电力电子谐波

5.谐波对能耗的影响
对电缆的影响 在导体中非正弦波电流所产生的热量与 具有相同均方根值的纯正弦波电流相比较， 非正弦波会有较高的热量。该额外温升是由 众所周知的集肤效应所引起的，而这种现象 取决于频率及导体的尺寸。这种效应如同增 加导体交流电阻，进而导致损耗增加。
U 1 I 1 cos( 1 1 )
Q U 1 I 1 sin( 1 1 )
S UI U 12 (

h 1

2 Ih )
D S 2 P 2 Q 2 U 12

h2

2 Ih
这样Q和D都有了明确的物理意义。Q是基 波电流产生的无功功率，D是谐波电流产 生的无功功率。
含有谐波的功率因数
U 1 I1 cos( 1 1 ) I1 P cos( 1 1 ) S U1 I I cos( 1 1 )
式中γ＝I1 / I，即基波电流和总电流有效值之比，称为基波因 数。而cos（α1－β1）称为位移因数或基波功率因数。可以看 出，在非正弦电路中，功率因数是由基波电流相移和电流波 形畸变两个因数决定的。总电流也可以分为基波有功电流， 基波无功电流和谐波电流三部份组成。谐波电流含量越大， 功率因数就越低。
f4(t) A
29次谐波叠加
4A/3 4A/5 4A/7 3 5 7
O t
f 4 (t )
4A

(sin t
1 1 1 sin 3t sin 5t sin 7t ) 3 5 7
那么对于一个电流波形，我们怎么分析他 含有的谐波呢？
一般的，我们一个周期函数可表示如下：
fundamental distorted wave 5th harmonic 7th harmonic harmonics
fundamental
基波和谐波
引起的失真波形
非正弦（余弦）波形的分析
非正弦波信号 通过傅立叶分析，可分解为多个不同频率的正弦波叠加
f3(t) A
3次谐波叠加
t
O
Akm
4A/
视ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ功率S
在非正弦波的情况下，视在功率仍可定义 为
2 S UI (U 0

h 1

2 2 U h )( I 0

h 1

2 Ih )
显然 而是
S 2 P2 Q2
S 2 P2 Q2
畸变功率
因Q只是同频电压和电流存在相位差引起 的无功功率的总和，而交换功率中尚包 含有不同次频率电压和电流引起的部分。 于是引入畸变功率D，使得

1

2
0

2 T 1




T
0
f (t ) s i n ( 1 t )d t k f (t ) s i n ( 1 t ) d ( 1t ) k f (t ) s i n ( 1 t ) d ( 1t ) k

1

2
0




谐波种类
偶次谐波 : 2nd, 4th, 6th, 8th … 奇次谐波 : 3rd, 5th, 7th, 11th … 正序谐波 :(3n+1) 4th, 7th, 10th… 负序谐波 :(3n-1) 2nd, 5th, 8th… 零序谐波 :(3n) 3rd, 6th, 9th… 电压谐波总畸变率(失真率): V(THD)
(a
k 1

k
cos k t bk sin k t )
系数可通过以下方式求得
a0 1 T 2 T 1

T
0
1 f (t )d t T

T 2 T 2
f (t )d t
ak bk
T
0
f (t ) co s ( 1 t )d t k f (t ) co s ( 1 t ) d ( 1 t ) k f (t ) co s ( 1 t ) d ( 1t ) k
例如有一方波函数
f(t)=2 0≤t≤T/2 f(t)=- 2 T/2≤t≤T
根据傅立叶展开公式，可以展开为
1 3 1 5 f (t ) [sin t sin t sin t ] 2 3 2 5 2 8

合成图
5次合成图形
9次合成图形
一般的，我们研究的电压、电流的瞬时值 可以展开为：
计算的简化
通常电压的波形畸变都很小，而电流波形的畸变则可能 很大，因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电 流波形为非正弦波时的情况有较大的实际意义。而且直流分 量一般也很小，在这忽略不计。
1 P T

