（电力系统及其自动化专业论文）非线性电力负荷的谐波与抑制技术研究.pdf

a b s t r a c t n o n l i n e a rl o a dh a r m o n i c sa n dr e s e a r c ho nh a r m o n i c s u p p r e s s i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t d u et ot h ei n c r e a s i n gd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ya n dt h e g r o w i n gu s eo fn o n - l i n e a rl o a d s ，t h ep r o b l e mo fh a r m o n i cd i s t o r t i o nb e c o m e s e v e rm o r ea n d m o r ei m p o r t a n t h a r m o n i c s p r o v o k ev o l t a g ea n dc u r r e n t w a v e f o r m si nt h ee l e c t r i c a ld i s t r i b u t i o ns y s t e m sw h i c ha r en o ts i n u s o i d a l s o t h ei m p o r t a n c eo fh a r m o n i ca n a l y s i sa n ds u p p r e s sh a sb e e nw e l lr e c o g n i z e d a r o u n dt h ew o r l d ag e n e r a ld e s c r i p t i o no fd e v e l o p m e n to fh a r m o n i ca r o u n dt h ew o r l di s g i v e ni nt h i st h e s i sa tf i r s t ，i ts i m p l yi n t r o d u c e st h em a i nm o d eo fs u p p r e s s i n g h a r m o n i c ，t h ed e v e l o p m e n to fp a s s i v ef i l t e ra n da c t i v ep o w e rf i l t e r , a n dt h e t r e n d si na p f t h eb a s i cc o n c e p t so fe l e c t r i ch a r m o n i ca sw e l la sn o n - l i n e a r l o a d sh a r m o n i cs o u r c ep r o d u c t i o na n di n f l u e n c ea r ep r e s e n t e d ，a n da n a l y z e d s e v e r a lu o n - l i n e a rl o a d sh a r m o n i cs o u r c e a f t e r w a r dm a t h e m a t i c a lm o d e lt ot h e n o n - l i n e a rl o a d sh a r m o n i cs o u r c ei sc o n s t r u c t e d ，a n dd r a w nt h ec o n c l u s i o nb y t h em a t h e m a t i c a lf o r m u l a t h es i m u l a t i o nm o d e lo fn o n 1 i n e a rl o a d sh a r m o n i c s o u r c ep o w e ri sg i v e ri ns i m u l i n ke n v i r o n m e n to fm a t l a b 7 1s o f t w a r e s i m u l a t i o nr e s e a r c hp r o v e dt h en o n l i n e a rl o a d su s e ri n f l u e n c et h el i n e a rl o a d s u s e r a tt h em o m e n t ，i nh a r m o n i cs u p p r e s sa s p e c t ，i th a sh a d p r a c t i c a la n dm a t u r e p a s s i v ef i l t e rt e c h n i q u e ，b u ti t h a sm a n yd i s a d v a n t a g e s t h e r e f o r e ，t h e s ey e a r s m u c hr e s e a r c ht u r n st ot h ea c t i v ep o w e rf i l t