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二、我国电能质量重要问题电力谐波


二,我国电能质量重要问题 ---电力谐波 ---电力谐波

第一节

概 述

1.理想电力系统电能形态的特点 2.现代电力系统的发展特色 3.电力系统谐波问题的提出 4.有关谐波问题的若干认识 5.谐波研究工作的进展和国际研究动态 6.在应用基础研究方面应开展的关键问题的建议

理想电力系统输送的电能形态特点
众所周知,理想电力系统应以单一频率(工频 众所周知,理想电力系统应以单一频率 工频 单一频率 工频50Hz, , 60Hz),单一波形(正余弦函数 ,cos),若干电压等级 ),单一波形 ),若干电压等级 ),单一波形(正余弦函数sin, ), 低压等)的电能形态运行. (高,中,低压等)的电能形态运行. 由于系统电路元件的线性特性所决定,其中以单一波形, 由于系统电路元件的线性特性所决定,其中以单一波形, 即期望的正弦函数形式为最优. 即期望的正弦函数形式为最优. 研究认为,当电压,电流为同样波形, 研究认为,当电压,电流为同样波形,同频同相位时 为能量传输的最高效率模式,这同样也是电力产品生产, 为能量传输的最高效率模式,这同样也是电力产品生产,输 转换所追求的最佳电能形态. 送,转换所追求的最佳电能形态.

现代电力系统 ——强调功率处理与控制的能力 ——强调功率处理与控制的能力
现代电力系统对电能输送与分配提出了新的要求: 现代电力系统对电能输送与分配提出了新的要求: 以适合于用电负荷需要的最佳电能形态提供电力, 一,以适合于用电负荷需要的最佳电能形态提供电力,满足用户对 不同频率,电压,电流,波形及相数的要求, 不同频率,电压,电流,波形及相数的要求,顺应生产与产品多 样性,个性化,高效益的发展趋势. 样性,个性化,高效益的发展趋势. 随着超大容量的电力电子装置的实用化, 二,随着超大容量的电力电子装置的实用化,现代电力系统正试图 将其快速,实时与可控性应用于电网的电能输送与分配, 将其快速,实时与可控性应用于电网的电能输送与分配,达到可 靠稳定,高效经济运行的目的. 靠稳定,高效经济运行的目的. (如可控串补TCSC,动态无功补偿SVC, STATCOM,有源电力滤 波APF,可控移相装置和统一潮流控制(UPFC)等独具电力领域特色 的关键应用).

近年来,电力电子技术领域的发展异常迅猛, 近年来,电力电子技术领域的发展异常迅猛,主要原因 有以下两点: 有以下两点: 1). 做为高新技术蓬勃发展的基础和先导,功率半导体 做为高新技术蓬勃发展的基础和先导, 制造技术的进步使得开关器件的功率处理能力和切换速 制造技术的进步使得开关器件的功率处理能力和切换速 度有了显著的提高,电力电子装置的市场在不断扩大. 度有了显著的提高,电力电子装置的市场在不断扩大. 2). 微电子技术和计算机技术的革命性进步使电力电子 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进展; 装置控制器的性能有了很大进展;

但是, 但是,作为供电电源与用电设备间的非线性接口电 在完成(实现)功率控制和处理的同时, 路,在完成(实现)功率控制和处理的同时,所有电力 电子装置都不可避免地产生非正弦波形, 电子装置都不可避免地产生非正弦波形,向电网注入谐 波电流,使公共连接点( 的电压波形严重畸变, 波电流,使公共连接点 PCC )的电压波形严重畸变,产 的电压波形严重畸变 生很强的电磁干扰( 生很强的电磁干扰 EMI ).并且随着功率变换装置容量 . 的不断增大, 的不断增大,使用数量的迅速上升和控制方式的多样性 电力电子装置潜在的负作用会日益突出. 等,电力电子装置潜在的负作用会日益突出.电力谐波 及其危害已成为现代电力系统的一大重要问题. 及其危害已成为现代电力系统的一大重要问题.

电力系统谐波问题的提出
代表性的研究工作
从电力工业发展历史来看,电力系统波形畸变问题早在1935年 从电力工业发展历史来看,电力系统波形畸变问题早在1935年 1935 (Rissik.H等 所关注,并有相应的论著发表. 就已被一些德国专家 (Rissik.H等)所关注,并有相应的论著发表. 1945年有了谐波的经典论文 付氏分析做为谐波计算的基础) 1945年有了谐波的经典论文 (付氏分析做为谐波计算的基础).但是 其影响与推动远未与实际需求相吻合. 其影响与推动远未与实际需求相吻合. 70年代初 美国的Kimbark教授从HVDC的研究出发,理论性, 年代初, Kimbark教授从HVDC的研究出发 70年代初,美国的Kimbark教授从HVDC的研究出发,理论性, 权威性地分析了电力系统谐波问题. 权威性地分析了电力系统谐波问题. IEEE也从电力系统谐波工作组报告为始 也从电力系统谐波工作组报告为始, IEEE也从电力系统谐波工作组报告为始,正式将其列为专门学 术问题,有组织地加以研究,并且于八十年代( 86)开始每2 术问题,有组织地加以研究,并且于八十年代('86)开始每2年召 开一次世界性会议并出版论文集. 开一次世界性会议并出版论文集.

成为一门新兴的跨学科研究方向

由于谐波问题逐渐被人们认识和了解,从其产生的原因, 由于谐波问题逐渐被人们认识和了解,从其产生的原因,分析 产生的原因 计算的方法,危害与影响的机理,测量与仿真标准的制定 的制定, 计算的方法,危害与影响的机理,测量与仿真标准的制定,综合治 的实施等方面的探索在不断深入, 理的实施等方面的探索在不断深入,人们发现电力系统谐波做为电 工学科的一个分支技术,还广泛渗透和交叉在其它相关学科领域中, 工学科的一个分支技术,还广泛渗透和交叉在其它相关学科领域中, 是一门新兴的跨学科的尚待加强的重点研究方向,它涉及到: 是一门新兴的跨学科的尚待加强的重点研究方向,它涉及到: 电力系统及其运行,负荷模型,信号分析与处理,通讯技术, 电力系统及其运行,负荷模型,信号分析与处理,通讯技术,电力 以及质量管理和控制等等许多方面. 电子学,电机学,电磁兼容性以及质量管理和控制等等许多方面 电子学,电机学,电磁兼容性以及质量管理和控制等等许多方面.

