動力培訓(xùn)、諧波與諧波治理

動力培訓(xùn)諧波與諧波治理一諧波與諧波治理1線性電流與非線性電流2諧波的定義和基本特征參數(shù)3諧波電流對電壓的影響4諧波的危害與諧波治理的必要性5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法6諧波治理效果的評估1線性電流與非線性電流同一交流供電電源中，可有多種不同負(fù)載,當(dāng)施加正弦電壓時，會呈現(xiàn)不同的電流特性。1線性電流與非線性電流IR－線性負(fù)載IL-線性負(fù)載ID－非線性負(fù)載IS－非線性負(fù)載I由于非線性負(fù)載的影響總線路中電流發(fā)生畸變IC－線性負(fù)載

非線性負(fù)載舉例：整流器、充電器、開關(guān)電源、調(diào)光器、變頻調(diào)速器、電子計算機、感應(yīng)電爐、熒光燈、微波爐、電視機、電話、傳真機等等…開關(guān)電源變頻調(diào)速器充電器熒光燈1線性電流與非線性電流1線性電流與非線性電流IR－線性電流IL－線性電流IC－線性電流當(dāng)時i=?超前電壓90度滯后電壓90度與電壓同相一個非正弦波（電壓、電流）是由直流分量、基波和許多2、3、4…..倍于基波的（電壓、電流）高次正弦波疊加組成畸變的正弦波形畸變的正弦波是直流分量、基波和許多高次諧波的合成1線性電流與非線性電流對非正弦電壓有u=Ud+U1msineωt+U2msine2ωt+U3msine3ωt+………Unmsinenωt=Ud+u1+u2+u3+……un對非正弦電流有i=Id+I1msineωt+I2msine2ωt+I3msine3ωt+………Inmsinenωt

=Id+i1+i2+i3+……in=1線性電流與非線性電流其中第3次、6次、9次…3的倍數(shù)次電流諧波（零序分量）的特殊性對三相四線電路，各相中的3次諧波電流為ia3=Ia3msine3ωtib3=Ib3msine3（ωt–2/3π）＝Ib3msine3ωtic3=Ic3msine3（ωt+2/3π）＝Ic3msine3ωt由于各相中的零序電流是同相的因此有：

In=Ia+Ib+IcInIa+Ib+Ic這是為什么要加粗N線的原因之一小結(jié)：電阻、電容、電感等負(fù)載是線性負(fù)載二極管、可控硅等負(fù)載是非線性負(fù)載非線性負(fù)載會從電源中吸收非線性電流非線性電壓或電流的波形是失真的正弦波，可分解為不同頻率、不同幅值的正弦波3相4線電路中3次及3的倍數(shù)次諧波電流會在N線上疊加1線性電流與非線性電流2諧波的定義和基本特征參數(shù)基波——指頻率為F的正弦波

如50HZ的正弦波，如60HZ的正弦波諧波——指頻率為F正整數(shù)倍的正弦波如50HZ的正弦交流線路中的

100HZ－2次諧波

150HZ－3次諧波

250HZ－5次諧波

N×50HZ－N次諧波1）單次諧波電流的有效值(IHrms)按照傅立葉級數(shù)展開時，各次諧波電流都是正弦波，因此可以測量每次諧波的有效值，但這些正弦波的頻率各不相同，為基波頻率的整數(shù)倍：IH1為基波成分(50或60Hz)；IHk

為諧波成分，其中k為諧波次數(shù)(50或60Hz的k倍)。2）總電流有效值（Irms）它是基波電流有效值IH1與諧波電流IHk的平方和的根值：

2諧波的定義和基本特征參數(shù)4）電壓和電流的諧波失真度非線性負(fù)載同時產(chǎn)生電流和電壓的失真，這是因為每次諧波電流都會產(chǎn)生對應(yīng)同頻率的電壓諧波，正弦波的總失真度用百分?jǐn)?shù)來表示：

3）各次諧波的含量每次諧波的含量都可以用一個百分?jǐn)?shù)來表示，即該次諧波電流的有效值與基波電流有效值之比，這個比率就代表了各次諧波的含量水平： 例如：總電流諧波失真度TDHI%，是基于電流諧波的度量：

