（电气工程专业论文）配电系统谐波治理方案的研究及应用.pdf

摘要 摘要 随着电力系统的不断发展和用电负荷的不断增长，特别是非线性、冲击性等谐波源 电力用户设备不断投入电网运行，如大容量整流装置、电弧炉等，引起系统电压波形畸 变，即有谐波电流产生。谐波未能得到很好的治理，这些谐波由配电系统进入电网，致 使电力系统中的电能质量问题日益严重。严重的谐波污染对供配电系统的电能质量造成 了极大的危害，如：电流和电压波形畸变；电压波动及闪变加剧：功率因数降低；供、 配、用电设备发热严重，电网供电能力( 容量) 下降，用电设备的利用率降低；线路和变 压器损耗增加并加速老化；电子设备及控制系统受干扰而无法正常工作；继电器误动作： 传统的无功功率补偿装置损坏加剧，运行费用增加，等等。因此，对非线性负载产生的 谐波进行治理已成为迫切需要。本论文主要针对配电系统中的谐波问题进行研究、分析， 提出谐波治理方案及谐波治理的基本方法。 本论文首先介绍了谐波的基本概念、谐波对电力用户以及供配电设备运行的危害及 经济损失的影响、主要谐波源特性的分析、谐波的相关标准等基础理论及概念。其次阐 述了谐波的治理技术，涉及谐波的测量理论的论述，实际测量方法，谐波治理技术的理 论论述，包括无源滤波技术及有源滤波技术等，各种滤波技术的特点、适应性及发展情 况等。 在基础理论研究的基础上，本论文依据镇江供电公司电能质量监督发现的问题，针 对某电力用户谐波超标情况，对无源滤波技术在具体工程的应用进行了分析和论证。在 工程应用案例中，通过对某电力用户进行实地谐波测量，应用谐波分析方法，分析了用 户设备谐波情况，根据测量和分析的结果，针对电力用户供电系统的现状，设备的负荷 特性，通过谐波计算及滤波器设计计算，确定无源滤波器治理方案。在谐波补偿装置投 入运行后，再次进行了实地谐波测量，通过比较谐波补偿前后数据及国家标准要求，分 析了谐波治理的效果。 关键词：电网谐波谐波测量谐波分析谐波治理 a b s t r a c t t h eh a r m o n i cc u r r e n th a sa r i s e nw i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e r s y s t e m a n d t h ee v e r i n c r e a s i n gl o a de s p e c i a l l yw i t ht h ea p p l i c a t i o no ft h e p o w e r e q u i p m e n t ss u c ha sh i g h c a p a c i t yr e c t i f y i n gd e v i c e s ，e l e c t r i ca r cf u r n a c e st h a t a r ec a l l e dn o n l i n e a ra n di m p u l s i r eh a r m o n i cs o u r c ea n dc a nc a u s ed i s t o r t i o no f t h es y s t e mv o l t a g ew a v e f o r m t h e s eh a r m o n i c sa f f e c tt h ep o w e rs y s t e mt h r o u g h t h ed i s t r i b u t i o ns y s t e md u et ob a dm a n a g e m e n to ft h eh a r m o n i c s ，w h i c hc a u s e s s e r i o u sp o w e rq u a l i t yp r o b l e m si np o w e rs y s t e m s e r i o u sh a r m o n i cp o l l u t i o nh a s h a r m e dt h ep o w e rq u a l i t yi nt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e ms u c ha sd i s t o r t i o no fc u r r e n t a n dv o l t a g ew a v e f o r m ，i n t e n s i f i c a t i o no fv o l t a g ef l u c t u a t i o n ，d e c r e a s i n go f p o w e rf a c t o r ，s e r i o u s h e a t i n gp r o b l e m si ns u p p l y ，d i s t r i b u t i o na n du s i n g e q u l p m e n t ，d e c r e a s i n go ts u p p l y l n gc a p a c l t yo tp o w e rg r l d ，l n c r e a s l n go t1 1 n e s a n dt r a n s f o r m e r sl o s sa n da g i n g ，a b n o r m a lw o r ks t a t eo fe l e c t r o n i ce q u i p m e n t a n dc o n t r o ls y s t e md u et oi n t e r f e r e n c e 。