第六章 波形畸变与电力谐波

供电系统电能质量电气2003级2006—2007 学年 第一学期

第六章 波形畸变与电力谐波6.1 概述谐波属于电能质量体系中波形质量问题，也是电能质量 体系中研究最多的问题。86年起，IEEE两年一次学术会议， 96年称电力谐波与电能质量学术会，……。国内 84年和93年 相继颁布部标和国家标准。85和88 年国外、国内出版第一部 专著，98年改为供电系统谐波。 谐波是非线性用电设备产生的，这些用电设备向电网注 入谐波电流，使电网 PCC点电压波形发生严重畸变。因此谐 波主要是供电系统的问题。 电力电子装置等非线性设备对现实需求发挥了重要作用， 但也对系统安全、优质、经济运行带来了危害，谐波的分析、 评估、治理成为解决的课题。

6.2 波形畸变的概念一、波形畸变

在非线性电阻上加理想正弦电压，但流过的电流是非正弦 的，电流波形发生畸变。因此，非线性设备是电力系统谐波源。 图6-2表明畸变波形可用正弦波形的和表示。

6.2 波形畸变的基本概念一、波形畸变 谐波定义：谐波是周期性电气量的正弦波分量，其频率为 基波频率的整数倍。 谐波性质：1)谐波次数h必须为正整数； 2)间谐波和次谐波不属于高次谐波；

3)谐波是稳态、连续现象；暂态过程的波形 畸变和陷波都不属于高次谐波范畴；4)短时间谐波也不属于稳态谐波范畴。 二、有效值和总谐波畸变率 负荷产生的谐波电流引起PCC点电压畸变，电压畸变程度 取决于系统阻抗和谐波电流。

二、畸变波形有效值和总谐波畸变率 频域内畸变电压和电流可分解为傅里叶级数v( t ) 2Vh sin( h 1t hh 1 M MM 1 2 2 U v (t )dt U1 U h2 ) 有效值： TT h 2M 1 2 2 2 I i (t )dt I 1 I h h 2 TT

i (t ) 2 I h sin(h 1t h )h 1

畸变波形峰值与有效值间的关系： 1)畸变波形峰值与 有效值不存在 2 倍的关 系，但各次谐波存在。2) 畸变波形有效值 与各次谐波分量初相角无 关。初相角影响波形。

二、畸变波形有效值和总谐波畸变率 畸变波形的畸变指标：谐波含有率和总谐波畸变率。 谐波含有率指某次谐波分量的大小；总谐波畸变率指 畸变波形偏离正弦波形的程度。表达式如下 谐波电流、电压含有率： 电流、电压总谐波畸变率：HRI h Ih 100% I1 HRUh Uh 100% U1

THDI

Ih 2

M

2 h

I1

100%

THDU

Uh 2

M

2 h

U1

100%

提高供电系统电能质量，对谐波进行综合治理，防止谐波 造成的危害，就是要把谐波含有率和总谐波畸变率限制到国家 标准规定的允许范围之内。

三、非正弦电路的功率和功率因数 1、正弦电路的功率和功率因

数 P P VI cos 功率因数： cos 有功功率： S 无功功率：Q VI sin

2、非正弦电路的功率和功率因数 1 T 有功功率：P T 0 h 1

vidt Vh I h cos h

说明：同频率的电压和电流才构成有功功率。仿照上式定义无功功率： Q f Vh I h sin hh 1

说明：非正弦条件下的无功功率没有明确物理意义，式中 各次谐波无功功率互相抵消现象与实际不符。

三、非正弦电路的功率和功率因数 视在功率： S VI Vh2 I h2 h h

说明：S、P、Q之间不保持直角三角形关系，且比较 可知 S P Q ,差值称为畸变功率D: 畸变功率： D S 2 ( P 2 Q 2 ) f2 2 2 f

假定电压波形为正弦函数变化 ，可推出：P VI 1 cos 1 ,S VI V 2 I 2 V 2 I 2 V I 2 I 2 h h 1 1h 2 h 2

功率因数：

PF

P VI 1 cos 1 I 1 1 cos 1 cos 1 2 S VI I 1 THD i

说明：功率因数与移相功率因数和电流畸变率有关。

四、三相电路中的谐波 三相对称正弦电路三相电压互差1200,三相对称非正弦电 压也符合这种关系：vah 2Vh sin( h 1t h )

vbh 2Vh sin( h 1t h h 120 ) vch 2Vh sin( h 1t h h 120 )

