1、中心机房的谐波处理技术中心机房的谐波处理技术1. 引言引言2. 谐波的危害谐波的危害3. 谐波的特性谐波的特性4. 谐波的表示方式谐波的表示方式5. 谐波的定义与计算谐波的定义与计算6. 不同类型设备的谐波特征不同类型设备的谐波特征7. 机房谐波源机房谐波源整流电路谐波的理论分析整流电路谐波的理论分析8. 中心机房的谐波抑制中心机房的谐波抑制9. 电容谐振的案例分析电容谐振的案例分析10.节能减排数据分析与经验体会节能减排数据分析与经验体会目目 录录1、引、引 言言2.近年来谐波所造成的危害日趋严重，对发、输、供、用电设备都造成了严重影响，导致设备运行近年来谐波所造成的危害日趋严重，对发、输、
2、供、用电设备都造成了严重影响，导致设备运行故障、维修工作量增加及增耗电费，甚至引发火灾事故等。故障、维修工作量增加及增耗电费，甚至引发火灾事故等。3.保证电能质量，以使用户安全、正常用电是电力部门的职责。但电能质量和一般产品质量不同之保证电能质量，以使用户安全、正常用电是电力部门的职责。但电能质量和一般产品质量不同之处在于它不完全取决于电力生产企业，有的质量指标（例如：谐波、电压波动和闪变，三相电压处在于它不完全取决于电力生产企业，有的质量指标（例如：谐波、电压波动和闪变，三相电压不平衡度）主要由用户负荷的干扰所致。因此电能质量的保证，需要供用电双方共同努力，共同不平衡度）主要由用户负荷的干扰
3、所致。因此电能质量的保证，需要供用电双方共同努力，共同承担相应的责任。承担相应的责任。4.计算母线谐波电压、支路谐波电流、电压和电流总谐波畸变率（计算母线谐波电压、支路谐波电流、电压和电流总谐波畸变率（THD），以及找出其谐振的条件），以及找出其谐振的条件是谐波研究和处理的基本途径。是谐波研究和处理的基本途径。1.1.随着电子技术的发展，大功率可控硅随着电子技术的发展，大功率可控硅SCRSCR、门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管MOSFETMOSFET、电力晶体管、电力晶体管GTRGTR、IGBTIGBT等技术的发等技术的发展和广泛应用，大量非线性
4、负荷的增加，展和广泛应用，大量非线性负荷的增加，使得电力系统波形严重畸变，这便是谐波。使得电力系统波形严重畸变，这便是谐波。谐波最早发现在谐波最早发现在2020世纪世纪2020年代，年代，5050年代以年代以来，非线性负载引起的谐波问题日益受到来，非线性负载引起的谐波问题日益受到关注。关注。MCTIGBT功率 MOSFET功率 SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIACLTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（图1-42GTR1.1、谐波的基本定义、谐波的基本定义 所谓的谐波是指供电系统中所含有的频率为所谓的谐波是指供电系统中所含有的频率为基波的整数倍基波的整数倍的电量，一般是
5、指对周期性的非正弦电量进行的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅立叶级数傅立叶级数分解，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。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（谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。通）称为谐波次数。通俗的将分解后的谐波称为俗的将分解后的谐波称为n次谐波，此处的次谐波，此处的n即是谐波次即是谐波次数。一般指从数。一般指从2次到次到50次范围，如次范围，如5次谐波电压（电流）次谐波电压（电流）的频率是的频率是250赫兹
6、，赫兹，7次谐波电压（电流）的频率是次谐波电压（电流）的频率是350赫赫兹；超过兹；超过13次的谐波称高次谐波。次的谐波称高次谐波。5 52、谐波干扰的危害谐波干扰的危害对发电设备的危害对发电设备的危害 ：谐波干扰增大发电机的损耗，产生寄生转矩，降低了机谐波干扰增大发电机的损耗，产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率；谐波在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗，械能向电能转换的效率；谐波在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗，产生振动和发出异常的噪音。发电机中产生振动和发出异常的噪音。发电机中THDI必须小于等于必须小于等于20%，否则发电机，否则发电机的功率也必须进行折算；的功率也必
