4.1电力系统谐波的基本概念

图4-2 波形畸变陷波
暂态现象和谐波的区别
计算电压（或电流）畸变率时，采用谐波电压（或电 流）的平均有效值或平均总畸变率，其时间区段 t 取 3s，即取3s中的测量或计算的平均有效值或平均值
Un 1 m 2 U nk m k 1
1 m U nk % Du 100 m k 1 U1k

பைடு நூலகம்
四、非正弦波形的有效值和畸变率
1、非正弦波形的有效值
有效值的定义
I 1 T 2 0 i (t )dt T
代入
U U12
2 U2 2 U3 2 Un
M
傅立叶级数分解
N n 1
I
I12

2 I2

2 I3

2 In

n 1
In
2
u( t ) 2U n sin( nt n )
U1
1 2
U 1m
1 2
I n m
Un
1 2
U nm
非正弦波形的峰值和有效值
i (t )
i1
i1 i3 i3
T
i (t )
i1 i3
i1
i3
T
0
T/2
t
0 T/2
t
非正弦波形的周期 函数，它的峰值和 其方均根值之间却 不存在的1.414 比例关系
（a）三次谐波初相角与基波相同 （b） 三次谐波初相角与基波相反
3. 现代电力系统强调功率处理与控制 的能力
现代电力系统对电能形态提出了新的要求：
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，顺应生产与产品多样性、个性化、高效 益的发展趋势。 二、现代电力系统正试图将其快速、实时与灵活可控 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。 三、FACTS技术与传统电力技术。
三、补充： 高次谐波的产生
（1）电力系统本身存在着周期性的非正弦独立 电源。如有下面电流源
i s (t ) 2 I h sin(h1t h)
（2）工频电压或电流作用于非线性负载。 如有一工频电压
u(t ) 2U1 sin1t
i(t ) ku 3 (t )
3 1 3 i(t ) 2kU1 sin1t 2kU13 sin 31t 2 2
二、谐波的性质
1 、谐波次数 n 必须为正 整数
工频——50Hz
基波为50Hz
2次谐波为100Hz 3次谐波为150Hz 5次谐波为250Hz
二、谐波的性质
谐波现象就是在每一周内电压或电流波形保持不变。 暂态现象是指每周期的波形都随时间变化而变化。
不属于谐波范畴。
2、谐波和暂态现象
畸变偏差百分值：
4.谐波研究现状
国际研究现状
电力系统波形畸变问题早在1935年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)。 70年代初，美国的Kimbark教授从HVDC的研究出，理论性、 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，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年召开一次世界性会议并出版论文集。 1985年，国际上第一本由新西兰著名教授J.ARRILAGA等合 写的“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。
第4章 电力系统谐波
绪论
1.理想电力系统电能形态（输送功率）的特点
单一频率(工频50Hz、60Hz） 单一波形（正余弦函数sin，cos） 若干电压等级（高、中、低压等）
最高效率模式
最佳电能形态
2. 现代电力系统的负荷类型逐渐非线性 化，非线性负荷已占有很大比例
很难保证纯正弦波形 非线性设备产生谐波干扰 谐波畸变 污染电气环境
4.1电力系统谐波的基本概念
一、谐波的定义
基波 是指一个周期 电气量 的正弦波分 量，其频率为工频， 50Hz 或60Hz 谐 波 （ harmonics ） 是一个周期电气量的 正弦波分量，其频率 为基波频率的整数倍
间谐波：频率不是工频的整数倍的谐波分量，即介 于工频谐波之间的傅立叶频谱分量。主要来源于静 态变频器、换流器、感应电动机、电焊机和电弧炉 等，其允许的总畸变系数应小于整数谐波,其试验 方法与谐波的试验方法相同。 次谐波：频率低于基波频率的分量。 分数谐波：频率非基波频率整数倍的分量。 次谐波和分数谐波对基波产生调幅并影响电视。
HRUn Un 100% U1
HRIn In 100% I1
2
二、谐波的性质
3.短时间谐波和暂态现象中的谐波分量 晶闸管控制的轧钢机等设备工作时产生的短时间 突发电流脉冲，这种突发的脉冲包含着暂态分量 和谐波分量。 变压器空载合闸的励磁涌流，按周期函数分解， 将包含短时间的谐波和间谐波电流，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。
有源滤波器(APF) 微型储能器 短路电流限制器 (SCCL) “定制电力”型控制 器
大功率器件制造水平迅速提高，大容量电力电 子技术应用日益广泛
全控器件（IGBT）已应用于
6 kV ,6 kA GTO
200MW HVDC
电压和电流波形严重畸变问题日益突出，电力谐波及其危害 已成为现代电力系统的一大重要问题。
h 0
m
（3）电力系统中存在时变负载，如有一电 导，其电气特性为：
G(t ) G0 sin g t
i(t ) G(t ) u(t )
u(t ) 2U 1 sin1t
2 i(t ) U 1G0 cos( 1 g )t cos(1 g )t 2

