1、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
2、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
3、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/nnnCSCnCSCnsIInXXnnXInXjXnjnXjI1nnnsnncIIIII11)11(其中：其中：SCSCXnXXnnX2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，
4、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=2InSCXnnXSCXXn00SXnSCXnnX2SCXnnX5.0(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,SXnncnInxjU1190,011nnIUncnInxjU1190,011nnIU(7)在在=-2-0.5区间，区间，|Isn|In，|ICn|In，称为谐波电流严重放大区，对，称为谐波电流严重放大区，对应的谐波次数应的谐波次数n为为:SCSCbaXXX
5、Xnn2,2,SCXXn0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。SCXXn0SCXX22、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
6、值电路n次谐波电流为：次谐波电流为：.1)(nnCLSCLnsIInXXnXnnXXnI.11)11(nnnsnnCIIIIISCLXnnXXn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:SLCXXXnn03、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 支路变成感性。支路变成感性。这时这时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 SCSLCXXnXXXn00（3）两种情况下谐波电
7、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 SCSCabXXXXnnN22SLCSLCabXXXXXXnnN222可以证明可以证明N0.82时应按局部放电条件时应按局部放电条件确定电容器的容许谐波含量；确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:RCf210111)11(1LnjRCnjZnHn 为最小值时的谐波次数为最小值时的谐波次数nmin为为:|nHZ)21(2120mmmmmnnnimRCRLCRLm12RXRCfffnC 1110021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
8、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)不考虑频率失谐不考虑频率失谐,它的运行特性对频它的运行特性对频率偏差的敏感性较低，在相当宽的率偏差的敏感性较低，在相当宽的频率范围内，它的阻抗大致相等。频率范围内，它的阻抗大致相等。(3)电容器的额定电压比单调谐滤波器电容器的额定电压比单调谐滤波器低，容量等于基波频率容量。低，容量等于基波频率容量。nmnXnRXRqLnLH01Hq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
9、波容量)2.3.RRCffffn2100100，根据LCRCRLm,2及根据二、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.滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；协调；3.滤波效果不够理想滤波效果不够理想(特别是对非特征谐波特别是对非特征谐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
10、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，使流入电源的总谐相同、方向相反的电流，使流入电源的总谐波电流为零。波电流为零。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谐波源电流将谐波源电流i分分解为有功解为有功ip和无和无功功iQ(i=ip+iQ )，如图如图3-12所示。所示。在电网在电网U基本上基本上是正弦波的情况是正弦波的情况下，下，ip为基波有为基波有功电流，而功电流，而iQ包包含基波无功和全含基波无功和全部谐波电流。部谐波电流。n常见的常见的AP
11、F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。在电桥的直流的直流侧由侧由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信号由控制电路信号由控制电路给出给出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的无功无功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，
12、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 脉宽调制输脉宽调制输出电流的波形出电流的波形图图3-13 电流型有源滤电流型有源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。在所示。在电桥的直流侧由电容器电桥的直流侧由电容器C保持稳定的保持稳定的直流电压直流电压Ud，在交流侧由脉宽调制电，在交流侧由脉宽调制电压压Ud使其输出的电流通过交流电抗器使其输出的电流通过交流电抗器来补偿电网波形的畸变。来补偿电网波形的畸变。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
13、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 无源电力滤波器初期投资较少，相无源电力滤波器初期投资较少，相对于对于APF来说容量作大一些要容易得多。来说容量作大一些要容易得多。因此，为了充分利用两者的优点，许多因此，为了充分利用两者的优点，许多学者提出了不少学者提出了不少APF和无源电力滤波器和无源电力滤波器组合的方案。组合的方案。一般把一般把APF和无源滤波器所组成的和无源滤波器所组成的整个系统称为整个系
14、统称为有源电力调理器有源电力调理器(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
15、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
16、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
17、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
18、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
19、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
20、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，可按下式进行修所规定的数值不相同时，可按下式进行修正正:pnkknISSI21n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 对应于短路容量对应于短路容量Sk1的的n次谐波电流允许次谐波电流允许值值(A)。(2)同同公共连接点的每个用户向电网注入公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。进行分配。