7、须进行折算； 对输电设备的危害对输电设备的危害 ：损耗增加损耗增加 （趋肤效应）、引发谐振（线路电感、对地（趋肤效应）、引发谐振（线路电感、对地电容）、中线电流增大电容）、中线电流增大 、影响线路的稳定运行（继电保护的误动或拒动）；、影响线路的稳定运行（继电保护的误动或拒动）；对供电设备的危害对供电设备的危害 ：损害电容损害电容 、变压器、变压器降容降容（铜损、涡流损耗与导体外部（铜损、涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗因漏磁通引起的杂散损耗 ）、降低可靠性、影响电力测量的准确性、降低可靠性、影响电力测量的准确性 ；对用电设备的危害对用电设备的危害 ：视在功率视在功率增大增大、干扰敏感性
8、的电子设备；干扰敏感性的电子设备；对人体的危害：对人体的危害：人体细胞在受到刺激兴奋时，细胞膜静息电位会发生快速电人体细胞在受到刺激兴奋时，细胞膜静息电位会发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场，引起不适，甚至诱发疾病，危害人体健康；直接影响人的脑磁场与心磁场，引起不适，甚至诱发疾病，危害人体健康；能源的浪费：能源的浪费：谐波的存在可增大视在功率、降低功率因数，大量浪费电能；谐波的存在可增大视在功率、降低功率因数，大量浪费电能；6 66 62.1、谐波危害列表、谐波
9、危害列表受影响设备影响的内容电动机主要是引起转子表面局部过热；也能引起定子零件过热，常需降低输出功率；引起振动等变压器引起绕组、外层硅钢片、外壳、金属紧固件的发热，降低输出功率；还会引起噪音和振动。空调设备控制失常，制冷、加湿失效，控制精度降低等。电容器增加介质的局部放电和热老化；还会引起机械振动，串并联谐振，严重时可引起爆炸。电缆增加浸渍绝缘局部放电和温升，缩短寿命，增加短路几率，严重时造成断电或火灾。消弧线圈延迟或阻碍消弧作用。断路器降低遮断能力，延缓甚至阻碍熄弧，有时损坏断路器。避雷器涌流延长其放电时间，可能导致损坏。换流装置使燃弧间隔不匀，个别不能运行。电压互感器可能引发参数谐振而损坏
10、。电力系统损耗增大，降低安全。遥控传输等引起数据丢失、误显示、误动、误传、元件损坏等。电能表增加误差，增大供电线损率。自动装置、集成线路板导致误判断、误动、误控制等。继电保护引起误启动、误跳闸、拒动、损坏，引起事故或扩大停电事故。通信系统主要引起电话杂音，有时出现过电压。其他表计增加误差，造成基波值大于实际的错觉。3、电力系统谐波的特性、电力系统谐波的特性1、对称性：、对称性： 奇对称性：奇对称性：f（-t）=-f（t），展开为傅立叶级数式没有余弦项；），展开为傅立叶级数式没有余弦项； 偶对称性：偶对称性： f（-t）=f（t），展开为傅立叶级数式没有正弦项而只），展开为傅立叶级数式没有正弦项
11、而只有余弦项；有余弦项； 半对称性：半对称性：f(t+T/2) =-f（t），没有直流分量且偶次谐波被抵消，故），没有直流分量且偶次谐波被抵消，故忽略偶次谐波。忽略偶次谐波。2、相序性：、相序性： 在一个平衡的三相系统中，单频谐波分量是完全正序的，或完全负在一个平衡的三相系统中，单频谐波分量是完全正序的，或完全负序的，或完全零序的；序的，或完全零序的；3、独立性：、独立性： 平衡电力系统中的线性网络对不同谐波的响应是相互独立的，这性平衡电力系统中的线性网络对不同谐波的响应是相互独立的，这性质使得我们可以将各次谐波分别处理；即：对各次谐波分别建立等质使得我们可以将各次谐波分别处理；即：对各次谐波
12、分别建立等效电路并求解电流和电压。效电路并求解电流和电压。10104、谐波的表示方法、谐波的表示方法 傅立叶级数是研究和分析谐波畸变的有效方法，通过傅立叶分解能够对畸变波傅立叶级数是研究和分析谐波畸变的有效方法，通过傅立叶分解能够对畸变波形的各种分量进行检查，任何周期波形都可被展开为傅立叶级数，即：形的各种分量进行检查，任何周期波形都可被展开为傅立叶级数，即：f(t):频率为频率为f0的周期函数，角频率的周期函数，角频率0=2f0，周期，周期T=1/f0=2 / 0;C1sin(0t+1):基波分量；基波分量；Cksin(k0t+k):第第k次谐波。幅值为次谐波。幅值为CK,频率为频率为k0,
13、初始相位为初始相位为k5、谐波的参数定义与计算、谐波的参数定义与计算在电力生产、传输、转换和使用的各在电力生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。只有准确分个环节中都会产生谐波。只有准确分析了谐波干扰产生的机理，才能有针析了谐波干扰产生的机理，才能有针对性地提出有效的治理方法；对性地提出有效的治理方法；谐波的基本特征参数谐波的基本特征参数：按照傅立叶级：按照傅立叶级数展开时，各次谐波电流都是正弦波，数展开时，各次谐波电流都是正弦波，IH1 为基波成份为基波成份 (50 Hz 或或 60 Hz)；IHk 为谐波成份，其中为谐波成份，其中k为谐波次数为谐波次数 (50 Hz 或或60 Hz
