电能质量提高综合技能培训班-张一工教授(1).ppt

第二部分 电力系统谐波及相关问题,电能质量提高综合技能培训班,张一工 教授 华北电力大学电气与电子工程学院,2019年6月8日,2,谐波基本概念：源于声学,电力系统谐波及相关问题,“谐”：和谐，Harmonic 谐波：频率为基频整倍数的分量（基音与泛音列） 谐波：决定音色的因素（音高、音量与音色） 谐波的物理学意义：决定音频波形的形状 律学的物理学基础,2019年6月8日,3,电力系统波形畸变并不是新问题,电力系统谐波及相关问题,19201930：德国已提出波形畸变问题 20世纪60年代前，谐波问题并不突出 HVDC的应用促进了谐波研究的发展 大量电力电子装置的应用使得谐波问题日益严重 电力电子装置的不利影响不仅限于谐波,2019年6月8日,4,电力系统谐波的基本概念,电力系统谐波及相关问题,定义 数学工具 不同类型谐波的性质与特点,.,2019年6月8日,5,电力系统谐波的基本概念,电力系统谐波及相关问题,定义 数学工具 不同类型谐波的性质与特点,一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整倍数。也称为高次谐波。,2019年6月8日,6,电力系统谐波的基本概念,电力系统谐波及相关问题,定义 数学工具 不同类型谐波的性质与特点,傅立叶级数。畸变周期波形（非正弦波形）可以用有限个不同频率的正弦波的叠加来近似。,2019年6月8日,7,电力系统谐波的基本概念,电力系统谐波及相关问题,定义 数学工具 不同类型谐波的性质与特点,谐波次数必为整数 谐波和暂态现象 谐波与波形缺口 短时间谐波和暂态过程中的谐波,2019年6月8日,8,非正弦周期函数的傅立叶级数展开,电力系统谐波及相关问题,直流分量,三角形式：直流分量、正弦分量与余弦分量,2019年6月8日,9,非正弦周期函数的傅立叶级数展开,电力系统谐波及相关问题,三角形式：直流分量、正弦分量与余弦分量,2019年6月8日,10,非正弦周期函数的傅立叶级数展开,电力系统谐波及相关问题,n次分量振幅,n次分量初相角,三角形式：直流分量、振幅与初相角,2019年6月8日,11,非正弦周期函数的傅立叶级数展开,电力系统谐波及相关问题,指数形式：直流分量、振幅与初相角,2019年6月8日,12,傅立叶级数展开的意义,电力系统谐波及相关问题,简化复杂波形的分析 充分利用针对正弦电路的简化算法 进行谐波治理的理论依据,.,2019年6月8日,13,傅立叶级数展开的意义,电力系统谐波及相关问题,简化复杂波形的分析 充分利用针对正弦电路的简化算法 进行谐波治理的理论依据,将复杂波形的分析问题化为正弦波的分析问题；将千变万化的波形分析化为单一的波形分析问题,2019年6月8日,14,傅立叶级数展开的意义,电力系统谐波及相关问题,简化复杂波形的分析 充分利用针对正弦电路的简化算法 进行谐波治理的理论依据,简单的稳态解的计算分析方法 复阻抗 复阻抗串、并联 叠加原理仅对线性电路适用,2019年6月8日,15,傅立叶级数展开的意义,电力系统谐波及相关问题,简化复杂波形的分析 充分利用针对正弦电路的简化算法 进行谐波治理的理论依据,频谱的构成 治理方案的制定 治理效果的评价,2019年6月8日,16,典型波形傅立叶级数分析：方波,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,17,典型波形傅立叶级数分析：方波,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,18,典型波形傅立叶级数分析：方波,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,19,典型波形傅立叶级数分析：三角波,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,20,典型波形傅立叶级数分析：三角波,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,21,典型波形傅立叶级数分析：三角波,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,22,谐波大小的度量：谐波含有率,电力系统谐波及相关问题,n次谐波电压含有率HRUn ：,n次谐波电流含有率HRIn ：,2019年6月8日,23,谐波大小的度量：总谐波畸变率,电力系统谐波及相关问题,总电压谐波畸变率THDu ：,总电流谐波畸变率THDi ：,2019年6月8日,24,谐波大小的度量：总谐波含量,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,25,谐波大小的度量：总谐波含量,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,26,谐波限值：公用电网电压,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,27,谐波限值：公共连接点注入电流,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,28,谐波限值：公共连接点注入电流（续）,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,29,谐波的危害,谐波 