波形畸变与电力谐波

1、电力质量研讨会、波形失真与电力谐波徐永海华北电力大学电气电子工程学院电力质量研究所、2、内容摘要、1、概要2、波形失真的基本概念3、电力供给系统与城市电力网的典型谐波源4、谐波的影响与危害5、谐波谐振与放大6、电力系统谐波抑制与无功功率补偿7、无源与主动的混合补偿技术、3、 1、概要1 .理想电力系统的电力形式(功率传输功率)的特征是众所周知的，但是理想电力系统应当以单一频率(商用频率50Hz，60Hz )、单一波形(正弦函数sin，cos )、一些电压电平(高、中、低电压等)的电力形式运行。 其中单个波形，即所要的正弦函数形式是优选的，因为由系统的电路元件的线性特性来确定。 当电压和电流具有相同波形并且具有相同频率时，认为能量传输的最大效率模式是生产、传输和转换电力产品所需的最佳电力形式。 4、2 .强调现代电力系统电力处理和控制能力的现代电力系统对电力形式提出了新的要求：另一方面，以适合电力负载需求的最佳电力形式供电，满足用户对不同频率、电压、电流、波形和相数的要求，适应生产和产品多样性、个性化、高效益的发展趋势。 二、随着大容量电力电子装置的实用化，现代电力系统正在迅速、实时、可控地应用于电网的电力输送和分配，实现了可靠、高效的经济运行。 (如动态无功补偿(SVC，STATCOM )、有源电力滤波器(APF )、可控移相器和统一电流控制(UPFC )等电力领域特有的重要应用)，一、概况、五、近年来电力电子技术领域发展迅速，主要原因有以下两点：1)。 作为高新技术蓬勃发展的基础和先导，功率半导体制造技术的进步显着提高了开关器件的功率处理能力和开关速度，功率电子装置的市场不断扩大。 2 ) .微电子技术和计算机技术的革命性进步使电力电子装置控制器的性能有了很大的进展，一、概述、六、但是，作为供电电源和电气设备之间的非线性接口电路，在完成(实现)电力控制和处理的同时，所有电力电子装置都不可避免地产生非正弦波形， 向电网注入高次谐波电流，使公共连接点(PCC )的电压波形大幅失真，产生强电磁干扰(EMI )。 随着电力转换装置容量的增大、使用数量的急速上升、控制方式的多样性等，电力电子装置的潜在负面作用越来越显着。 电力谐波及其危害已成为现代电力系统的重要问题。 一、概况、7、3 .提出电力系统谐波问题3.1代表性的研究工作从电力工业发展的历史上看，电力系统的波形畸变问题自20世纪20年代就已引起一些专家的关注，并发表了相应的论着。 1945年有过高次谐波的经典论文(作为高次谐波计算的基础傅立叶分析)。 但其影响与推广和实际需求相差甚远。 70年代初，美国Kimbark教授通过HVDC的研究，对电力系统的谐波问题进行了理论、权威性的分析。 IEEE也从电力系统谐波工作组的报告中，正式作为专业学术问题提出，进行了组织研究，从1980年代(86 )开始每两年召开一次全球性会议出版论文集。一、概况、8、3.2新兴的跨学科研究方向被谐波问题逐渐认识，根据其原因分析了计算方法、危害和影响机制，加深了对制定测量和仿真标准、实施综合管理等方面的探索，电力系统谐波作为电气工程学科的分支技术， 是被发现在其他相关领域也广泛渗透和交叉的新兴的跨学科研究方向，涉及电力系统及其运行、负荷模型、信号分析和处理、通信技术、电力电子学、电气机械学、电磁兼容性、质量管理和控制等多个方面。 一、概况、9、3.3谐波问题研究方向谐波研究是电气工程领域的重要课题。 它在电力电子技术、电力系统的运行分析中占有非常重要的地位，是理论电工的基础课题。 成为电气工程学最活跃的研究领域之一。 谐波研究大致分为四个方向：非正弦条件下的功率定义和功率理论研究谐波源分析和电力系统谐波分析； 开发高次谐波抑制和补偿装置制定高次谐波测量和高次谐波标准，一、概况、10、4 .从全球能源和环境的角度认识到电力系统的高次谐波研究的重要性和必要性近年来，世界科技界关注全球两个问题，即能源(能源的损失、节能、合理的开发和应用)、环境(环境意识、环境改善和管理)。 绿色(清洁环境、食品、电源)、一、概要、十一、电力工业是生产最高能源产品(同时进行电力生产、运输、分配、转换)的大系统。 在电力工业中，节约能源、合理开发和有效使用表现极为突出和具体。 如何科学地满足电负荷需求进行有效的能源转换，成为当前电力系统越来越受到关注的话题。 