第三章諧波效應(yīng)及諧波抑制

1、第三章第三章 諧波效應(yīng)及諧波抑制諧波效應(yīng)及諧波抑制 第一節(jié)第一節(jié) 諧諧 波波 諧諧 振振 第二節(jié)第二節(jié) 諧波對(duì)一次設(shè)備的影響和危害諧波對(duì)一次設(shè)備的影響和危害 第三節(jié)第三節(jié) 諧波對(duì)二次設(shè)備騷擾的評(píng)價(jià)諧波對(duì)二次設(shè)備騷擾的評(píng)價(jià) 第四節(jié)第四節(jié) 諧波對(duì)用電設(shè)備的影響諧波對(duì)用電設(shè)備的影響 第五節(jié)第五節(jié) 減小諧波影響的技術(shù)措施減小諧波影響的技術(shù)措施 第六節(jié)第六節(jié) 電力系統(tǒng)諧波的限值和標(biāo)準(zhǔn)電力系統(tǒng)諧波的限值和標(biāo)準(zhǔn) 第一節(jié)第一節(jié) 諧諧 波波 諧諧 振振n 電力系統(tǒng)是由電感、電阻、電容組成的網(wǎng)絡(luò)，電力系統(tǒng)是由電感、電阻、電容組成的網(wǎng)絡(luò)，在一定的參數(shù)配合下可能對(duì)某些頻率產(chǎn)生諧振，在一定的參數(shù)配合下可能對(duì)某些頻率產(chǎn)生

2、諧振，誘發(fā)出過電壓和過電流。誘發(fā)出過電壓和過電流。n對(duì)于正常設(shè)計(jì)的電網(wǎng)來說，發(fā)生工頻諧振的可對(duì)于正常設(shè)計(jì)的電網(wǎng)來說，發(fā)生工頻諧振的可能性很小。能性很小。n但在某些高次諧波下諧振，諧波電流和電壓劇但在某些高次諧波下諧振，諧波電流和電壓劇增，危害設(shè)備的運(yùn)行和安全。增，危害設(shè)備的運(yùn)行和安全。n即使達(dá)不到諧振條件，由于電容器對(duì)諧波有放即使達(dá)不到諧振條件，由于電容器對(duì)諧波有放大作用，也會(huì)使諧波電流和電壓增加。大作用，也會(huì)使諧波電流和電壓增加。 一、諧波的并聯(lián)諧振一、諧波的并聯(lián)諧振 1 電容器無(wú)串聯(lián)電感的情況電容器無(wú)串聯(lián)電感的情況 圖圖3- -1 n次諧波等值電路次諧波等值電路 n諧波源大多數(shù)為恒流源諧波

3、源大多數(shù)為恒流源Inn系統(tǒng)的基波阻抗為系統(tǒng)的基波阻抗為Zs=Rs + jXsn并聯(lián)電容器的基波電抗為并聯(lián)電容器的基波電抗為-jXcn對(duì)于對(duì)于n次諧波次諧波: n系統(tǒng)的諧波阻抗系統(tǒng)的諧波阻抗: Zsn=Rsn+jnXs jnXs； n電容器的諧波電抗為電容器的諧波電抗為 -jXc/nnnCSCnCSCnsIInXXnnXInXjXnjnXjI1nnnsnncIIIII11)11(其中：其中：SCSCXnXXnnX2圖圖3- -2 Isn和和Icn的變化曲線的變化曲線( l ) 當(dāng)當(dāng)=-1，即，即 時(shí)，時(shí)，Isn =Icn=， 發(fā)生并聯(lián)諧振發(fā)生并聯(lián)諧振,其中其中 為諧振的為諧振的諧波次數(shù)。諧波次數(shù)

