梅英格之谐波与无功.doc

谐波和无功功率的产生在工业和生活用电负荷中，电感性负荷占有很大的比例。感应电动机、变压器、日光灯等都是典型的电感性负荷。感应电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。电感性负荷必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，从上一节的讨论可以看出，谐波源都是要消耗无功功率的。非相控的二极管整流电路的基波电流相位和电网电压相位大致相同，所以不消耗基波无功功率。但是它也产生大量的谐波电流，因此也消耗一定的无功功率。工业用电弧炉在工作时电极处于短路状态，不但消耗大量的无功功率，且因电弧不稳定，其所消耗的无功功率波动也很大。同时，它也产生大量的谐波电流，且谐波频谱不规则，几乎是连续频谱。公用电网中的谐波源主要是各种电力电子装置（含家用电器、计算机等的电源部分）、变压器、发电机、电弧炉和荧光灯等。在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压器的励磁电流，其次是发电机。在电力电子装置大量应用之后，它成为最主要谐波源。发电机是公用电网的电源，当在发电机励磁绕组中通以直流电流，并在磁极下产生按正弦分布的磁场时，定子绕组中将感应出正弦电势，发电机输出电压波形为正弦波。但这只是理想的情况。实际电机中，磁极磁场并非完全按照正弦规律分布，因此感应电势就不是理想的正弦波，输出电压中也就包含一定的谐波。这种谐波电势的频率和幅值只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负荷无关，可以看成谐波电压源。在设计发电机时，采取了许多削弱谐波电势的措施，因此其输出电压的谐波含量是很小的。国际电工委员会（IEC）规定发电机的端电压波形在任何瞬间与其基波波形之差不得大于基波幅值的5%。因此，在分析公用电网的谐波时，可以认为发电机电势为纯正弦波形，不考虑其谐波分量。变压器的谐波电流是由其励磁回路的非线性引起的。加在变压器上的电压通常是正弦波电压，该电压和铁芯磁通是微分关系，即 (1-47)图1-6 不考虑磁滞影响时的电压、磁通和励磁电流波形因此铁芯中磁通也是按正弦规律变化的，只是其相位滞后于电压p/2。励磁电流和磁通的关系是由铁芯的磁化曲线决定的。由于磁化曲线是非线性的，所以产生正弦磁通的励磁电流只能是非正弦的。图1-6给出了电压和磁通为正弦波时励磁电流的波形，这里未考虑磁滞的影响。可以看出，图中的励磁电流已变成具有1/4周期对称特点的尖顶波了。对其波形进行傅里叶级数分析可知，其中含有全部的奇次谐波，以3次谐波分量为最大。考虑磁滞影响时的电压、磁通和励磁电流的波形如图1-7所示。和图1-6的波形相比，励磁电流波形发生扭曲，已不再是1/4周期对称波形，但仍是正负半周对称的波形，从第1.1节的分析可知，其中仍只含有以3次谐波为主的奇次谐波。图1-7 考虑磁滞影响时的电压、磁通和励磁电流波形对于三相变压器来说，其励磁电流和铁芯结构、变压器接线方式都有关。若变压器有一侧采用D接线，则可以为3的倍数次谐波提供通路，使磁通和电动势都很接近正弦波。3的倍数次谐波电流只在D回路中流通，而不流入公用电网，流入电网的只是6k1（k为正整数）次谐波。若变压器没有D接线，则励磁电流中就没有3的倍数次谐波电流，这时由于磁化曲线的非线性就会在磁通中产生3的倍数次谐波，使磁通变为平顶波。在三柱变压器中磁动势里3的倍数次谐波是各相同相位的，因此这些谐波磁通的路径必须是由空气、油和变压器外壳构成的回路。而这种路径磁阻很大，使3的倍数次谐波的磁通仅为独立铁芯时的10%左右。因此磁通和电动势仍接近正弦波。变压器励磁电流的谐波含量和铁芯饱和程度直接相关，即和其所加的电压有关。正常情况下，所加电压为额定电压，铁芯基本工作在线性范围内，谐波电流含量不大。但在轻载时电压升高，铁芯工作在饱和区，谐波电流含量就会大大增加。另外，在变压器投入运行过程、暂态扰动、负荷剧烈变化及非正常状态运行时，都会产生大量的谐波。电弧炉的谐波主要是由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。