电力系统谐波----基本原理、分析方法、抑制方法

電力系統諧波----基本原理、分析方法、抑制方法

【摘要】

变频器在工业生产中无可比拟的优越性，使越来越多的系统和装置采用变频器驱动方案，而且采用变频器驱动电动机系统因其节能效果明显，调节方便维护简单，网络化等优点，而被越来越多应用，但它非线性，冲击性用电工作方式，带来干扰问题亦倍受关注。一台变频器来讲，它输入端和输出端都会产生高次谐波，输入端谐波会输入电源线对公用电网产生影响。本文从变频器产生的谐波原理、谐波测试分析方法，谐波的抑制方法方面进行探讨。

【关键词】

电力系统，变频器，谐波分析，谐波抑制。

【引言】

谐波存在于电力系统已经很多年了，但是，近年来，随着技术的发展成熟，越来越多的设备系统为提高可靠性和效率广泛采用电力电子变频器，而且电力公司为降低设备所需的额定值以及线路损耗和电压降落，强制要求电力用户提高其自身的功率因数，而电力用户及工厂端改善功率因数的方法是使用功率因数补偿器—电容模组，这两种情况的出现，使得电力系统的谐波问题变得更加严重。

电力用户和工厂端普遍使用的变速传动和电力电子设备是产生这一现象的根源，而这些设备与功率因数校正电容模组之间的相互作用导致了电压和电流的放大效应；半导体电子工业的迅猛发展也导致了大批精密设备的诞生，与过去粗笨的设备相比，这些设备对电力公司供给的电能质量更加敏感，但同时也导致交流电流和电压稳态波形的畸变。

而为了得到可靠清洁的电力能源，人们必须面对电流和电压畸变的问题，而电流和电压的畸变的主要形式是谐波畸变。

【正文】

一、变频器谐波产生

从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两大类。间接变频将工频电流整流器变成直流，然后再由逆变器将直流变换成可控频率交流。直接变频器则将工频交流变换成可控频率交流，没有中间直流环节。它每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联可逆线路。正反两组按一定周期相互切换，负荷上就获了交变输出电压，幅值决定于各整流装置控制角，频率决定于两组整流装置切换频率。目前应用较多间接变频器。

间接变频有三种不同结构形式：（1）用可控整流器变压，用逆变器变频，调压和调频分别是两个环节上进行，两者要控制电路上协调配合。（2）用不控整流器整流斩波器变压、逆变器变频，这种变频器整流环节用斩波器，用脉宽调压（3）用不控整流器整流，PWM逆变器同时变频，这种变频器采用可控关断全控式器件（如IGBT等）输出波形才会非常逼真正弦波。

无论是哪一种变频器，都大量使用了晶扎管等非线性电力电子元件，采用哪种整流方式，变频器从电网中吸取能量方式均非连续正弦波，以脉动断续方式向

电网索取电流，这种脉动电流和电网沿路阻抗共同形成脉动电压降叠加电网电压上，使电压发生畸变，经傅里叶分析可知，这种非同期正弦波电流是频率相同基波和频率大于基波频率谐波组成

二、谐波的基本原理

1、谐波表示法

谐波是畸变周期波形的分量，它们的频率是基波频率的整数倍。

对谐波的定量分析通常采用傅里叶分析法，傅里叶级数是一种研究和分析谐波畸变的有效方法。

任何周期性函数都可以被展开为傅里叶级数：

式中:f(t)-----一个频率为的周期函数，其角频率,周期

;

-----基波分量

------第h次谐波，它的幅值为，频率为,

相位为傅里叶级数的系数由下式给出：

)

如：

采用傅里叶展开表示为：

1

()sin()

h

h

f t B h t

ω

=

=∑

即：

2、谐波畸变分量的度量方法

将一个畸变的周期电流或电压波形展开成傅里叶级数，可以用下面的式子来表示：

式中

----第h次谐波峰值电流

----第h次谐波峰值电压

----第h次谐波电流相位

----第h次谐波电压相位

----第h次谐波峰值电流

----基波角频率，

----基波频率，

=50或=60

3、电压和电流有效值

000

00

11

()(sin()sin(5)sin(7)

57

11

sin(11)sin(13)........)

