電力電子諧波

1、諧波及諧波治理諧波及諧波治理諧波問題交流一、什么是諧波二、諧波的產(chǎn)生三、諧波的危害四、諧波的抑制和消除一、什么是諧波一、什么是諧波來源“諧波”一詞起源于聲學(xué)。 18世紀(jì)人們就已經(jīng)用數(shù)學(xué)對諧波進(jìn)行分析。傅立葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀(jì)20年代就引起了人們的注意。當(dāng)時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文。 定義根據(jù)國標(biāo)電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)GB/T 14549-93的定義：“諧波（分量）為對周期性交流分量進(jìn)行傅立葉分解，得到頻率為基波頻率大于1整數(shù)倍的分量

2、?！币簿褪钦f諧波是一個周期電氣量的正弦分量，其頻率為基波頻率的整倍數(shù)。一個正弦波在5次諧波和7次諧波的影響下怎樣發(fā)生畸變。（相對于基波的24%和9%）。 7th harmonic5th harmonicfundamentalharmonicsdistorted wavefundamental 基波和諧波 引起的失真波形 非正弦（余弦）波形的分析非正弦波信號通過傅立葉分析，可分解為多個不同頻率的正弦波疊加f3(t) A O t f4(t) A O t 3次諧波疊加29次諧波疊加)7sin715sin513sin31(sin4)(4ttttAtfAkm 4A/ 4A/3 4A/5 4A/7 3 5

3、 7 那么對于一個電流波形，我們怎么分析他含有的諧波呢？)()(kTtftf一般的，我們一個周期函數(shù)可表示如下：發(fā)電廠出來的電可表示為：)sin(2tUu利用傅立葉變換對函數(shù)進(jìn)行分解 10222211110)sincos()sincos()sincos()sincos()(kkkkkkkkktbtaatbtatbtatbtaatf)()sin()(1)()sin()(1)sin()(2)()cos()(1)()cos()(1)cos()(2)(1)(111201101112011012200tdtktftdtktfdttktfTbtdtktftdtktfdttktfTadttfTdttfTaT

4、kTkTTT系數(shù)可通過以下方式求得諧波種類偶次諧波 : 2nd, 4th, 6th, 8th 奇次諧波 : 3rd, 5th, 7th, 11th 正序諧波 :(3n+1) 4th, 7th, 10th負(fù)序諧波 :(3n-1) 2nd, 5th, 8th零序諧波 :(3n) 3rd, 6th, 9th電壓諧波總畸變率(失真率): V(THD)例如有一方波函數(shù)f(t)=2 0tT/2f(t)=- 2 T/2tT根據(jù)傅立葉展開公式，可以展開為25sin5123sin312sin8)( ttttf合成圖9次合成圖形5次合成圖形一般的，我們研究的電壓、電流的瞬時值可以展開為： )sin(2)(110h

5、hhthwUUtu)sin(2)(110hhhthwIIti在工程實際中常采用有效值來衡量電流和電壓的大小。以周期電流i(t)為例，其有效值I定義為dtiTIT021含有諧波分量的電流值122002110)sin(21hhThhhIIdtthwIITI含有諧波分量的電流值122002110)sin(21hhThhhIIdtthwIITI定義非正弦周期電壓或電流的有效值等于它的恒定分量的平方和各次諧波有效值的平方之和的平方根。 表示諧波的參量為了表示畸變波形偏離正弦波形的程度，最常用的特征量：諧波含量總畸變率h次諧波的含有率所謂諧波含量，就是各次諧波的平方和開方。 諧波電流總畸變率 22hhHI

6、I%1001IITHDHI第h次諧波電流含有率 %1001IIHRIhh諧波電流的功率分析dtthIIthUUTPhhhThhh )sin(2 )sin(211100110因為不同頻率正弦波瞬時值的乘積在一個周期內(nèi)的平均值等于零，經(jīng)積分后得 )(cos100hhhhhIUIUP這就是說，非正弦周期量的平均功率等于恒定功率分量與各次諧波構(gòu)成的平均功率之和，即僅有同頻率的電壓和電流才構(gòu)成有功功率，而不同頻率的電壓和電流則不構(gòu)成有功功率。 有功功率P無功功率 Q11)sin(hhhhhhhIUQQ我們知道，在正弦電路里無功功率表示電磁能量交換的最大值?？墒窃诜钦仪闆r下，按上式計算時，由于可以在四個

