谐波状况,谐波源实例：三相整流电路带大滤波电容负载,9/21/2024,60,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：感容滤波的整流电路,各种工况的交流侧电流波形,9/21/2024,61,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：交流调压电路（单相电阻负载）,9/21/2024,62,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：交流调压电路（单相电阻负载）,交流侧谐波,9/21/2024,63,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：交流调压电路（单相阻感负载）,9/21/2024,64,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：交流调压电路（单相电感负载）,交流侧谐波,9/21/2024,65,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：三相交流调压电路,9/21/2024,66,解决谐波问题的方法,无源谐波滤波器,单调谐滤波器,双调谐滤波器,高通滤波器,有源电力滤波器,功率因数校正器,改进电力电子装置设计（,绿色变频装置,）,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,67,单调谐滤波器的基本工作原理,R-L-C,串联谐振电路,适用于电流源型谐波源,在基波下呈容性，兼作无功补偿,存在谐波放大甚至谐振问题,低成本的解决方案,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,68,单调谐滤波器的基本工作原理,电力系统谐波及相关问题,n次谐波滤波器,9/21/2024,69,单调谐滤波器的基本工作原理,电力系统谐波及相关问题,等效频率偏差与滤波效果,电感、电容参数的变化可等效为频率变化,电感、电容值变化,2,与频率变化,1,的影响相当,考虑到频率偏差的影响，,Q,值并非越高越好,9/21/2024,70,单调谐滤波器的基本工作原理,电力系统谐波及相关问题,系统简图,等值电路,9/21/2024,71,单调谐滤波器的基本工作原理,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,72,高通滤波器的基本工作原理,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,73,无源滤波器的配置原则,电力系统谐波及相关问题,对于主要的特征谐波配置单调谐滤波器,对于其它高次谐波配置高通滤波器,出于造价等因素的考虑，可采用双调谐滤波器代替单调谐滤波器,在配置单调谐滤波器时，要考虑谐波放大问题,9/21/2024,74,图101,简化等值电路,220kV,110kV,10kV,无源滤波器的问题：谐振点的变化,电力系统谐波及相关问题,三卷变压器等值电路,10 kV侧等值电抗（漏抗）,无源滤波器组,9/21/2024,75,图101,简化等值电路,220kV,110kV,10kV,无源滤波器的问题：谐振点的变化,电力系统谐波及相关问题,110 kV母线,的谐振点,滤波器组,的谐振点,9/21/2024,76,重要问题：单相谐波源引起的中线电流过大,零序分量,电力系统谐波及相关问题,9/21/2024,77,重要问题：单调谐滤波器的谐振频率,电力系统谐波及相关问题,滤波器运行过程中的等效频偏,电路系统的谐波阻抗特性,滤波器可能引起的谐波放大,确保不出现谐波放大的设计方法：滤波器在谐波频率下呈感性,9/21/2024,78,重要问题：无源滤波器组的投切顺序,电力系统谐波及相关问题,高次滤波器必然放大低次谐波,必须先投低次滤波器,若先投入高次滤波器可能将低次谐波放大到危险水平,为满足不同情况下的无功补偿需求，可考虑滤波器分组细化,9/21/2024,79,