附加损耗 谐波过电压 引起继电保护装置误动 引起电气测量与计量的误差 对通信系统的干扰 电压换相缺口 EMI,电力系统谐波及相关问题,.,2019年6月8日,30,谐波的危害,谐波 附加损耗 谐波过电压 引起继电保护装置误动 引起电气测量与计量的误差 对通信系统的干扰 电压换相缺口 EMI,电力系统谐波及相关问题,附加铁损（涡流，磁滞） 附加铜损（集肤效应，层叠效应）,2019年6月8日,31,谐波的危害,谐波 附加损耗 谐波过电压 引起继电保护装置误动 引起电气测量与计量的误差 对通信系统的干扰 电压换相缺口 EMI,电力系统谐波及相关问题,容性元件与系统阻抗（感性）发生并联谐振 谐波放大 过电压,2019年6月8日,32,谐波的危害,谐波 附加损耗 谐波过电压 引起继电保护装置误动 引起电气测量与计量的误差 对通信系统的干扰 电压换相缺口 EMI,电力系统谐波及相关问题,继电保护启动条件的误判,2019年6月8日,33,谐波的危害,谐波 附加损耗 谐波过电压 引起继电保护装置误动 引起电气测量与计量的误差 对通信系统的干扰 电压换相缺口 EMI,电力系统谐波及相关问题,非正弦量的有效值测量 有功功率的计量 计量与收费政策,2019年6月8日,34,谐波的危害,谐波 附加损耗 谐波过电压 引起继电保护装置误动 引起电气测量与计量的误差 对通信系统的干扰 电压换相缺口 EMI,电力系统谐波及相关问题,对平行通信线路的干扰 随着信息的数字化，危害已弱化,2019年6月8日,35,谐波的危害,谐波 附加损耗 谐波过电压 引起继电保护装置误动 引起电气测量与计量的误差 对通信系统的干扰 电压换相缺口 EMI,电力系统谐波及相关问题,本质上也是谐波 具有较显著的高频分量 分压比的影响,2019年6月8日,36,谐波的危害,谐波 附加损耗 谐波过电压 引起继电保护装置误动 引起电气测量与计量的误差 对通信系统的干扰 电压换相缺口 EMI,电力系统谐波及相关问题,场的影响 无线发射,2019年6月8日,37,电力系统中的主要谐波源,电力系统谐波及相关问题,发电机和电动机 变压器和电抗器 电弧设备 电力电子装置 ,.,2019年6月8日,38,电力系统中的谐波源,电力系统谐波及相关问题,发电机和电动机 变压器和电抗器 电弧设备 电力电子装置 ,发电机结构不完全理想 发电机不对称运行 发电机为谐波电压源 电动机的结构不完全理想 电机本身不是主要的谐波源,2019年6月8日,39,电力系统中的谐波源,电力系统谐波及相关问题,发电机和电动机 变压器和电抗器 电弧设备 电力电子装置 ,铁心的非线性（饱和）是产生谐波的原因 电压偏高且轻载时谐波问题较为突出 直流偏磁的影响应该重视,2019年6月8日,40,电力系统中的谐波源,电力系统谐波及相关问题,发电机和电动机 变压器和电抗器 电弧设备 电力电子装置 ,电石炉 电弧炉 电弧焊设备 气体放电灯 不容忽视的谐波源,2019年6月8日,41,电力系统中的谐波源,电力系统谐波及相关问题,发电机和电动机 变压器和电抗器 电弧设备 电力电子装置 ,高压直流输电 电气化铁路 大容量整流设备 静止无功补偿设备 大容量调速设备 大量的家用电器 最主要的谐波源,2019年6月8日,42,电力系统中的谐波源：电弧炉,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,43,电力系统中的谐波源分布情况,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,44,电力电子装置与谐波,电力系统谐波及相关问题,电力系统中最主要的谐波源 接入电力系统的电力电子装置逐年增多 随着电力电子技术的发展谐波构成发生变化 对于电力系统的危害主要取决于交流侧谐波,.,2019年6月8日,45,电力电子装置与谐波,电力系统谐波及相关问题,电力系统中最主要的谐波源 接入电力系统的电力电子装置逐年增多 随着电力电子技术的发展谐波构成发生变化 对于电力系统的危害主要取决于交流侧谐波,间谐波 高频谐波,2019年6月8日,46,电力电子装置与谐波,电力系统谐波及相关问题,电力系统中最主要的谐波源 接入电力系统的电力电子装置逐年增多 随着电力电子技术的发展谐波构成发生变化 对于电力系统的危害主要取决于系统侧谐波,直流侧或负载侧的状况对系统侧谐波也会产生影响 影响往往是非本质的且较复杂,2019年6月8日,47,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：三相晶闸管换流器（大电感负载）,2019年6月8日,48,谐波源实例：三相晶闸管换流器（大电感负载）,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,49,电力系统谐波及相关问题,基波电流有效值：,n次谐波电流有效值：,谐波源实例：三相晶闸管换流器（大电感负载）,2019年6月8日,50,特征谐波和非特征谐波,电力系统谐波及相关问题,特征谐波 