14、的的k倍倍)。 总电流总电流(压）谐波失真度压）谐波失真度THDI（U)：12242322.100%IHHIHIHIHTHDIkIeIcrT H D1 0 0IIIhh nh%1 Harmonic distortion1hn I100%THD2n2II5.1、谐波功率及其公式定义、谐波功率及其公式定义 有功功率：有功功率：p(t)=v(t) i(t) 无功功率：无功功率： 视在功率视在功率: 畸变功率：畸变功率： D2=S2-(P2+Q2) 功率因数：功率因数： Pf=P/S 5.2、举例、举例例：三相整流器输入电流（如图），其谐波频谱为：例：三相整流器输入电流（如图），其谐波频谱为：Ih5
15、= 33%、Ih7 = 2.7%、Ih11 = 7.3%、Ih13 = 1.6%、Ih17 = 2.6%、Ih19 = 1.1%、Ih23 = 1.5%、Ih25 = 1.3%，计算，计算THDI%： ：%.13. 0.015 0.011 26. 0.016 0.073 0.027 0.33.%2222222 234011640000010022242322kHHHHTHDI合 成 电 流基 波t12121056134011IIHTHDIIHIeff.电流的有效值比基波电流的有效值电流的有效值比基波电流的有效值增大了增大了5.6%，即比没有谐波时的额，即比没有谐波时的额定电流增大定电流增大5.
16、6%，这将在导体中造，这将在导体中造成温度升高成温度升高 8 85.3、峰值因数、峰值因数峰值因数峰值因数(Crest Factor)：定义为：定义为峰值峰值（最大幅值）与（最大幅值）与有效有效值值的比率，用来表示信号的比率，用来表示信号(电流或电压电流或电压)形状的特征：形状的特征：线性负载的典型峰值因数是线性负载的典型峰值因数是1.414，六脉冲整流器的典型峰，六脉冲整流器的典型峰值因数从值因数从1.5到到2，小型计算机的典型峰值因数从，小型计算机的典型峰值因数从2到到2.5，微，微机的典型峰值因数从机的典型峰值因数从2到到3。峰值因数对峰值因数对UPS容量有一定影响，举例分析如下：容量有
17、一定影响，举例分析如下：例如：对于例如：对于200KVA UPS，其额定电流，其额定电流In=303A，若其峰值因数，若其峰值因数Cf=3:1， 则：则：UPS可承受峰值电流为可承受峰值电流为303A x 3 = 909A假设：负载峰值因数为假设：负载峰值因数为3.5:1，则：，则：UPS对于该负载所提供的电流有效值为：对于该负载所提供的电流有效值为： 909A / 3.5 = 259.7A即即: UPS的使用容量为的使用容量为259.7A x 220V x3 = 171.4KVA 有效值峰值Fc%7 .85857.02004 .171UPS的功率折算7 75.4、谐、谐 振振 串联谐振：发生
18、在容性电抗和感性电抗相等的串联串联谐振：发生在容性电抗和感性电抗相等的串联RLC电电路中，发生时，电路的阻抗很小，较小的激励电压就能产路中，发生时，电路的阻抗很小，较小的激励电压就能产生巨大的电流。生巨大的电流。 并联谐振：发生在具有感性电抗和容性电抗相等的并联并联谐振：发生在具有感性电抗和容性电抗相等的并联RLC电路中，发生时，电路的导纳很小，较小的激励电流电路中，发生时，电路的导纳很小，较小的激励电流就能产生巨大的电压。就能产生巨大的电压。 串并联谐振发生的条件：串并联谐振发生的条件：XLC=r*L=XCr=1/ r*C 谐振的角频率为：谐振的角频率为： r*L=1/(LC) 谐振的次数为
19、：谐振的次数为：hr=(XC/XL) 6.1、发电机发电机 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁芯也很难做到绝对均匀一致及其他一些原因，发电机多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。而且，当对发电机的结构和接线采取一些措施后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。6.2、输配电系统输配电系统 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁芯的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁芯的饱和程度有关。铁芯的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，