e rf o ri t s p r i o r f u n c t i o no f c o m p e n s a t i n gh a r m o n i c sd y n a m i c a l l y t h i st h e s i sp u tf o r w a r da ni m p r o v e d h a r m o n i cd e t e c t i n gb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yc o n s i d e r i n g t h a tt h ep o w e rs y s t e mi so f t e nu n d e ri m b a l a n c ei no u rc o u n t r y ，a n dt h i sm e t h o d o n l yw i t h d r a w sh a r m o n i cc u r r e n tb u tn o tw i t h d r a w sf u n d a m e n t a ln e g a t i v e i 童 蹙 。 十一一一 口f囊；“ 乒e ，f 、 、 六 一j j a b s t r a c t - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ s e q u e n c ec u r r e n t c l o s e dl o o pd e t e c t i n gb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r yi su s e dt oi m p r o v et h ed e t e c t i n gs y s t e mr o b u s t n e s sa n ds t a b i l i t y a tl a s t ， t h i sm e t h o di ss h o w nb ym a tl a bs i m u l a t i o nu n d e rt h r e ep o w e rs y s t e m s t a t e i d e a lp o w e rs u p p l yv o l t a g e ，a b e r r a n c ep o w e rs u p p l yv o l t a g e ，i m b a l a n c e p o w e rs u p p l yv o l t a g e s i m u l a t i o nr e s e a r c hp r o v e di t sp r a c t i c a l i t ya n df e a s i b i l i t y m o r e o v e r t h i sm e t h o db r i n g sg o o dp u r p o s ei ns a p f sc o m p e n s a t i o n f i n a l l y ，t h i st h e s i sp u tf o r w a r dn e wh y b r i da p fe q u i p m e n tw h i c hc a l ld e c r e a s e t h ei n s t a l l a t i o nc a p a c i t yo fa c t i v ep o w e rp a r ta n di m p r o v et h ep r i c ec o m p a r a b i l i t y i t s f i l t e rc h a r a c t e r i s t i e sa r es t u d i e d ，a n ds i m u l a t i o nr e s e a r c hv a l i d a t e di t sf e a s i b i l i t y k e y w o r d s ：n o n - l i n e a rl o a d s ，h a r m o n i cs o t u c e ，a c t i v ep o w e rf i l t e r , i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e 。咖删0 i l i c3 ”辩8 8 ，h y b d da p f 毫 霉 ； 一枣 辫 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解广西大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 广西大学拥有在著作权法规定范围内学位论文的使用权，其中 包括：( 1 ) 已获学位的研究生必须按学校规定提交学位论文，学校 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文； ( 2 ) 为教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文作为资料在图 书馆、资料室等场所供校内师生阅读，或在校园网上供校内师生浏 览部分内容。 t 本人保证遵守上述规定。