m a l f u n c t i o no fd e l a y s ，m o r ed a m a g e d r e a c t i r ep o w e rc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t ，i n c r e a s i n go fo p e r a t i o nc o s t s ot h e e f f e c t i v em a n a g e m e n to ft h eh a r m o n i c sc a u s e db yt h o s en o n l i n e a rl o a dc o n s t i t u t e s o u rm o s tu r g e n tp r o b l e m t h i sp a p e rp a y sm o r ea t t e n t i o nt ot h er e s e a r c ha n d a n a l y s i so ft h eh a r m o n i cp r o b l e m si nt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e ma n dg i v e st h eb a s i c m e t h o d si nh a r m o n i cm a n a g e m e n t t h i sp a p e rf i r s t l yd i s c o u r s e st h eb a s i cc o n c e p to fh a r m o n i c ，i t sp a s s i v e e f f e c t so np o w e ru s e r sa n dt h es u p p l ya n dd i s t r i b u t i o ne q u i p m e n t ，t h ea n a l y s i s o ft h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eh a r m o n i cs o u r c e sa n dt h er e l a t e ds t a n d a r d sa b o u t h a r m o n i c s e c o n d l yt h i sp a p e rd i s c u s s e st h eh a r m o n i cm a n a g e m e n tt e c h n o l o g y i n c l u d i n gp a s s i r ea n da c t i v e f i l t e rt e c h n o l o g y ，t h et h e o r i e sa n dm e t h o d so f h a r m o n i cm e a s u r e m e n t f e a t u r e s s u i t a b i l i t ya n dd e v e l o p m e n to fe v e r yk i n do f f i1t e rt e c h n o l o g y o nt h eb a s i so ft h er e s e a r c ho fb a s i ct h e o r i e s ，t h i sp a p e ra n a l y s e sa n d d e m o n s t r a t e st h ea p p l i c a t i o no fp a s s i v ef i l t e rt e c h n o l o g yo nc o n c r e t ep r o j e c t s a c c o r d i n gt oh a r m o n i cp r o b l e m sf o u n di np o w e rq u a l i t ys u p e r v i s i o ni nz h e n j i a n g p o w e rs u p p l yc o m p a n y i nt h ep r o j e c ta p p l i c a t i o nc a s e ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h e h a r m o n i cp r o b l e m so ft h eu s e re q u i p m e n tw i t ht h eh a r m o n i ca n a l y s i sm e t h o d sa f t e r h a r m o n i cm e a s u r e m e n to nt h es p o t b a s e do nt h er e s u l t so fm e a s u r e m e n ta n d a n a l y s i s ，t h i sp a p e rg i v e st h eh a r m o n i cm a