20、谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。 6、不同类型设备的谐波特征、不同类型设备的谐波特征6.3、用电设备、用电设备 随着电子技术的发展，电网中非线性负载呈逐渐增加的趋势，非线性负载在随着电子技术的发展，电网中非线性负载呈逐渐增加的趋势，非线性负载在工作时向市电反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，进而导工作时向市电反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，进而导致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流，电压畸变的程度取决于谐波致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流，电压畸变的程度取决于谐波电流的频率和幅值。整流器、充电器、开关电源、调光器、变频调速器、计
21、电流的频率和幅值。整流器、充电器、开关电源、调光器、变频调速器、计算机、荧光灯等等都是非线性负载，见各典型图算机、荧光灯等等都是非线性负载，见各典型图开关电源开关电源 变频调速器变频调速器充电器充电器 荧光灯荧光灯 6、不同类型设备的谐波特征、不同类型设备的谐波特征6、不同类型设备的谐波特征、不同类型设备的谐波特征6.4、变流设备、变流设备: 整流器、逆变器、变频器等各种电力变流设备采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而整流器、逆变器、变频器等各种电力变流设备采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波，电网还必须向
22、这类给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波，电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。负荷产生的谐波提供额外的电能。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基次谐波的含量可达基波的波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐
23、波电流；次及以上奇次谐波电流；如果是如果是12脉冲整流器，也还有脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。附几种典型的整流电路和谐波电流示意次及以上奇次谐波电流。附几种典型的整流电路和谐波电流示意图图 开关电源负载开关电源负载整流充电器整流充电器变频调速器变频调速器UPS整流器整流器7 7.1 .1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础1. 谐波：谐波：可分解为傅里叶级数傅里叶级数 基波（fundamental）在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量 谐波频率为基波频率大于1整数倍的分量%1001IIHRInn%1001IITHDhi7 7、整流电路产生谐波的理论分析、整流电路产生谐波
24、的理论分析IITypical Switch Mode Power SupplyU谐波量谐波量:UI 谐波次数谐波频率和基波频率的整数比 n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表示为： 电流谐波总畸变率THDi（Total Harmonic distortion）定义为： 2.单相整流的谐波单相整流的谐波7 7.1 .1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础3、功率因数、功率因数正弦电路中的情况：正弦电路中的情况： 电路的有功功率就是其平均功率；电路的有功功率就是其平均功率； 视在功率视在功率为电压、电流有效值的乘积，即为电压、电流有效值的乘积，即S=
25、UI 无功功率无功功率定义为定义为：Q=U I sinj j 功率因数功率因数l l 定义为有功功率定义为有功功率P和视在功率和视在功率S的比值的比值： 此时此时无功功率无功功率Q与有功功率与有功功率P、视在功率视在功率S之间有如下关系之间有如下关系： 功率因数功率因数是由电压和电流的相位差是由电压和电流的相位差j j 决定的：决定的：l l =cos j jj20cos)(21UItuidPSPl222QPS7 7.1 .1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础3、功率因数、功率因数非正弦电路中的情况非正弦电路中的情况 有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率有功功率