谐波问题研究方向
谐波研究是电工学科领域的重大课题. 谐波研究是电工学科领域的重大课题.它在电力电子 技术,电力系统运行分析中占有十分重要的地位, 技术,电力系统运行分析中占有十分重要的地位,又是 理论电工中一个基础性的课题. 理论电工中一个基础性的课题.成为电工学科最活跃的 研究领域之一. 研究领域之一. 谐波研究大体可分为4个方向 个方向: 谐波研究大体可分为 个方向: ◆非正弦条件下功率定义和功率理论研究 谐波源分析及电力系统谐波分析; ◆谐波源分析及电力系统谐波分析; ◆谐波抑制和补偿装置研制 ◆谐波测量与谐波标准制定

有关谐波问题的若干认识
从世界性的能源和环境角度来认识电力系统谐波研 究工作的重要性和必要性 近年来,全世界科技界普遍关注着被称为世界性的 两大问题,即

能源(降损节能,合理开发和应用) 能源(降损节能,合理开发和应用), 环境(环保意识,环境改善与治理). 环境(环保意识,环境改善与治理). 绿色(洁净环境,食品, 绿色(洁净环境,食品,电源 ……. )

将抑制电力谐波与节约能源联系起来 将抑制电力谐波与节约能源联系起来

电力工业是一个生产最佳能源产品(电力的生产, 电力工业是一个生产最佳能源产品(电力的生产, 输送,分配,转换同时进行〕的大系统. 输送,分配,转换同时进行〕的大系统. 在电力工业中,能源的节约, 在电力工业中,能源的节约,合理开发和有效使用 表现的极为突出和具体.如何科学地, 表现的极为突出和具体.如何科学地,符合用电负荷需 求来进行有效能量转换, 求来进行有效能量转换,确已成为当今电力系统日益关 注的话题. 注的话题.

谐波污染与电网公害
可以说谐波问题是随电力电子技术的出现相伴而 产生的,从合理使用能源出发, 产生的,从合理使用能源出发,大量使用大功率电力 电子装置(从电能产生到传递,消耗的全过程中都有 电子装置(从电能产生到传递, 采用)是必然趋势,是主流方向, 采用)是必然趋势,是主流方向,但是由此产生的负 作用或者说与经典纯正弦波形相违背的结果, 作用或者说与经典纯正弦波形相违背的结果,带来了 电网公害-谐波污染, 电网公害-谐波污染,这是与世界性的自然环境问题 相类同的电气环境污染问题, 相类同的电气环境污染问题,而且其影响面更大距离 更远.为此,已有人提出了"电气环境工程学"之说. 更远.为此,已有人提出了"电气环境工程学"之说.

谐波污染及其危害
从理论上讲,电力系统正弦波形畸变现象既 要涉及功率定义及其处理问题,又需对信号的形 状变化进行分析.因此在工程技术中,电力谐波 污染主要表现为: 1)对电网安全稳定和经济运行的影响与危害; 2)对与其有牵连的电气信号的干扰与破坏.可 概括为,

在电力危害方面
1) 旋转电机等的 换流变压器过载 附加谐波损耗与发热, 旋转电机等的(换流变压器过载 附加谐波损耗与发热, 换流变压器过载)附加谐波损耗与发热 缩短使用寿命(由此, 缩短使用寿命(由此,也有人认为谐波标准应当以能量 大小来估计更重要). 大小来估计更重要 . 2) 谐波谐振过电压,造成电气元件及设备的故障与损坏. 谐波谐振过电压,造成电气元件及设备的故障与损坏. 3) 电能测量的定义和方法不适应. 电能测量的定义和方法不适应.

在信号干扰方面

1) 对通信系统产生电磁干扰,使电话通讯质量下降 对通信系统产生电磁干扰,使电话通讯质量下降. 2) 重要和敏感的自动控制,保护装置不正确动作 重要和敏感的自动控制,保护装置不正确动作. 3) 危害到功率处理器自身的正常运行 危害到功率处理器自身的正常运行.

污染与综合治理
对自然界可能出现的各种危害与隐患, 对自然界可能出现的各种危害与隐患,科学的处理 方法通常是以预防为主,即所谓防患于未然. 方法通常是以预防为主,即所谓防患于未然.而事实 正象世界上对自然环境污染的治理情形一样, 上,正象世界上对自然环境污染的治理情形一样,对电 力系统的谐波危害也出现了"先污染,后治理"的现状. 力系统的谐波危害也出现了"先污染,后治理"的现状. 电力行业谐波管理规定中强调, 电力行业谐波管理规定中强调 谐波污染的综合治理 谁治理" 应采取"谁污染,谁治理 应采取"谁污染 谁治理"的原则

综合治理工作应包含以下几个方面
1) 抑制谐波电流的发生与注入; 抑制谐波电流的发生与注入; 2)改善装置的功率因数与无功功率的补偿; 改善装置的功率因数与无功功率的补偿; 改善装置的功率因数与无功功率的补偿 3) 滤波器最佳安装位置的合理选择; 滤波器最佳安装位置的合理选择; 4) 电磁干扰的消除与电磁兼容性; 电磁干扰的消除与电磁兼容性; 5) 多种功能一体化处理; 多种功能一体化处理; 6) 普遍采用具有法规约束的措施,改变先污染 普遍采用具有法规约束的措施, 后治理的被动局面. 后治理的被动局面.

谐波防治主要应从以下两方面采 取技术措施:
1) 从电网的整体角度出发,在系统的谐波主要危害点 从电网的整体角度出发, 采取就近补偿措施,阻止谐波电流注入系统, 就近补偿措施 采取就近补偿措施,阻止谐波电流注入系统,使危害 限制在最小范围; 限制在最小范围; 2) 针对具体谐波源特性,在设计电力电子装置时就应 针对具体谐波源特性, 考虑在电路上和控制策略上采取有效的校正手段, 考虑在电路上和控制策略上采取有效的校正手段,最 终做到就地消除谐波源. 就地消除谐波源 终做到就地消除谐波源.

谐波研究工作的进展和国际研究动态
1985年 国际上第一本由新西兰著名教授J.ARRILAGA等合写 1985年,国际上第一本由新西兰著名教授J.ARRILAGA等合写 J.ARRILAGA 电力系统谐波"专著出版,较详细, 的"电力系统谐波"专著出版,较详细,系统地阐述了这方面的 知识. 知识. 1988年 我国电力专家和教授吴竞昌, 1988年,我国电力专家和教授吴竞昌,孙树勤等人合作编著 电力系统谐波" 至今仍为普遍需求的读本.据知, 了"电力系统谐波",至今仍为普遍需求的读本.据知,他们计 划重新改编和出版"供电系统谐波"著作.在此期间, 划重新改编和出版"供电系统谐波"著作.在此期间,还先后有 东电,天大,重大等单位也编写了不同程度的类似书籍. 东电,天大,重大等单位也编写了不同程度的类似书籍. 1993年我国国家技术监督局正式颁布了"电能质量- 1993年我国国家技术监督局正式颁布了"电能质量-公用电 年我国国家技术监督局正式颁布了 网谐波"国家标准,使谐波管理工作逐渐规范化,科学化, 网谐波"国家标准,使谐波管理工作逐渐规范化,科学化,进而 法规化. 法规化.