n a g e m e n tp l a nw i t hp a s s i v ef i l t e r t e c h n o l o g ya f t e rh a r m o n i cc a l c u l a t i n ga n df i l t e rd e s i g nc a l c u l a t i n ga c c o r d i n g t ot h ec u r r e n ts i t u a t i o no ft h eu s e ra n dt h e1 0 a dc h a r a c t e r i s t i c s a f t e rt h e a p p l i c a t i o no fh a r m o n i cc o m p e n s a t i o nd e v i c e s ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h er e s u l t s o fh a r m o n i cm a n a g e m e n tb a s e do nt h eh a r m o n i cm e a s u r e m e n to nt h es p o tb yc o m p a r i n g t h ed a t ag o ta f t e rh a r m o n i c c o m p e n s a t i o n w i t ht h ed a t ab e f o r eh a r m o n i c m a n a g e m e n ta n dw i t ht h es t a t es t a n d a r d s k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i n g 、s y n c h r o n i z a t i o n 、f l e x i b l e 、i n t e r c o m m u n i c a t i o n 、 h u g ed a t a l i 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质 论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括 刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：。羔 亟! ：导师签名： 研究生签名：毒i 址导师签名： 日期： 东南大学工程硕士论文 第一章绪论 随着人类社会的进步和发展，人类社会对用电的需求也越来越高。一方面，各种高 档家用电器和先进的工业生产设备需要使用高质量的电能；另一方面，家用电器中电力 电子线路和各种工业生产设备里产生的大量谐波也污染了电网，严重影响了其他用电设 备的正常运行，同时危害电网的安全运行。 电力系统的谐波抑制和补偿对电力系统和电力用户都是十分重要的问题，也是近年 来各方面关注的热点之一。由于近些年来电力电子技术的飞速发展，国内外谐波抑制 的理论研究和实践应用都有了很大的进展，尤其是在电力有源滤波器出现后，更是取得 了一些突破性的成就。随着电力系统的谐波抑制理论的深入研究和更多的实践应用，必 将对减少和消除电网的谐波危害，治理电力系统污染，维护绿色供用电环境，产生巨大 的促进作用。 1 1 电力系统谐波问题的提出及研究的意义 谐波一词最早出现于声学当中，有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪就已经得 到了很好的发展，傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍在广泛应用着“。电力系 统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，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( n = f n f 1 ) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整倍谐波，称为非谐波 ( n o n - h a n n o n i c s ) 或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就已经提出，由于当时谐波源 在系统中所占的比重较小，故未引起足够重视。然而从五、六十年代以来，由于各种非 线性负载，包括可控整流传动装置及高压直流输电系统的投入，以及各种电力电子装置 在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛，电网波形畸变，使电力系统中的电 压和电流不再是单一的基波频率的正弦波，电网中的高次谐波含量大大增加，此时就出 现谐波补偿问题。 谐波的危害十分严重1 ，谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低 了发电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生 火灾。