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1、電氣化鐵道 并聯(lián)綜合補(bǔ)償及其應(yīng)用,諧波定義 供電系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波。諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1) 稱為諧波次數(shù)。電網(wǎng)中有時(shí)也存在非整數(shù)倍諧波，稱為非諧波（Non-harmonics)或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實(shí)際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到“污染”。電工技術(shù)領(lǐng)域主要研究諧波的發(fā)生、傳輸、測量、危害及抑制，其頻率范圍一般 為2≤n≤40。,4 諧波及諧波阻抗特性,4.1 概述,用Fourier級數(shù)表示,,設(shè)用周期為T的函數(shù)表示實(shí)際畸變電流或電壓,,,交—直型電力牽

2、引負(fù)荷是單相整流負(fù)荷，主要含有奇次諧波,,諧波的產(chǎn)生 向公用電網(wǎng)注入諧波電流或在公用電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波電壓的電氣設(shè)備稱為諧波源。,非正弦電壓作用于線性負(fù)載或系統(tǒng) 正弦電壓作用于非線性系統(tǒng) 具有非線性特性的電氣設(shè)備是主要的諧波源，例如帶有功率電子器件的變流設(shè)備，交流控制器和電弧爐、感應(yīng)爐、熒光燈、變壓器等。這些設(shè)備取用的電流是非正弦形的，其諧波分量使系統(tǒng)正弦電壓產(chǎn)生畸變。諧波電流的量取決于諧波源設(shè)備本身的特性及其工作狀況，而與電網(wǎng)參數(shù)無關(guān)，故可視為恒流源。,,第一種諧波產(chǎn)生方式：非正弦電壓作用于線性網(wǎng)絡(luò)。 從線性網(wǎng)絡(luò)觀之，可視非正弦電壓為內(nèi)阻很低的諧波電壓源，或直接視為諧波電壓源。電力

3、系統(tǒng)中這類諧波源主要描述處于逆變狀態(tài)下的換流裝置對交流系統(tǒng)的作用。 第二種諧波產(chǎn)生方式：正弦電壓作用于非線性系統(tǒng)。 從交流系統(tǒng)看非線性系統(tǒng)，則非線性系統(tǒng)表現(xiàn)為內(nèi)阻很低的諧波電流源，或直接視為諧波電流源。 具有非線性特性的電氣設(shè)備是主要的諧波源，諧波電流的量取決于諧波源設(shè)備本身的特性及其工作狀況，而與電網(wǎng)參數(shù)無關(guān)，故可視為恒流源。,,,1、非線性電磁耦合裝置 幾乎所有帶鐵芯的裝置，像電力變壓器、靜止補(bǔ)償裝置的飽和電抗器等通常都具有非線性伏安特性，故即使正弦電壓作用下也會使電流波形畸變，其中以3次諧波為主。磁路嚴(yán)重飽和（如暫態(tài)過程中的直流分量作用）時(shí)，電流波形畸變加劇，除3次及3的整數(shù)倍諧波

4、電流外的高次諧波愈加顯著，同時(shí)也使系統(tǒng)電壓的波形畸變。 一般變壓器和電抗器的空載合閘涌流可達(dá)額定電流的6~8倍，此時(shí)諧波分量極為明顯。但正常工作時(shí)變壓器的飽和非線性及產(chǎn)生的諧波可予不記，而飽和電抗器的正常工作產(chǎn)生的諧波通常因配有較好的濾波裝置而不對交流系統(tǒng)產(chǎn)生過大影響。,,2. 換流裝置 相對三相系統(tǒng)而言，這些換流裝置可進(jìn)一步分為對稱換流裝置和不對稱換流裝置。 對稱換流裝置中最簡單的和具有原理性的是三相換流橋，它又分為三相全控（使用6晶閘管即可控硅）橋，三相半控（用3個(gè)可控硅和價(jià)格便宜的3支二極管）橋和三相不控（用6支二極管）橋三種。 三相不控橋：整流，自然換相，電壓不可調(diào) 半控橋：整流

