谐波原理及抑制

谐波原理及抑制
内容
1 - 基本概念 2 - 电力生产、配电和消耗各环节产生的谐波干扰 3 - 标准和规定 4 - 谐波对主要元件的影响 5 - 谐波抑制方案 5.1 - 防止和校正 5.2 - 有源滤波器 5.3 - 正弦波采样理论
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1 - 基本概念
目的:了解本课必备的基本概念
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基本概念
无谐波
电流包含谐波
线性负载 非线性负载
线性负载概念:
负载被称为“线性的”是指当施加一个正弦波电压时它吸收的电流也 是正弦波的负载。
例, 白炽灯,加热器, 稳态运行的电机。
非线性负载概念:
负载被称为“非线性”是指当加上一个正弦波电压, 它吸收的电流为非 正弦的。
例, 计算机, 启动时的电机, 变频器，节能灯，变压器加电时, 等。
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基本概念
电抗器饱和
v L = f (i)
L
整流二极管
i
R
v
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非线性，举例
L lil
i v
v i
P
2P wt
v i
wt
非线性引起谐波表现为电流不再跟随电压的形状, 即不是正弦波。
5
基本概念
图形
12 3 4 5
infra
inter
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间谐波和次谐波
间谐波
正弦分量不是基波频率的整数倍。
次谐波
谐波分量频率低于基波频率
这两类干扰是由各种设备吸收的功率为周期性或随机变
化引起的。
例: 电弧炉
电弧不稳定
波形控制
循环变流器 变频器
频率变换器
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基本概念
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定义
傅立叶变换:
所有周期性的非正弦连续函数, 可以被分解成无穷多的
周期正弦函数的总和, 该正弦函数的频率为基波频率的
整数倍。
f(t) =a2o
+ S [ancos(nw1t) + bnsin(nw1t)] n=1
式中:
2p w1 = T n 为正整数
(T 为周期)
ao, an, bn 为博立叶系数
ao
=
2 T
oT
f(t).dt
an
=
2 T
oT
f(t).cosnw1t.dt
bn
=
2 T
oT
f(t).sinnw1t.dt
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基本概念
定义
以方波为例
Y0 = 0
1 22 E
Yn = n p
1 Yn/Y1 =
n
对于奇数次n 对于奇数次n
Yn/Y1 100%
基波均方根值
22
H3 均方根值
.E p
1 22
.E 3p
+E
U P
wt 2P
-E 1 3 5 7 9 11 n 施耐德电气公司房地产客户部
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基本概念
定义
逐次谐波畸变
n次谐波均方根与基波均方根值的比值 Yn
Hn % = 100 Y1
频谱
谐波幅值和谐波次数的函数表示。各次谐波幅值表示为基 波的百分数。
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基本概念
定义
非正弦周期量的均方根值 (RMS)
∫ Yrms =
1
T
y2 (t) dt =
T0
n=
(Yn)2
n=1
电压畸变
谐波均方根值与基波的比值
n= (Yn)2 n=2
THD (%) = 100 Y1*
* 对于 DIN 标准, Y1 由 Y 的均方根值代替
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基本概念
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定义
功率因数和相移因数
功率因数是有功功率P与视在功率S的比值 P
PF = S
相移因数 cos j1 代表电压与电流基波夹角的余弦。
P1
cos j1=
S1
P1 基波分量的有功功率 S1 基波分量的视在功率
畸变因数 DF 是 PF 与 cos j1 之间的比值
PF
DF = cos j1
峰值因数是峰值与周期量均方根值的比值
Y crest
CF =
Y rms
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基本概念
e
U i
Zs
s
电源阻抗
电压与电流畸变的关系
电源阻抗
对于每个电流谐波In, 对应该频率的电源阻抗Zsn两端存在
谐波电压Un
Un=Zsn.In
逐次谐波畸变 Hn= Un
U1
(U1: 基波值)
THD (%) = 100
n=
n=2
(Hn)2
在各次谐波频率下的电源阻抗为电压出现畸变的基本原因
结论: 如果电源阻抗低, 电压畸变就低。
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基本概念
等效图 变压器, 发电机,
电缆
电源阻抗
阻抗和频率的函数关系
输出阻抗与额定负载时输出阻抗的比值
150 Zs Zc %
传统UPS
100
发电机 X”d=12%
UPS