谐波影响各种电气设备的正常工作，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝 缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振和串 联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置 的误动作，使电能计量出现混乱。另外，国内外许多研究成果都表明谐波不仅对电力系 统中的运行设备和负荷有危害，而且对通信系统和计算机系统等也有较大影响，轻者产 生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失。使通信系统和计算机系统无法正常工作。 因此，电力系统谐波逐渐成为一个不容忽视的问题，谐波所造成的危害也日趋严重，世 界各国都对谐波问题予以了充分的关注，积极研究采取措施来抑制电网谐波。 配电系统谐波治理方案的研究及应用 1 2 谐波补偿技术的国内外研究进展情况 1 2 1 谐波补偿技术的历史及现状 为了解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，主要的方法是装设谐波补偿 装置来补偿谐波，这对各种谐波都是有用的。 传统的谐波抑制方法是无源滤波技术，即使用由电力电容器等无源器件构成无源滤 波器，该无源滤波器与需补偿的非线性负载并联，为谐波提供一个低阻通路的同时也提 供负载所需要的无功功率。虽然无源滤波器具有简单、方便的优点，但它也存在如下缺 点：n 叫 ( 1 ) 只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波 放大； ( 2 ) 只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿； ( 3 ) 其滤波特性受系统参数影响较大，并且其滤波特性有时很难与调压要求相协 调； ( 4 ) 重量与体积较大等等。 针对无源滤波技术的上述缺点，1 9 7 6 年，l g y u g i 提出用p w m 逆变器构成“电 力有源滤波器”( a c t i v ep o w e rf i l t e r , 简称a p f ) 。但当时受到器件技术和控制电路技术的 限制，一直处在实验室研究阶段，未能在工业中实用。八十年代以来，由于大中功率全 控型半导体器件的发展与日趋成熟，脉冲宽度调制( p w m ) 控制技术的进步，以及基于瞬 时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器才得以迅速发展。 1 9 8 3 年，日本学者a k a g i h ( 赤木泰文) 等人提出“瞬时无功功率理论”，解决了谐波 和无功功率的瞬时检测和不用储能元件实现谐波抑制及无功补偿等问题，对谐波抑制和 无功补偿装置的研究和开发起到了很大的推动作用，使得七十年代提出的有源电力滤波 器走出实验室，进入实践应用阶段。此后该理论不断研究逐渐完善，这也使得有源电力 滤波器的研究和应用取得了长足的进展。 1 9 8 6 年，a k a g i h 提出用并联有源电力滤波器消除谐波。有源电力滤波器在这种 装置中相当于一个谐波电流发生器，它的主电路与负载并联接入电网，跟踪负载电流中 的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消了线路中的谐波电流，使电源电流为 正弦波。它可以用于消除谐波电流，补偿无功功率及平衡非平衡电流等场合。由于谐波 电流一般由非线性负载所注入，这种有源电力滤波器主要装设在负载端。并联有源电力 滤波器由于功能多样，连接方便等优点，已经成为应用最多的有源电力滤波器，在日本 等国家得到应用。其缺点也是非常突出的：由于电源电压直接加在逆变桥上，对开关器 件电压等级要求很高；这种有源电力滤波器的变流器要求具有较大容量；它只适合于电 感型负载的谐波补偿。 为克服并联有源电力滤波器的这些缺点，又提出了与l c 无源滤波器混合使，注入 电路及与旋转电机并用等方式。但无论从基本原理和与负载接入电网方式来看，这些方 2 东南大学工程硕士论文 式的有源电力滤波器都应归入并联型。 与并联有源电力滤波器对应的是串联有源电力滤波器。它通过补偿变压器被串联在 电源和负载之间，以消除谐波电压和平衡负载端电压。串联有源电力滤波器也可以用来 消除负序电压和调整三相系统电压。串联有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电压源 的谐波源，针对这种谐波源，串联有源电力滤波器输出补偿电压，抵消由负载产生的谐 波电压，使供电点电压波形成为正弦波。 1 9 8 8 年，f z p e n g 等人提出了串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结构， 在这种方案中，有源电力滤波器对谐波呈现高阻抗，而对基波电流呈现低阻抗。因此有 源电力滤波器相当于一个电源和负载之间的谐波隔离装置，电网的谐波电压不会加在负 载和无源滤波器上，而负载的谐波电流也不会流入电网。 1 9 9 0 年，日本的h f u i i t 等人提出将有源电力滤波器与无源滤波器相串联的混合 有源滤波方案，其中有源电力滤波器为电流控制电压源，产生与电源电流中谐波分量成 比例的电压，实际上该方案可以等效为f z p e n g 的方案，由于注入变压器联结在y 型联接的无源滤波器的中性点上，保护和隔离方便，因此更适合于高压系统应用。