谐波与谐波阻抗课件

电气化铁道

并联综合补偿及其应用谐波定义

供电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=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics)或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、测量、危害及抑制，其频率范围一般为2≤n≤40。

4谐波及谐波阻抗特性4.1概述用Fourier级数表示

设用周期为T的函数表示实际畸变电流或电压交—直型电力牵引负荷是单相整流负荷，主要含有奇次谐波第一种谐波产生方式：非正弦电压作用于线性网络。从线性网络观之，可视非正弦电压为内阻很低的谐波电压源，或直接视为谐波电压源。电力系统中这类谐波源主要描述处于逆变状态下的换流装置对交流系统的作用。第二种谐波产生方式：正弦电压作用于非线性系统。从交流系统看非线性系统，则非线性系统表现为内阻很低的谐波电流源，或直接视为谐波电流源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源。1、非线性电磁耦合装置几乎所有带铁芯的装置，像电力变压器、静止补偿装置的饱和电抗器等通常都具有非线性伏安特性，故即使正弦电压作用下也会使电流波形畸变，其中以3次谐波为主。磁路严重饱和（如暂态过程中的直流分量作用）时，电流波形畸变加剧，除3次及3的整数倍谐波电流外的高次谐波愈加显著，同时也使系统电压的波形畸变。一般变压器和电抗器的空载合闸涌流可达额定电流的6~8倍，此时谐波分量极为明显。但正常工作时变压器的饱和非线性及产生的谐波可予不记，而饱和电抗器的正常工作产生的谐波通常因配有较好的滤波装置而不对交流系统产生过大影响。2.换流装置相对三相系统而言，这些换流装置可进一步分为对称换流装置和不对称换流装置。对称换流装置中最简单的和具有原理性的是三相换流桥，它又分为三相全控（使用6晶闸管即可控硅）桥，三相半控（用3个可控硅和价格便宜的3支二极管）桥和三相不控（用6支二极管）桥三种。三相不控桥：整流，自然换相，电压不可调半控桥：整流，改变三支可控硅的控制角可调电压全控桥：整流，逆变，电压可调广义地看，基波以外的频率信号都称之为谐波。通常，谐波：把基波整倍数频率的正弦信号分量称为谐波分数谐波：基波分数倍数的谐波称为分数谐波次谐波：小于1的分数对应的谐波称为次谐波（中）间谐波：大于1的分数对应的谐波称为交互谐波或中间谐波。

特征谐波是指定系统（装置）正常运行所产生的谐波。如三相整流桥产生的5、7、11、13、17、19等次谐波为其特征谐波，电力机车产生的3、5、7、9等次谐波以外的谐波称为非特征谐波，它通常在3及以上相的换流装置中因电压不平衡、相或触发不对称以及其他不正常情况下而造成。

变压器激磁电流中含有3，5，7等各次谐波分量。由于变压器的原副边绕组中总有一组为角形接法，为3次谐波提供了通路，故3次谐波电流不流入电网。但当各相激磁电流不平衡时，可使3次谐波的残余分量（最多可达20%）进入电网。当电网接有多个谐波源时，由于各谐波源的同次谐波电流分量的相位不同，其和将小于各分量的算术和。谐波污染对电网及用户的主要影响谐波电流对电力系统发电机的不良影响①谐波电流流入三相定子绕组时，产生旋转磁场，引起振动扭矩。谐波旋转磁场对转子以数倍同步转速的速度相交链，因此在转子回路中感应出数倍基波频率的电压和电流。由定子的谐波旋转磁场与转子的激磁电流以及由定子的工作旋转磁场与谐波在转子中感应的电流相互作用而产生的交变电磁力矩，传到转子转轴和定子机座上，引起额外的振动扭矩。②谐波电流流入三相定子绕组时，还增加定子绕组和定子铁芯的附加电能损失和发热。③引起转子激磁绕组的附加发热。当谐波电流与负序电流同时流入三相定子绕组时，则在转子激磁绕组回路中感应出6倍或12倍基波频率的电流。该电流引起附加的电能损失和发热。谐波电流对电力系统变压器的不良影响由于谐波电流流入变压器产生的铁芯磁滞现象会引起噪音增大。此外，还会由高次谐波电流、电压而引起的附加铁损和铜损，使变压器总电能损失增大，容量利用率减小。造成电网功率损耗增加，线路和设备过热；引起变电站局部的并联或串联谐振，造成电力设备损坏；造成继电保护和自动装置误动作；增大磁场干扰，影响电子仪表和通信系统的正常工作，降低通信质量。国外电力专家对谐波标准的认识

(1)谐波标准制定受经验影响，各国的经验都是在谐波问题长期研究和治理过程中逐步积累的，各国形成谐波标准时考虑的因素也是多样化的，很少有标准是完全建立在对系统特性的详细理论研究基础上，所以标准在形式上大多是趋于经验和保守的。