4、。( 2 ) 當(dāng)當(dāng)-，即，即 時(shí)，時(shí)，Isn In ，Icn 0 ( 3 ) 當(dāng)當(dāng)=-2，即，即 時(shí)，時(shí)，Isn =2In，ICn =-In ( 4 ) 當(dāng)當(dāng)=-0.5，即，即 時(shí)，時(shí)，Isn =-In，ICn =2InSCXnnXSCXXn00SXnSCXnnX2SCXnnX5 . 0( 5 ) 當(dāng)=0，即 時(shí)，Isn =0，ICn =In( 6 ) 以以=-1為界，為界， 左側(cè)為感性左側(cè)為感性 , 右側(cè)為容性右側(cè)為容性 , SXnncnInxjU1190,011nnIUncnInxjU1190,011nnIU( 7 ) 在在=-2-0.5區(qū)間，區(qū)間，|Isn |In，|ICn| In ，稱

5、為諧波電流嚴(yán)重放大區(qū)，對(duì)，稱為諧波電流嚴(yán)重放大區(qū)，對(duì)應(yīng)的諧波次數(shù)應(yīng)的諧波次數(shù)n為為:SCSCbaXXXXnn2,2,SCXXn0總結(jié)總結(jié): ( 1 ). 并聯(lián)諧波諧振出現(xiàn)諧波過電流，并聯(lián)諧波諧振出現(xiàn)諧波過電流，諧振點(diǎn)諧振點(diǎn): ( 2 ). 出現(xiàn)諧波電流嚴(yán)重放大區(qū)，放大出現(xiàn)諧波電流嚴(yán)重放大區(qū)，放大區(qū)范圍區(qū)范圍(寬度寬度) ( 3 ). 諧振點(diǎn)兩邊，諧波電壓反相。諧振點(diǎn)兩邊，諧波電壓反相。 SCXXn0SCXX22、電容器有串聯(lián)電感的情況、電容器有串聯(lián)電感的情況( 1 )目的目的: C串聯(lián)一定數(shù)值的串聯(lián)一定數(shù)值的L是為了降低是為了降低C合閘時(shí)的涌流。合閘時(shí)的涌流。( 2 )作用作用: 降低諧振諧波

6、次數(shù)降低諧振諧波次數(shù); 縮小諧波電流嚴(yán)重放大區(qū)。縮小諧波電流嚴(yán)重放大區(qū)。 圖圖3-3-3 電容器串聯(lián)電感時(shí)的諧波等值電路電容器串聯(lián)電感時(shí)的諧波等值電路n次諧波電流為：次諧波電流為： .1)(nnCLSCLnsIInXXnXnnXXnI.11)11 (nnnsnnCIIIIISCLXnnXXn式中式中當(dāng)當(dāng)1+=0時(shí)，出現(xiàn)并聯(lián)諧振。時(shí)，出現(xiàn)并聯(lián)諧振。諧振點(diǎn)的諧波次數(shù)為諧振點(diǎn)的諧波次數(shù)為: SLCXXXnn03、比較有串聯(lián)比較有串聯(lián)L和無(wú)串聯(lián)和無(wú)串聯(lián)L兩種情況兩種情況 （1）有串聯(lián)電感時(shí)）有串聯(lián)電感時(shí)，可能大于可能大于0，即當(dāng)即當(dāng)nXL XC / n時(shí)，時(shí)，C 支路變成感性。支路變成感性。這時(shí)這時(shí)C

7、 支路只是起分流作用。支路只是起分流作用。 （2）兩種情況下的并聯(lián)諧振點(diǎn)不同）兩種情況下的并聯(lián)諧振點(diǎn)不同 SCSLCXXnXXXn00（3）兩種情況下諧波電流的嚴(yán)重放大區(qū)不同）兩種情況下諧波電流的嚴(yán)重放大區(qū)不同 SCSCabXXXXnnN22SLCSLCabXXXXXXnnN222可以證明可以證明N0.82時(shí)應(yīng)按局部放電條件時(shí)應(yīng)按局部放電條件確定電容器的容許諧波含量；確定電容器的容許諧波含量；n當(dāng)當(dāng)K f0時(shí)，時(shí)，|Z|R 2. 諧波阻抗諧波阻抗: RCf210111)11(1LnjRCnjZnHn 為最小值時(shí)的諧波次數(shù)為最小值時(shí)的諧波次數(shù)nmin為為: |nHZ)21(2120mmmmmnn