由换流器结构和工作方式决定 某种结构的换流器所特有 通常为主要的谐波成分 非特征谐波 由于某些理想条件不满足而产生 通常为次要的谐波成分,2019年6月8日,51,特征谐波和非特征谐波,电力系统谐波及相关问题,单相全波整流器的特征谐波 3，5，7，9， 2k + 1 三相桥式整流器（6脉动）的特征谐波 5，7，11，13， 6k 1,2019年6月8日,52,多相整流电路的谐波,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,53,多相整流电路的谐波,电力系统谐波及相关问题,双桥12脉动换流器特征谐波：,m桥换流器特征谐波：,2019年6月8日,54,计及换相过程时整流电路的谐波,电力系统谐波及相关问题,换相电感,2019年6月8日,55,计及换相过程时整流电路的谐波,电力系统谐波及相关问题,谐波含量与触发滞后角 a 有关 谐波含量与换相重叠角 g 有关 谐波含量比无换相过程情况下有所减小,2019年6月8日,56,计及换相过程时整流电路的谐波,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,57,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：单相整流电路带大滤波电容负载,大滤波电容,2019年6月8日,58,电力系统谐波及相关问题,交流侧谐波状况,谐波源实例：单相整流电路带大滤波电容负载,2019年6月8日,59,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：三相整流电路带大滤波电容负载,2019年6月8日,60,电力系统谐波及相关问题,交流侧谐波状况,谐波源实例：三相整流电路带大滤波电容负载,2019年6月8日,61,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：感容滤波的整流电路,各种工况的交流侧电流波形,2019年6月8日,62,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：交流调压电路（单相电阻负载）,2019年6月8日,63,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：交流调压电路（单相电阻负载）,交流侧谐波,2019年6月8日,64,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：交流调压电路（单相阻感负载）,2019年6月8日,65,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：交流调压电路（单相电感负载）,交流侧谐波,2019年6月8日,66,电力系统谐波及相关问题,谐波源实例：三相交流调压电路,2019年6月8日,67,解决谐波问题的方法,无源谐波滤波器 单调谐滤波器 双调谐滤波器 高通滤波器 有源电力滤波器 功率因数校正器 改进电力电子装置设计（绿色变频装置）,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,68,单调谐滤波器的基本工作原理,R-L-C串联谐振电路 适用于电流源型谐波源 在基波下呈容性，兼作无功补偿 存在谐波放大甚至谐振问题 低成本的解决方案,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,69,单调谐滤波器的基本工作原理,电力系统谐波及相关问题,n次谐波滤波器,2019年6月8日,70,单调谐滤波器的基本工作原理,电力系统谐波及相关问题,等效频率偏差与滤波效果 电感、电容参数的变化可等效为频率变化 电感、电容值变化2与频率变化1的影响相当 考虑到频率偏差的影响，Q 值并非越高越好,2019年6月8日,71,单调谐滤波器的基本工作原理,电力系统谐波及相关问题,系统简图,等值电路,2019年6月8日,72,单调谐滤波器的基本工作原理,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,73,高通滤波器的基本工作原理,电力系统谐波及相关问题,2019年6月8日,74,无源滤波器的配置原则,电力系统谐波及相关问题,对于主要的特征谐波配置单调谐滤波器 对于其它高次谐波配置高通滤波器 出于造价等因素的考虑，可采用双调谐滤波器代替单调谐滤波器 在配置单调谐滤波器时，要考虑谐波放大问题,2019年6月8日,75,无源滤波器的问题：谐振点的变化,电力系统谐波及相关问题,三卷变压器等值电路,10 kV侧等值电抗（漏抗）,无源滤波器组,2019年6月8日,76,无源滤波器的问题：谐振点的变化,电力系统谐波及相关问题,11