分析：1)当h=3k+1时，三相谐波电压相序与基波相序相 同，即第1、4、7、10等次谐波都为正序性谐波； 2)当h=3k+2时，三相谐波电压相序与基波相序相 反，即第2、5、8、11等次谐波都为负序性谐波。 3)当h=3k+3时，三相谐波电压相位相同，即第3、 6、9、12等次谐波都为零序性谐波。

6.3 典型谐波源分析谐波源指系统中产生谐波的非线性用电设备。按非线性特 性分类包括铁磁饱和型、电子开关型和电弧型三类。 一、磁饱和型设备(变压器、电抗器等) 1、铁芯设备谐波电流特点 1)i0 为尖顶波，含有3、 5、7等奇次谐波电流； 2)谐 波大小与电压有关， U高、 i0 大，谐波大。 2、变压器中的谐波电流 1)配电变谐波问题突出； 2)中性点接地变压器含有大量3及3倍次谐波电流；

3)有角形绕组变压器线电流中无三倍次频谐电流。

二、整流装置的谐波(影响最大的谐波源)1、单相全控桥式整流(不分析整流原理，只分析谐波)

结论：理想单相全控桥式整流交流侧电流为连续周期方波， 只含有2K±1次谐波电流，不含直流和偶次谐波分量。 若直流侧电感量不够大，负载电流波形将出现间断。

二、整流装置的谐波 2、三相全控桥式整流

结论：理想三相全控桥式整流交 流侧各相电流为断续周期方波，只含 有6K±1次谐波电流。

二、整流装置的谐波 3、6相桥式整流 可采用Y/y12和Y/d11接线的整

流变压器组成 6 相桥式整流电路。 单相电路如图所示。 图a谐波电流同6-29式，图b谐 波电流为6-53式，图c为两者结合构 成的6 相桥式整流电路。 理想6 相桥式整流直流侧的波头脉动数P=12。 结论：理想6 相桥式整流交流侧各相电流为连续周期梯形 波，含有12K±1次谐波电流。 下面讲述整流装置的特征谐波和非特征谐波。

4、整流装置的特征谐波和非特征谐波 1)特征谐波—整流装置在理想情况下产生的谐波。 整流装置交流侧为谐波电流源，特征谐波 h=KP ±1;

整流装置直流侧为谐波电压源，特征谐波 h=KP。例如：单相全波，P=2,产生1、3、5、7……次谐波； 三相半波，P=3,产生2、4、6、8……次谐波；

三相全波，P=6,产生5、7、11、13……次谐波。产生的各次谐波电流Ih小于或等于I1/h。 结论：装置整流波形的波头脉动数P越多，谐波次数h越高， 谐波电流Ih越小。 2)非特征谐波— 指由于控制角不等，电压、阻抗不对称 等因素产生的次数不定的谐波。难以进行数值分析。

三、电力机车产生的谐波 电力机车负荷为波动性很大的大功率单相整流负荷，具有 不对称、非线性、波动性和功率大的特点，将产生高次谐波和 基波负序电流。 1、牵引网的供电方式 为不对称供电系统 两站距离40~50Km; 供电距离20~25Km; 供电电压110/27.5KV。 2、电力机车电路与电流波形 电力机车电路和注入电网的电流波形如图所示。由于采用 单相全波整流，不采取措施将产生很大的谐波电流。