电弧长度的不稳定性和随机性使得其电流谐波频谱十分复杂，其谐波频率分布范围主要在0.130Hz。电炉工作在熔炼期间谐波电流很大，当工作在精炼期间时由于电弧特性较稳定，谐波电流较小。电弧炉谐波电流随时间的变化很大。表1-5给出了不同资料所给的由电弧炉引起的平均谐波电流。可以看出，2次、3次和5次谐波最为严重。表1-5 电弧炉引起的平均谐波电流谐 波谐波电流（以基波百分数表示）次 数资料1资料2资料323.24.14.534.04.54.741.11.82.853.22.14.560.6无数据1.771.31.01.680.41.01.190.50.61.0100.50.51.0荧光灯管的伏安特性是严重非线性的，因此也会引起严重的谐波电流，其中3次谐波含量最高。当多个荧光灯接成三相四线负荷时，中线上就会流过很大的3次谐波电流。如果每个荧光灯还接有补偿无功功率的电容器，3次谐波电流还很有可能引起谐振而使谐波放大，会使电压波形也发生严重畸变。近三十年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。带电感性负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。除上述电力电子装置外，逆变器和直流斩波器的应用也较多。但这些装置所需的直流电源主要来自整流电路，因而其谐波和无功问题也很严重。在这类装置中，各种开关电源、不间断电源和电压型变频器等的用量越来越大，其对电网的谐波污染问题也日益突出。特别是单台功率虽小，但数量极其庞大的彩色电视机、个人计算机和各种家用电器及办公设备，其内部大都含有开关电源，它们的日益普及所带来的谐波污染问题是非常严重的。有关各种电力电子装置的功率因数和谐波分析将在其他文献中详细论述。表1-6 谐波源分布情况最大谐波源行业整流装置交流电力调整装置周波变流器电弧炉办公及家 用电 器无谐波源合计造纸161219化学1512119建筑材料525517冶金1431220机械制造928120其他制造业8715铁路19120公共事业2014126楼宇141327通信213合计1221084312186比例661042361001992年日本电气学会发表了一项有关谐波源的调查报告26，其中对各电力用户的最大谐波源进行了调查。表1-6给出了其调查结果。在被调查的186家代表性电力用户中，无谐波源的仅占6%，其最大谐波源为整流装置的用户占66%，为办公及家用电器的占23%，为交流电力调整电路和电弧炉的分别占1%和4%。办公及家用电器中的谐波实际上还是来自其中的整流装置。因此，最大谐波源来自整流器的占89%。连同交流电力调整电路所占的1%，最大谐波源为电力电子装置的占90%。若排除占6%的无谐波源用户，则在有谐波源的用户中，最大谐波源为电力电子装置的用户所占比例高达96%。可见电力电子装置已成为最主要的谐波源。图1-8 产生谐波量的行业分布图1-8是关于产生的谐波量分布情况的调查结果。从图中可以持出，来自楼宇（指办公、家电设备和照明电源等）的约占40.6%，来自铁路和冶金行业的分别约占17.2%和15.1%。这三个行业共占72.9%。在这三个行业中，除部分照明电源（楼宇）、电弧炉（冶金）等以外，主要谐波源为电力电子装置，其他行业的谐波源也大多来自电力电子装置。日本电气协同研究会还于1983年10月和1988年4月对电力系统中的典型地点的电网电压畸变率进行了调查70, 71。图2-9给出了从星期五到星期二共4天范围内，2277kV电网和6kV电网的电压畸变率以及电视收视率。可以看出每天1922时电网电压畸变率最高，这也是电视收视率最高的时候。白天电压畸变率也较高，而深夜较低。电压畸变率和电视收视率之间的相关系数大都分布在0.6以上，为0.8以上的约占40%。图1-9 电网电压畸变率和电视收视率由于日本和中国的生产力及国民经济处于不同的发展阶段，产业结构也有很大的不同，因此上述日本的调查结果会和我国有一不定期的差别，但这些数据仍有较高的参考价值。较多文献都指出上述各种谐波源是谐波电流源，其所产生的谐波电流取决于谐波源本身的特性，基本上与供电网的参数无关。如大量应用的直流侧为电感性负载的整流电路，