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 堑坌蜃 亟塑：丘坦 导师签名： 日期： 丝 爹) 。 讴。 第一章绪论 第一章绪论 1 1 谐波问题及研究意义 电力系统谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起科学家和工 程师们的注意。早在1 9 世纪末，当交流电以一种新兴的动力形式出现时， 人们就发现了电压、电流的波形畸变问题，并同时对波形畸变的原理及消 除方法等开始研究。当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、 电流波形的畸变【1 1 。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期 有关谐波研究的经典论文 电力系统中，电能是以额定的频率和电压向用户供电。对电能的质量 也是用频率和电压来表征。但是仅用这两个指标来表征电能的质量仍很不 完善。波形畸变和三相交流电力系统中三相电压或电流的不平衡也是影响 电能质量的重要因素。非线性负载尤其是电力电子装黄使用的日益增多， 特别是近二十年来，各种电力电子装置在电力系统、工业部门以及家庭中 的应用迅速普及，使得电力电子装置所产生的谐波对电网的污染日益严 重，目前电力电子装置己成为电力系统的首要谐波源。谐波电流和无功电 流大量注入电网，引起电网闪变、频率变化、三相不平衡，影响了电能质 量、输电效率和设备寿命的安全运行与正常使用并且随着科技的发展， 随着电力电子装置容量的增大，使用数量的迅速上升和控制方式的多样， 非线性负荷还将不断增加1 2 , 3 】。非线性负荷从电网中吸收非j 下弦电流，引起 电网电压波形畸变，因此通称为谐波源。目| j 国际上公认，谐波的“污染” 是电力系统的公害，必须采取措施加以限制。 谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严审。谐波使电能的生 产、传输和利用的效率降低，使电7 i 设备过热、，。，i - 撤动和噪声，斤使绝 缘老化，使j j i 命缩短， f 发，上故障或烧毁。o 皆波r 叮引，窿f u 力系统局 k 并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器设备烧毁。谐波还会 引起继电保护和自动装置误动作，对通信设备产生严重干扰等。 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。但是， 现在电力电子装置产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子救赎发展的重 第一章绪论 大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的 研究 谐波研究的意义，还可以上升到治理环境污染、维护绿色环境来考虑。 对电力系统来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一因此消除谐波污 染，已成为电力系统，尤其是电力电子技术中的一个重大课题。谐波研究 及其抑制技术已日益成为人们关注的问题【1 ，4 ，5 1 。 1 2 国内外研究状况和进展 1 2 1 国外研究现状 国际上对电力谐波问题的研究大约起源于五六十年代，当时的研究主 要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。7 0 年代 后，随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐 波问题日趋严重，从而引起各国的高度重视。近十几年间电力谐波的研究， 已经越过了电力系统的范畴，渗透到了电工理论、电网络理论、电力电子 学、数字信号处理、计算技术、系统仿真、控制理论与控制技术等其它学 术领域，并且形成了自已特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技 术、监测方法与技术、限制标准与管理制度等。目前，谐波研究仍是一个 非常活跃的领域。 发达国家的经验和预测表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电 设备的种类、数量和用电量迅猛增加。针对谐波的大量出现，目前国外已 经研制成功各种谐波测量分析仪，如德国产的n o w a - i 谐波分析仪、美国 产f 4 0 4 1 手持式谐波分析仪和英国产p a 系列高精度电力谐波分析仪等【6 l 。 抑制谐波可以从治理谐波源本身入手，使其不产生谐波，且功率因数 为l ，单位功率因数变流器就是可以实现这种功能的电力电子装置。但由 于谐波源的多样性，在电网中一般还是加装滤波器的方法来抑制高次谐 波，这些装置一般可分类为无源滤波器和有源滤波器两种。 ( 1 ) 无源滤波装置。传统无源滤波通过使用r l c 无源元件的串并联方 式构成无源的单调谐、高通或低通等滤波器，以达到滤除谐波的目的，而 且这种谐波抑制装置还可以起无功补偿和电压调整的作用。由于它具有成 ；l 毒 第一章绪论 本低、技术成熟、结构简单、容易实现等优点，所以它仍然是目前广泛使 用的谐波抑制技术。但它也有其一些不足之处1 4 , 5 , 7 1 , 主要为以一下两点：( a ) 由于系统中的电源和线路都存在阻抗，所以会影响补偿特性。