我国谐波研究工作的开展大体经历了 三个阶段: 三个阶段:
谐波认识与知识普及阶段; 谐波认识与知识普及阶段; 研制分析测量手段和实际普查阶段; 研制分析测量手段和实际普查阶段; 谐波的综合治理阶段. 谐波的综合治理阶段.

在应用基础研究方面应开展的关 键问题的建议
1) 有源电力滤波器(APF)检测算法和控制算法及新理论的研究 2) 电力系统谐波补偿新型电力线调节器的研究 3) 有源与无源滤波组合方式补偿 4) 畸变波形的评估方法,谐波标准规范化和实用化的研究 5) 各种电力电子装置和非线性负载谐波特性的研究 6) 电能质量测量方法与仪器 7) 谐波潮流的计算和滤波器容量及最佳安装位置的设定 8) 功率因数和波形校正器 9) PWM技术在改善波形质量上的作用 10) 功率半导体材料技术的研究开发

谐波问题的基本分析
一,波形畸变及其定义 二,非正弦量有效值和谐波总畸变率 三,非正弦电路的功率和功率因数 四,三相电路中的谐波

一,波形畸变及其定义
谐波畸变(Harmonic Distortion)是由电力系统中的非线 谐波畸变 是由电力系统中的非线 性设备引起的, 性设备引起的,流过非线性设备的电流和加在其上的电压不 成比例关系. 成比例关系.

k

线性元件的电压电流特性关系
线性二端元件: 线性二端元件:
电阻R: 电阻 :任何时刻其两端的电压和电流 的关系服从欧姆定律. 的关系服从欧姆定律.即 u = Ri 电感L: 电感 :任何时刻其自感磁通链与其中 的电流成线性关系. 的电流成线性关系.即, Ψ = Li 任何时刻,其上的电压与该时刻电流的变化率成正比. 任何时刻,其上的电压与该时刻电流的变化率成正比. u = L di dt 电容C: 电容 :任何时刻正极板上的电荷与其两端的 q 电压关系(库伏特性)服从线性关系. 电压关系(库伏特性)服从线性关系.即, = Cu .任何 时刻,其电流与该时刻电压的变化率成正比, 时刻,其电流与该时刻电压的变化率成正比,i = C

du . dt

正弦函数条件下线性元件的电压电流关系
从以上分析已知,在电路中线性元件上的电压电流关系( 从以上分析已知,在电路中线性元件上的电压电流关系(或伏 的关系, 安特性成正比.从数学关系式上, 比例,微分和积分的关系 安特性成正比.从数学关系式上,是比例,微分和积分的关系,

u = Ri

u=L

di dt

u=

1 ∫ idt C

值得注意的是,正弦函数在进行和差,乘积,微分和积分等运算 值得注意的是,正弦函数在进行和差,乘积, 仍然保持正弦函数变化规律的特点. 时,仍然保持正弦函数变化规律的特点. 线性电阻R: 线性电感L: 线性电容C: 线性电阻 : 线性电感 : 线性电容 :

u = U sin ωt
m

i = I sin ωt
m

i = I sin ωt
m 0

u = RI sin ωt
m

u = ωLI sin(ωt + 90 )
m

u=

1 sin(ωt 90 ) ωC
0

可见,线性元件的电压电流仍保持正弦函数波形,但可能发生相位 可见,线性元件的电压电流仍保持正弦函数波形,但可能发生相位 变化(引申可见,纯阻性负荷电压电流波形相同,且同相位, 变化(引申可见,纯阻性负荷电压电流波形相同,且同相位,其功 率传输为最高效率). 率传输为最高效率).

波形畸变与谐波问题
供电系统大多数电气元件可等值为上述3种基本元件. 供电系统大多数电气元件可等值为上述 种基本元件.所以要求 种基本元件 尽可能由正弦波形的电源供电. 尽可能由正弦波形的电源供电.任何供电网电压波形偏离正弦函数 波形的现象都可能对电网带来危害和影响. 波形的现象都可能对电网带来危害和影响.有人将正弦波形的畸变 问题称为波形质量 波形质量. 问题称为波形质量. 波形畸变的含义较广,但作为谐波畸变问题提出时, 波形畸变的含义较广,但作为谐波畸变问题提出时,波形畸变 往往被限制在某一范围内.例如,电压陷波也改变了正弦波形 也改变了正弦波形, 往往被限制在某一范围内.例如,电压陷波也改变了正弦波形,但 其频率很高频谱相当宽,很难在频域得到实用化描述, 其频率很高频谱相当宽,很难在频域得到实用化描述,因而将其定 义为电压缺口问题在时域作特殊处理.因此, 电压缺口问题在时域作特殊处理 义为电压缺口问题在时域作特殊处理.因此,在谈到电力系统波形 畸变问题时一般是指电力谐波问题. 畸变问题时一般是指电力谐波问题.

谐波的基本概念与定义
国际上公认的谐波定义为: 国际上公认的谐波定义为 : " 谐波是一个周期 性 电气量的正弦波分量, 电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数 倍". 1,谐波次数必须为正整数 ,
如我国电力系统的标称频率F(也称为工业频率, 如我国电力系统的标称频率 (也称为工业频率,简称工 频)为50Hz,则基波为 ,则基波为50Hz,二次谐波为 ,二次谐波为100Hz,三次 , 谐波为150Hz等. 谐波为 等

谐波的基本概念与定义
2,间谐波和次谐波 ,
在一定的供电系统条件下, 在一定的供电系统条件下,有些用电负荷会出现 非整数倍的周期性电流的波动, 非整数倍的周期性电流的波动 , 根据该电流周期分解 出的傅里叶级数,可能得出不是基波整数倍频率的分 出的傅里叶级数 , 可能得出不是基波整数倍频率的 分 数 谐 波 (fractional-harmonics) 或 称 间 谐 波 (interharmonics). 次谐波 ( sub-harmonics)是指频率低 . 次谐波( 是指频率低 于工频基波频率的分量. 于工频基波频率的分量.

谐波的基本概念与定义
3,谐波和暂态现象 ,
在许多电能质量问题中常把暂态现象误认为是谐 在许多电能质量问题中常把暂态现象误认为是谐 暂态现象 波畸变. 波畸变 . 暂态过程的实测波形是一个带有明显高频分 量的畸变波形,虽然暂态过程中含有高频分量, 量的畸变波形 , 虽然暂态过程中含有高频分量 , 但是 暂态和谐波却是两个完全不同的现象, 暂态和谐波却是两个完全不同的现象 , 它们的分析方 法也是不同的.电力系统仅在受到突然扰动之后, 法也是不同的 . 电力系统仅在受到突然扰动之后 , 其 暂态波形呈现出高频特性,但这些频率并不是谐波, 暂态波形呈现出高频特性 , 但这些频率并不是谐波 , 与系统的基波频率无关. 与系统的基波频率无关.