1113

f t t t t

t t

ωωω

π

ωω

=--

++

1

()[sin()]

h h

h

i t I h t

ωφ

∞

=

=+

∑

1

()[sin()]

h h

h

v t V h t

ωφ

∞

=

=+

∑

rms

V=

rms

I=

4电压和电流的畸变因数（总谐波畸变率THD ）

5、含有谐波是的功率表示 有功功率P

其平均值为：

视在功率S

无功功率Q

畸变功率D

功率因数是用功功率对视在功率的比值，即

三、 变频器系统谐波计算

国标GB/T14549-93《电能质量公用电网谐波》规定电网所允许的谐波含量 及电力用户所允许投入电网的含量。

V THD ==

I THD =

=()()()p t u t i t =0

1()T

P p t dt

T =?1

cos()

hrms hrms h h h V I θφ∞

==-∑rms rms

S V I

==

S =2222()

D S P Q =-+P pf S

=

国标规定

短路容量是指电力系统在规定的运行方式下短路电流与短路处的额定电压的乘积，它是表征电力系统供电能力强弱的特征参数。短路容量是对电力系统的某一供电点而言，表征了该点的如下重要性能：1、该点带负荷的能力和电压稳定性，2、该点与电力系统电源之间联系的强弱，3、该点发生短路时，短路电流的水平；随着电力系统容量的扩大，系统短路容量的水平也增大。

额定短路容量是指在电力系统所带额定容量运行下，短路电流与额定电压的乘积所得到的系统容量；

实际短路容量是指电力系统中所带实际电气设备容量在发生短路时的短路容量。所以实际电网电网所运行的谐波电流值：

Ih=IGB（Sr/Sj）

其中：Ih为各次谐波电流允许限值；

IGB为基准短路容量下各次谐波电流限值；

Sr为实际短路容量，单位MVA；

Sj为基准短路容量，单位MVA

电力用户投入电网的谐波电流允许值：

Ihi=Ih（Si/St）1/a

其中：Si为用户的用电协议容量或最大负荷容量，MVA；

St为供电设备容量，MVA；

Ihi为折算后的各次谐波电流允许值；

a为相位叠加系数

系统中所加变频器产生的谐波电流计算：

I’e=Ie×（0.38/标准电压）

其中：I’e为折算后的额定电流；

Ie为变频器的额定电流。

Ih=I’e×谐波含量（%）×负载率

其中：谐波含量按下表计算

负载率按实际应用（计算时按80%)

基准短路容量下各次谐波电流允许值

两个及以上谐波源在同一节点同一相上引起的同次谐波电流叠加的计算式

其中：Ih1 谐波源1 的第h 次谐波电流 A

Ih2 谐波源2 的第h 次谐波电流A

Kh 系数按下表选取

在实际应用中，谐波含量的计算误差很大，所得到的计算结果只可作为参考值而已，系统中实际的谐波含量应以实际的测量值为准。目前谐波含量测试工具有FLUK434功率分析仪等测试工具。

四、变频器谐波抑制方法

变频器方便、高效和巨大利益同时，对电网注入了大量谐波和无功功率，使电能质量不断恶化。另外，以计算机为代表大量敏感设备普及应用，人们对公用电网供电质量要求越来越高，许多国家和区已经制定了各自谐波标准。我国也分别于1984年就及1993年分别了“电力系统谐波管理规定”和“GB/T—14549—93标准，限制供电系统及用电设备谐波污染。

抑制谐波方法基本思路有三，其一是装设谐波补偿装置来补偿谐波，其二是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1，其三是市电网络中采用适当措施来抑制谐波，具体方法有以下几种：

（1）安装适当电抗器

变频器输入侧功率因数取决于装置内部AC-DC变换电路系统，可利用并联功率因数校正DC电抗器，电源侧串联AC电抗器方法，可使进线电流THDI大约降低30%-50%，是不加电抗器谐波电流一半左右。

（2）装设有源电力滤波器

除使用传统LC滤波器之外，目前谐波抑制一个重要趋势是采用有源电力滤波器。它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等，方向想反补偿电流，使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统影响，无谐波放大危险，倍受关注。

（3）采用多相脉冲整流

在条件允许或是要求谐波限制比较小情况下，可采用多相整流方法。12相脉冲

整流THDI大约为10%-15%，18相脉冲整流THDV约为3%-8%，满足国际标准要求。缺点是需要专用变压器，不利于设备改造，价格较高。

（4）使用滤波模块组件

目前市场上有很多专门用于抗传导干扰滤波模件或组件。这些滤波器具有较强干扰能力，同时还能防止电器本身干扰传导给电源，同时还兼有尖峰电压吸收功能，对各类用电设备有很多好处。

（5）开发新型变频器

新型变频器减少谐波主要方法是采用多重化技术。新型变频器的整流器主要由IGBT等新型电力器件，采用PWM控制可构成四象限交流调速用变频器。这种变频器输出电压、电流为正弦波，输入电流也为正弦波，且功率因数为1，还可以实现能量双向传递，代表了新一技术发展方向。

【结束语】

变频器使用给人们带来了方便和巨大利益，它必将更为普遍使用。它所特有工作方式，必定给公用电网带来了一定破坏，成为电网谐波污染源之一，分析和研究抑制谐波方法将成为一个非常重要课题。