26、、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由因数仍由l l =cos j j定义。定义。 公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波（合成波）的情况有很大的实际意义。形为非正弦波（合成波）的情况有很大的实际意义。 设正弦波电压有效值为设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为畸变电流有效值为I，基波电流有效值基波电流有效值及与电压的相位差分别为及与电压的相位差分别为I1和和j j 1。这时有功
27、功率为：这时有功功率为： P=U I1 cosj j1 功率因数为：功率因数为： 11111coscoscosjjjlIIUIUISP7 7.1 .1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础4、基波因数、基波因数 =I1 / I，即基波电流有效值和总电流有效值之比5、位移因数、位移因数（基波功率因数）cosj j 1 非正弦电路的无功功率定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义，一般情况下的引申公式： ，这样定义的无功功率Q反映了能量的流动和交换；6、谐波功率：、谐波功率：上式目前被较广泛的接受用于定义无功的表达式，但该定义对无功功率的描述很粗糙。为准确描述，也可根据相关公式定义的无
28、功功率，其谐波功率采用符号Qf，忽略电压中的谐波时有： Q f =U I 1 sinj j 1 ；在非正弦情况下， S2 P2+D2，因此引入畸变功率D，使得： S2 =P2+Qf2+D2， Q2 =Qf2+D222PSQ7 7.2 .2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析1-1. 单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路 忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，直流电感L为足够大（电流i2的波形见图） 变压器二次侧电流谐波分析 ：电流中仅含奇次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数（ n=1,3,5 ）；,5,3,1,5,
29、3,1dd2sin2sin14)5sin513sin31(sin4nnntnItnnItttIinIInd22TabRLa)u1u2i2VT1VT3VT2VT4udidu2OtOtOtudidi2b)OtOtuVT1,4OtOtIdIdIdIdIdiVT2,3iVT1,47 7.2 .2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析1-2、 功率因数计算功率因数计算 基波电流有效值： i2的有效值I= Id，则：电流基波与电压的相位差等于 控制角 ， 故位移因数为 ：功率因数为： d122IIII12 209 .jlcoscos11jllcos9 . 0cos22c
30、os111II7 7.2 .2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析2-1. 三相桥式全控整流电路及波形三相桥式全控整流电路及波形在阻感负载下，忽略换相过程和电流脉动，直流电感L为足够大，以 =30为例，交流侧电压和电流波形如图ua和ia波形所示。此时，电流为正负半周各120的方波，其有效值与直流电流的关系为：bacTn负载iaidudVT1VT3VT5VT4VT6VT2d2d1d32II = 60ud1ud2uduacuacuabuabuacubcubaucaucbuabuacuaubucOtt1OtOtuVT17 7.2 .2 阻感负载下整流电路谐波和功
31、率因数分析阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析2-2、 变压器二次侧电流谐波分析：变压器二次侧电流谐波分析：3,2, 11613,2, 116dddasin2)1(sin2sin1)1(32sin3213sin13111sin1117sin715sin51sin32kknnkkknktnItItnnItItttttIi2-3、电流基波和各次谐、电流基波和各次谐波有效值分别为：波有效值分别为：, 3 , 2 , 1, 16,66dd1kknInIIIn电流中仅含6k1（k为正整数）次谐波各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数9 97 7.2 .2 阻感负载下整流电路