8、nimRCRLCRLm12RXRCfffnC 1110021其中，其中，式中式中 n0 對(duì)應(yīng)于截止頻率的諧波次數(shù)。對(duì)應(yīng)于截止頻率的諧波次數(shù)。3. HF的品質(zhì)因數(shù)的品質(zhì)因數(shù) 4. HF的特點(diǎn)：的特點(diǎn)：(1) 一般設(shè)計(jì)得較低一般設(shè)計(jì)得較低, 約約:0.71.4。(2) 不考慮頻率失諧不考慮頻率失諧,它的運(yùn)行特性對(duì)頻它的運(yùn)行特性對(duì)頻率偏差的敏感性較低，在相當(dāng)寬的率偏差的敏感性較低，在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)，它的阻抗大致相等。頻率范圍內(nèi)，它的阻抗大致相等。(3) 電容器的額定電壓比單調(diào)諧濾波器電容器的額定電壓比單調(diào)諧濾波器低，容量等于基波頻率容量。低，容量等于基波頻率容量。nmnXnRXRqLnLH01H

9、q高通濾波器的設(shè)計(jì)步驟高通濾波器的設(shè)計(jì)步驟： 1. 由補(bǔ)償作用確定電容器由補(bǔ)償作用確定電容器C ( 額定電壓較單額定電壓較單調(diào)諧濾波器的低、容量等于基波容量調(diào)諧濾波器的低、容量等于基波容量) ) 2.3.RRCffffn2100100，根據(jù)LCRCRLm,2及根據(jù)二、有源電力濾波器、有源電力濾波器( APF ) ( 一一 ) APF的基本原理的基本原理 無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)無(wú)源濾波器的缺點(diǎn) ： 1. 有效材料消耗大、體積大；有效材料消耗大、體積大； 2. 濾波要求和無(wú)功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以濾波要求和無(wú)功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)；協(xié)調(diào)； 3. 濾波效果不夠理想濾波效果不夠理想(特別是對(duì)非特征諧波

10、特別是對(duì)非特征諧波有時(shí)還會(huì)放大有時(shí)還會(huì)放大)； 4. 裝置的損耗較大；裝置的損耗較大； 5. 在某些條件下和系統(tǒng)發(fā)生諧振，引發(fā)事故。在某些條件下和系統(tǒng)發(fā)生諧振，引發(fā)事故。 nAPF的原理結(jié)構(gòu)如圖的原理結(jié)構(gòu)如圖3-16所示。所示。這種濾波器是這種濾波器是向電網(wǎng)送入與原有諧波電流幅值相等、相位向電網(wǎng)送入與原有諧波電流幅值相等、相位相同、方向相反的電流，使流入電源的總諧相同、方向相反的電流，使流入電源的總諧波電流為零。波電流為零。 圖圖3- -16 有源電力濾波器結(jié)構(gòu)框圖有源電力濾波器結(jié)構(gòu)框圖圖圖3- -12 電流的時(shí)域分解電流的時(shí)域分解將諧波源電流將諧波源電流i分分解為有功解為有功ip和無(wú)和無(wú)功功

11、iQ ( i=ip+iQ )，如圖如圖3-12所示。所示。在電網(wǎng)在電網(wǎng)U基本上基本上是正弦波的情況是正弦波的情況下，下，ip為基波有為基波有功電流，而功電流，而iQ包包含基波無(wú)功和全含基波無(wú)功和全部諧波電流。部諧波電流。n常見的常見的APF可分為可分為電流型電流型和和電壓型電壓型兩大類型。兩大類型。n電流型電流型APF的主電路如圖的主電路如圖3-13所示。在電橋所示。在電橋的直流的直流側(cè)由側(cè)由L保持穩(wěn)定的直流保持穩(wěn)定的直流i,根據(jù)檢測(cè)的根據(jù)檢測(cè)的i和和u信號(hào)由控制電路信號(hào)由控制電路給出給出iQ的目標(biāo)值，在電的目標(biāo)值，在電橋的交流側(cè)用脈寬調(diào)制方法向系統(tǒng)輸出補(bǔ)償橋的交流側(cè)用脈寬調(diào)制方法向系統(tǒng)輸出補(bǔ)