该电 路的缺点是对电源中的谐波电压非常敏感。 我国对谐波问题的研究起步较晚，吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波一 书是我国有关谐波问题较有影响的著作。夏道止等1 9 9 4 年出版的高压直流输电系统 的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作。此外，唐统一等入和容健纲等人分别独 立翻译了j a r n l l a g a 等的电力系统谐波一书，也在国内有较大的影响。在有源电 力滤波器方面，我国的研究同样起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面研究的文章，1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实验，国内的研究基本处在理论及实验室阶段。近几年进行 这方面研究的单位在逐渐增加，主要集中在一些高等院校和少数研究机构。从发表的文 章看，以理论研究和实验为主，这些研究有的己达到或接近国际先进水平。 西安交通大学的王兆安等人，对谐波及无功电流的实时检测方法进行了一定的研 究，以瞬时功率理论为基础提出了i p i q 谐波检测算法，同时还对基于d s p 芯片的单 相综合有源电力滤波系统的数字控制系统的实现进行了研究。清华大学的朱东起等和浙 江大学的钱照明等都做了一些很有意义的研究。近年来，我国学者提出了基于优化特定 消谐p w m 技术的广义有源滤波器，通过改变逆变器输出波形的频谱分析，使其接近于 正弦波，从而达到消谐的目的。从原理上看，广义有源滤波器是一种新型非跟踪型有源 滤波器，其控制系统比较简单，是一种构思较新颖的有源滤波器。 1 2 2 谐波补偿技术的发展 近五六年以来，有源电力滤波技术成为研究热点，大量相关论文、专著及文献发表 或出版。大容量、运行可靠的有源电力滤波器已经在日、美等国家大量投入工业应用。 近几年，有源电力滤波技术在抑制谐波、补偿无功功率方面已经比较成熟，在不同的结 构组成、控制策略和硬件装置等各个方面都有了很大的发展。有源电力滤波器如今同样 用于消除电压谐波，调节末端电压，抑制电压闪变，补偿中性线电流以及改进三相系统 的电压平衡等等其他几个方面。 配电系统谐波治理方案的研究及应用 在结构组成方面，针对单相，三相三线，三相四线系统以及电压补偿和电流补偿的 需要，l c 无源滤波器，并联、串联或者三者混合的有源电力滤波器都有了较大的发展。 并联型有源电力滤波器对于谐波抑制、无功功率补偿和中性线电流补偿都具有很好的效 果。从技术上讲，并联型有源电力滤波器是最为适合的补偿装置，但是其缺点如同前面 所讲，也是比较突出的。串联型有源电力滤波器至今仍然处在实验研究阶段，它对于谐 波电压补偿、电压平衡和电压闪变抑制等几个方面都有不错的表现。统一电能质量调节 器( u n m e d p o w e r q u a l i t y c o n d i t i o n e r ) 对于电流和电压补偿方面都有了很好效果，也是比 较理想的选择，但是由于其容量、体积及造价都在一个很高的水平上，限制了它的应用 范围。目前有源电力滤波器的研究热点是混合型有源电力滤波器，它有能力抑制电压和 电流谐波，并且由于它是由一串联有源电力滤波器和并联无源滤波器组成，降低了造价， 减少了装置的容量。因此，带有无源滤波器的混合型有源电力滤波器被认为是最为可取 的谐波抑制和无功功率补偿的解决方案，因而得到了广泛的关注和研究应用“。l l j 。 在硬件装置方面，随着快速自换向设备的发展，有源电力滤波技术有了很快的发展。 在使用的元器件方面，起初是晶闸管，大功率双极型晶体管( b j t ) 和功率m o s 场效应晶 体管用于有源电力滤波器的制造，随后是静电感应晶体管( s i t ) 和可关断晶闸管( g t o ) 。 随着绝缘栅双极晶体管( i g b d 的成熟，有源电力滤波技术得到了真正的推广。如今，在 小容量有源电力滤波器方面，理想元器件选择是绝缘栅双极晶体管( i g b n ，大容量则选 择可关断晶闸管( g t o ) 。传感器的发展也为有源电力滤波技术发展作出了很大贡献，价 位适中、容量足够的霍尔传感器大大改进了有源电力滤波器的性能。同时，微处理器， 微控制器甚至数字信号处理器r ( d s p ) 的使川，使有源电力滤波器在线实现大量、复杂的 算法计算成为可能，也使得各种复杂的控制算法，诸如p i 、变结构控制、模糊逻辑、 神经网络等控制算法得以实现，保证了有源电力滤波器的快速、实时的补偿性能以及稳 态性能。 控制策略是有源电力滤波器的心脏部分，它是对电网和负载中的谐波电压和电流进 行实时检测，得到与检测值极性相反的信号，以控制p w m 逆变器产生相应的补偿电压 或电流。因此，如何快速准确地把供电系统中电压和电流中的谐波及无功功率检测出来， 进行实时的动态补偿将是有源电力滤波器的关键问题。根据检测的瞬时电流电压信号位 置条件不同，可分为检测负载端电压、有源滤波器直流电压、负载电流、电源电流、补 偿电流及有源滤波器直流侧电流等不同方式。检测不同位置条件的电压和电流可使控制 算法顺利实施，提高有源电力滤波器的性能。产生补偿指令的控制算法可分为频域和时 域两种，在频域中主要是傅里叶分析方法，其缺点是电力有源电力滤波器开关频率要求 为所补偿谐波最高频率的两倍以上，而且计算复杂，响应慢，实时性不好。