另一方面，概况、十二、传统功率形式(单频率、单波形、某些电压电平)在功率合理、经济使用方面受到很大限制。 现代电力系统在通过电力处理手段改变电力形态、合理使用能源方面的作用越来越广泛。 例如，充分开发频率资源，能够通过逆变器调速灵活且迅速地改变本来机械地转换旋转电机的转速(低效率)的过程，而且，利用高频开关电路实现的开关直流电源大幅减少消耗的强磁性材料，大幅改变设备的尺寸，获益于发电电力电子装置的使用，构成了谐波问题反而降低换向电路功率因数、降低效率、与合理有效使用能量相矛盾的负面作用。 相应的改进措施也成为另一个重要的研究问题。 另一方面，概括、13、谐波问题可以说是随着电力电子技术的出现而发生的，由于合理的能源使用，大量使用大功率的电力电子装置是必然趋势，虽然是主流方向，但由此带来的负面作用，或者是与经典的纯正弦波形相反的结果，造成电网公害谐波污染，与世界性的自然环境问题类似因此，“电气环境工程学”一词已经出现。 一、概况、14、5 .谐波研究的进展和国际研究动态于1985年，国际上首次出现了新西兰着名教授J.ARRILAGA等合作的电力系统谐波，对这方面的知识进行了详细、系统的阐述。 1988年，我国电力专家和教授吴竞昌、孙树勤等合作编纂了电力系统谐波，至今仍是普遍需求的读本。 据说他们打算重新制作出版电力系统高次谐波的着作。 这期间，东电、大、大等机构也制作了一定程度的类似书籍。1993年，中国国家技术监督局正式颁布了“电能质量-公共电网谐波”国家标准，逐步规范、科学化并法规化了谐波管理工作。 目前正在进行国标的修订工作。 一、概况、15、我国开展谐波研究的大体经验阶段：研究分析谐波识别和知识普及的阶段测量手段和实际调查阶段的谐波综合管理阶段电能质量网络监测。 另一方面，概况、16、2、波形失真的基本概念、1、谐波失真由电力系统的非线性设备引起，在非线性设备中流动的电流和施加的电压没有比例关系。 图1-1表示对电压与电流的关系按照给定的特性曲线变化的简单的非线性电阻施加正弦波电压的例子。 施加到电阻器的电压是理想的正弦波，然而流过其中的电流不是正弦波，而是谐波失真的问题。 电压减小时，电流倍增，其波形也可能变化。 所有周期性失真波形也可以由正弦波形的和来表示，所有周期性失真波形是17、2、波形失真的基本概念、18、2、波形失真的基本概念。 即，失真波形的各周期相同时，能够用具有基波频率的整数倍的频率的理想的正弦波波形的和来表现。 其中，将具有基波频率的整数倍频率的成分称为高次谐波，将一系列的正弦波形之和称为傅立叶级数。 定义为19、2、波形失真的基本概念、20、2、谐波的基本概念的国际公认的谐波被定义为“谐波是周期性电量的正弦波成分，其频率是基波频率的整数倍”。 如果我国电力系统的标称频率f (也称为工业频率)为50Hz，则谐波的阶数必须是正整数，例如，基波为50Hz、第二谐波为100Hz或第三谐波为150Hz。 另外，波形失真的基本概念、21、高次谐波和高次谐波在一定的供电系统条件下，一部分电负载出现非整数倍的周期电流的变动，根据以该电流周期分解的傅立叶级数，有可能得到不是基波的整数倍频率的分数高次谐波(fractional-harmonics )和交叉-harmonics 高次谐波(sub-harmonics )是指比商用频率的基波频率低的频率的成分。 二、波形失真的基本概念22、谐波和过渡现象在许多功率质量问题中常常将过渡现象误认为谐波失真。 过渡过程的实测波形是具有明显高频成分的畸变波形，过渡过程包括高频成分，但过渡和谐波是完全不同的现象，它们的分析方法也不同。 电力系统受到突然干扰后，过渡波形呈现高频特性，但这些频率不是高次谐波，与系统的基波频率无关。 二、波形失真的基本概念，二、三、短时谐波相对于短时冲击电流，如变压器无负载接通的励磁冲击电流，以周期函数分解，包括短时谐波和谐波电流，称为短时谐波电流或快速变化的谐波电流，必须与电力系统稳态和准稳态谐波区别开来。 二、波形失真的基本概念24、陷波换流装置在换相时在电压波形中产生缺口和换相缺口。 该失真是电压瞬时值的急剧变化，虽然是周期性的，但不属于高次谐波的范畴。 以二、波形失真的基本概念、25、3、非正弦量有效值和总谐波失真率、二、波形失真的基本概念、26、二、波形失真的基本概念、电流为例，有效值通过定义可表示为非正弦周期量的有效值等于其各谐波分量有效值的平方和的平方根值，与各分量的初始相位角无关。 