12、償?shù)牡臒o(wú)功無(wú)功i。n將每周期分成將每周期分成N個(gè)等間隔個(gè)等間隔T，在每間隔，在每間隔T內(nèi)內(nèi),電橋向外輸出電橋向外輸出i的瞬時(shí)值，脈沖幅值的瞬時(shí)值，脈沖幅值Id為定值為定值，iQ的瞬時(shí)值由脈沖寬度的瞬時(shí)值由脈沖寬度t所決定，最后經(jīng)過所決定，最后經(jīng)過濾除波形脈動(dòng)的濾波器，便可向系統(tǒng)輸出無(wú)濾除波形脈動(dòng)的濾波器，便可向系統(tǒng)輸出無(wú)功功iQ的目標(biāo)值。的目標(biāo)值。 圖圖3- -14 脈寬調(diào)制輸脈寬調(diào)制輸出電流的波形出電流的波形圖圖3- -13 電流型有源濾電流型有源濾波器的主電路波器的主電路n電壓型電壓型APF主電路如圖主電路如圖3-15所示。在所示。在電橋的直流側(cè)由電容器電橋的直流側(cè)由電容器C保持穩(wěn)定的保持

13、穩(wěn)定的直流電壓直流電壓Ud，在交流側(cè)由脈寬調(diào)制電，在交流側(cè)由脈寬調(diào)制電壓壓Ud使其輸出的電流通過交流電抗器使其輸出的電流通過交流電抗器來補(bǔ)償電網(wǎng)波形的畸變。來補(bǔ)償電網(wǎng)波形的畸變。 n利用利用PWM來得到與高次諧波近似的波來得到與高次諧波近似的波形，必須提高載波的頻率，但這將受形，必須提高載波的頻率，但這將受到所使用的元器件固有開關(guān)頻率的限到所使用的元器件固有開關(guān)頻率的限制制。圖圖3- -15 電壓型有源濾波器的主電路電壓型有源濾波器的主電路( 二二 ) 典型的典型的APLC方案簡(jiǎn)介方案簡(jiǎn)介 無(wú)源電力濾波器初期投資較少，相無(wú)源電力濾波器初期投資較少，相對(duì)于對(duì)于APF來說容量作大一些要容易得多。來

14、說容量作大一些要容易得多。因此，為了充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，許多因此，為了充分利用兩者的優(yōu)點(diǎn)，許多學(xué)者提出了不少學(xué)者提出了不少APF和無(wú)源電力濾波器和無(wú)源電力濾波器組合的方案。組合的方案。 一般把一般把APF和無(wú)源濾波器所組成的和無(wú)源濾波器所組成的整個(gè)系統(tǒng)稱為整個(gè)系統(tǒng)稱為有源電力調(diào)理器有源電力調(diào)理器(active power line conditioner，APLC )。n典型的串聯(lián)于線路的方案見圖典型的串聯(lián)于線路的方案見圖3-17，它，它用并聯(lián)的無(wú)源濾波器和相對(duì)較小容量串用并聯(lián)的無(wú)源濾波器和相對(duì)較小容量串聯(lián)型聯(lián)型APF相結(jié)合的系統(tǒng)。相結(jié)合的系統(tǒng)。n其中，無(wú)源濾波器吸收由非線性負(fù)荷所其中，無(wú)源濾

15、波器吸收由非線性負(fù)荷所產(chǎn)生的諧波電流，而產(chǎn)生的諧波電流，而APF提高無(wú)源濾波提高無(wú)源濾波器的濾波性能。器的濾波性能。n該系統(tǒng)解決了無(wú)源濾波器的一些固有問該系統(tǒng)解決了無(wú)源濾波器的一些固有問題，如可能產(chǎn)生諧波放大等問題；同時(shí)，題，如可能產(chǎn)生諧波放大等問題；同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的相對(duì)于傳統(tǒng)的APF來說，容量大大下降來說，容量大大下降。圖圖3- -17 串聯(lián)于線路的方案串聯(lián)于線路的方案第六節(jié)第六節(jié) 電力系統(tǒng)諧波的限值和標(biāo)準(zhǔn)電力系統(tǒng)諧波的限值和標(biāo)準(zhǔn) n為了限制電力系統(tǒng)中日益嚴(yán)重的諧波污染，為了限制電力系統(tǒng)中日益嚴(yán)重的諧波污染，增強(qiáng)電力系統(tǒng)中發(fā)電、輸配電和用電設(shè)備增強(qiáng)電力系統(tǒng)中發(fā)電、輸配電和用電設(shè)備之間的電磁