(2)各国在制定谐波标准时，充分考虑了本国电力系统的特殊性以及多种关注因素。不同国家的标准，例如英国和新西兰标准，存在较大差异也是正常的。脱离各国背景，评论不同国家标准优劣是没有意义的;同样,不了解本国实际情况套用他国标准也是不妥的。(3)各国谐波标准反映的是当前时期本国电网和非线性用户之间达成的平衡或妥协，所以谐波标准不是永久不变的，谐波标准的执行也不是僵硬的。

(4)用户在谐波标准下的权益应予充分关注。我国自20世纪80年代起开展电力谐波研究，并已取得众多基础性成果。谐波国家标准GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》自1994年3月起开始实施。基于IEC61000-3-6技术文件的国家标准化指导性技术文件GB/Z17625.4-2000《电磁兼容限值中、高压电力系统中畸变负荷发射限值的评估》也于2000年12月颁布。传统功率理论

单相正弦电路功率理论有功功率P（平均功率）电路的无功功率

无功分量的平均值为零说明它只进行能量交换而不消耗功率，这种能量交换通常发生在电源和有储能元件的负载之间，Q表明了这种能量交换的幅度。ip有功电流分量，iq无功电流分量。

工程上还把设备的电压和电流的有效值的乘积作为其功率设计的极限，用来表示设备的最大可利用容量。即视在功率S为有功P的最大值。P越接近S则说明设备的容量利用得越充分。功率因数:

非正弦不平衡条件下的电压量和电流量假设非正弦相电压和线电流定义如下（b、c相类似）相电压和线电流的方均根值和谐波分量有关区分了基频和非基频分量（总谐波）三相三线制电力系统中有效电压和有效电流的基频和非基频分量定义为有效三相电压和电流电压总谐波畸变率和电流总谐波畸变率视在功率定义:广泛使用的是在功率定义可以区分为算数或矢量视在功率方法，IEEE1459-2000中阐述并论证了有效（或系统）是在功率是最合适的定义。三相算术视在功率1、算术视在功率：单相电力系统的Budeanu功率定义三相矢量视在功率2、矢量视在功率三相总有功功率、Budeanu无功功率、畸变功率视在功率非基频视在功率包括三个畸变分量电流畸变功率电压畸变功率谐波畸变功率有效谐波视在功率与谐波畸变功率、有效谐波有功功率有关有效谐波视在功率有效谐波有功功率谐波畸变功率4、基频有功功率和无功功率：基于正序分量计算5、功率因数定义并联方式并联方式的节点阻抗设虚框内在基波下有相同的端口特性并联谐振的阻抗特性:1、阻抗模值取得极大值，为纯阻性；2、电抗由感性变为容性；并联谐振的阻抗特性:3、阻抗角由正变负，阻抗角过零处，阻抗角导数取得极小值串联谐振的阻抗特性:3、阻抗角由负变正，阻抗角过零处，阻抗角导数取得极大值串联谐振的阻抗特性:1、阻抗模值取得极小值，为纯阻性；2、电抗由容性变为感性；结论4-1局部并联谐振使节点阻抗模值取得极大值，阻抗角由大最快变小，即为极小值（负最大值）；局部串联谐振恰好相反，节点阻抗模值为最小值，阻抗角由小最快变大，即为极大值（正最大值）。并联谐振：谐波阻抗取得极大值谐波阻抗角由正变负串联谐振：谐波阻抗取得极小值谐波阻抗角由负变正并联谐振：↓X过零，由正变负串联谐振：↑X过零，由负变正无源交流滤波器分类：1按接入系统的方式，可分为串联和并联两种类型。串联滤波器串入系统调谐滤波器，利用L－C并联谐振来阻碍谐波进入系统基波下呈感性经受全部电流，绝缘水平要求高并联滤波器并入系统调谐滤波器，利用L－C串联谐振构成谐波通路基波下呈容性承受调谐的谐波电流和部分无功电流2按调谐锐度，可把并联滤波器分为调谐滤波器和阻尼滤波器两种调谐滤波器调谐在某一、二次较低次谐波上，其中串联（等效）电阻很小，也称高Q（品质因数）滤波器。阻尼滤波器在某一宽频带上呈现低阻抗（如高通阻尼滤波器），其（等效）电阻较大，也称低Q滤波器。3按阶数可把并联滤波器中的阻尼滤波器分为一阶、二阶和三阶等阻尼滤波器。常用滤波器及其特性1调谐滤波器单调谐滤波器忽略电阻，相对阻频特性为

其中为单调谐支路的固有频率双调谐滤波器

阻抗频率特性在接近谐振频率时，双调谐滤波器可等效成两个并联的单调谐滤波支路。

调谐滤波器对自身元件参数精度要求更高。环境温度引起的元件参数变化以及电网频率偏移都会使调谐滤波器失谐，考虑到这些因素就不能使调谐滤波器正好设计在某一次谐波的谐振点上，而是要往感性区作适当偏移。2阻尼滤波器（高通滤波器）一阶阻尼滤波器二阶阻尼滤波器三阶阻尼滤波器三阶阻尼滤波器