时域中的方 法有很多，典型且实用的是瞬时无功功率理论方法，也称p g 法，随后即产生适合电 压也发生畸变场合的i p i q 法。时域算法中还有p i 控制器法、同步检测法、滑模控制 器法等。除了以上方法外，近年来，也出现了自适应检测方法、小波变换检测方法、模 糊逻辑检测方法以及神经网络检测方法等一些实时检测谐波和无功功率的方法，但从文 献资料和实际应用看，基于瞬时无功功率理论的检测方法是占主流地位、应用广泛的检 测方法。 4 东南大学工程硕士论文 国内在有源电力滤波器方面的研究起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面的文献， 1 9 9 3 年才见到试验性的工业应用实验。近几年来，研究有源电力滤波器的国内学者和 单位在逐渐增多，在结构组成、检测方法和控制方式等一些方面有了较大的进步。国内 相关研究以理论研究和实验为主，尚未见到生产实际中应用，与国外仍有很大差距。 1 3 本论文研究的目的和内容 本论文旨在通过谐波基础理论以及谐波补偿技术的研究，针对具体工程实际，提出 谐波治理的技术措施，并为类似工程问题的解决提供技术参考和解决问题的一般思路。 本论文研究的主要内容： 谐波基础理论的研究，包括谐波的基本概念；谐波的危害；主要谐波源的谐波特性 分析；谐波的测量；谐波的相关标准等。 谐波治理措施的研究，包括监督管理措施和技术措施，谐波补偿技术主要是无源滤 波技术及有源滤波技术。 谐波补偿技术的工程应用，针对电力用户设备及供电系统的分析，利用谐波分析、 计算、测量等基础理论和方法，提出具体的治理方案，对治理效果予以评价。 配电系统谐波治理方案的研究及应用 第二章谐波问题基础理论研究 有关谐波问题的研究可以划分为以下四个方面： ( 1 ) 与谐波有关的功率理论及谐波辨识的研究； ( 2 ) 谐波危害的分析： ( 3 ) 谐波抑制和补偿的研究； ( 4 ) 与谐波有关的测量问题和谐波标准的研究。 2 1 谐波的基本理论 2 1 1 谐波的基本概念 一般认为电网电压为工频正弦波形，可表示为： “o ) = x 2 u s i n ( w t + d ) r 2 - 1 、 式中：u 一电压有效值，a 一初相角， ( ) 、f 分别为角频率、频率，周期t ：l f ，( ) = 2 f 正弦电压加在线性电阻、电感和电容上，相应电流与电压之间分别为比例、微分和 积分的关系，结果仍为同频率的正弦波。 当正弦电压加在非线性电路上时，电流将变为非正弦波。非正弦电流在电网阻抗上 产生压降，使电网电压波形也变为非正弦波。非正弦电压、电流在波形上偏离正弦波而 发生畸变。畸变波形可用一系列不同频率的正弦函数之和来近似。如下图所示的方波信 号，可用若干频率不同的正弦函数之和近似表示： j- rl t j l 。 0uz 7 - 1 t “( ，) 。口0 + 善( c 。s 甩耐+ 玩s i n 肝耐) ( 2 3 ) 6 东南大学工程硕士论文 非铲去胁姒 铲昙胁咖。s 雅训( 耐) “= 妻“f ) s i n 以删( 圳( n _ 1 ，2 ，3 ，) 或写为： “( f ) 2 嘞+ 善c s l n ( 珂脚r + 丸) ( 2 4 ) 其中g = 何可，九= a r c t g ( a 吒 存t 耜定睬申常用右撕值桌衙量由乐、由流的女小。对千周期信号有： u = ( 2 5 ) 此值也称为方均根值。 将上述非正弦周期信号的傅里叶级数表达式代入上式可得有效值： 睢哪+ 喜碍 ，= f 善z ： ( 2 6 ) 式中u o 、i o 为电压、电流的直流分量，u n 、i n 为各次谐波电压或谐波电流的有效 值。 为了表示畸变波形偏离正弦波形的程度，通常用谐波含量、总畸变率和n 次谐波的 含有率来表示畸变波形的特征。 谐波含量就是各次谐波的平方和开根号，即 u h = 1 7 诉 y 月= 2 r - o = 、e v 肛2 ( 2 - 7 ) 谐波总畸变率定义为谐波含量与基波的比值，谐波电压总畸变率和谐波电流总畸变 率分别如下式所示：( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 配电系统谐波治理方案的研究及应用 j 觋2 等川蝴 【t h d2 等枷蝴 悟。， n 次谐波电压和谐波电流的含有率( h a r m o n i cr a t i o ) 如下式所示： ( 2 - 9 ) 在进行谐波计算时，可以对各次谐波分别进行相量或复数运算，但不同次谐波之间 是不能作上述运算的。最终的计算结果必须以瞬时表达式进行相加。另外要注意的是， 对不同频率的谐波分量进行计算时，对于同一电路中的电感和电容的电抗x l = u l ， x c = l ( 。0 之值对于不同谐波次数是不同的，这在计算时也必须加以注意。 在对称三相电路中，各相电量在时间上相差1 1 3 周期，所以对于对称三相非正弦电 量中第n 次谐波来说，有以下关系： 掰。= 厨。s i n ( h e a r t + 妒) “6 。= 函。s i n n ( q t 一1 2 0 。) + 成】_ g u 。s i n ( n c o l t + , , 一n x l 2 0 。) “。= 厨。s i n o q f + 九+ f x 1 2 0 。) ( 2 一l o ) 对于不同次数的谐波，由上式可推出以下特点： ( 1 ) 当n = 3 k ( k = 1 ，2 ，) ，即为3 ，6 ，9 ，次谐波时，有 “。