( b ) 单调谐 无源滤波器仅在其调谐点及附近具有较好的滤波效果，偏离调谐点后，滤 波效果将明显变差。 ( 2 ) 有源滤波装置。随着2 0 世纪6 0 年代以来新型电力半导体器件的 出现，脉宽调制( p w f ) 技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论地提出， 针对无源滤波器的缺陷，在1 9 6 9 年b i r d 和m a r s h 等人提出了向电网中注 入三次谐波电流以减少电源系统中电流的谐波成分，这是( a c t i v ep o w e r f i l t e r ) a p f 思想的萌芽1 3 】。之后，1 9 7 6 年g y u g y il 等人提出了用大功率 晶体管p w m 变换器构成有源滤波器，并正式提出了有源滤波的概念。在2 0 年代8 0 年代由于大功率全控型功率器件的成熟，p w m 技术的进步，以及基 于瞬时无功功率理论的谐波电流实时监测方法的提出，使a p f 得以迅猛发 展。a p f 通过向电网注入谐波及无功或改变电网的综合阻抗频率特性，以 改善波形，除了具有响应速度快，具有很好的动态实时补偿功能等优点外， 还具有可进行无功补偿，抑制电压闪变等多种功能。因此a p f 逐渐成为了 一种具有很大潜在应用价值的谐波补偿装置，并丌始得到迅速的发展。但 由于全控型功率器件的成本及性能，制约了a p f 的实际应用，目前只有在 只本得到比较广泛的推广1 1 3 1 。 a p f 一般分为并联型、串联型和混合型三种。从补偿的角度来看，a p f 可以分为无功补偿、谐波补偿、平衡三相系统电压或电流以及多重补偿。 常规的并联型a p f 可以同时补偿谐波电流和无功，属于多重补偿。混合a p f 只能补偿谐波电流，属于谐波补偿【1 4 9 1 。 电力系统的谐波及抑制研究问题近几十年来在世界范围内得到了十 分广泛的关注，幽际电工委员会( t f ：c ) 、困际火电网会议( c i g r e ) 、困际供 电会议( c 1 r e d ) 及美国电气和电了1 科帅学会( 1e e e ) 等固际性学术组织， 鄙槲继成立了毛，j 【内l 乜j 系统。奸政f 竹组，并l 二制定m 了限制电力系统凿 波的相关标准。并且从1 9 8 4 年丌始，每防年召丌一次的电| 丁系统国际谐 波会议( i c h p s ) 为这个领域的国际交流提供了直接的渠道，正推动着谐波 研究工作深入开展【h 】。 第一章绪论 1 2 2 国内研究现状 我国从8 0 年代开始大量采用硅整流设备，尤其是铁路电气化的迅速 发展，推动了硅整流技术的发展和应用。电气化铁道具有牵引重量大、速 度高、节约能源、对环境污染小等优点，电力牵引己成为我国铁路动力改 造的主要方向。目前，非线性负荷的大量增加，使我国不少电网的谐波成 分已大大超过了有关标准，并出现了一些危及电网安全、经济运行的问题。 事实证明：1 9 8 5 年8 月大同第二发电厂2 号发电机组( 2 0 0 m w ) 负序电流保 护动作跳闸，造成向首都供电中断，使把京大面积停电的严重事故：1 9 9 4 年4 月山西晋东南电网解列事故，都是由于电气化铁道的谐波和负序电流 干扰的结果【2 0 1 。与此同时，我国许多科研和生产单位，一些高等院校相继 开展了谐波研究工作，在多次学术会议上，交流了这方面的一些成果【2 。 但是，在a p f 方面的研究仍处于起步阶段，到1 9 8 9 年才有这方面文 章。研究a p f 主要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。研究最成 熟的是并联型，而且主要以理论眼界和试验研究为主。理论上涉及到了功 率理论的定义、谐波电流的检测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性 研究等【2 2 屯鲫。1 9 9 1 年北方交通大学王良博士研制出3 k v a 的无功及谐波的 动态补偿装置；同年，华北电力科学院和冶金自动化研究院联合研制了用 于3 8 0 v 三相系统的3 3 k v a 双极面结型晶体管( b j t ) 电压型有源滤波器； 采用多重化技术，西安交通大学研制出1 2 0 k v a 并联型有源滤波器的试验 样机。此外，清华大学、华北电力大学、重庆大学等高等院校也对a p f 展 开了深入的理论和实验研究。我国虽然在理论上取得了一定的进展，由于 多方面条件的限制，我国的有源滤波技术还处在研究试验阶段，工业应用 上只有少数几台样机投入运行，至今未有并联型有源电力滤波器正式产品 用于实际。因此我国有源滤波技术具有广泛的发展和应用i ； 景【2 扎，1 1 。 从近年的研究和应用中我们可以看出a p f 具有如下的发展趋势1 3 2 , 3 3 1 ： ( 1 ) 通过采用p w i d 调制技术和提高开关器件等效开关频率的多重化 技术，实现对高次谐波的有效补偿和系统大容量的实现： ( 2 ) 从经济上考虑，可以采用a p f 与p f 组成的混合型滤波系统，以 减少a p f 的容量，达到降低成本、提高效率的目的； ( 3 ) 从长远角度看，随着半导体器件制造水平的迅速发展，混合型 ； i ； _ - 气 ； 第一章绪论 滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串并联a p f 由于其功能强大、性价 比高，将是很有发展前途的有源滤波装胃。 