波形畸变与电力谐波

1电能质量专题讲座波形畸变与电力谐波徐永海华北电力大学电气与电子工程学院电能质量研究所2内容提要一、概述二、波形畸变的基本概念三、供用电系统与城市电网典型谐波源四、谐波的影响和危害五、谐波谐振与放大六、电力系统谐波抑制与无功功率补偿七、无源与有源混合补偿技术3一、概述1.理想电力系统电能形态（输送功率）的特点众所周知，理想电力系统应以单一频率(工频50Hz、60Hz）、单一波形（正余弦函数sin，cos），若干电压等级（高、中、低压等）的电能形态运行。由于系统电路元件的线性特性所决定，其中以单一波形，即期望的正弦函数形式为最优。研究认为，当电压、电流为同样波形、同频同相位时为能量传输的最高效率模式，这同样也是电力产品生产、输送、转换所追求的最佳电能形态。42.现代电力系统——强调功率处理与控制的能力现代电力系统对电能形态提出了新的要求：一、以适合于用电负荷需要的最佳电能形态提供电力，满足用户对不同频率、电压、电流、波形及相数的要求，顺应生产与产品多样性、个性化、高效益的发展趋势。二、随着超大容量的电力电子装置的实用化，现代电力系统正试图将其快速、实时与可控性应用于电网的电能输送与分配，达到可靠稳定，高效经济运行的目的。（如动态无功补偿(SVC,STATCOM)、有源电力滤波(APF)、可控移相装置和统一潮流控制(UPFC)等独具电力领域特色的关键应用）一、概述5近年来，电力电子技术领域的发展异常迅猛，主要原因有以下两点：1).做为高新技术蓬勃发展的基础和先导，功率半导体制造技术的进步使得开关器件的功率处理能力和切换速度有了显著的提高，电力电子装置的市场在不断扩大。2).微电子技术和计算机技术的革命性进步使电力电子装置控制器的性能有了很大进展；一、概述6但是，作为供电电源与用电设备间的非线性接口电路，在完成（实现）功率控制和处理的同时，所有电力电子装置都不可避免地产生非正弦波形，向电网注入谐波电流，使公共连接点(PCC)的电压波形严重畸变，产生很强的电磁干扰(EMI)。并且随着功率变换装置容量的不断增大、使用数量的迅速上升和控制方式的多样性等，电力电子装置潜在的负作用会日益突出。电力谐波及其危害已成为现代电力系统的一大重要问题。一、概述73.电力系统谐波问题的提出3.1代表性的研究工作从电力工业发展历史来看，电力系统波形畸变问题早在20世纪20年代就已被一些专家所关注，并有相应的论著发表。1945年有了谐波的经典论文(付氏分析做为谐波计算的基础)。但是其影响与推动远未与实际需求相吻合。70年代初，美国的Kimbark教授从HVDC的研究出发，理论性、权威性地分析了电力系统谐波问题。IEEE也从电力系统谐波工作组报告为始，正式将其列为专门学术问题，有组织地加以研究，并且于八十年代（’86）开始每2年召开一次世界性会议并出版论文集。一、概述83.2一门新兴的跨学科研究方向由于谐波问题逐渐被人们认识和了解，从其产生的原因，分析计算的方法，危害与影响的机理，测量与仿真标准的制定，综合治理的实施等方面的探索在不断深入，人们发现电力系统谐波做为电工学科的一个分支技术，还广泛渗透和交叉在其它相关学科领域中，是一门新兴的跨学科的尚待加强的重点研究方向，它涉及到：电力系统及其运行，负荷模型，信号分析与处理，通讯技术，电力电子学，电机学、电磁兼容性以及质量管理和控制等等许多方面。一、概述93.3谐波问题研究方向谐波研究是电工学科领域的重大课题。它在电力电子技术、电力系统运行分析中占有十分重要的地位，又是理论电工中一个基础性的课题。成为电工学科最活跃的研究领域之一。谐波研究大体可分为4个方向：◆非正弦条件下功率定义和功率理论研究◆谐波源分析及电力系统谐波分析；◆谐波抑制和补偿装置研制◆谐波测量与谐波标准制定一、概述104.从世界性的能源和环境角度来认识电力系统谐波研究工作的重要性和必要性近年来，全世界科技界普遍关注着被称为世界性的两大问题，即能源（降损节能、合理开发和应用）,环境（环保意识、环境改善与治理）。