7、象限之內(nèi)，可能是正，也可能是負(fù)，所以各次可能相互抵消，甚至出現(xiàn)Q為零，但電流中的無功分量卻不為零，也就是它不再有能量交換最大量度等物理意義了。Q只是表明由于各次諧波電壓和電流存在相位差而產(chǎn)生的無功功率之和。視在功率S在非正弦波的情況下，視在功率仍可定義為 )(12201220hhhhIIUUUIS顯然而是222QPS222QPS畸變功率因Q只是同頻電壓和電流存在相位差引起的無功功率的總和，而交換功率中尚包含有不同次頻率電壓和電流引起的部分。于是引入畸變功率D，使得2222QPSDD和Q的區(qū)別Q是由同頻率電壓和電流間的相位差引起的。D是由于波形畸變，不同頻率電壓和電流相互作用引起的。在存在非線性

8、負(fù)荷的情況，即使沒有儲能元件，也可能產(chǎn)生無功功率。由線性的儲能元件引起電壓和電流間的相位差別而產(chǎn)生的無功功率，可以利用線性元件（電容或電感）加以補償，而由非線性負(fù)荷或元件引起的諧波，則不能簡單地用線性元件加以補償。)cos( )sin(2)sin(211111111101IUdtthIthUTPhhhT)sin(1111IUQ 通常電壓的波形畸變都很小，而電流波形的畸變則可能很大，因此，不考慮電壓畸變，研究電壓波形為正弦波、電流波形為非正弦波時的情況有較大的實際意義。而且直流分量一般也很小，在這忽略不計。 計算的簡化)(1221hhIUUIS2222221hhIUQPSD這樣Q和D都有了明確的

9、物理意義。Q是基波電流產(chǎn)生的無功功率，D是諧波電流產(chǎn)生的無功功率。 含有諧波的功率因數(shù))cos()cos()cos(1111111111IIIUIUSP式中I1 / I，即基波電流和總電流有效值之比，稱為基波因數(shù)。而cos（11）稱為位移因數(shù)或基波功率因數(shù)。可以看出，在非正弦電路中，功率因數(shù)是由基波電流相移和電流波形畸變兩個因數(shù)決定的。總電流也可以分為基波有功電流，基波無功電流和諧波電流三部份組成。諧波電流含量越大，功率因數(shù)就越低。二、諧波的產(chǎn)生整流元器件是最主要的諧波源。如UPS，開關(guān)電源，變頻器等都含有整流器。這些元件輪回地導(dǎo)通和關(guān)斷，造成了交流電源回路的波形強行發(fā)生了變化，使得正弦波產(chǎn)生

10、畸變。電流波形不再是正弦波形。典型諧波產(chǎn)生源電子開關(guān)型電子開關(guān)型:各種交直流換流裝置、變頻裝置鐵磁飽和型鐵磁飽和型:各種鐵芯設(shè)備, 如變壓器、電抗器等，其鐵磁飽 和特性呈現(xiàn)非線性電弧型電弧型:各種煉鋼電弧爐、交流電弧焊機三相六脈沖整流在理想情況下的圖形利用傅立葉級數(shù)進(jìn)行分解基波正弦波各次諧波三、諧波的危害諧波的危害設(shè)備過熱、中性線電流大、斷路器動作；功率因數(shù)下降，電費增加；供電波形產(chǎn)生畸變，精密設(shè)備工作異常；測試計量器具顯示不準(zhǔn)；干擾通信系統(tǒng)1. 電壓畸變度變大我們維護(hù)規(guī)程規(guī)定電壓波形正弦畸變不大于5，但是由于大量的諧波電流存在，使輸入電壓發(fā)生了畸變，經(jīng)測試，個別局（站）的電壓畸變度已經(jīng)大于5