1 3 本文主要工作综述 本文首先对谐波问题及其现状进行了描述，并简单介绍了抑制电网谐 波的主要方式，由传统l c 滤波装置到有源电力滤波装置( a p f ) 的发展过程 及其今后a p f 的发展趋势。本文的主要工作如下： ( 1 ) 通过学习国内外大量的参考文献，首先分析了非线性负荷谐波源 的产生和影响，对几种典型的非线性谐波源进行了分析，如：整流装置， 电弧炉等。 ( 2 ) 建立了非线性负荷谐波源的数学模型，并用数学公式推导得出非 线性负荷投入后引起的电流增量与非线性负荷的阻抗没有关系，只与非线 性负荷投入前的网络结构以及非线性负荷电流有关的结论；对非线性负荷 谐波源功率进行了数学分析，并建立了模型，仿真结果验证了非线性用户 对线性用户的影响。 ( 3 ) 分析了几种谐波电流检测方法，并进行了比较。最后主要分析了 基于瞬时无功功率的谐波电流检测方法，考虑到我国电力系统大多数情况 下处于不平衡状态下，且现有的检测方法把基波中的负序当作谐波取出， 所以在此基础上提出了一种改进的基于瞬时无功功率谐波电流闭环检测 方法，当电网不平衡时并不提取基波中的负序电流，只提取谐波电流，最 后对其进行了仿真，仿真实验结果验证了该方法的正确性和实用性。 文中后面研究了混合型有源电力滤波器主体的研究，对几种混合型滤 波器进行了比较，最后研究了一种新型的混合拓扑结构，并对其滤波特性 以及大容量实现方法和途径方面进行了系统研究，仿真结果验证了该混合 滤波装詈的补偿特性和良好性能。 第二章非线性负荷谐波源分析 第二章非线- 陛负荷谐波源分析 随着电力电子技术的发展，各种整流设备、交直流转换设备、以及家 用电器中的彩色电视机、电冰箱、电子计算机、空调机、电子节能灯等非 线性负载数量越来越多，容量越来越大；这些非线性负载产生的谐波对供 电系统的影响越来越大。一方面各种谐波对电网产生污染，造成其它用电 设备不能安全经济的运行，如使发电机和变压器产生附加功率损耗，对继 电器、自动保护装置，电子计算机及通讯设备产生干扰而造成错误动作或 计算误差；另一方面，大量低功率因数的非线性负载其输入电流波形产生 的严重畸变，造成三相电流的相位变化，使中性线电流大大超过各相线电 流，严重时易引起火灾，造成重大的经济损失，这在国内已有类似事件发 生。因此，无论从保护电网的安全经济运行还是用电设备的正常工作来看， 防止和减少电流谐波对电网的污染，抑制电磁干扰( e m i ) ，已成为全球性 普遍关注的问题。国际电工委员会与之相互的电磁兼容( e m c ) 法规对电器 设备的各次谐波都做出了限制性的要求，世界各国尤其是发达国家已丌始 实施这一标准。 2 1 谐波的基本概念 国际上通行的谐波定义为【4 5 1 ：“谐波是一个周期量的正弦波分量，其 频率为基波频率的整数倍”定义表明： 1 ) 本定义的谐波和暂态过程形成的谐波是不同的； 2 ) 谐波次数必须为正整数，以区别分数谐波。 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正 弦电压可表示为： z f ( f ) = 2 u s i n ( c o t + 盯) ( 2 - 1 ) 式中u 一电压有效值：口一初相角； ( - 0 一角频率；= 2 万= 2 万r ； ，一频率；r 一周期。 正弦电压施加在非线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压 _ 第二章非线性负荷谐波源分析 分别为比例积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在 1 乍线性电路上时，电流就变为非丁f 弦波，非诈弦电流在电网阻抗上产生压 降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上 时，电流也是非正弦波。对于周期为t = 2 石缈的非正弦电压u ( c o t ) ，一般满 足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅立叶级数： “( 耐) = q o + 妻a n c o s n 耐+ 玩s i i l 耐( 2 - 2 ) h = 】 式中0 0 = 去r 。”( c o t ) d ( c o t ) = 三f 5 “( 研) c o s 玎m t d ( m t ) ( 撑：1 , 2 3 ) 刀 1t o 以= 二【u ( c o t ) s i n n m t d ( e o t ) 或 u ( m t ) = a 。+ 杰s i n o 耐+ ) ( 2 - 3 ) n - i 式中c 。，纯和a n 、巩的关系为 = 口：+ 酲；= a r e t a n ( a 。，吒) ； e l n = c ns i n g ：b n = c n c o s 妒 在式( 2 - 2 ) 或式( 2 - 3 ) 的傅立叶级数中，频率为l r 的分量成为基 波，频率大于l 整数倍基波频率的分量成为谐波，谐波次数为谐波频率和 基波频率的整数比。以上公式及定义均已非正弦电压为例，对于非讵弦电 流的情况也完全适用，把式中u ( o t ) 转成i ( c o t ) 即可。 电压畸变的程度取决于系统阻抗和谐波电流的大小。