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变压器 Usc=4% 50
MLI UPS
50
250
500
750 F (Hz)
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基本概念
电源阻抗对电压和电流畸变的影响
电流谐波畸变依赖于负载 电压谐波畸变依赖于电源 较低的电源阻抗利于谐波电流流向电源, 但同时电压
畸变往往也较低 反之, 高电源阻抗阻止谐波电流流向电源, 但电压总畸
变往往也较高 电源阻抗与总谐波畸变 (u, i) 之间的变化是非线性的
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基本概念
术语
主要术语
总谐波畸变 功率因数 相移因数 畸变因数 峰值因数
通常标记 TDH FP cosj FD FC
IEC D l
cosj1 n FC
其它 THD, t
PF
DF, Fd CF
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2 - 电力生产、配电和消耗各环节 产生的谐波干扰
目的:认识干扰源的特点
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谐波干扰
电源
在电网某一点, 谐波畸变依赖于:
负载类型
电缆或导线
变压器接线类型和阻抗
MV/LV
电源阻抗
PSB
EJP U
I
线性负载
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M
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谐波干扰
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电力生产: 发电机和不间断电源
当无载或线性负载时, THD (U) 小于 4%
对于非线性负载, 畸变主要依赖:
采用技术 网络情况
Sn (kVA)
<1000
1000 to 5000
>5000
THD (U) 发电机 <5% <3% <1, 5%
THD (U) UPS
<3%
(*)
(*)
(*) : 不同类型产品有很大不同
电源处谐波畸变一般不太突出
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谐波干扰
电力输配
变压器产生谐波:
B, F
奇次: 材料的磁滞现象
P
0
i
磁饱和 偶次
0º
180º 360º
B, F
通电时饱和励磁
(0)
变压器对极性负载产生的偶次
(b)
U
谐波敏感
U
i i
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谐波干扰
D
C
电能的消耗
整流型负载
产生很宽频谱范围 (3-15) 的奇次谐波电流 越来越多地使用 形成了重要的谐波污染源
i
CR
D
% 100
i
87 64
50
38
15 17
0
N
13
579
11 13
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谐波干扰
L ligne
Lf Z
e’1
wDt
a
e’2
e’3
wt
l1
ld
wt
(a = 30°)
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不间断电源供电:
(用于直流电机的变频驱动器) 带阻感负载的三相六脉动整流桥
理想状态: 电源侧电感Lligne=0
In (theo) =
I1 n
,
n = 6k+/-1
l5 (theo) = 20% l1 l7 (theo) = 14% l1
l11 (theo) = 9% l1 l13 (theo) = 8% l1
电源阻抗的影响
I5 x 100
5 (theo)
100 90 80 70 60
5%
a= 90° 30° 20° 10° 5°
Usc(%) 9%
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谐波干扰
L ligne
变频驱动器:
(频率转换型) 带阻容负载的三相六脉动整流桥 所有带前部整流的静态转换器都是潜在污染源
(功率电源, 变频器, UPS)
I (t)
L = 10 m H
% 100
50
0
N
1 5 7 11 13 17 19
THD(l) = 140 %
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谐波干扰
谐波源
照明
1
FL
放电灯
带磁性镇流器的荧光灯
2
FL
(H3可达30%以上)
带内置电子镇流器的荧光灯
3
FL
(THD (I) 可达 140% 以上)
N
AC furnace
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连续频谱
电弧炉
电弧是非线性的, 不对称和不稳定的 电流含有交流或直流分量 奇次和偶次连续频谱 与整流器类似
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谐波干扰
中压电网的干扰
第五次谐波电压的变化
第五次谐波 (电压)
在 HV/MV 主变电站的母线上测量
H5 (%)
4
家用电器负载效应
3.5 3
2.5 2
1.5
1
0.5 t (时)
4
8
12
16
20
*资料来源: “中压配电网络的谐波污染”, J.Lachaume, EDF – DER Clamart.