谐波的基本概念与定义
4,短时间谐波 ,
对于短时间的冲击电流,例如, 对于短时间的冲击电流,例如, 变压器空载合闸 的励磁涌流,按周期函数分解, 的励磁涌流 , 按周期函数分解 , 将包含短时间的谐波 和间谐波电流, 和间谐波电流 , 称为短时间的谐波电流或快速变化谐 波电流,应与电力系统稳态和准稳态谐波区别开来. 波电流,应与电力系统稳态和准稳态谐波区别开来.

谐波的基本概念与定义
5,陷波 ,
换流装置在换相时, 换流装置在换相时,会导致电压波形出现陷波或 称换相缺口.这种畸变是电压瞬时值的突然变化, 称换相缺口 . 这种畸变是电压瞬时值的突然变化 , 虽 然也是周期性的,但不属于谐波范畴. 然也是周期性的, 不属于谐波范畴.

二,非正弦量有效值和总谐波畸变率
在频域分析中, 在频域分析中,将畸变的周期性电压和电流分解成 傅里叶级数, 傅里叶级数, u (t ) = ∑ 2U sin( hω t + α ) (5-1)
M h =1 h 1 h

i (t ) = ∑ 2I sin( hω t + β )
M h =1 h 1 h
1

式中 ω -工频(即基波)的角频率; h -谐波次数; U , I -分别为第 h 次谐波电压和电流的有效值; α , β -分别为第 h 次谐波电压和电流的初相角; M -所考虑的谐波最高次数,通常取 M ≤ 50.
h
h h h

(5-2)

非正弦周期量的有效值
i 以电流为例, 以电流为例,(t ) 的有效值根据定义可表示为

1 I= ∫ i (t )dt = I + ∑ I T
2 2 M T 1 h= 2

2 h

(5-3)

即非正弦周期量的有效值等于其各次谐波分量有效值的 平方和的平方根值,与各分量的初相角无关.虽然各次 谐波分量有效值与其峰值之间存在着比例关系,但是i (t ) 的峰值与它的有效值 I 之间却不存在这样简单的比例关 系.

谐波电流含有率HRI计算
某次谐波分量的大小, 某次谐波分量的大小,常以该次谐波的有效值与基 波有效值的百分比表示,称为该次谐波的含有率 波有效值的百分比表示,称为该次谐波的含有率 HR , h 次谐波电流的含有率 HRI 为, 次谐波电流的含有率
h

h

HRI =
h

I × 100% I
h 1

(5-4)

电压电流总谐波畸变率THD计算
畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度, 畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度 , 以 总谐 表示. 波畸变率 THD 表示.它等于各次谐波有效值的平方和的 THD 平方根值与基波有效值的百分比. 平方根值与基波有效值的百分比.电流总谐波畸变率 为,
I

THD =
I

∑I
h= 2

M

2 h

I

× 100%

(5-5)

1

电压的有效值, 电压的有效值,含有率和总谐波畸变率的计算 同式(5-3)~(5-5). 同式 ~ .

特征谐波仿真图形例

THD = 43.09%

谐波总需量畸变率TDD
谐波电压几乎总是相对于基波电压而言的.因为电压 谐波电压几乎总是相对于基波电压而言的. 往往只有百分之几的变化,所以电压THD通常是一个 往往只有百分之几的变化,所以电压 通常是一个 有意义的数据. 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 但对电流来说情况有所不同, 能导致较大的THD值变化,但此时电力系统受到的威 值变化, 能导致较大的 值变化 胁并不一定大. 胁并不一定大. 有专家建议,可将THD中所采用的基波电流改为基波 有专家建议,可将 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TDD) 额定电流的峰值,称为总需量畸变率(简称 ) 总需量畸变率
TDD =
I

∑I
h= 2

M

2 h

I

× 100%

N

三,非正弦电路的功率和功率因数
1.正弦电路的无功功率和功率因数 .
已知: 已知:

u = 2U sin ωt , i = 2I sin(ωt )

将电流表达式进一步展开

i = 2I cos sin ωt 2I sin cos ωt = i + i
p
p q

(5-6)

q

i 可以看出, 同相位,为有功分量; 滞后90度 可以看出, 与 u 同相位,为有功分量;i 比 u 滞后 度,为无功分 量. 有功功率表达式 1 1 P= uid (ωt ) = ∫ ∫ (ui + ui ) d (ωt ) (5-7)
2π 2π

2π = UI cos
0



0

p

q

有关无功功率和功率因数的补充
则 ①有功功率P :
1 2π 1 2π P= ∫ uid (ωt ) = ∫ (ui p + uiq )d (ωt ) 2π 0 2π 0 = UI cos

其物理意义为能量互换没有能量消耗. ② 无功功率Q : 其物理意义为能量互换没有能量消耗 . 定义为 Q = UI sin 并用其衡量. ,并用其衡量. ③视在功率S:它表征电气设备的功率设计极限值,或表 :它表征电气设备的功率设计极限值, 示设备的最大可利用容量. 示设备的最大可利用容量 . 其中与导线截面积和铜损发 热相关的额定电流, 热相关的额定电流 , 以及与电气绝缘相关的额定电压决 定了功率设计极限值.并且有: 定了功率设计极限值.并且有:
S 2 = U 2 I 2 cos 2 + U 2 I 2 sin 2 = P 2 + Q 2

有关无功功率和功率因数的补充
从上述意义讲, S,Q 0则利用效率高, 则利用效率高, 从上述意义讲,P , 则利用效率高 节能节材效果好. 但是在实际工程中, 虽然 节能节材效果好 . 但是在实际工程中 , Q虽然 是无效的功率, 但不是无用的功率, 是无效的功率 , 但不是无用的功率 , 是建立电 磁场等不可缺少的, 磁场等不可缺少的 , 是电气运行中储能元件所 必然引起的物理现象. 必然引起的物理现象 . 至于这部分无功功率由 谁提供和如何提供, 则属无功功率补偿和改善 谁提供和如何提供 , 功率因数的技术问题. 功率因数的技术问题. 为了最大可能利用设备设计容量, ◆ 为了最大可能利用设备设计容量 , 并为了反 映电气设备的实际可用容量,提出P与 的比 的比, 映电气设备的实际可用容量,提出 与S的比, 作为电气设备利用率的标志. 即功率因数 λ = P ,作为电气设备利用率的标志. S

非正弦条件下无功功率的定义
2. 非正弦电路的无功功率和功率因数
的定义不变,物理意义也不变.因此有, ◆S,P,λ = P 的定义不变,物理意义也不变.因此有, , ,
S

S = UI = ∑U × ∑ I
2 h =1 h h =1





2 h

但是, 的定义及算式却没有统一的权威性解释.于是, 但是,Q 的定义及算式却没有统一的权威性解释.于是, 仿照正弦电路的定义: ① 仍仿照正弦电路的定义:
Q = S 2 P2