32、谐波和功率因数分析阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析2-4、功率因数计算功率因数计算 由相关公式可得基波因数为： 电流基波与电压的相位差为 ，则位移因数为 ： 功率因数为： 955. 031IIjlcoscos11jllcos955. 0cos3cos111II7 7.3 .3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和 功率因数分析功率因数分析1.单相桥式不可控整流单相桥式不可控整流电路电路单相不可控整流电路采用感容滤波，典型的交流侧电流波形如右图所示。LCa)b)-+RCL+u1u2i2uduLidiCiRVD2VD4VD1VD3u2udi20ti2,u2,
33、ud 电容滤波的单相不可控整流电路交流侧谐波组成有如下规律： （1）谐波次数为奇次； （2）谐波次数越高，谐波幅值越小； （3）与带阻感负载的单相全控桥整流电路相比，谐波与基波的关系是不固定的， RC越大，则谐波越大，而基波越小。这是因为， RC越大，意味着负载越轻，二极管的导通角越小，则交流侧电流波形的底部就越窄，波形畸变也越严重。 （4） 越大，则谐波越小，这是因为串联电感L抑制冲击电流从而抑制了交流电流的畸变。7 7.3 .3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和 功率因数分析功率因数分析 2、关于功率因数的结论如下、关于功率因数的结论如下： （1）通
34、常位移因数是滞后的，并且随负载加重（RC减小）滞后的角度增大，随滤波电感加大滞后的角度也增大。 （2）由于谐波的大小受负载大小（RC）的影响，随RC增大，谐波增大，而基波减小，也就使基波因数减小，使得总的功率因数降低。同时，谐波受滤波电感的影响，滤波电感越大，谐波越小，基波因数越大，总功率因数越大。3. 三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路 实际应用的电容滤波三相不可控整流电路中通常有滤波电感。7 7.3 .3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和 功率因数分析功率因数分析 交流侧谐波组成有如下规律交流侧谐波组成有如下规律： （1）谐波次数为6k1次
35、，k =1，2，3； （2）谐波次数越高，谐波幅值越小； （3）谐波与基波的关系是不固定的，负载越轻（RC越大），则谐波越大，基波越小；滤波电感越大（ W*(LC)1/2 越大），则谐波越小，而基波越大。 关于功率因数的结论如下关于功率因数的结论如下： （1）位移因数通常是滞后的，但与单相时相比，位移因数更接近1； （2）随负载加重（ RC的减小），总的功率因数提高；同时，随滤波电感加大，总功率因数也提高。7.4 整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐波分析1、整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。右图 =0时，m脉波整流电路的
36、电压波形udtOmm2mU22 =0 时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析 将纵坐标选在整流电压的峰值处，则在- /m /m区间，整流电压的表达式为：Udo=2*U2*COSwt 对该整流输出电压进行傅里叶级数分解，得出：(式中，k=1，2，3)；且：tnnkUtnbUumknmknncos1cos21cos2od0d0dd021cos2Unkbn 7.4 整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐波分析2、为了描述整流电压ud0中所含谐波的总体情况，定义谐波分量有效值UR与整流电压平均值Ud0之比为： 则d0RUUu2d022RUUUUmknnmmUttUmUmm22si
37、n1)()cos2(2do222dummmmmmUUusinsin2sin42121222d0Rm m2 23 36 61212 u（%）48.248.218.2718.274.184.180.9940.9940 0不同脉波数m时的电压纹波因数值。 7.4 整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐波分析 负载电流的傅里叶级数可由整流电压的傅里叶级数求得： 当负载为R、L和反电动势E串联时，上式中： n次谐波电流的幅值dn为： n次谐波电流的滞后角为：)cos(ddnmknntndIijREUId0d22)(LnRbzbdnnnnRLnnjarctan 7.4 整流输出电压和电流的谐波