绿色（洁净环境，食品，电源…….）一、概述11电力工业是一个生产最佳能源产品（电力的生产、输送、分配、转换同时进行〕的大系统。在电力工业中，能源的节约、合理开发和有效使用表现的极为突出和具体。如何科学地，符合用电负荷需求来进行有效能量转换，已成为当今电力系统日益关注的话题。一、概述12原有的传统电能形态（单一频率，单一波形，若干电压等级），在电能的合理、经济使用上受到了很大的约束和限制（甚至浪费）。现代电力系统借助功率处理手段改变电能形态，在合理使用能源上的作用已越来越多地被人们所认识。例如，充分地开发频率资源，使原来依靠机械方式变换旋转电机转速（低效率）的过程，通过变频调速得以灵活迅速的变化；再如，利用高频开关电路实现的开关直流电源，使所消耗的铁磁材料大为减少，使设备尺寸明显改观，受益匪浅，已成为发展趋势。电力电子装置的使用，出现的谐波问题反过来又会使换流电路的功率因数下降，造成效率降低，也构成了与合理有效使用能源相矛盾的负作用。相应的改善措施也成为了另一重要研究问题。一、概述13可以说谐波问题是随电力电子技术的出现相伴而产生的，从合理使用能源出发，大量使用大功率电力电子装置（从电能产生到传递，消耗的全过程中都有采用）是必然趋势，是主流方向，但是由此产生的负作用或者说与经典纯正弦波形相违背的结果，带来了电网公害－谐波污染，这是与世界性的自然环境问题相类同的电气环境污染问题，而且其影响面更大距离更远。为此，已有人提出了“电气环境工程学”之说。一、概述145.谐波研究工作的进展和国际研究动态1985年，国际上第一本由新西兰著名教授J.ARRILAGA等合写的“电力系统谐波”专著出版，较详细、系统地阐述了这方面的知识。1988年，我国电力专家和教授吴竞昌、孙树勤等人合作编著了“电力系统谐波”，至今仍为普遍需求的读本。据知，他们计划重新改编和出版“供电系统谐波”著作。在此期间，还先后有东电、天大、重大等单位也编写了不同程度的类似书籍。1993年我国国家技术监督局正式颁布了“电能质量－公用电网谐波”国家标准，使谐波管理工作逐渐规范化、科学化，进而法规化。目前正在进行国标的修订工作。一、概述15我国谐波研究工作的开展大体经历的阶段：谐波认识与知识普及阶段；研制分析测量手段和实际普查阶段；谐波的综合治理阶段；电能质量网络化监测。一、概述16二、波形畸变的基本概念1、谐波畸变波形畸变是由电力系统中的非线性设备引起的，流过非线性设备的电流和加在其上的电压不成比例关系。图1-1给出了在一个简单的非线性电阻上施加正弦电压的例子，非线性电阻上电压和电流的关系随所给出的特性曲线变化。虽然该电阻上所加电压是理想正弦波，但流过其中的电流却是非正弦的，即出现了谐波畸变问题。当电压有较小增加时，电流可能成倍增加，并且其波形也将发生变化。17二、波形畸变的基本概念图1-1非线性电阻引起的电流畸变)(tu)(tiui非线性电阻18二、波形畸变的基本概念任何周期性的畸变波形都可用正弦波形的和表示，如图1-2所示。也就是说，当畸变波形的每个周期都相同时，则该波形可用一系列频率为基波频率整数倍的理想正弦波形的和来表示。其中，频率为基波频率整数倍的分量称为谐波，而一系列正弦波形的和称为傅里叶级数。19二、波形畸变的基本概念+...50Hz（h=1）150Hz（h=3）250Hz（h=5）350Hz（h=7）450Hz（h=9）550Hz（h=11）650Hz（h=13）图1-2畸变波形的Fourier级数表示++++++202、谐波的基本概念与定义国际上公认的谐波定义为：“谐波是一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。谐波次数必须为正整数如我国电力系统的标称频率F（也称为工业频率，简称工频）为50Hz，则基波为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波为150Hz等。