由于这一定义符合Q只反映能量交换大小 并且没有电能消耗, 只反映能量交换大小, ◆ 由于这一定义符合 只反映能量交换大小, 并且没有电能消耗, 所以仍被广泛接受.但存在的问题是, 所以仍被广泛接受.但存在的问题是,没有区分基波电压电流产生 的无功功率 Q ,同频率谐波电压电流产生的无功功率 Q ,以及不同 频率谐波产生的无功功率 D .
1

h

非正弦条件下无功功率的定义
◆例如,
U = U 2 +U 2,I = 1 3 I 2 + I 2 + I 2, 1 3 5

S = UI =

U 2I 2 + U 2I 2 + U 2I 2 + U 2I 2 + U 2I 2 + U 2I 2 1 1 1 3 1 5 3 1 3 5 3 3

基频部分

不同频率谐波部分

同频谐波部分

然而这样的划分无论从非线性电路的理论分析和揭示性认 识考虑,还是从工程运行的实际(如检测管理,电量计量 等)讲都是需要的.于是,

非正弦条件下无功功率的定义
仿照有功功率的计算公式, ② 仿照有功功率的计算公式, 给出同频率谐波无功功率的表 达式及其总和: 达式及其总和:
∑ Qh = ∑U h I h sin h
h=2 ∞

◆ 但由此出现不合理现象 :上式求和的结果可能为正 ,或为 但由此出现不合理现象:上式求和的结果可能为正, 甚至为0.这种互相抵消的现象是不合理的, 负,甚至为 .这种互相抵消的现象是不合理的,因为不同频 率的无功功率是不可能互相抵消或补偿的. 率的无功功率是不可能互相抵消或补偿的. 需注意,在有功功率计算式中也有互相抵消的情况, ( 需注意,在有功功率计算式中也有互相抵消的情况 ,但有 解释说,电源输出的总有功功率有可能小于基波有功功率, 解释说 ,电源输出的总有功功率有可能小于基波有功功率, 这是因为谐波源将电源提供给它的基波有功功率的一部分转 换为谐波有功功率后向外发送, 换为谐波有功功率后向外发送 ,而这部分高频有功功率对其 他共享同一电源的设备带来危害和不必要的功率损耗( 他共享同一电源的设备带来危害和不必要的功率损耗 (如增 加额外的电量经费)(见《谐波抑制和无功功率补偿》 P44.) .

非正弦条件下无功功率的定义
③尽管如此,以上关于无功功率定义的自然延伸仍被广泛采用.但出 尽管如此,以上关于无功功率定义的自然延伸仍被广泛采用.
于以下两点考虑:为解决继续沿用传统定义中S与 , 的关系而出现 于以下两点考虑:为解决继续沿用传统定义中 与P,Q的关系而出现 的问题;为反映不同频率电压电流产生的无功功率部分, 的问题;为反映不同频率电压电流产生的无功功率部分,引出了畸变 无功功率D的说法 并定义为: 的说法, 无功功率 的说法,并定义为:
Q (总无功功率) Q1 = (基波无功功率) Qh + (同频率谐波无功功率 ) D(不同频率谐波无功功 率) +

则有:
S 2 = P 2 + Q 2 = P 2 + [(Q12 + Qh2 ) + D 2 ]

非正弦条件下无功功率的定义
④非正弦条件下对功率因数的修正 假定电源电压波形以正弦函数变化( 假定电源电压波形以正弦函数变化(这同实际情况比 较接近,则假设是合理的) 可推导出: 较接近,则假设是合理的),可推导出:
P = UI cos ,
1 1

Q = UI sin ,
1 1 1

S = UI = U I + U ∑ I ,
2 2 2 ∞ 1 h =2 h

D = S P Q = U ∑I
2 2 2 2 ∞ 1 h=2

2 h

非正弦条件下无功功率的定义
根据传统定义, 根据传统定义,有

P UI cos I 1 λ= = = cos = cos S UI I 1 + THD
1 1 1 1 2 i

1

产生结论:功率因数大小由两方面因素决定: ◆产生结论:功率因数大小由两方面因素决定: ①相移功率因数 cos 即基频电压与电流之间的相位差; ,即基频电压与电流之间的相位差; 电流的基波分量所占比例, ②电流的基波分量所占比例,即电流畸变程度 I .
1

1

I
包含: ◆总电流 i 包含:基波有功电流 i ;基波无功电流 i ;谐波无 功电流 .
1p
1q

非正弦条件下无功功率的定义
◆三相电路的功率因数 三相对称:总功率因数等于各相功率因数, ◆三相对称:总功率因数等于各相功率因数,即 λ = λ = λ = λ .
a b c

◆三相不对称: 三相不对称:

λ=∑

P ∑S

非正弦: 提出了功率传输品质因数概念, ◆非正弦: 1986年SHARON提出了功率传输品质因数概念, 年 提出了功率传输品质因数概念 将基频相移角,谐波电压和谐波电流综合考虑后给出: 将基频相移角,谐波电压和谐波电流综合考虑后给出:
∑ I p2 ∑Vh2 QF = k1 cos 1 + k 2 1 + k3 1 V1 I1
1 2 3 1

其中,加权因子 其中, 之和等于1.建议取 之和等于 . k ,k ,k k = 0.5, k = 0.25, k = 0.25. 三相计算通常取其平均值. ◆三相计算通常取其平均值.
2 3

非正弦条件下无功功率的定义
二,有关无功功率的物理解释
仍可参见课程1第四章《波形畸变与电力谐波》中的解释) (仍可参见课程1第四章《波形畸变与电力谐波》中的解释)

用能量交换来反映和描述无效电力( 不消耗能量) ① 用能量交换来反映和描述无效电力 ( 不消耗能量 ) 的物理现象, 的物理现象 , 上述定义的物理意义仍然是清晰和不变 的. 以交换能量的最大值( 幅值) 表示无功功率的大小, ② 以交换能量的最大值 ( 幅值 ) 表示无功功率的大小 , 它是一个数字表征量. 它是一个数字表征量 . 实际上无功功率不同于有功功 率的变化,在稳态三相平衡系统中, 是一个恒定量, 率的变化 , 在稳态三相平衡系统中 , P 是一个恒定量 , 是一个大小, 而Q是一个大小,方向随时间变化的量. 是一个大小 方向随时间变化的量.

非正弦条件下无功功率的定义
①在线性负荷电路中,无功的流动表现为电源(或已经储能的 在线性负荷电路中,无功的流动表现为电源( 元件)与储能元件之间能量的交换(储存和释放)的过程. 元件)与储能元件之间能量的交换(储存和释放)的过程.而 在非线性电路中, 在非线性电路中,表现为电源与非线性元件之间能量的来回流 动. ②三相三线电路中,无论其对称或不对称,无论其含有谐波或 不含谐波,各相无功分量的瞬时值之和在任一时刻都为0.这 . 是一个普遍结论.因此,在线性或非线性三相电路中, 是一个普遍结论.因此,在线性或非线性三相电路中,可以认 为无功能量是在三相之间流动的(如同三相电流的流动) 为无功能量是在三相之间流动的(如同三相电流的流动).这 为解释和理解非线性电路的许多问题打下基础. 为解释和理解非线性电路的许多问题打下基础.