38、分析整流输出电压和电流的谐波分析 =0 时整流电压、电流中的谐波有如下规律：时整流电压、电流中的谐波有如下规律：（1）m脉波整流电压ud0的谐波次数为mk（k=1，2，3.）次，即m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压谐波决定，也为mk次；（2）当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最低次（m次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值dn的减小更为迅速；（3） m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹波因数迅速下降。 0 时的情况时的情况：波整流电压谐波的一般表达式十分复杂，给出三相桥式整流电路的结果，说明谐波电压与 角的关系式为：以n
39、为参变量，n次谐波幅值（取标幺值）对 的关系如图（三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与 的关系）当 从0 90 变化时，ud的谐波幅值随 增大而增大， =90 时谐波幅值最大 从90 180之间电路工作于有源逆变工作状态，ud的谐波幅值随 增大而减小2L2 Ucn030120 150 180600.10.20.390n=6n=12n=18/( )U2Lcn2电力系统谐波分析计算电力系统谐波分析计算 谐波分析用于研究谐波的状况，目的在于检测谐振点，计算谐波电流和电压及其谐波分析用于研究谐波的状况，目的在于检测谐振点，计算谐波电流和电压及其畸变水平。常用方法有：畸变水平。常用方法有：1、计算机程
40、序谐波分析法：、计算机程序谐波分析法：建立每一次谐波的母线导纳矩阵建立每一次谐波的母线导纳矩阵(Y)获取每一次谐波的母线阻抗获取每一次谐波的母线阻抗(Z)在已知谐波电流源频谱在已知谐波电流源频谱(I)的情况下，求得母线电压的情况下，求得母线电压(V)计算线路电流计算线路电流:I=VZ计算电压和电流的畸变因数计算电压和电流的畸变因数2、电子表格谐波分析法：通过计算系统中不同元件的谐波阻抗来处理问题。从某点上看、电子表格谐波分析法：通过计算系统中不同元件的谐波阻抗来处理问题。从某点上看出去，等效阻抗可以通过将串联元件的阻抗相加或将并联元件的导纳相加来获得，从出去，等效阻抗可以通过将串联元件的阻抗相
41、加或将并联元件的导纳相加来获得，从而得到阻抗扫描图，该图描述了被研母线的驱动阻抗模值与谐波次数或频率的关系曲而得到阻抗扫描图，该图描述了被研母线的驱动阻抗模值与谐波次数或频率的关系曲线，从中可检测系统的谐振点。主要步骤有数据输入和网络分析（过程从略）线，从中可检测系统的谐振点。主要步骤有数据输入和网络分析（过程从略）8、中心机房的谐波抑制、中心机房的谐波抑制8.1、谐波抑制的意义和要求、谐波抑制的意义和要求谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门有关，还关系到运营企谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门有关，还关系到运营企业的切身利益。业的
42、切身利益。当今社会当今社会倡导倡导“高效高效”和和“节能节能”，除了提高产品的效率和推广节能型产品外，在设备安装和运行，除了提高产品的效率和推广节能型产品外，在设备安装和运行中应注重治理中应注重治理谐波干扰、消除电磁污染等手段谐波干扰、消除电磁污染等手段降低损耗。降低损耗。随着电力污染问题日益严重，各国纷纷出台治理措施和相关标准，对产生电力污染的设备提出明确随着电力污染问题日益严重，各国纷纷出台治理措施和相关标准，对产生电力污染的设备提出明确的限制。谐波治理就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流，从而降低谐波电的限制。谐波治理就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电
43、流，从而降低谐波电压。压。国标国标电能质量、公用电网谐波电能质量、公用电网谐波(GB/T 14549-1993)规定：规定： 8.2、抑制谐波的方法、抑制谐波的方法通常电压谐波是由电流谐波产生的，有效地抑制电流谐波就会使电压通常电压谐波是由电流谐波产生的，有效地抑制电流谐波就会使电压畸变达到要求的范围畸变达到要求的范围, 取得了提高电源品质和节能的双重效果取得了提高电源品质和节能的双重效果 。常用的抑制谐波方式如下：常用的抑制谐波方式如下：1、增大变压器、线缆等电力系统的容量；、增大变压器、线缆等电力系统的容量；2、改变变压器的联接方式；、改变变压器的联接方式；3、增加整流变压器二次侧的相数、
