谐波原理及抑制

5%
9%
21
谐波干扰
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 ligne
L = 10 m H
% 100
50
0 1 5 7 THD(l) = 140 %
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N 11 13 17 19
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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2
1 - 基本概念
目的: 了解本课必备的基本概念
(无载)
% THD (i)
有负载
%
25
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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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26
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。
1
2
3
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23
谐波干扰
中压电网的干扰
第五次谐波 (电压)
家用电器负载效应
第五次谐波电压的变化
在 HV/MV 主变电站的母线上测量
H5 (%)
4 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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30
标准和规定
兼容性水平
工业装置
IEC 1000 - 2 - 4 表
HV 1.5 2 1 2 0.5 2 0.2 1 0.2 1.5 0.2 1.5 n 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 º » Ò ¶ 2 3 1 3 0.5 3 0.5 1,5 0.5 3 0.2 3 ²³ Æ £ ô Â · Ï (Ï Ä Î ¢ ´ ¥ í ¿ ) þ » ¶ ¶ 2 5 1 6 0.5 5 0.5 1.5 0.5 3.5 0.2 3 º ° Ò á Â ô · Ï ý » Ç ¶ 3 6 1.5 8 1 7 1 2.5 1 5 1 4.5 º Â ² ô · Ï
22
谐波干扰
谐波源
FL
1
照明
放电灯
2
FL
带磁性镇流器的荧光灯
(H3可达30%以上) 带内置电子镇流器的荧光灯 (THD (I) 可达 140% 以上)
3
FL
N
AC furnace
电弧炉
连续频谱
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
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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27
标准和规定
干扰等级
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
抗干扰界限
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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12
基本概念
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
等效图
变压器, 发电机,
电缆
150
Zs Zc % 发电机 X”d=12% 传统UPS
100
UPS
50
变压器 Usc=4%
MLI UPS
50
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250
500
750
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4
基本概念
非线性，举例
L v i
电抗器饱和
v L = f (i)
2P lil P wt
L
整流二极管
v i i
i
R
v wt
v
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。
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5
基本概念
间谐波和次谐波
间谐波
正弦分量不是基波频率的整数倍。
MV/LV
U
I
线性负载
M
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谐波干扰
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) THD (U) ² ¢ µ å º ö THD (U) UPS
<1000 <5% <3%
0
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20
谐波干扰
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
Lf
In (theo) =
Z
I1 , n = 6k+/-1 n l11 (theo) = 9% l1 l13 (theo) = 8% l1
L ligne
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基本概念
定义
以方波为例
Y0 = 0 1 22 E n 1 n p
Yn =
对于奇数次n
Yn/Y1 =
对于奇数次n
基波均方根值
22 p
100% Yn/Y1
H3 均方根值
.E
1 3
22 p
.E
+E
U
P
wt 2P
1
3
5
7
9
11
n
-E
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8
基本概念
â Ê Å ÷ THD, t PF
DF, Fd CF
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15
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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16
谐波干扰
电源
PSB EJP
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 电源阻抗
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3
基本概念
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
无谐波
是正弦波的负载。
例, 白炽灯,加热器, 稳态运行的电机。
电流包含谐波
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。
F (Hz)
13
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
n=1
电压畸变
谐波均方根值与基波的比值
THD (%) = 100

n=

(Yn)2 Y1*
n=2
* 对于 DIN 标准, Y1 由 Y 的均方根值代替
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10
基本概念
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
S 相移因数 cos j1 代表电压与电流基波夹角的余弦。 PF =
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14
基本概念
术语
主要术语
¨³ Ì £ ± ê » Æ Ü Ï ³ ³ ² ¨º û ± â ¥ Á ¸ É Ò ò É ý ´ Ò Î Å Ò ò É ý û ± º â Ò ò É ý ã Ö ² µ Ò ò É ý TDH FP cosj FD FC
IEC D l cosj1 n FC
1000 to 5000 <3% (*)
>5000 <1, 5% (*)
(*) : 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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18
谐波干扰
电力输配

P 0º
变压器产生谐波:
奇次:
B, F
材料的磁滞现象
磁饱和 偶次 通电时饱和励磁
(0)
0 i 180º 360º
l5 (theo) = 20% l1 l7 (theo) = 14% l1
电源阻抗的影响
e’1 wDt a e’2 e’3
I5
5 (theo)
wt
x 100
100
90 80 a= 90° 30° 20° 10°
l1
70 ld wt 60 Usc(%) 5°
(a = 30°)
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进行限制。
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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
cos j1=
P1 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
cos j1 峰值因数是峰值与周期量均方根值的比值
CF =
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DF =
PF
Y crest Y rms
11
基本概念
电源阻抗
U i

电压与电流畸变的关系
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
图形
次谐波
谐波分量频率低于基波频率
1 2 infra 3 4 inter 5
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 波形控制 电弧不稳定
循环变流器
频率变换器 变频器
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6
基本概念
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。 ao f(t) = 2
+S

n=1
[ancos(nw1t) + bnsin(nw1t)]
式中:
2p w1 = T n 为正整数
(T 为周期)
ao, an, bn 为博立叶系数 2 T f(t).dt T o 2 T an = o f(t).cosnw1t.dt T 2 T bn = o f(t).sinnw1t.dt T ao =
B, F U
(b)
变压器对极性负载产生的偶次
谐波敏感

U i i
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谐波干扰
电能的消耗
整流型负载
D
C
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 D
C
R
% 100
87 64wk.baidu.com
i
50
38 15 1 7 N
1 3 5 7 9 11 13
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谐波干扰
波形 总谐波畸变
感应灯 变频器 调光灯 萤光灯 THD (i) % M 异步电机 开关电源 THD (i) %
THD (i) % 中型负载 THD (i) %
THD (i) 电磁镇流器 %
THD (i) 电子镇流器 %
THD (i)
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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9
基本概念
定义
非正弦周期量的均方根值 (RMS)
Yrms =
∫
1
T
y2 (t) dt =
T
0

n=

(Yn)2
电源阻抗
e
Zs
对于每个电流谐波In, 对应该频率的电源阻抗Zsn两端存在
s
谐波电压Un
Un=Zsn.In
逐次谐波畸变 Hn=
(U1: 基波值)
Un
U1
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。
0
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28
标准和规定
标准化共存
电能生产
输配电 (EDF) ZL ZS
相互影响
消耗
用户
ZC
相互影响
ZC
G
R
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
公共电网
ELECTRA 表
谐波次数
n 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
LV 2 5 1 6 0.5 5 0.5 1.5 0.5 3.5 0.2 3
Total THD
8%
3%
Total THD
5%
8%
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,