或2諧波的定義和基本特征參數(shù)用電流有效值計算用諧波失真度計算4）諧波失真度舉例：三相整流器輸入電流的諧波頻譜為：Ih5=33%、Ih7=2.7%、Ih11=7.3%、Ih13=1.6%、Ih17=2.6%、Ih19=1.1%、Ih23=1.5%、Ih25=1.3%，計算THDI%：因此，總電流的有效值比基波電流的有效值增大了5.6%，即比沒有諧波時的額定電流增大5.6%，這將在導(dǎo)體中造成溫度升高。2諧波的定義和基本特征參數(shù)總電流的有效值5）峰值因數(shù)(CrestFactor)峰值因數(shù)(Fc)定義為峰值（最大幅值）與有效值的比率，用來表示信號(電流或電壓)形狀的特征：下面是不同負(fù)載的典型峰值因數(shù)：線性負(fù)載： Fc=1.414

六脈沖整流器：Fc＝1.5到2；小型計算機： Fc=2到2.5

微機： Fc=2到3。H3 = 80%H5 = 35%H7 = 18%H9 = 9%H11= 5%

THDI=90%H5 = 21%H7 = 16%H9 = 0%H11 = 10%H13 = 9%

THDI=30%H5 =32%H7 =3%H9 =0%H11 = 7%

THDI=33%RCD(微機)小型計算機可控硅整流器2諧波的定義和基本特征參數(shù)5）峰值因數(shù)舉例：峰值因數(shù)對UPS容量的影響例如：200KVAUPS的峰值因數(shù)Cf=3:1，UPS額定電流In=303A，則：

UPS峰值電流為303Ax3=909A（這是200KVAUPS不能超過的）假設(shè)：負(fù)載峰值因數(shù)為3.5:1，則：

UPS對于該負(fù)載所提供的電流有效值為909A/3.5=259.7A即:UPS的使用容量為259.7Ax660V=171.4KVA因此：非線性負(fù)載Cf=3,5In線性負(fù)載2xInCf=2諧波的定義和基本特征參數(shù)或者說200KVA峰值因數(shù)為3.5的負(fù)載需要用200×3.5/3＝233.3KVA的UPS－需要增加UPS容量小結(jié)：某次諧波的頻率＝諧波次數(shù)×基波頻率某次諧波的大小可以用有效值和失真度（相對值）來度量有效值直接反映諧波電流（電壓）的大小，單位是A失真度是反映失真電流（電壓）相對于基波的比例，是％總失真度的計算方法有2種峰值因數(shù)的定義，當(dāng)負(fù)載峰值因數(shù)超標(biāo)時，UPS要降容使用2諧波的定義和基本特征參數(shù)3諧波電流對電壓的影響

一個局部供電網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)中我們希望在每一級都能得到非常好的電壓波形。因為我們所有的用電設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)都是以380V50HZ正弦交流電作為基準(zhǔn)條件來設(shè)計的。離開這一條件，設(shè)備的技術(shù)性能指標(biāo)和可靠性都會受到影響。3諧波電流對電壓的影響

變壓器有輸出阻抗，以阻抗電壓來衡量其大小阻抗電壓－變壓器一邊繞組短路，在另一邊繞組施加電壓，從小到大直到繞組中的電流達(dá)到額定值，此時的電壓值與額定電壓值之比叫阻抗電壓或短路電壓。他是一個標(biāo)么值。如5％，對400V額定電壓為20V；對10KV額定電壓為50V這是反映變壓器內(nèi)阻的一個重要指標(biāo)，也是影響電壓失真的重要因素此指標(biāo)在50HZ條件下測定,當(dāng)電源頻率升高時，短路電壓會升高。機房供電來自于變電室變壓器3諧波電流對電壓的影響變壓器輸出端變壓器的輸出，對不同頻率的電流呈現(xiàn)不同的阻抗電感的阻抗XL＝2πfL與頻率成正比變壓器等效電路3諧波電流對電壓的影響當(dāng)負(fù)載是線性負(fù)載時，負(fù)載電流只會引起交流供電線路各點電壓不同程度的降低當(dāng)負(fù)載是非線性負(fù)載時，負(fù)載電流不但引起交流供電線路各點電壓降低，也會引起各點電壓產(chǎn)生失真，越靠近非線性負(fù)載失真度越高。電源和線路的實際情況3諧波電流對電壓的影響總的壓降是各部分壓降之和線路某處電壓UO是電源電壓－壓降諧波電流在電阻上產(chǎn)生的壓降與電流同相并成正比諧波電流在電感上產(chǎn)生的壓降不與電流同相，其幅值與各次諧波成分多少有關(guān)如果電壓Uo是其他負(fù)載的電源，這個電源本身就是一個失真的電壓，即使線性負(fù)載，在此電壓作用之下也會出現(xiàn)非線性電流3諧波電流對電壓的影響基波、各次諧波電流在電阻上的壓降＝R（i1+i2+i3+…+in）基波、各次諧波電流在電感上的壓降＝2πL50i1+2πL100i2+2πL150i3+……+2πL×n×50in－－50HZ電路感抗XL＝2πfL，對不同頻率的電流呈現(xiàn)不同的阻抗，因此高頻電流在線路上引起的壓降比基波嚴(yán)重的多。計算電壓失真的公式3諧波電流對電壓的影響