同一谐波负荷在 系统中两个不同位置时将可能引起两个不同的电压畸变值。 畸变周期性电压和电流总均方根值的确定仍可根据均方根值的定义 进行。以电流为例，m ) 的均方根值，根据定义可表示为： ，= 厢 咖= 厅薹，： ( 2 4 ) 即j 正弦周期量的均方根值等于其各次谐波分量均力根值的、f 方和 的平方根值，与各分量的初相角无关。 某次谐波分量的大小，常以该次谐波的均方根值与基波均方根值的百 分比表示，称为该次谐波的含有率h r ，一次谐波电压的含有率以 第二章非线性负荷谐波源分析 h r 玑( h a r m o n i cr a t i o 玑) 表示： 舰以= 1 0 0 ( 2 - 5 ) u - 式中玑一第疗次谐波电压有效值； 玑一基波电压有效值。 次谐波电流的含有率以h r i 表示： h 戳= 每x 1 0 0 ( 2 - 6 ) i 式中l 一第甩次谐波电压有效值； 一基波电流有效值 谐波电压含量u h 和谐波电流含量如分别定义为： r 一 u 。= 1 f 碍 v “ ( 2 7 ) - i = ，= 1 f e ln = 2 畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度，以总谐波畸变率t h d 表 示。它等于各次谐波均方根值的平方和的平方根值与基波均方根值的百分 比。电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率分别定义为： ，r t h d , , = 挚1 0 0 u 1 ( 2 8 ) ， t h d , = 丑1 0 0 j l 提高电能质量，对谐波进行综合治理，防止谐波危害，就是要把谐波 含有率和总谐波畸变率限制到国家标准舰定的允许范围之内。实际上，谐 波电压几乎总是相对于基波电压而言的。因为电压往往只有百分之几的变 化，所以电压t h d 通常是一个有意义的数据。但对电流来说，情况有所不 同。较小幅值的谐波电流可能导致较大的t h d 值，而此时电力系统收到的 威胁并不大。由于系统中大多数的监控装置是按上述定义和方法给出的 m d 值的，这可能使用户误认为此时的谐波电流是危险的。为了解决这一 难题，有专家建议，可将t h d 中所采用的基波电流改为基波额定电流的峰 值，称为总需量畸变率，简称t d d ，这也正是i e e e 5 1 9 1 9 9 2 r e c o m m e n d e d 气 薹 ；i嚣。4，；盔甲， ， 第二章1 # 线性负荷谐波源分析 p r a c t i c ea n dr e q u i r e m e n t sf o rh a r m o n i cc o n t r o li ne l e c t r i cp o w e r s y s t e m s 电力系统谐波拧制推荐实施细则与要求中管理规则制定的依 据 3 4 , 3 5 1 。 2 2 电力系统谐波标准 由于电网中的谐波电压和电流会对电网本身和用龟设备造成很大的 危害，所以必须限制谐波电流流入电网和控制谐波电压在允许的范围内， 以保证供电质量。世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由 权威机构制定限制谐波的规定。 各级电网的谐波水平一般用谐波电压含有率或总谐波畸变率来反映。 世界各国所制定的谐波标准大都比较接近，国际大电网会议( c 1 6 r e ) 和国 际电工委员会( i e c ) 都成立了专门工作组拟定电力系统和电工产品的谐波 标准，很多国家对谐波也制定了相应的国家标准，一些国家的电压总谐波 畸变率的大致范围为 3 5 , 3 6 1 ： 低压电网( l k v ) ，一般5 ，个别3 、7 ；： 中压电网( 2 4 7 7 k v ) ，一般2 5 ，个别6 ； 高压电网( 8 4 k v 及以上) ，一般1 1 5 ，个别2 5 。 我国原水利电力部于1 9 8 4 年根据原国家经济委员会批转的全团供 用电规则的规定，制定并发白了s d l 2 6 8 4 电力系统谐波管理暂行规定。 在此基础上，系统地研究了标准的有关问题，结合国情，吸取国外谐波标 准研究成果的基础上于1 9 9 3 年又发布了g b t 1 4 5 4 9 9 3 ( 电能质量公用电 网谐波，该标准从1 9 9 4 年3 月1 日丌始实施 3 7 , 3 8 】。 表2 - 1 公刚电网谐波电压( 相电压) 限值 t a b l e2 1t h el i m i t e dv a l u eo f p u b l i ce l e c t r i cg r i dh a r m o n i cv o l t a g e ( p h a s e ，v o l t a g e ) 电m 标称1 u 斥 【u n 、总谐波畸变率 各次谐波电厅含彳丁率( ) ( k v )( ) 奄次 偶玖 o 3 85 04 02 0 6 l o4 03 21 6 3 5 ，6 63 02 41 2 o2 o1 6o 8 第二章非线性负荷谐波源分析 对于不同电压等级的公用电网，允许电压谐波畸变率也不相同。电压 等级越高。谐波限制越严格。另外，对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐 波的限制。表2 1 给出了公用电网谐波电压限值。 