各高次谐波成分的有效值与其峰值之间有比例关系，但峰值与其有效值之间不存在这种单纯的比例关系。根据传统定义，可以推导出27，27，22，波形失真的基本概念；28，22，波形失真的基本概念由此可知，由于定义了相移功率因数，功率因数受到两个影响：相移功率因数，即基本频率电压电流的相位差； 电流的基波成分所占的比例，即电流失真的程度。 结论：功率因数的大小由两个要素决定：相移功率因数，即基本频率电压与电流的相位差电流的基波成分所占的比例，即电流失真的程度。30、5、三相电路的高次谐波在对称三相电路中各相电压(电流)的变化规律相同，但在时间上依次相差1/3周期。 若能够表示为a相电压，则b相电压、c相电压分别是二、波形失真的基本概念，三、三相对称非正弦波电压也属于该关系。 考虑包含在a相电压中的2次谐波时，b相、c相的2次谐波电压分别是第2、波形失真的基本概念，在32、=0、1、2、的情况下，三相电压谐波的相位顺序与基波的相位顺序相同。 即，第1、4、7、10等次高次谐波都是正准高次谐波. 当时，三相电压的高次谐波的相位顺序与基波的相位顺序相反。 即，第2、5、8、11等次高次谐波都是反相性高次谐波. 当时，三相电压的谐波均具有相同的相位。 即，第3、6、9、12等高次谐波都是零级性高次谐波。 二、波形失真的基本概念、33、与电压的情况一样，电流的各谐波也具有不同的相序特性。 非对称三相系统各谐波的相序特性和对称性不同，各谐波可能不对称，用对称分量法分解为零相、正相、负相三个对称分量系统进行研究。 二、波形失真的基本概念，34、谐波源将电力系统的谐波源分类，按其非线性特性主要有三种： (1)强磁性饱和型：各种铁心设备，如变压器、电抗器等，强磁性饱和特性呈非线性。 (2)电子开关型：主要为各种交流直流换流装置、双向晶闸管控制开关设备以及PWM逆变器等电力电子设备。 (3)电弧型：交流电弧炉和交流焊机等。 三、供电系统和城市电网的典型谐波源，35，也有人将其分为两类：1)包括半导体部件(非线性元件)的谐波源2 )电弧和包括强磁性的非线性设备的谐波源。 家电设备分为上述两种谐波源。 由上述分类可知，谐波源随着工业的发展而变化：传统的电力系统中的主要谐波源是电力变压器现代电力系统中最主要的谐波源电力电子装置，三、电力供给系统和城市电力网的典型谐波源、36、作为谐波电流源的概念的非线性设备，即使供给理想的正弦波电压，其取得的电流也是正弦波其高次谐波电流的含量基本上取决于其自身的特性和工作状况以及对其施加的电压，但与电力系统的参数没有多大关系。 一般来说，由于非线性负载的内部阻抗比系统阻抗大得多，因此将产生非线性负载的高次谐波电流视为理想的高次谐波电流源或高次谐波恒流源。 三、供电系统和城市电网的典型谐波源、37、谐波源分布状况调查报告书(日本电气学会)、38、被调查的186家代表性电力用户中，没有谐波源的仅占6%； 最大谐波源为整流装置的用户为66%； 办公室和家电产品的用户占23%；电弧炉占4%的最大谐波源，电力电子设备的用户占90%。 可见电力电子设备已成为最主要的谐波源。三、供电系统和城市电网的典型谐波源39、3、供电系统和城市电网的典型谐波源、大楼(建筑物、其谐波发生在办公室、家电和照明电源等)约占40.6%。 铁路和冶金行业约占17.2%和15.1%，这三个行业共占72.9%，其中除电弧炉等外，主要谐波源为电力电子设备。40、3、供电系统和城市电网的典型谐波源、41、3、供电系统和城市电网的典型谐波源、变压器由于经济原因，变压器使用的磁性材料通常在接近非线性或非线性地区运行。 即使施加电压为正弦，变压器的励磁电流也不是正弦，因此包含高次谐波(主要是3次高次谐波)。42、3、供电系统和城市电网的典型谐波源、43在额定运行电压下包含变压器励磁电流丰富的谐波电流，但一般为额定满充电电流的1%以下。 变压器不像电力变换器和电弧装置那样引人注目，这些装置产生的高次谐波电流达到其额定值的20%以上。 但变压器的影响显着，特别是变压器较多的配电系统。 通常上午负载小，电压高，三倍频高次谐波电流大幅度增加。 这是因为负荷量小，电压升高，变压器励磁电流增大。 三、供电系统和城市电网的典