16、兼容性，國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局于之間的電磁兼容性，國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局于1993年批準(zhǔn)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)年批準(zhǔn)了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-93 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波 。n該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波的允許值及其該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波的允許值及其測(cè)試方法測(cè)試方法。 n制定限制諧波標(biāo)準(zhǔn)的原則是：制定限制諧波標(biāo)準(zhǔn)的原則是：( 1 ) 限制注入電力系統(tǒng)的諧波電流，把電限制注入電力系統(tǒng)的諧波電流，把電力系統(tǒng)中的諧波含量控制在允許范圍內(nèi)，力系統(tǒng)中的諧波含量控制在允許范圍內(nèi)，使接入電網(wǎng)中的各種電氣設(shè)備免受諧波使接入電網(wǎng)中的各種電氣設(shè)備免受諧波騷擾；騷擾；( 2 ) 能夠有利于國(guó)際間的技術(shù)經(jīng)濟(jì)交流和能夠有利于國(guó)

17、際間的技術(shù)經(jīng)濟(jì)交流和合作。合作。 為了便于國(guó)際間的技術(shù)合作與交流，為了便于國(guó)際間的技術(shù)合作與交流，各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)都互相借鑒，趨于統(tǒng)一各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)都互相借鑒，趨于統(tǒng)一。 一、電壓總諧波畸變率和、電壓總諧波畸變率和 諧波電壓含有率諧波電壓含有率 n電壓總諧波畸變率電壓總諧波畸變率 周期性交流量中的諧波含量的方根均周期性交流量中的諧波含量的方根均值與其基波分量的方根均值之比。值與其基波分量的方根均值之比。n諧波電壓含有率諧波電壓含有率 周期性交流量中含有的第周期性交流量中含有的第n次諧波分次諧波分量的方根均值與基波分量的方根均值量的方根均值與基波分量的方根均值之比。之比。 n 380/220V低壓電網(wǎng)電壓

18、的波形畸變低壓電網(wǎng)電壓的波形畸變率的限值為率的限值為5%；對(duì)于；對(duì)于6kV及以上各及以上各級(jí)電壓的電網(wǎng)，規(guī)定波形畸變率的級(jí)電壓的電網(wǎng)，規(guī)定波形畸變率的出發(fā)點(diǎn)是，保證低壓電網(wǎng)電壓波形出發(fā)點(diǎn)是，保證低壓電網(wǎng)電壓波形畸變率不超過畸變率不超過5%，并且防止高壓電，并且防止高壓電網(wǎng)發(fā)生諧波諧振或諧波放大。網(wǎng)發(fā)生諧波諧振或諧波放大。n電壓等級(jí)越高，電壓波形畸變率的電壓等級(jí)越高，電壓波形畸變率的限值越小。限值越小。 表表 3-3 公用電網(wǎng)諧波電壓限值公用電網(wǎng)諧波電壓限值( 以相電壓為基準(zhǔn)，以相電壓為基準(zhǔn)，% ) 電網(wǎng)電網(wǎng)額定額定電電 壓壓( kV ) 電壓電壓總諧總諧波畸波畸變率變率(%) 各次諧波電各次諧波電壓壓含有率含有率(% ) 電網(wǎng)額電網(wǎng)額定電壓定電壓( kV ) 電壓電壓總諧總諧波畸波畸變率變率(%) 各次諧波各次諧波電壓電壓含有率含有率(% ) 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、諧波電流的限值二、諧波電流的限值 n規(guī)定諧波電流限值的目的在于限制諧規(guī)定諧波電流限值的目的在于限制諧波電壓。表波電壓。表3-4列出諧波源用戶注入列出諧波源用戶注入公共連接點(diǎn)的各次諧波電流的允許值。公共