电网公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量( 方均根值) 不应超过表2 2 中规定的允许值。 表2 - 2 注入公共连接点的谐波电流允订值 t a b l e 2 2h a r m o n i cc u r r e n tp e r m i t t e dv a l u ei n p u t t e dt ot h ep u b l i cj o i n tp o i n t 标准电基准短路谐波次数及谐波电流允许值( a ) 压( k v )( m v a ) 234567891 01 11 21 3 o 3 81 07 86 23 96 22 6 4 4 1 92 11 62 81 32 4 61 0 0 4 3 3 42 13 41 42 4 i i l l 8 5 1 6 7 11 3 1 0l o o2 62 01 32 08 51 56 46 85 19 34 37 9 3 52 5 01 51 27 71 25 18 83 84 13 i5 62 64 7 6 6 5 0 01 61 38 11 35 49 34 14 33 35 92 75 0 l l o 7 5 01 29 66 0 9 64 06 8 3 03 22 44 32 03 0 标准电基准短路谐波次数及谐波电流允订值( a ) 压( k v )( m v a ) 1 41 51 61 71 81 9 2 02 l2 22 32 42 5 o 3 81 0l l1 29 71 88 61 67 88 97 11 46 51 2 61 0 06 i6 85 31 04 79 04 34 93 97 43 ，66 8 1 01 0 03 74 13 26 02 85 42 62 92 34 52 14 1 3 52 5 02 22 51 93 61 73 21 51 8i 42 71 - 32 5 6 6 5 0 02 32 62 o3 81 8 3 4 1 61 91 52 81 42 6 1 1 07 5 01 71 91 52 81 32 5 1 2 l t 4 1 42 11 01 9 当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量( 见表2 2 ) 时，表 中2 2 0 k v 基准短路容量取2 0 0 0 m v a ，其谐波电流允许值按下式换算求出： 厶= 粤 ( 2 - 9 ) o k 2 式中s 。一公共连接点的最小短路容量，m v a ； 瓯，一基准短路容量，m v a ； k 一第h 次谐波电流允许值( 见表2 - 2 ) ，a ； ，一短路容量为瓯，时的第n 次谐波电流允许值，a 。 气 #i妒；f 第二章1 线性负荷谐波源分析 2 3 非线性负荷谐波源分析 电力系统中，正坛供电电压加在1 线陛设备上就会产生| | i p 弦电疯或 者正弦供电电流通过非线性设备也会导致非正弦电压。例如：有一个正弦电 压v ( t ) = 吃s i n o t ，当该电压加在电感上时，我们知道有v ( f ) = l d i 折，如 采上不是常数，那么f ( f ) 就是非正弦电流，即有谐波电流存在。谐波电流 与自身特性和工作状况以及外加电压有关，而与电力系统的参数关系不 大，囚i 而常彼看作足谐波恒流源。 谐波源通常可以分为两大类，一类是含有电弧和铁磁的非线性谐波 源，如电弧炉、变压器等。另一类是含有半导体元器件的各种电力电子设 备，如整流器、逆变器、静止无功补偿器、变频器、高压直流输电设备等 等【3 9 , 4 0 】。对于这两类谐波源，本节根据它们的应用状况和影响程度选出较 为典型的三种进行阐述，即单相桥式整流电路、三相全控桥式整流电路、 电弧炉负荷，下面对这三类谐波源产生谐波的机理进行分析。 2 3 1 单相桥式整流电路 ： 带阻感负载或者带滤波电容的单相整流电路应用广、数量多。电气铁 道电力机车牵引负荷为波动性很大的大功率单相整流负荷，它产生的谐波 和负序电流对供电系统和其他电力用户造成极为严重的影响。 如图2 1 ，设电源电压为：以= 4 2 u s i n ( c o t + 口) 式中u 为电源电压有效值；盯为基波电压和电流的相位差。 为便于分析，假设以下理想条件：交流侧电抗为零，而直流侧电感l 为无穷大，并且忽略电流脉动。则交流侧电流为理想方波，且有：，= ，一 图2 1 单相桥式挚流电路 第二章非线性负荷谐波源分析 f i g 2 1s i n g l e p h a s eb d d g e 州i f y i n gc i r c u i t 将交流侧理想的方波电流进行傅立叶分解得到： ，= 昙驰m 耐+ - s 1m 耐渤州= 毒乒咖刀耐 q j 式中l ：2 4 2 1 , ( n ：l ，3 ，5 ，7 ) 从上式可以看出，当正弦波电压加在单相桥式整流电路上时，电源侧 只含有奇次谐波分量。图2 - 2 为单相桥式整流电路在考虑电源阻抗和直流 侧电感时的交流侧电源电流波形： 、 厂一 3 _i_i_ 划 一 。 图2 - 2 单相桥式整流电路交流侧电流波形 f i g 2 - 2a cc u r r e n tw a v e f o r mo f s i n g l e - p h a s eb f d g er e e t i f y i n gc i r c u i t 从上图可以看出，当考虑电源阻抗，直流侧电感、以及电流脉动时， 电源侧的电流就不再是方波，同时也说明了如果正弦波电压加在单相整流 电路上时，电源侧的电流就会发生畸变，即有谐波电流存在。 