一個系統(tǒng)中各測量點出現(xiàn)圖示中的情況是有可能的圖中主要諧波源是UPS、通訊、照明，由于他們的影響使系統(tǒng)各點的電壓出現(xiàn)失真假定生活、辦公負(fù)載為線性負(fù)載，在供電電壓出現(xiàn)失真的情況下，這些負(fù)載也會吸收非線性電流造成網(wǎng)絡(luò)電壓失真的原因是諧波電流在線路和變壓器內(nèi)阻抗上產(chǎn)生了諧波壓降諧波電流有效值越大、電源和線路阻抗越大，引起的電壓失真越嚴(yán)重

電壓電流小結(jié)供電系統(tǒng)中的變壓器、發(fā)電機、線路等都存在阻抗供電系統(tǒng)中非線性負(fù)載電流會使供電電壓產(chǎn)生失真諧波源在系統(tǒng)中所處位置不同，系統(tǒng)各處電壓失真的程度也有不同電路阻抗越大，諧波電流幅值越大，造成的電壓失真越嚴(yán)重3諧波電流對電壓的影響視在功率增大純電阻負(fù)載在一個正弦周期內(nèi)電壓與基波電流的乘積(U×I)為正值；4諧波的危害與諧波治理的必要性非線性負(fù)載在一個正弦周期內(nèi)電壓與3次諧波電流的乘積為零(U×IH3=0)，對基波整數(shù)倍的諧波也符合此規(guī)律，因此諧波屬于無功(U×I)為正值負(fù)載吸收功率，(U×I)為負(fù)值負(fù)載釋放功率阻性負(fù)載只吸收有功功率非線性負(fù)載不吸收有功功率，但會與電源進(jìn)行能量交換，會占有無功電流S=視在功率P=有功功率

Q=無功功率視在功率增大，功率因數(shù)降低線性負(fù)載：Cos=Pf=P/S沒有諧波

非線性負(fù)載:Cos=P1/S1(基波有功功率/基波視在功率)功率因數(shù)PF=P/S（有功功率/視在功率）因在視在功率中增加了失真功率，會使功率因數(shù)降低S=視在功率P=有功功率

Q=無功功率

D＝失真功率S(VA)S(VA)D:諧波失真功率P2+Q2S=P12+Q12+D2S=P(W)Q(var)4諧波的危害與諧波治理的必要性電纜中的溫度升高諧波電流在導(dǎo)體中趨膚效應(yīng)更為嚴(yán)重；電流在電纜導(dǎo)體中的溫升表示為：電纜中的溫升=基波電流與各次諧波電流產(chǎn)生的溫升之和4諧波的危害與諧波治理的必要性中線電流的增大所有3次及3的整數(shù)倍3n次諧波電流在中線上同相位迭加；它們的位移可以計算為3kx(2/3)或(4/3)，同相中線上的電流可以達(dá)到相線電流的1.7倍；后果：在中線上產(chǎn)生很大的附加損耗；rI中線2=中線上的溫升；N－G電壓升高必須考慮加粗中線以適應(yīng)3次及3n次諧波電流4諧波的危害與諧波治理的必要性損壞電容電容中的電流值表示為：I=UCω對第k次諧波的角頻率為：ω=2πkf，因此第k次諧波電流等于：Ik=2πkfUC，其中f=基波頻率，k=諧波次數(shù)。由此可見電容中的電流I隨著諧波次數(shù)k的增大而增大。結(jié)論：電容中的高次諧波成分越多，則電容運行的環(huán)境就越惡劣，通常需要使用增強型電容（>h級＋電抗器）。

后果：電容過熱，受到損壞的威脅；由于電路中存在電感，電容可能受到諧振的威脅。4諧波的危害與諧波治理的必要性變壓器降容(Derating)諧波對變壓器的影響為以下幾個方面的總和：