= “h = ”。= 西。s i n ( ，2 q f + 以) ( 2 - 1 1 、 即三相谐波有相同的数值和相位，称为零序性谐波： ( 2 ) 当n = 3 k + l ，即为4 ，7 ，1 0 ，次谐波时，有 “。= 而。s i n ( n c a , t + # ) “h = 厨。s i n ( n c a t + 妒, 一1 2 0 。) 甜。= 函。s i 吣a ) l t + 丸+ 1 2 0 。) ( 2 1 2 ) 即此时三相谐波相序与基波相序相同，称为正序性谐波5 ( 3 ) 当n = 3 k - i ，即为2 ，5 ，8 ，次谐波时，有 u 。= 4 2 u 。s i n ( n t o l t + 丸) “h = 压u 。s i n ( n c o l t + # + 1 2 0 。) “。= 4 2 玑s i n ( n o o a t + 丸一1 2 0 。) ( 2 1 3 ) 即此时三相谐波相序与基波相序相反，称为负序性谐波。 对于各相电压来说，无论是三相三线制还是三相四线制电路，相电压中都可以包含 一 慨 旦羔 u 搬 舰 东南大学工程硕士论文 零序谐波，而线电压中都不含有零序谐波；对于各相电流来说，在三相三线制电路中， 没有零序电流通道，因而电流中没有3 ，6 ，9 ，次零序谐波电流，而在三相四线制 电路中，这些零序电流可以从中性线中流过。 以上介绍了谐波及与谐波有关的基本概念。可以看出，谐波是一个周期电气量的正 弦分量，其频率为基波频率的整数倍，这是国际上对谐波念义的公认。由于谐波的频率 是基波频率的整数倍，因此谐波又称为高次谐波。谐波频率与基波频率之比为奇数的称 为奇次谐波，谐波频率与基波频率之比为偶数的称为偶次谐波。 2 1 2 非正弦电路的功率 在正弦交流电路中，电路的功率是由瞬时功率求平均值求得的，即由 p 2 去广u i d ( w t ) ( 2 _ 1 4 ) 得有功功率，无功功率和视在功率； 陋= 凹c o s 妒 q = u 1 s i n # 【s 2 ( 2 1 5 ) 这里u 、1 分别为电压、电流有效值，巾为电压、电流的相位差角。 在非正弦交流电路中，也沿用平均功率的求取方法： p ：三f “衙 = ；r 卜妻lx 2 u s i n ( h o l t + a ) 艺= l q t 2 1 s i n ( n o l t + 成，k ， 考虑到不同频率正弦波瞬时值的乘积在一周内平均值为零，经积分后得： 尸= u 。”e 。u n l c o 哦 ( 2 一1 7 ) 式中由n = on 一1 3n 这就是说，非正弦周期信号的平均功率等于恒定( 直流) 功率分量与各次谐波构成 的平均功率之和。即仅有同频率的电压和电流才构成有功功率，不同频率的电压、电流 不构成有功功率。 定义无功功率： q = q = u 。ls i n ”- ln = l ( 2 - 1 8 ) 在正弦交流电路中无功功率表示电磁能量交换的最大值。按习惯规定，感性无功功 率为正，容性无功功率为负。这在正弦交流电路中不会引起任何矛盾，但在非正弦情况 下按上式计算无功功率时，由n 的值可能为正，也可能为负，所以各次谐波的无功功率 9 配电系统谐波治理方案的研究及应用 可能互相抵消，甚至出现q 为零。但电流中的无功分量却不为零，这就意味着这时的无 功功率不再具有电磁能量交换量度的物理意义了。q 只能表明由于各次谐波电压和电流 存在相位差而产生无功功率的总和。 在非正弦波的情况下，视在功率仍可定义为： s = u i =肛嗣 ( 2 1 9 ) 显然，$ 2 p 2 + 0 2 因为q 只是同频率电压和电流存在相位差引起的无功功率的总和，而交换功率中尚 包含有不同次频率电压和电流引起的部分。这里引入畸变功率d ，使得： s 2 = p 2 + q 2 + d 2 ( 2 2 0 ) 令彰= q 2 + d 2( 2 2 1 ) 称为广义无功功率。 q t 中包括两部分，其中q 是由于同频率电压和电流的相位差引起的；而畸变功率d 则反映了不同频率电压和电流的相互作用。 若假设电压无畸变( 在公共电网中，通常电压的畸变都比较小) 。则q 和d 的物理 意义更为明确。这时： l p = u i lc o s 破 q = u i , s i n 破 p 2 + q 2 = u 2 i ? ( 2 2 2 ) 但 船n 2 i ? + u 2 蕃e ( 2 _ 2 3 ) 而此时 如n n q 2 圳荟e ( 2 _ 2 4 ) 即q 为基波电流产生的无功功率，d 为谐波电流产生的无功功率( 对同一电压u 。 总之，在考虑了谐波后，使无功功率的分析变得复杂起来，有些问题有待于进一步 的研究。 在非正弦情况下，难以用电压和电流间相位差的概念来表述功率因数，这时可用下 式来定义功率因数： p c o s 口= ；= = = = = = = = 一 尸2 + q 2 + d 2 ( 2 2 5 ) 显然由于存在谐波，将使功率因数降低。 