电力系统的谐波

《电力系统的谐波》

电气工程与自动化

1.什么是谐波？特性？分类？

2.含有谐波的电量的电气参数如何计算？

3.衡量谐波含量的参数有哪些？定义？

4.电力系统常见的谐波源有哪些？

5.谐波的危害是什么？治理方法有哪些？

理想的交流电压和交流电流波形应是单一频率的正弦波，而实际电力系统中由于负荷 的非线性常会使电压和电流波形产生畸变而偏离正弦，出现各种谐波分量。谐波的含量是 衡量电能质量的重要指标之一。

那么什么是谐波呢？谐波 (harmonic wave)，从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由于交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的意义已经变得与原意有些不符。正是因为广义的谐波概念，才有了“分数谐波”、“间谐波”、“次谐波”等等说法。

奇次谐波:额定频率为基波频率奇数倍的谐波，被称为“奇次谐波”，如3、5、7次谐波； 偶次谐波:额定频率为基波频率偶数倍的谐波，被称为“偶次谐波”，如2、4、6、8次谐波。 一般地讲，奇次谐波引起的危害比偶次谐波更多更大。在平衡的三相系统中，由于对称关系，偶次谐波已经被消除了，只有奇次谐波存在。对于三相整流负载，出现的谐波电流是6n ±1次谐波，例如5、7、11、13、17、19等。

变频器主要产生5、7次谐波；

分量谐波:频率为基波非整数倍的分量称为间谐波，有时候也将低于基波的间谐波称为次谐波,次谐波可看成直流与工频之间的间谐波。 电气参数计算

有效值： U=√1T ∫u 2T 0(t)dt I=√1T ∫i 2T 0(t)dt

u(t)= ∑√2∞n=1U n sin⁡(nw 1t +αn )

i(t)= ∑√2∞

n=1I n sin⁡(nw 1t +βn )

w 1=2πT =2πf 1 I=√A A= 1T ∫[√2I 1T

sin (w 1t +β1)+√2I 2sin (2w 1t +β2)+⋯+√2I n sin (nw 1t +βn )]∧2dt

由于： 1T ∫2I n 2T 0

sin 2(nw 1t +βn )dt =I n 2 1T ∫4I n 2T

sin (nw 1t +βn )I m sin (mw 1t +βm )dt =0⁡⁡ (m ≠n ) I=√I 12+I 22+I 32+⋯I n 2+⋯=√∑I n 2∞n=1 同理：

U=√U 12+U 22+U 32+⋯U n 2+⋯=√∑U n

2∞n=1

谐波电压含量 U H =√∑U n 2∞n=2

谐波电流含量 I H =√∑I n 2∞n=2

电压总谐波畸变率 THD U =

U H U 1

×100% 电流总谐波畸变率 THD I =I H

I 1×100%

第n 次谐波电压含有率 HRU n =U n

U 1

×100% 第n 次谐波电流含有率 HRI n =I n I 1×100%

含有谐波时电力系统的平均有功功率为

P=1T ∫u (t )i (t )dt =∑U n I n cosφn n =∑P n n T 0

含有谐波的视在功率 S=√∑U n 2N n=1√∑I n 2M n=1

含有谐波时的功率因数 cos φ=P S =P √P 2+Q 2

与谐波有关的参数定义

1、阻抗

阻抗是在特定频率下配电系统某一点产生的电阻。阻抗取决于变压器和连在系统上的用电设备，以及所采用导体的截面积和长度。

2、阻抗系数

阻抗系数是AF （载波）阻抗相对于50Hz （基波）阻抗的比率。

3、谐振

在配电系统里的设备，与它们存在的电容( 电缆，补偿电容器等) 和电感( 变压器，电抗线圈等) 形成共振电路。后者能够被系统谐波激励而成为谐振。配电系统谐波的一个原因是变压器铁芯非线性磁化的特性。在这种情况下主要的谐波是3 次的；它在全部导体内与单相分量具有相同的长度，因而在星形点上不能消除。

4、谐振频率

每个电感和电容的连接形成一个具有特定共振频率的谐振电路。一个网络有几个电感和

电容就有几个谐振频率。

5、并联谐振频率

网络阻抗达到最大值的频率。在并联谐振电路中，电流分量I L 和I C 大于总电流I 。

6、串联谐振频率

网络的阻抗水平达到最小的频率。在串联谐振电路内分路电压U L 和U C 大于总电压U 。

7、串联谐振谐电路

由电感（电抗器）和电容（电容器）串联的电路。

8、无功功率

电动机和变压器的磁能部分，以及用于能量交换目的的功率转换器等处需要无功功率Q 。与有功功率不同，无功功率并不做功。计量无功功率的单位是Var 或kvar 。

9、无功功率补偿

供电部门规定一个最小功率因数以避免电能浪费。如果一个工厂的功率因数小于这个最小值，它要为无功功率的部分付费。否则它就应该用电容器提高功率因数，这就必须在用电设备上并联安装电容器。

电力系统中产生谐波的装置即谐波源，是具有非线性特性的用电设备。随着大容量电力电子装置和各种非线性负载在系统中的广泛应用，其产生的谐波污染也越来越多的受到了人们的认识与关注。为了抑制系统的谐波，我们必须要了解各谐波源的特性。

1. 现有的系统谐波源就其非线性特性可大致分为三种：

（1）含有铁芯设备的各磁饱和装置，如变压器、电抗器等。这类谐波源在

电力电子装置大量应用前是主要谐波源。

（2）电弧焊、电弧炉这种强冲击的、非线性的负载。这类谐波源不仅可以

产生奇次谐波，还可以产生偶次谐波，频率范围也较大。

（3）各种电力电子换流装置。这类具有相当容量的非线性负荷是目前电力

系统中最主要的谐波源。

2. 谐波注入系统的方式不同谐波源分为：

（1）电流型谐波源。

系统谐波源具有电流源的特性，其谐波含量取决于本身的特性与系统参数无关，直流侧电感滤波的整流器属于电流型谐波源，如图1（a）。（2）电压型谐波源系统谐波源具有电压源的特性，如发电机、直流侧电容滤波的整流器属于电压型谐波源，如图1（b）。

理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的其他设备产生干扰。

在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，