非正弦条件下无功功率的定义
①其他说法:广义功率因数是对电压和电流波形差异 (形状,相位)的量测,而无功功率就是这个差异的结 果.无功功率是对电压作用与电流流动的不一致性的量 度,不管何种原因,当出现电压与电流的形状或/与相位 的不一致,都会产生无功功率. ② 顺便指出,1985年日本赤木泰文提出了瞬时无功功率 理论,解决了谐波和无功功率的瞬时检测和不用储能元 件实现谐波和无功补偿问题.有关无功功率的理论研究 仍在不断深入.

非正弦条件下无功功率的定义
1.关于同频次谐波无功功率的定义 ∑ .
Qh = ∑U h I h sin h
h =2 ∞

从工程需要出发给出了同一频率电压和电流由于出现相位 差而产生的谐波无功功率的总和,其结果已经没有原来( 差而产生的谐波无功功率的总和 ,其结果已经没有原来 (正弦 条件下)能量互换最大值的物理意义, 条件下) 能量互换最大值的物理意义 , 它只是无功功率的幅值 代数和.但由此引出的一个突出问题是, 算式, 代数和.但由此引出的一个突出问题是,按照这一 算式,在考 虑了功率的方向和符号规定后, 虑了功率的方向和符号规定后, 导致不同次谐波无功功率可能 相互抵消,甚至总和结果等于0.而实际上, 相互抵消,甚至总和结果等于 .而实际上,不同频次的谐波无 功是不可能互相抵消和补偿的.这可从不同频率的正弦量( 功是不可能互相抵消和补偿的. 这可从不同频率的正弦量( 瞬 时无功功率仍按正弦规律变化,只是频率有所改变) 时无功功率仍按正弦规律变化, 只是频率有所改变 )不能进行 矢量和作出解释. 矢量和作出解释.

非正弦条件下无功功率的定义
2. 关于谐波有功功率
Ph = U h I h cos h

是由谐波源转换后反送的相互关系图解
PhR
谐波源

PhGM PhG

PhGM + PhGM

P1R + P1R
发电机

P1R
PhM
线性负荷

PhM + PhM P1G

P1M + P1M

P1M

(可参见吴竞昌等编著的《供电系统谐波》P147)

非正弦条件下无功功率的定义
发电机发出的有功功率; 发电机发出的有功功率 P1G —发电机发出的有功功率; 谐波源负载吸收功率; 谐波源负载吸收功率 P1 R —谐波源负载吸收功率;

P M —线性负载吸收功率 PhR —谐波源送出的有功功率,它是由 P1R 转化成的; 线性负载吸收功率; 谐波源送出的有功功率, 转化成的; 线性负载吸收功率 谐波源送出的有功功率 1
PhG —发电机吸收的谐波有功功率; PhM —线性负载吸收的谐波有功功率. 发电机吸收的谐波有功功率; 线性负载吸收的谐波有功功率. 发电机吸收的谐波有功功率 线性负载吸收的谐波有功功率
线路的基波损耗; 线路的基波损耗 P1R 和 P1M —线路的基波损耗;

PhM 和 PhGM —线路的谐波损耗; 线路的谐波损耗; 线路的谐波损耗
P1G = P R + P R + P M + P M (基波电力的平衡) 基波电力的平衡) 1 1 1 1 PhR = PhGM + PhGM
= PhM + PhM + P hG

+ P

hGM

谐波电力的平衡) (谐波电力的平衡)

非正弦条件下无功功率的定义
应该指出, 应该指出,P 和 P 本应是由发电机提供并被用户利 用的有用功率部分, 用的有用功率部分,但是谐波源却从 P 中转换成一部 并把它反送回发电机和其他用户. 分 P ,并把它反送回发电机和其他用户.虽然这部分 仍是定义上的有功功率, 仍是定义上的有功功率 , 但它是无用的甚至是有害的 电能(损耗) 可能引起设备附加发热,振动, 电能 ( 损耗 ) , 可能引起设备附加发热 , 振动 , 噪声 等不利影响. 等不利影响 . 发电机所消耗的一次能源只和它所发出 的基波电能成正比,不会由于受到从谐波源反送回的 , 谐波有功功率而减少耗能. 谐波有功功率而减少耗能 . 而作为负载的电动机等所 做的功只和它从电网取用的基波电能成正比,也不会 , 由于受到从谐波源送来的谐波电能而多做功.因此, 由于受到从谐波源送来的谐波电能而多做功 . 因此 , 不能把它和基波有功功率及其电能同等看待, 不能把它和基波有功功率及其电能同等看待 , 二者是 不能等量齐观的. 不能等量齐观的. 返回第4 波形畸变与电力谐波》 56. (返回第4章《波形畸变与电力谐波》P56.)
1R 1M 1R
hR

四,三相电路中的谐波
在对称三相电路中,各相电压(电流)变化规律 相同,但在时间上依次相差1/3周期( T / 3 ).设A相电 压可表示为 u = u (t ) (5-13)
a

则B,C相电压分别为
u = u (t T / 3)
b

u = u (t + T / 3)
c

(5-14) (5-15)

对称三相电路的谐波表达式
三相对称非正弦电压也符合这种关系.设A相电压所 含第次谐波为 u = 2U sin( hω t + ) (5-16) 考虑到 ω T = 360 ,则B,C相第h次谐波电压分别为 B C h
ah h 1 h

1

u = 2U sin( hω t + h × 120 )
bh h 1 h

u = 2U sin( hω t + + h × 120 )
ch h 1 h

(5-17) (5-18)

正,负,零序性谐波概念
当 h = 3k + 1 ( k =0,1,2,…,)时,三相电压谐波 的相序都与基波的相序相同.即第1,4,7,10等次谐 波都为正序性谐波. 当 h = 3k + 2 时,三相电压谐波的相序都与基波的相 序相反.即第2,5,8,11等次谐波都为负序性谐波. 当 h = 3k + 3 时,三相电压谐波都有相同的相位.即 第3,6,9,12等次谐波都为零序性谐波.

常见规则波形及其分解式 2例
1. 矩形波
1 1 [sin ωt + sin 3ωt + sin 5ωt 5 3 π 1 + + sin hωt + h h = 1,3,5,2k 1 f (t ) = 4A

2. 三角波
1 1 [sin ωt sin 3ωt + sin 5ωt 9 25 π h 1 1 + (1) 2 2 sin hωt + h h = 1,3,5,2k 1, f (t ) =
2

8A

常见规则波形分析---特征谐波 常见规则波形分析---特征谐波
6脉动换流器 脉动换流器 含有6k± 次谐波 次谐波; 含有 ±1次谐波; ◆12脉动双桥换流器 脉动双桥换流器 含有12k±1次谐波. 次谐波. 含有 ± 次谐波


含有偶次谐波时的波形 不符合镜象对称. 不符合镜象对称.