2 3 2 三相桥式全控整流电路 三相整流装置可使整流电压脉动较小，脉动频率较高，而且由于三相 平衡，对供电系统的影响较小，因而容量较大的整流装置常采用三相整流 的方式，比如大容量的h v d c 装置以及大型铝厂的整流装置等都用到了三 相整流方式。三相整流也是多种多样的，有三相半波、三相全控桥式、三 相半控桥式等等。本节主要研究典型的三相全控桥式整流电路产生谐波的 机理。图2 3 是三相六脉波整流电路接线图。 第二章非线性负荷谐波源分析 图中，在电源电压的一个周期内有6 次换相( 上桥臂和下桥臂各有3 次1 ，所以称为六脉动整流。下面分析交流侧电流的波形，为了抓住问题的 本质，便于分析理解，所以研究理想的情况。为此，作如卜i 假设： 1 ) 电源为理想的三相平衡系统，并以a 相电压为基础； 2 1 整流桥用的g t o 为理想元件，正向电阻为零，反向电阻为无穷大； 3 ) 交流侧的电感为零，即换相重叠角，= 0 ； 4 1 控制触发角t 2 = 0 ，即相当于不可控的整流。 圪 ，jk 五右圪： 1y v 一 _ 、圪妥 、圪妥 l 砭气 ji-ft 一 一 l 圪一k 圪一 图2 - 3 三相全控桥式整流电路 f i g 2 - 3t h r e e p h a s ea l l - w a v eb r i d g er e c t i f y i n gc i r c u i t a ，b ，c 三相的电流波形都是由正负两个序列的方波组成。方波的幅值 等于l ，方波的宽度等于2 ，正负波形对横轴肘称。然后对各相 e 正弦 电流波形进行傅立叶级数分解，得到基波和一系列谐波表达式： 由上式可见，a 相电流除基波外，还包含了5 ，7 ，1 1 ，13 ，1 7 ，19 ，筲次谐 波。它们的有效值分别是： 同理可 两相的电流，t 的表达式，分别如下： ( 2 一1 2 ) 辫 l ，。 互互斤邮一黜卜ii、以 第二章非线性负荷谐波源分析 弘警脚n ( 耐旁弩5 褂如( 7 咖p 2 任 + 击s i n ( - - 耐+ 詈z ) + 吉s j n ( 一，n ”一；z ) + 。1 3 半胁i 掣2i 州册2 尹i 似中2 陋 + 六s ；n ( t t n ”一；z ) + 去s i n ( 1 ，n v + ；筇) + 】 。1 图2 4 三相全控桥式整流电路交流侧电流波形 f i g 2 - 4a cc u r r e n tw a v e f o r mo f t h r e e p h a s ea l l - w a v eb r i d g er e c t i f y i n gc i r c u i t 图2 - 4 为三相全控桥式整流电路进行仿真时交流侧的三相电流波形。 整流电路采用3 0 。的触发延迟角，电源电压有效值为3 8 0 v 。仿真中考虑 了一些实际的因素，直流侧考虑了一定的电感值，负载用的是电阻和电感 串联，为阻感性负载，电源还加上了自身的阻抗，仿真中三相电源电压为 正弦波对称电压，用示波器柬显示整流器交流侧三相电源电流波形，如图 2 4 所示。 2 3 3 电弧炉负荷 嘉 * 第二章1 r 线性负荷谐波源分析 电弧炉是现在炼钢的重要手段，由于它在技术、经济上的优越性，发 展很快。它存炼钢工、i k 中所占比币越束越大且炉的容量也逐渐增大。电弧 炉一般是三相式的，通过# 用的电炉变压器供电，如图2 5 所示。，史m 器 高压侧是6 ，1 0 k v 或3 5 k v ，低压侧( 电弧炉侧) 为数百伏的额定电压。电弧 炉是利用其三相石墨电极和炉料之问产生的电弧的热量冶炼余属，石墨电 极可以作垂直方向运动，以适应熔炼过程中控制电弧长度的需要。电弧炉 土要分为熔化期和精练期，在熔化初期以及熔化的不稳定阶段，谐波电流 含量大，主要是2 、3 、4 、5 、6 、7 次谐波电流 4 1 , 4 2 。 图2 - 5 电弧炉供电系统原理j 璺i f i g 2 - 5b l o c ko f e l e c t r i c a la r ef u m a e ep o w e rs u p p l ys y s t e m 当电弧炉处于稳定工作状态，电弧的长度不变时，描述其电压电流间 关系的伏安特性就是确定的，若用图2 - 6 中分段线性化的方法近似拟合这 一特性曲线，则在第一象限内其表达式为： v 。 v 衅 令j o ，2 一 幽2 6 稳定i 仃状态的i u 弧炉近似伏安牛十胜 f i g2 - 6a p p r o x i m a t ev ac h a r a c t e r i s t i co f a r ci ns t a b l ew o r k m gs l a t e f i r l0 s j i j v 2 9 d 2 氓：+ k ( - 一鲁) i ， o 同理，线性负荷吸收功率： = 导r ( 舶) a t o = 亍1r ( 吼i 刍( t ) d t u 、 菲线件债荷吸收功蜜： ( 3 - l o ) ( 3 - 1 1 ) h 表示谐波) ( 3 - 1 2 ) ( 3 - 1 3 ) = 毒r ( “。( f ) i 。l ( t ) d t ：+ 艺。 ( 3 1 4