11、，不符合我們交流供電的質(zhì)量指標(biāo)了。 諧波造成波形畸變基波與2次諧波無相差疊加基波與2次諧波有相差疊加基波與3次諧波無相差疊加基波與3次諧波有相差疊加誰會在意電能質(zhì)量供電局供電局制造業(yè)制造業(yè) 動力部門動力部門過程工業(yè)（冶金，石化）過程工業(yè)（冶金，石化）數(shù)據(jù)中心，運維部門數(shù)據(jù)中心，運維部門軍隊工業(yè)軍隊工業(yè)& &政府事業(yè)政府事業(yè)集成商集成商電能治理公司電能治理公司2.諧波電流的大量存在，將降低設(shè)備的輸入功率因數(shù)。 在不考慮相位差的情況下，諧波對功率因數(shù)的影響如下： 諧波諧波含量含量10%20%30%40%50%60%70%80%功率功率因數(shù)因數(shù)09909809609308908608

12、2078cos)(112THDPF一般的，設(shè)備的輸入功率因數(shù)如下式 ：功率因數(shù)的影響無功損耗增大，降低了設(shè)備的利用率。降低了企業(yè)總的輸入功率因數(shù)，可能要多繳電費：一般在供電合同中都明確有規(guī)定，用戶功率因數(shù)在高峰負(fù)荷期間應(yīng)達(dá)到cosn（對于我們電信企業(yè)，一般取0.9），高于這個標(biāo)準(zhǔn)者可以少繳電費（獎），低于這個標(biāo)準(zhǔn)則要多繳電費（罰）。 3.諧振問題為了補償設(shè)備的無功功率，提高功率因數(shù)在低壓配電處一般并聯(lián)裝有電容補償濾波器。在工頻情況下，這些電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大得多，不產(chǎn)生諧振。但是如果諧波含量高，這些諧波使電容的容抗變小而使系統(tǒng)的感抗變大，這樣就容易產(chǎn)生諧振，使諧波電流經(jīng)過電容器時進(jìn)一步放

13、大，使電容過熱、壽命縮短，嚴(yán)重時甚至引起爆炸。 4.諧波對油機的影響（一）柴油發(fā)電機組的內(nèi)阻相對市電來說大了很多 ，非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流引起的電壓畸變就大很多，造成油機輸出電壓失真嚴(yán)重。這就會造成：控制部分可能對失真嚴(yán)重的輸出波形發(fā)生誤判斷，認(rèn)為是過壓、超頻等原因，從而造成油機停機； 輸出電壓不穩(wěn)，輸出高壓造成所帶負(fù)載燒毀。4.諧波對油機的影響（二）下表為不同非線性負(fù)載對柴油發(fā)電機組（200KVA）輸出電壓畸變度的影響。 發(fā)電機組允許的電壓畸變度發(fā)電機組允許帶負(fù)載的百分比12脈沖整流UPS6脈沖整流UPS單相整流UPS5%78%42%22%10%100%69%36%15%100%96%52

14、%5.諧波對能耗的影響對變壓器的影響 ： 對變壓器而言，諧波電流可導(dǎo)致銅損和雜散損耗增加，諧波電壓則會增加鐵損。與純基波運行的正弦波電流和電壓相比較，諧波對變壓器的整體影響是溫升較高。 由諧波所引起的額外損耗將與電流和頻率的平方成比例上升，進(jìn)而導(dǎo)致變壓器的基波負(fù)載容量下降。 5.諧波對能耗的影響對電纜的影響 在導(dǎo)體中非正弦波電流所產(chǎn)生的熱量與具有相同均方根值的純正弦波電流相比較，非正弦波會有較高的熱量。該額外溫升是由眾所周知的集膚效應(yīng)所引起的，而這種現(xiàn)象取決于頻率及導(dǎo)體的尺寸。這種效應(yīng)如同增加導(dǎo)體交流電阻，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)p耗增加。 22hhhLRIP式中 Rhh次諧波頻率下的線路電阻。Rh隨頻率升高