二、波形畸变的基本概念21间谐波和次谐波在一定的供电系统条件下，有些用电负荷会出现非整数倍的周期性电流的波动，根据该电流周期分解出的傅里叶级数，可能得出不是基波整数倍频率的分数谐波(fractional-harmonics)或称间谐波(inter-harmonics)。次谐波（sub-harmonics)是指频率低于工频基波频率的分量。二、波形畸变的基本概念22谐波和暂态现象在许多电能质量问题中常把暂态现象误认为是谐波畸变。暂态过程的实测波形是一个带有明显高频分量的畸变波形，虽然暂态过程中含有高频分量，但是暂态和谐波却是两个完全不同的现象，它们的分析方法也是不同的。电力系统仅在受到突然扰动之后，其暂态波形呈现出高频特性，但这些频率并不是谐波，与系统的基波频率无关。二、波形畸变的基本概念23短时间谐波对于短时间的冲击电流，例如，变压器空载合闸的励磁涌流，按周期函数分解，将包含短时间的谐波和间谐波电流，称为短时间的谐波电流或快速变化谐波电流，应与电力系统稳态和准稳态谐波区别开来。二、波形畸变的基本概念24陷波换流装置在换相时，会导致电压波形出现陷波或称换相缺口。这种畸变是电压瞬时值的突然变化，虽然也是周期性的，但不属于谐波范畴。二、波形畸变的基本概念253、非正弦量有效值和总谐波畸变率二、波形畸变的基本概念在频域分析中，将畸变的周期性电压和电流分解成傅里叶级数Mh1h1hthsinU2)t(uMhthIti1h1hsin2)(式中1——工频（即基波）的角频率，rad/s；h——谐波次数；hU、hI——分别为第h次谐波电压和电流的有效值，V，A；h、h——分别为第h次谐波电压和电流的初相角，rad；M——所考虑的谐波最高次数，由波形的畸变程度和分析的准确度要求来决定，通常取M50。26二、波形畸变的基本概念以电流为例，的有效值根据定义可表示为即非正弦周期量的有效值等于其各次谐波分量有效值的平方和的平方根值，与各分量的初相角无关。虽然各次谐波分量有效值与其峰值之间存在着比例关系，但是的峰值与它的有效值之间却不存在这样简单的比例关系。MhhTIIttiTI22212d)(1)(ti)(tiI27二、波形畸变的基本概念某次谐波分量的大小，常以该次谐波的有效值与基波有效值的百分比表示，称为该次谐波的含有率hHR，h次谐波电流的含有率hHRI为%100IIHRI1hh畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度，以总谐波畸变率THD表示。它等于各次谐波有效值的平方和的平方根值与基波有效值的百分比。电流总谐波畸变率ITHD为%100122hIIITHDMh电压有效值U、hHRU和UTHD的计算同上式。28二、波形畸变的基本概念4、非正弦条件下的无功功率与功率因数假定电源电压波形以正弦函数变化（这同实际情况比较接近，则假设是合理的），可推导出：22221222221211111,,sin,coshhhhIUQPSDIUIUUISUIQUIP29二、波形畸变的基本概念根据传统定义，有定义相移功率因数为因此功率因数为由此可以看出，功率因数受到两方面影响：①相移功率因数，即基频电压电流的相位差；②电流的基波分量所占比例，即电流畸变程度。◆结论：功率因数大小由两方面因素决定：①相移功率因数，即基频电压与电流之间的相位差；②电流的基波分量所占比例，即电流畸变程度。121111cos11coscosiTHDIIUIUISPPF1cosII11cosDPFDPFIIPF1305、三相电路中的谐波在对称三相电路中，各相电压（电流）变化规律相同，但在时间上依次相差1/3周期（）。设A相电压可表示为则B、C相电压分别为二、波形畸变的基本概念3/T)(tuua)3/(Ttuub)3/(Ttuuc31三相对称非正弦电压也符合这种关系。设A相电压所含第次谐波为考虑到，则B、C相第次谐波电压分别为二、波形畸变的基本概念)sin(21hhahthUu360