1 0 东南大学工程硕士论文 2 2 谐波的危害 谐波对电力网的污染日益严重，其产生的危害主要表现在以下几个方面”： ( 1 ) 大大增加了电网中发生谐振的可能，从而造成过电流或过电压而引发事故的危害 性； ( 2 ) 增加附加损耗，降低发电、输电及用电设备的效率和设备利用率； ( 3 ) 使电气设备( 如旋转电机、电容器、变压器等) 运行不正常，绝缘老化，缩短它 们的使用寿命； ( 4 ) 使继电保护、自动装置、计算机系统运行不正常，不能正常动作或操作； ( 5 使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或测量； ( 6 ) 干扰通信系统，降低信号的传输质量，甚至损坏通信设备。 以下对谐波危害作较为详细的讨论。 2 2 1 谐振 电力网中广泛使用补偿功率因数的电容器，同时系统存在分布电容，它们与系统的 感性部分组合，在一定的频率下可能存在串联或并联谐振的条件。当系统中该次频率的 谐波足够大时，就可能造成危险的过电压或过电流。 ( 1 ) 并联谐振： 供电网简化电路及等效电路如下图所示，i n 为谐波源，x s 为系统基波电抗，x c 为 补偿电容器的基波容抗。 n 图2 1并联谐振简化电路图及等效电路图 i c n x d n 当等效电路满足n x s = x c n 时，将发生并联谐振。 谐振频率为厶= y , , f x c l z s ，其中f l 为基波频率。 流入系统的谐波电流i s n 和流入电容的谐波电流i c n 分别为： ，一生生r n x s x c n 一 ( 2 2 6 ) 配电系统谐波治理方案的研究及应用 小蒜l ( 2 - 2 7 ) 在谐振情况下，按上式所得i s n 和i c n 为无穷，考虑到系统谐波电阻及电容支路等 效电阻的存在，i s n 和i c n 都只可能是有限值，但可以比谐波电流源电流i n 大许多倍， 即对谐波电流起到了放大作用。 ( 2 ) 串联谐振 当电网母线含有谐波电压时，按在母线下变压器的漏抗和变压器二次侧所接的电容 器有可能发生串联谐振，如下图。 ( 负载) 图2 2串联谐振简化电路图及等效电路图 此时等效电路的总阻抗为： d 矿 z = 蕊_ j “a c 憾= 焉一，蔫+ 觥 。月 ( 2 2 8 ) r 当谐波次数满足：盥5 纛时，将发生串联谐振。 此时阻抗z 为极小值，且为纯电阻性，不太大的谐波电压u n 就将产生很大的谐波 电流和谐波电压。 此时谐振频率为： 伽氏孵 ( 2 - 2 9 ) 应当指出，谐波谐振成为危害，必须具备两个条件，其一是电网参数的不利配合，其二 是有足够强的谐波源。过去谐波谐振问题不突出的主要原因是电网中谐波源比较少。随 着电网中谐波源的大量增加，谐振问题就越来越引人注目了。而解决此问题，一方面要 控制谐波源，另一方面是要设法消除系统参数的不利配合。 东南大学工程硕士论文 2 2 2 谐波对电网的影响 谐波电流在电网中的流动将在线路上产生有功损耗，它是线路网损的一部分： a t l = e i ：r n n = 2 ( 2 3 0 ) 一般说来，谐波电流与基波电流相比所占比重不大，但谐波频率高，导线的集肤效 应使谐波电阻增加很多，因此由谐波产生的附加损耗也增大。 对于采用电缆的输电系统，谐波除了引起附加损耗外，还可能使电压波形出现尖峰， 从而加速电缆绝缘的老化，使介质损耗增加及温升增高，从而缩短电缆的使用寿命。通 常电缆的额定电压越高，谐波对电缆的危害也越大。电缆的分布电容对谐波电流有放大 作用，会使上述危害更为严重。 对于架空线路来说，电晕的产生与电压峰值有关。尽管基波电压可能没有超过规定 值，但由于谐波的存在，其电压峰值可能超过允许值而产生电晕。 谐波对电网的危害除造成线路损耗外，更重要的是使电网电压波形受到污染，供电质量 下降，从而危及各种用电设备的正常运行。 2 2 3 谐波对旋转电机和变压器的危害 谐波对旋转电机和变压器的影响主要是引起附加损耗和过热，其次是产生机械振 动、噪声和谐波过电压。这些将缩短电机的寿命，严重时甚至会损坏电机。曾经有过这 样的例子，某工厂的电动机运行一直正常，但一段时间以来却连续出现损坏。经查。原 来是接于同一电网的邻近工厂新投入了大型整流装置，因未采取消除谐波的措施，其谐 波电流流入该厂而使电动机连续损坏。 谐波电压或谐波电流在定子绕组、转子回路及定子与转子的铁芯中产生附加损耗， 这是频率升高而使集肤效应、磁滞及涡流等引起的损耗增加所致。谐波电流在定子和转 子绕组端部建立的漏磁场将产生额外的损耗。反映谐波附加损耗的谐波电阻r n 和反映 基波损耗的工频电阻r 1 之比大于1 ，一般用以下近似比值： r 。r 。蛎 ( 2 - 3 1 ) 由于在多数母线上都接有大量电动机，而电动机的出力一般不能按发热情况进行调 整，因而电动机允许承受谐波的条件宜按谐波电压而不是按单台电机的谐波电流来考 虑。 考虑谐波引起的电动机发热效应时，可把它承受的谐波电压折算成等值的基波负序 电压u 1 ( 2 ) e q ，折算分式如下： 。2 薹( ) 2沿。， 式中系数所a 1 ( 可取0 7 5 1 ) 配电系统谐波治理方案的研究及应用 当基波负序电压u 1 ( 2 ) 和谐波电压u n 同时存在时，上式可改为： u i ( 2 ) q =跞慈丽 ( 2 3 3 ) 在持续和短时工作条件下，电动机承受负序电压值分别以不超过额定电压的2 和 3 为宜。 同样也可将谐波电流折算成等值的基波负序电流： i t ( 2 ) q = ( 2 - 3 4 ) 除谐波引起的损耗外，谐波引起的机械振动对电动机也有很大的危害。 谐波源产生的谐波电流流入变压器时，主要影响是增加了变压器的铜损耗和铁损 耗。随着谐波频率的增高，集肤效应更加严重，铁损耗