谐波的相序特性
与电压情况相同, 与电压情况相同 , 电流的各次谐波同样具有不同 的相序特性. 的相序特性. 不对称三相系统各次谐波的相序特性和对称时不 各次谐波都可能不对称, 同 , 各次谐波都可能不对称 , 可用对称分量法将它们 分解为零序,正序和负序三个对称分量系统进行研究. 分解为零序 , 正序和负序三个对称分量系统进行研究 .

畸变波形的数学分析方法
一,畸变波形的频域分析方法 二,畸变波形的时域分析方法 三,时域表达式与有功无功分量

畸变波形的频域分析方法
3.1 傅立叶级数,FFT,加窗 傅立叶级数, ,加窗FFT
畸变波形的频域分析, 畸变波形的频域分析,通常是指将周期性的畸变波 形利用傅里叶级数和傅里叶变换, 分解为基波和各次谐, 形利用傅里叶级数和傅里叶变换 , 分解为基波和各次谐 , 波的方法. 波的方法. 快速傅立叶变换FFT及加窗 及加窗FFT是目前常用的谐波分 快速傅立叶变换 及加窗 是目前常用的谐波分 析方法. 析方法. 关于畸变波形的分析方法还可另见课程 课程1《 关于畸变波形的分析方法还可另见课程 《瞬时无功功 率理论》 . 率理论》的后半部分 P35.

畸变波形的时域分析方法
3.2 畸变波形的时域分析
将畸变波形分解成各次谐波的频域方法,对很多谐 波研究是非常方便的.但对于畸变波形的实时补偿,采 用频域方法实现起来较为困难.因此,将负荷电流用时 域分析方法直接分解出与电压波形一致的分量,将其余 的分量进行实时补偿的研究方案已引起人们的广泛关注. 目前,许多学者正在研究利用时---频域小波变换对 畸变波形的分析.

畸变波形的时域表达式
时域分析避开分解为傅里叶级数的步骤,而且也不 限于电压为正弦波形,将电流按电压波形分解为两个 正交分量,其中有功分量 i (t ) 与电压的波形一致(波形 相位频率相同),即
p

(5-26) 为一具有电导量纲的比例常数,它的取值应满足下式
p

i (t ) = Gu (t )

1 ∫ u (t )i (t )dt = P T
T 0 p

可得

1 P = G ∫ u (t )dt = GU T
T 2 0

(5-27) (5-28)
2

时间域的有功与无功分量
所以 即
P G= U i (t ) =
p

2

(5-29)
2

P u (t ) U

(5-30)

电流的无功分量 i (t ) 满足
q

i (t ) = i (t ) + i (t )
p q

(5-31)

典型谐波源
一,谐波源的分类 二,磁饱和装置 三,整流装置 四,电力机车 五,生活用电负荷

谐波源的分类
电力系统的谐波源,按其非线性特性分类主要有三大类: 电力系统的谐波源,按其非线性特性分类主要有三大类:
(1)铁磁饱和型:各种铁芯设备,如变压器,电抗器等,其铁磁饱和特 (1)铁磁饱和型:各种铁芯设备,如变压器,电抗器等, 铁磁饱和型 性呈现非线性. 性呈现非线性. 电子开关型:主要为各种交直流换流装置, (2)电子开关型:主要为各种交直流换流装置,双向晶闸管可控开关设 备以及PWM变频器等电力电子设备. PWM变频器等电力电子设备 备以及PWM变频器等电力电子设备. 电弧型:交流电弧炉和交流电焊机等. (3)电弧型:交流电弧炉和交流电焊机等.

谐波源的分类
也有人将其分为两大类: 也有人将其分为两大类:
1)含半导体元器件(非线性元件)的谐波源; )含半导体元器件(非线性元件)的谐波源; 2)含电弧和铁磁非线性设备的谐波源. )含电弧和铁磁非线性设备的谐波源. 家用电器设备分属于上述两类谐波源. 家用电器设备分属于上述两类谐波源. 从上述分类也可看到谐波来源随工业发展其主导地 位在发生着变化: 位在发生着变化: 传统电力系统中的主要谐波源是电力变压器 传统电力系统中的主要谐波源是电力变压器 当代电力系统中的最主要的谐波源——电力电子装置 当代电力系统中的最主要的谐波源 电力电子装置

谐波电流源概念
所谓非线性设备是指, 所谓非线性设备是指 , 即使供给它理想的正弦波 电压,它取用的电流却是非正弦的,换言之, 电压 , 它取用的电流却是非正弦的 , 换言之 , 将会有 谐波电流存在. 谐波电流存在. 其谐波电流含量基本决定于他本身的特性和工作 状况以及加给它的电压, 状况以及加给它的电压 , 而与电力系统的参数关系不 一般而言, 大 . 一般而言 , 非线性负荷的内阻抗比系统阻抗大得 多 , 所以将非线性负荷所产生的谐波电流看作一个理 想的谐波电流源 或称为谐波恒流源 谐波电流源, 谐波恒流源. 想的谐波电流源,或称为谐波恒流源.

谐波电流源概念— 谐波电流源概念—基波能量转 化为谐波能量的解释
国际电工委员会( 国际电工委员会(IEC)规定,发电机实际的端电压波形在任何 )规定, 瞬间与其基波波形之差不得大于基波幅值的5%.因此, 瞬间与其基波波形之差不得大于基波幅值的 .因此,作为电 力系统中的主要电源,可以认为发电机的电动势基本为纯正弦, 力系统中的主要电源,可以认为发电机的电动势基本为纯正弦, 其谐波电压可忽略不计. 其谐波电压可忽略不计. 当系统中发电机向非线性负荷(设备)供电时, 当系统中发电机向非线性负荷(设备)供电时,向其供给的是基 波能量.但是,这些负荷或设备在传递(如变压器),变换( ),变换 波能量.但是,这些负荷或设备在传递(如变压器),变换(如 电力电子变换器),吸收(如电弧炉)基波能量的同时, ),吸收 电力电子变换器),吸收(如电弧炉)基波能量的同时,又把部 分基波能量转化为谐波能量反送回系统, 分基波能量转化为谐波能量反送回系统,造成电力系统电能质量 下降和电力环境污染与危害等. 下降和电力环境污染与危害等.