銅損趨膚效應(yīng)(skin-effect)，變壓器的阻抗隨諧波次數(shù)的增大而增大鐵損磁滯損耗與諧波頻率成正比；渦流損耗與諧波頻率的平方成正比。變壓器降容使用，折算系數(shù)k由下述經(jīng)驗公式確定：法國標(biāo)準(zhǔn)NFC52-114及其它國家標(biāo)準(zhǔn)(例如BS7821_part4，IEEE1100-1992)也推薦使用一個相似的k系數(shù)4諧波的危害與諧波治理的必要性騷擾發(fā)電機的運行與變壓器相似，磁滯現(xiàn)象和渦流現(xiàn)象也會由于諧波的作用造成發(fā)電機的損耗大增；后果：產(chǎn)生寄生轉(zhuǎn)矩，降低了機械能向電能轉(zhuǎn)換的效率；在線圈繞組和轉(zhuǎn)子阻尼線圈中產(chǎn)生額外的損耗；產(chǎn)生振動和發(fā)出異常的噪音。事實上，發(fā)電機中的電流諧波失真度THDI必須小于等于20%，否則發(fā)電機的功率也必須功率折算。4諧波的危害與諧波治理的必要性電動機損耗增大增大焦耳損耗和鐵損耗(定子損耗)；脈動力矩(轉(zhuǎn)子損耗，降低機械效率)。因此異步電動機上的THDU必須限定在10%以下，以避免上述現(xiàn)象的發(fā)生。對其它設(shè)備的影響諧波還會騷擾下述設(shè)備的正常運行：非有效值脫扣裝置(non-rmstripunit)，造成斷路器令人煩惱的異常脫扣；自動電話交換機；報警系統(tǒng)；敏感性的電子設(shè)備；遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。4諧波的危害與諧波治理的必要性現(xiàn)代化的電子設(shè)備和電力電子設(shè)備大量地增加，鐵路、冶金、通訊、機房等需要越來越多的電力能源、越來越高的電能質(zhì)量，從移動公司的發(fā)展就可以知道近些年的發(fā)展速度精密的電子設(shè)備和電力電子設(shè)備帶來大量的諧波污染，使得電能質(zhì)量每況愈下。提高UPS供電系統(tǒng)運行的可靠性（滄州、四川、北京某通信機房UPS的故障現(xiàn)象與諧波有關(guān)，特別是北京造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失）-提高設(shè)備的效率，降低運行成本；-節(jié)能、減排、保護(hù)環(huán)境、可持續(xù)發(fā)展4諧波的危害與諧波治理的必要性

諧波治理是客觀的需要：電子設(shè)備的增長，諧波成為電磁污染；諧波治理是標(biāo)準(zhǔn)的需要：IEC、EN、IEEEE等（IEC62040-3=GB/T7260.3）：不是3的倍數(shù)的奇次諧波3的倍數(shù)的奇次諧波偶次諧波諧波次數(shù)諧波電壓%諧波次數(shù)諧波電壓%諧波次數(shù)諧波電壓%5635227591.541113.5150.360.5133210.280.5172>210.2100.5191.5

120.2231.5

>120.2251.5

>250.2+0.5x25/n

注：假設(shè)上述諧波電壓不同時達(dá)到兼容值；通常限制到40次諧波。a)輸入電壓變化：額定標(biāo)稱電壓的±10%；b)輸入頻率變化：額定標(biāo)稱頻率的±2%；c)輸入電壓總奇變因數(shù)D0.08（THDU8%），各次諧波電壓的最高含量列于下表：4諧波的危害與諧波治理的必要性

諧波治理是標(biāo)準(zhǔn)的需要：國家標(biāo)準(zhǔn)《電能質(zhì)量、公用電網(wǎng)諧波》(GB/T14549-1993)4諧波的危害與諧波治理的必要性當(dāng)實際短路容量與基準(zhǔn)短路容量不同時，需要按比例折算

諧波治理是標(biāo)準(zhǔn)的需要：郵電標(biāo)準(zhǔn)(YD/T)；諧波治理是發(fā)展的需要：促進(jìn)生產(chǎn)廠改進(jìn)產(chǎn)品的性能。通信用不間斷電源-UPS標(biāo)準(zhǔn)(YD/T1095-2000):6脈沖SCR+LC＝IEC61000-3-46脈沖SCR+LCIGBT整流器4諧波的危害與諧波治理的必要性郵電標(biāo)準(zhǔn)(YD/T)的THDI標(biāo)準(zhǔn)只是用于對UPS的分類小結(jié)諧波可造成多方面的危害國家對諧波有控制的標(biāo)準(zhǔn)4諧波的危害與諧波治理的必要性Dynh3h92主電源增大電力系統(tǒng)的供電容量和電纜、開關(guān)等變壓器以不同的方式聯(lián)接調(diào)諧式濾波器抗諧波電感器Lh5,h7L-諧波沒有消除-成本昂貴2僅限制3次和3n次諧波Ddy354154僅按諧波頻率選擇衰減次數(shù)降低諧波電流THDI13僅削減5次和7次諧波(12脈沖整流、移相式濾波器)66無諧波有源濾波器