15、而增加，例如直徑為0.76cm的圓形導(dǎo)體，其基波及5、7、11次諧波的交流電阻分別為直流電阻的1.01，1.21，1.35倍及1.65倍。導(dǎo)線的直徑愈大，因集膚效應(yīng)而使諧波頻率下的電阻增加愈明顯，諧波產(chǎn)生的附加損耗也越大。例：基波電流300A,含有100A諧波電流的導(dǎo)線，其損耗可計算得：電阻取0.5歐KWmP8 . 11030032 . 010032一年耗費電費元4 .126148 . 0365248 . 1KW值得注意的地方雖然諧波治理可以帶來一定的節(jié)能效果，但諧波治理的主要目的不是為了節(jié)能。6.諧波電流產(chǎn)生的電磁干擾 諧波的存在，會使控制設(shè)備損壞或出現(xiàn)誤動作的幾率大大增加。電力電子設(shè)備對供

16、電電壓的諧波畸變很敏感，如可編程控制器(PLC)，通常要求總諧波電壓畸變率(VTHD)小于5%，且個別諧波電壓畸變率低于3%，較高的畸變量可導(dǎo)致控制設(shè)備誤動作。這也是為什么一些大型UPS控制板容易燒壞，以及一些監(jiān)控設(shè)備出現(xiàn)誤動作的重要原因。 四、諧波的抑制和消除采用新型的設(shè)備增加濾波器采用新技術(shù)的設(shè)備可以從源頭上減少諧波電流。比如12脈沖的ups。濾波器分為無源濾波器和有源濾波器無源濾波器無源濾波器由電容器和電抗器串聯(lián)而成，并調(diào)諧在某個特定諧波頻率。濾波器對其所調(diào)諧的諧波來說是一個低阻抗的“陷阱”。理論上，濾波器在其調(diào)諧頻率處阻抗為零，因此可吸收掉要濾出的諧波。 無源濾波器的不足（一）只能抑制

17、固定的幾次諧波，并且對某次諧波在一定條件下會產(chǎn)生諧振而使諧波放大，引起其他事故； 只能補償固定的無功功率，對變化的無功負(fù)載不能進(jìn)行精確補償； 無源濾波器的不足（二）其濾波特性依賴于電源阻抗，受系統(tǒng)參數(shù)影響較大，并且其濾波特性有時很難與調(diào)壓要求相協(xié)調(diào)； 由于對其中的元件參數(shù)和可靠性要求較高，且不能隨時間和外界環(huán)境變化，故對無源濾波器的制造工藝要求也很高； 無源濾波器的不足（三）對系統(tǒng)負(fù)荷變化較大的情況，不宜采用；重量與體積較大等等。 有源濾波器與無源濾波器相比，有源濾波器具有高度可控制特性，并且能跟蹤補償各次諧波、自動產(chǎn)生所需變化的無功功率，其特性不受系統(tǒng)影響，無諧波放大危險，相對體積重量較小等

18、突出優(yōu)點，因而已成為電力諧波抑制和無功補償?shù)闹匾侄巍?有源濾波器系統(tǒng)主要由兩大部分組成，即指令電流檢測電路和補償電流發(fā)生電路。 補償電流發(fā)生器指令電流運算電流跟蹤控制負(fù)載指令電流信號ic= -（iLh + iLq）有源濾波器的電路控制方式模擬追蹤補償方式模擬追蹤補償方式的濾波器原理是將電源電流采樣后，將基波濾除，而將剩下的諧波量翻轉(zhuǎn)去抵消電源電流中的諧波響應(yīng)速度快（1ms），并且可以補償250次諧波 快速傅里葉級數(shù)方式 將電流采樣后，使用快速傅里葉級數(shù)計算的方式將其分解為各次波形，然后可以針對其中的特定某次諧波進(jìn)行消除。 需要采樣至少一個完整的波形才能進(jìn)行付里葉級數(shù)的計算，故響應(yīng)速度一般在2040ms 無源與有源濾波器的比較諧波處理能力諧波處理能