44、增加整流变压器二次侧的相数 ；4、在线路中串入抗谐波电感器、在线路中串入抗谐波电感器 ；5、采用、采用LC调谐式滤波器（无源）；调谐式滤波器（无源）；6、采用、采用有源谐波处理器有源谐波处理器 ；7、IGBT整流技术的谐波；整流技术的谐波；8.3、改变变压器的联接方式、改变变压器的联接方式这种方法仅抑制这种方法仅抑制3次和次和3n次谐波，例如型次谐波，例如型/Y型变压器，如图型变压器，如图所示，三次谐波和所示，三次谐波和3n次谐波在绕组中形成环流，在输入端消次谐波在绕组中形成环流，在输入端消除除3n次谐波。次谐波。8.4、增加整流变压器二次侧的相数、增加整流变压器二次侧的相数整流器在其交流侧与
45、直流侧产生的特征谐波次数分别为整流器在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk1和和pk(p为整流相数或脉动数，为整流相数或脉动数，k为正整数为正整数)。当脉动数。当脉动数由由p=6增加到增加到p=12时，可以有效地消除幅值较大的低频项，时，可以有效地消除幅值较大的低频项，从而大大地降低了谐波电流的有效值。例如：下图中从而大大地降低了谐波电流的有效值。例如：下图中12脉脉冲整流器，采用两组冲整流器，采用两组6脉冲整流器经脉冲整流器经30移相后迭加，约为移相后迭加，约为6脉冲整流器脉冲整流器THDI（30）的二分之一。）的二分之一。 %.)()(.)()(151311112212132111
46、121122112IIIIIIDhhKKKTHDiSn1/2 Sn12P6P8.5、在线路中串入抗谐波电感器（无源）、在线路中串入抗谐波电感器（无源）串电感主要适用于三次谐波的治理；串电感主要适用于三次谐波的治理；例如：例如：UPS之前采用串联电抗器之前采用串联电抗器LF作为谐波抑制，其等效电路如下图。作为谐波抑制，其等效电路如下图。电源和线路阻抗为电源和线路阻抗为Ls，e为理想电压源，为理想电压源，B点的电压失真度点的电压失真度THDU为为D，则则A点的电压失真度为点的电压失真度为D FSSLLLDD8.6、采用、采用LC调谐式滤波器（无源）调谐式滤波器（无源）调谐式滤波器仅按谐波频率选择衰
47、减次数，这是用电感元件和电容元件构成的滤波器，调谐式滤波器仅按谐波频率选择衰减次数，这是用电感元件和电容元件构成的滤波器，对滤除高频脉冲尖刺有一定的效果，但必须保证电感元件在强电流通过时，产生的压对滤除高频脉冲尖刺有一定的效果，但必须保证电感元件在强电流通过时，产生的压降不能影响其它电气设备的正常工作。简单的降不能影响其它电气设备的正常工作。简单的LC滤波器难以滤除频率较低、幅值较大滤波器难以滤除频率较低、幅值较大的畸变波。的畸变波。例如：例如：UPS之前采用之前采用LC调谐式滤波器作为谐波抑制时，设电源和线路阻抗为调谐式滤波器作为谐波抑制时，设电源和线路阻抗为Ls、滤波、滤波器的串联电抗器为
48、器的串联电抗器为LF、电容为、电容为CP、并联电抗器为、并联电抗器为LP，即图所示的等效电路，即图所示的等效电路,则输入端则输入端的第的第n次谐波电流为次谐波电流为：FSPPhnSnPnPnhnhnLLLLIZZZII6 pulse SCR rectifier + H5 filter满载时满载时THDI: 5-7%THDI: 5-7%12 pulse SCR rectifier + H11 filter满载时满载时THDI: 3-5%THDI: 3-5%8.7、采用、采用有源谐波处理器有源谐波处理器随着电力电子技术的发展，有源滤波补偿技术日益成熟，并得到了广泛应用。较传统的无源滤随着电力电子技
49、术的发展，有源滤波补偿技术日益成熟，并得到了广泛应用。较传统的无源滤波补偿系统，它具有功能多，适应性好及响应速度快等优点，随着价格的不断下降，应用将日波补偿系统，它具有功能多，适应性好及响应速度快等优点，随着价格的不断下降，应用将日益普遍。原理图如下：益普遍。原理图如下：目前应用的有源谐波调节器具有友好的用户界面，通过对话窗进行现场设置，真实地将用户现目前应用的有源谐波调节器具有友好的用户界面，通过对话窗进行现场设置，真实地将用户现场实际状态反馈至有源谐波调节器中，让其通过采样拾取器实时捕捉谐波，全面有效地抑制电场实际状态反馈至有源谐波调节器中，让其通过采样拾取器实时捕捉谐波，全面有效地抑制电
50、网中的谐波。该调节器还具有标准的网中的谐波。该调节器还具有标准的RS232接口，可方便地将谐波信息与实时计算机通讯接口，可方便地将谐波信息与实时计算机通讯 线路连接的系统框图线路连接的系统框图有源谐波处理器的原理图有源谐波处理器的原理图8.8、IGBT整流技术的谐波整流技术的谐波绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管 （Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT），采用），采用IGBT整流技术的整流技术的UPS其其THDI仅有仅有3%，在谐波抑制、可控性方面，在谐波抑制、可控性方面具有较大优势；具有较大优势； IGBT的结构和情况的结构和情况三端器件：栅极三端器件：栅