諧波治理的六種解決方法5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法

增大系統(tǒng)容量用一臺1,000KVA的變壓器只為一套6脈沖整流橋供電，當(dāng)整流器產(chǎn)生的諧波頻譜為：H5=25%、H7=14%、H11=9%、H13=8%…時，代入下述公式得到：功率折算系數(shù)為當(dāng)負(fù)載的非線性越大時，功率折算系數(shù)越??；需要增加的系統(tǒng)容量就越大。5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法此例只說明諧波對供電容量的需求增加，不考慮其它因素

△型/Y型變壓器三次諧波和3n次諧波在△繞組中形成環(huán)流，在輸入端消除3n次諧波。5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法

12脈沖整流器采用兩組6脈沖整流器經(jīng)30°移相后迭加，消除：6K±1次諧波（K為整數(shù)），因此總諧波失真由第11次計起有：在相同條件下約為6脈沖整流器THDI（30％）的二分之一5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法專利號：

FR2517489-EP0080925-US449812申請日期：19811130專利描述：Staticconverterwithelectricvalvescomprisingatwelve-phaseconnectionwithtwoGraetzbridgesforthesuppressionofharmonics5and7ofnetworkcurrent

由兩個Graetz整流橋組成的、可抑制電網(wǎng)中5、7次諧波電流的12相可控硅靜態(tài)變換器應(yīng)用：Alpase4000（83年）、EPS5000（89年），以及后來的Galaxy（93年）；從1997年推出GalaxyPW機型起取消12脈沖整流器選件。停產(chǎn)原因：1、效率低，損耗大；2、效果差，不滿足新的IEC61000-3-4標(biāo)準(zhǔn)3、被新產(chǎn)品取代。梅蘭日蘭最早將12脈沖整流器應(yīng)用于UPS上5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法假設(shè)UPS之前采用串聯(lián)電抗器LF作為諧波抑制，其等效電路如下圖所示；

串聯(lián)電抗器如果電源和線路阻抗為Ls，e為理想電壓源，B點的電壓失真度THDU為D’，則A點的電壓失真度為D：5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法將D’看作一個由負(fù)載產(chǎn)生的諧波電壓源，而D是這個諧波源單獨作用時在LS上的壓降。其實質(zhì)是利用阻抗（感性）對高頻電流的抑制作用，降低諧波電流對上線電壓的影響

調(diào)諧式濾波器（LC濾波器）當(dāng)UPS之前采用LC調(diào)諧式濾波器作為諧波抑制時，其等效電路如右圖所示：阻抗Zpn的等效電抗XΩ和等效阻抗ZΩ如右圖所示；當(dāng)忽略濾波器電阻r時，可產(chǎn)生如下串聯(lián)諧振(阻抗最低、電流最大)頻率fr：5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法濾波器在低頻（50HZ）呈容性，在諧振頻率點呈阻性，對更高的頻率呈感性如果電源和線路阻抗為Ls、濾波器的串聯(lián)電抗器阻抗為L’F、電容CP和并聯(lián)電抗器的阻抗為LP，則輸入端的第n次諧波電流為：

調(diào)諧式濾波器5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法可以將I’H看做一個諧波電流源，IH是在該電流源單獨作用下，在LS+L’F支路的分流。其實質(zhì)是負(fù)載所需的n次諧波電流由濾波電路提供，或說負(fù)載發(fā)出的n次諧波電流將通過阻抗很低的LC濾波電路，而不通過阻抗較高的供電電源電路，也可以說負(fù)載與阻抗較低的LC濾波電路進(jìn)行第n次諧波的能量交換，而不需要與電源進(jìn)行交換。I’Hn－負(fù)載需要的諧波電流；Ihn－電源提供的諧波電流，Zpn、ZSn－n次諧波的阻抗THDI=5%PF=0.95THDI=5%PF=0.90THDI=5%PF=0.95

調(diào)諧式濾波器5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法

有源濾波器5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法有源濾波器6SCR+6IGBT（有源的12脈沖整流器）最有效的諧波治理設(shè)備L1C-2-1,5-1-0,500,511,52L2L3+-UPS整流器

I1I2I3I1-I2-I3電源為正弦波電流I1I2I3電源輸入斷路器5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法——SineWave的工作原理

當(dāng)不加SINEWAVE時市電輸入電流＝負(fù)載諧波電流=5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法——SineWave的工作原理SineWave當(dāng)補償諧波電流＝負(fù)載諧波電流時，電源諧波電流＝0－－使補償諧波電流與負(fù)載吸收的諧波電流一致，電源只需提供負(fù)載所需要的基波電流+==+5機房供電系統(tǒng)諧波治理的主要方法——SineWa