基波能量转化为谐波能量的解 释中几个尚待探讨的问题
1)如何对基波功率及其能量与谐波功率及其能量之间的物理意义 ) 给出清晰的解释, 给出清晰的解释,而不能简单地用有害谐波功率和有益的基波功 率不能等量齐观之说予以区别. 率不能等量齐观之说予以区别. 2)全部谐波功率是无用的甚至是有害的损耗,不能与基波功率及 )全部谐波功率是无用的甚至是有害的损耗, 其电能同等看待. 其电能同等看待.因而出现了在纯数学上符合理论公式的计算结 果值得讨论的问题.如电压有效值和电流有效值, 果值得讨论的问题.如电压有效值和电流有效值,以及总有功功 率和总无功功率,畸变无功功率等究竟有何实际意义. 率和总无功功率,畸变无功功率等究竟有何实际意义.
U = ∑U
h =1 ∞ 2 h

I = ∑I
h =1



2 h

P = ∑P
h =1



h

Q = ∑Q
h =1



h

3)所谓真有效值是指真正有用的量,即基波(工频)电气量,而 )所谓真有效值是指真正有用的量,即基波(工频)电气量, 不应计入谐波值.反之,计入谐波量则带来明显的测量误差. 不应计入谐波值.反之,计入谐波量则带来明显的测量误差. 解决的办法是,主张采取分频测量技术) (解决的办法是,主张采取分频测量技术)

基波能量转化为谐波能量的解 释中几个尚待探讨的问题
4)发电机所消耗的热能,核能或水能只和所发出的基波电 )发电机所消耗的热能, 能成正比, 能成正比,不会由于受到从谐波源反送来的谐波电能而节 省能量. 省能量.负荷或设备所做的功只与从电源接受到的基波电 能成正比, 能成正比,也不会由于受到从谐波源送来的谐波电能而多 做功.吸收谐波功率往往是有害而无益的. 做功.吸收谐波功率往往是有害而无益的. 5)但是,如果纯电阻负载吸收了谐波能量,也许是有用的 )但是,如果纯电阻负载吸收了谐波能量, 电能消耗. 电能消耗. 6)有著作仍然把"部分基波能量转化为谐波能量倒送回系 )有著作仍然把" 称之为"由基波有功功率转化来的谐波有功功率" 统"称之为"由基波有功功率转化来的谐波有功功率". 而有人认为这些都是无用的功率,应当视为无功功率. 而有人认为这些都是无用的功率,应当视为无功功率.

谐波源分布情况调查报告(日本电气学会)
行业
楼宇 公共事业 铁路 冶金 机械制造 / 建材 化学/ 化学 造 纸 合计/ 合计 比 例(%) )

最大谐波源用户数
整流装置 电力调整 装置 电弧炉 办公及家用电器 无谐波源用户 其他

合计 27

14 20 19 14 9 /5 15/16 122/66 1/1 3 2/2 1/0 8/4 1

13 4 1 1 8/5 2/1 43/23 2 1/5 1/2 12/6 1

26 20 20 37 38 186/1 00

谐波源分布情况调查报告(日本电气学会)
被调查的186家有代表性的电力用户中,无谐波源的 家有代表性的电力用户中, 被调查的 家有代表性的电力用户中 仅占6%; 仅占 ; 最大谐波源为整流装置的用户占66%; 最大谐波源为整流装置的用户占 ; 办公及家用电器的用户占23%; 办公及家用电器的用户占 ; 电弧炉占4%; 电弧炉占 ; 最大谐波源为电力电子装置的用户占90%. 最大谐波源为电力电子装置的用户占 .

可见电力电子装置已经成为最主要的谐 波源. 波源.

谐波源分布情况调查报告(日本电气学会)

楼宇(指建筑物,其谐波由 楼宇 办公,家电和照明电源等产 生)约占40.6%; 铁路和冶金行业 约分别占 17.2%和15.1%; 这三个行业共占72.9% 其中除电弧炉等以外,主要 谐波源为电力电子装置.

典型谐波源简介1 典型谐波源简介1:铁磁饱和型
铁磁饱和型设备(变压器,铁芯电抗器等) 铁磁饱和型设备(变压器,铁芯电抗器等)
加在这类设备上的电压与铁心中的磁通满足微分关系, 加在这类设备上的电压与铁心中的磁通满足微分关系,
u=N dφ dt

但是励磁电流和磁通的关系是由铁心的磁化曲线( 曲线) 但是励磁电流和磁通的关系是由铁心的磁化曲线(B-H曲线)决定 曲线 当铁心工作在饱和区时,该磁化曲线是非线性的. 的.当铁心工作在饱和区时,该磁化曲线是非线性的.因此即使电 压是正弦波形, 压是正弦波形,产生正弦磁通的励磁电流只能是非正弦波形的 .可 以从图4.5中曲线关系看到 中曲线关系看到. 以从图 中曲线关系看到. 对图中电流波形作频域分解可知,这类设备以含有3次谐波及 次谐波及3的整 对图中电流波形作频域分解可知,这类设备以含有 次谐波及 的整 数倍次谐波为主. 数倍次谐波为主.

典型谐波源简介2 典型谐波源简介2:电弧型
电弧型(交流电弧炉和交流电焊机) 电弧型(交流电弧炉和交流电焊机)
电弧炉的运行周期包括三个阶段:熔化期,氧化期和还原期. 电弧炉的运行周期包括三个阶段:熔化期,氧化期和还原期. 电弧炉运行的电气特性 电弧炉的电气行为有如下特征:所消耗的功率强烈而快速, 电弧炉的电气行为有如下特征:所消耗的功率强烈而快速,且 出现随机变化,它由炼钢周期中的熔化过程和技术条件等因素决定. 出现随机变化,它由炼钢周期中的熔化过程和技术条件等因素决定. 电能质量下降的最大程度和最强的时变特征发生在熔化期, 电能质量下降的最大程度和最强的时变特征发生在熔化期,氧化和 还原的精练期电压波动和谐波含量显著降低. 还原的精练期电压波动和谐波含量显著降低. 由于电弧炉负荷运行的不稳定性和每一运行阶段的随机性, 由于电弧炉负荷运行的不稳定性和每一运行阶段的随机性,尤其是 非线性) 电弧炉的电弧变化 (非线性)特性难以准确描述,这使得其谐波分 非线性 特性难以准确描述, 布十分复杂. 布十分复杂. 其谐波频率分布范围主要在0.1~30Hz.据资料统计知,2次,3次 其谐波频率分布范围主要在 .据资料统计知, 次 次 次谐波最为严重. 和5次谐波最为严重. 次谐波最为严重

典型谐波源简介3 典型谐波源简介3:电力电子装置
在各种电力电子装置中,整流器占有相当大的比例. 在各种电力电子装置中,整流器占有相当大的比例.而常用的整 流电路几乎都采用二极管整流桥电路和晶闸管相控整流桥电路. 流电路几乎都采用二极管整流桥电路和晶闸管相控整流桥电路. 特征谐波和非特征谐波. 特征谐波和非特征谐波. 决定谐波大小的触发延迟角和换相角. 决定谐波大小的触发延迟角和换相角. 详细内容见现代电力电子技术等教材. 详细内容见现代电力电子技术等教材.

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