3、非正弦波形的畸变率
总谐波畸变率（THD）：各次谐波有效值的平方 和的平方根与基波有效值的百分比，称为总谐波畸 变率THD，或简称畸变率
2 U n n2 n2
THDu
U1
100%
THDi
In I1

2
100%
谐波含有率：是指n次谐波分量的有效值与基波分 量的有效值的百分比
5 谐波研究的意义
谐波危害十分严重
对电力电子技术自身发展
治理环境污染、维护绿色环境 “绿色电力电子” ，无谐波
6．谐波问题的主要内容
谐波功率定义和功率理论 谐波分析 谐波影响和危害 谐波的补偿和抑制； 谐波测量 限制谐波标准
4 电力系统谐波的主要内容
4.1电力系统谐波的基本概念 4.2电力系统非正弦波形的分析方法 4.3电力系统谐波的来源 4.4 电力系统谐波潮流计算 4.5 电力系统谐波测量技术 4.6 谐波对电网的影响和危害 4.7 电力系统谐波的抑制 4.8 交流滤波装置
2 Un n 1
M
i( t ) 2 I n sin( nt n )
n 1
N
由此可见，非正弦周期性电流的方均根值，等于其 各次谐波电流方均根值的平方和的平方根值。
2、非正弦波形的峰值
基波的峰值和有效值
各次谐波的峰值和有效值
In
I1 1 2 I 1m
国内谐波研究现状
1988年，我国电力专家和教授吴竞昌等编著 “电力系统谐 波”。后改写为“供电系统谐波”。 1993年我国国家技术监督局正式颁布了“电能质量－公用 电网谐波”国家标准。2008年该标准开始重新修订。 夏道止等1994年出版的《高压直流输电系统的谐波分析及 滤波》是近年出版的代表性著作。 2008年欧盟－亚洲电能质量中国合作组成立，开展对国内 谐波等电能质量问题的案例分析和国家标准的宣贯工作。 2007－2008年我国电力与铁路合作开展了电铁谐波和负序 关键问题研究，投资2170万元。近日开始项目验收工作。 近几年，西安交通大学王兆安等人也从事电力系统谐波抑 制的研究，主要是有源电力滤波器的研究等。
FACTS分类框图
FACTS控制器
发电系统
输电系统
配电系统
发电型 控制器
柔性发电 可控电力
输电型 控制器
定值电力
供电型 控制器
静态励磁PSS及OEC 可控电制动 可调速发电机(ASG) 飞轮变速机组(FWG) 超导磁能储能器 (SMES)
静止无功补偿器(SVC) 静止无功发生器(SVG) 可控串补(TCSC) 可切换串补(TSSC) 可控移相器(TCPS) 相间功率控制器(IPC) 静止同步串补器(SSSC) 统一潮流控制器(UPFC) 静止同步补偿器(STATCOM) 蓄能器接口(ESI) 晶闸管控制的移相变压器 (TCPST)