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谐波干扰
波形 总谐波畸变
感应灯
变频器
开关电源
调光灯
THD (i) %
中型负载 THD (i)
%
萤光灯
THD (i) %
THD (i) 电磁镇流器
%
THD (i) 电子镇流器
%
M
异步电机
THD (i)
(无载)
%
THD (i)
有负载
%
THD (i) %
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3 - 标准和规定
目的: 了解目前谐波的 标准, 变化, 趋势, … 及共识
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标准和规定
定义
电磁骚扰:
所有可能会引起设备或系统故障的电磁现象。
电磁兼容性:
设备或系统可工作在满意的环境中, 且不对环境中元件 产生不能忍受的电磁骚扰。
抗干扰:
设备或系统在电磁骚扰出现时能正常工作的能力。
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标准和规定
干扰等级 抗干扰界限
0
各种干扰等级
敏感性水平
设备或系统可能误动或损坏的干扰水平
抗干扰水平
设备或系统能承受的正常干扰等级
电磁兼容性水平
在给定的正常环境中, 最大可出现的干扰等级。
辐射等级:
用户或设备规定的最大辐射等级。
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标准和规定
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标准化共存
电能生产
输配电 (EDF)
ZL
ZS
G
相互影响
消耗
用户
ZC R
相互影响
ZC R
产生和传送电压畸变 网络改造
产生畸变电流 负载改造
$
综合考虑
$
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标准和规定
质量等级 兼容性水平
低压供电电网
IEC 1000 - 2 - 2 标准 CIGRE* 推荐 (Electra 出版, 第123期, 1989年3月)
中压和高压供电电网
IEC 正起草中压标准 CIGRE 推荐 (Electra 出版, 第123期, 1989年3月)
中压和低压工业装置
IEC 1000 - 2 - 4 标准
* CIGRE: 国际大电网委员会
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标准和规定
公共电网
ELECTRA 表
谐波次数
n
LV
HV
2
2
1.5
3
5
2
4
1
1
5
6
2
6
0.5
0.5
7
5
2
8
0.5
0.2
9
1.5
1
10
0.5
0.2
11
3.5
1.5
12
0.2
0.2
13
3
1.5
Total THD 8%
3%
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兼容性水平
工业装置
IEC 1000 - 2 - 4 表
n
一级
2
2
3
3
4
1
5
3
6
0.5
7
3
8
0.5
9
1,5
10
0.5
11
3
12
0.2
13
3
非常敏感 (信息处理)
Total THD
5%
二级 2 5 1 6 0.5 5 0.5 1.5 0.5 3.5 0.2 3
一般敏感
8%
三级 3 6 1.5 8 1 7 1 2.5 1 5 1 4.5
不敏感
10%
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标准和规定
辐射等级
状况:
对每个用户作出必要限制, 以避免进行系统性的检查, 因为电压畸变依赖于电网阻抗: 除非注入电流非常低, 一般来说很难靠限制注入谐波电流来 控制实际的电压畸变。 利用限制谐波电压来约束和惩罚用户。
较公平的方法: 采用允许的干扰功率, 该功率大小正比于用户实际 消耗的负载功率。然而对于低压网络, 该方法很难 用于家庭, 故采用对家用电器产品产生的谐波电流 进行限制。
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标准和规定
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低压开关柜
每相电流小于16A:
IEC1000 - 3 - 2 规定对所有设备即功率范围除大于 1kW 和小于功 率 75W (1999 年降低为50W) 的工业设备外, 其谐波水平应满足
谐波次数
奇次谐波 3 5 7 9 11 13
15 ? n ? 39
最大可接受谐波电流 (安培)
2.3 1.14 0.77 0.4 0.33 0.21
15 0.15 x n
偶次谐波 2 4 6
8 ? n ? 40
1.08 0.43 0.30
8 0.23 x n
每相电流大于16A:
目前无标准, 但IEC 1000 - 3 - 4 正处于计划中
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标准和规定
工业应用
无国际标准但对不同级别基本存在共识
第一级: 自动接受
根据电压等级和干扰功率。
例如 EDF 干扰功率＜1% 正常情况下测量点最小短路功率。