T
0
[ 2U 1 sin(h 1t 1 )] [

h 1

2 I h sin(h 1t h )]dt
4.谐波对油机的影响（一）
柴油发电机组的内阻相对市电来说大了很多 ，非 线性负载产生的谐波电流引起的电压畸变就大很 多，造成油机输出电压失真严重。这就会造成： 控制部分可能对失真严重的输出波形发生误判断， 认为是过压、超频等原因，从而造成油机停机； 输出电压不稳，输出高压造成所带负载烧毁。
4.谐波对油机的影响（二）
谐波造成波形畸变
基波与2次谐波无相差叠加
基波与2次谐波有相差叠加
基波与3次谐波无相差叠加
基波与3次谐波有相差叠加
谁会在意电能质量
供电局 制造业 动力部门 过程工业（冶金，石化） 数据中心，运维部门 军队工业&政府事业 集成商 电能治理公司
2.谐波电流的大量存在，将降低 设备的输入功率因数。
一般的，设备的输入功率因数如下式 ：
二、谐波的产生
整流元器件是最主要的谐波源。如UPS， 开关电源，变频器等都含有整流器。这些 元件轮回地导通和关断，造成了交流电源 回路的波形强行发生了变化，使得正弦波 产生畸变。电流波形不再是正弦波形。
典型谐波产生源
电子开关型:各种交直流换流装置、变频装置 铁磁饱和型:各种铁芯设备, 如变压器、电抗器等，其铁磁饱 和特性呈现非线性 电弧型:各种炼钢电弧炉、交流电弧焊机
我们知道，在正弦电路里无功功率表示电磁能量 交换的最大值。可是在非正弦情况下，按上式计 算时，由于可以在四个象限之内，可能是正，也 可能是负，所以各次可能相互抵消，甚至出现Q 为零，但电流中的无功分量却不为零，也就是它 不再有能量交换最大量度等物理意义了。Q只是 表明由于各次谐波电压和电流存在相位差而产生 的无功功率之和。
谐波及谐波治理
谐波问题交流
一、什么是谐波 二、谐波的产生 三、谐波的危害 四、谐波的抑制和消除
一、什么是谐波
来源
“谐波”一词起源于声学。 18世纪人们就 已经用数学对谐波进行分析。傅立叶等人 提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。 电力系统的谐波问题早在20世纪20年代就 引起了人们的注意。当时在德国，由于使 用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波 形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变 流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经 典论文。
f (t ) f (t kT )
发电厂出来的电可表示为：
u
2U sin( t )
利用傅立叶变换对函数进行分解
f (t ) a0 (a1 cos1t b1 sin1t ) (a2 cos 2t b2 sin 2t ) (ak cos k t bk sin k t ) a0
非正弦周期电压或电流的有效值等于它的 恒定分量的平方和各次谐波有效值的平方 之和的平方根。
表示谐波的参量
为了表示畸变波形偏离正弦波形的程 度，最常用的特征量：
•谐波含量 •总畸变率 •h次谐波的含有率
所谓谐波含量，就是各次谐波的平方和开方。
IH

h2

2 Ih
谐波电流总畸变率
THDI IH 100% I1
u (t ) U 0


h 1

2U h sin( 1t h ) hw
i(t ) I 0

h1
2 I h sin(hw1t h )
在工程实际中常采用有效值来衡量电流和 电压的大小。以周期电流i(t)为例，其有效 值I定义为 含有谐波分量的电流值
1 I T
1 I T

T
i dt
2
0

T
0
[I 0

h 1

2 I h sin(hw1t h )] 2 dt
2 I0

h 1

2 Ih
含有谐波分量的电流值
1 I T

T
0
[I 0

h 1

2 I h sin(hw1t h )] 2 dt
2 I0

h 1

2 Ih
定义
PF 1 1 (THD) 2 cos
在不考虑相位差的情况下，谐波对功率因数的影响如下：
谐波 含量 功率 因数 10% 0．99 20% 0．98 30% 0．96 40% 0．93 50% 0．89 60% 0．86 70% 0．82 80% 0．78
功率因数的影响
无功损耗增大，降低了设备的利用率。 降低了企业总的输入功率因数，可能要多 缴电费：一般在供电合同中都明确有规定， 用户功率因数在高峰负荷期间应达到 cosφ n（对于我们电信企业，一般取0.9）， 高于这个标准者可以少缴电费（奖），低 于这个标准则要多缴电费（罚）。
3.谐振问题
为了补偿设备的无功功率，提高功率因数在低压 配电处一般并联装有电容补偿滤波器。
在工频情况下，这些电容器的容抗比系统 的感抗大得多，不产生谐振。