5、，改變?nèi)Э煽毓璧目刂平强烧{(diào)電壓 全控橋：整流，逆變，電壓可調(diào),,p相換流裝置，其諧波次數(shù)為,,認(rèn)為直流側(cè)輸出理想直流電流時(shí)，則交流側(cè)（波形為方波）的諧波電流含量,,相數(shù)倍增法。工程中有6相，12相，24相等的應(yīng)用，并通過3-相變壓器（配以移相裝置）完成倍相變換。p相換流裝置正常工作時(shí)只產(chǎn)生部分奇次諧波而不產(chǎn)生偶次諧波。,,,,廣義地看，基波以外的頻率信號都稱之為諧波。通常， 諧波：把基波整倍數(shù)頻率的正弦信號分量稱為諧波 分?jǐn)?shù)諧波：基波分?jǐn)?shù)倍數(shù)的諧波稱為分?jǐn)?shù)諧波 次諧波：小于1的分?jǐn)?shù)對應(yīng)的諧波稱為次諧波 （中）間諧波：大于1的分?jǐn)?shù)對應(yīng)的諧波稱為交互諧波或中間諧波。 特征諧波是指定系統(tǒng)（裝置）

6、正常運(yùn)行所產(chǎn)生的諧波。如三相整流橋產(chǎn)生的5、7、11、13、17、19等次諧波為其特征諧波，電力機(jī)車產(chǎn)生的3、5、7、9等次諧波以外的諧波稱為非特征諧波，它通常在3及以上相的換流裝置中因電壓不平衡、相或觸發(fā)不對稱以及其他不正常情況下而造成。,變壓器激磁電流中含有3，5，7等各次諧波分量。由于變壓器的原副邊繞組中總有一組為角形接法，為3次諧波提供了通路，故3次諧波電流不流入電網(wǎng)。但當(dāng)各相激磁電流不平衡時(shí)，可使3次諧波的殘余分量（最多可達(dá)20%）進(jìn)入電網(wǎng)。 當(dāng)電網(wǎng)接有多個(gè)諧波源時(shí)，由于各諧波源的同次諧波電流分量的相位不同，其和將小于各分量的算術(shù)和。,諧波污染對電網(wǎng)及用戶的主要影響 諧波電流對電力

7、系統(tǒng)發(fā)電機(jī)的不良影響 ①諧波電流流入三相定子繞組時(shí)，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，引起振動扭矩。諧波旋轉(zhuǎn)磁場對轉(zhuǎn)子以數(shù)倍同步轉(zhuǎn)速的速度相交鏈，因此在轉(zhuǎn)子回路中感應(yīng)出數(shù)倍基波頻率的電壓和電流。由定子的諧波旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子的激磁電流以及由定子的工作旋轉(zhuǎn)磁場與諧波在轉(zhuǎn)子中感應(yīng)的電流相互作用而產(chǎn)生的交變電磁力矩，傳到轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)軸和定子機(jī)座上，引起額外的振動扭矩。 ②諧波電流流入三相定子繞組時(shí)，還增加定子繞組和定子鐵芯的附加電能損失和發(fā)熱。 ③引起轉(zhuǎn)子激磁繞組的附加發(fā)熱。當(dāng)諧波電流與負(fù)序電流同時(shí)流入三相定子繞組時(shí)，則在轉(zhuǎn)子激磁繞組回路中感應(yīng)出6倍或12倍基波頻率的電流。該電流引起附加的電能損失和發(fā)熱。,④引起阻尼繞組過熱，以

8、致?lián)p壞。由于諧波旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子上的阻尼繞組中感應(yīng)出電勢而引起電流。當(dāng)感應(yīng)電流過大時(shí)，會導(dǎo)致阻尼繞組過熱，以致?lián)p壞。 諧波電流對感應(yīng)電動機(jī)的不良影響 感應(yīng)電動機(jī)的諧波功率損失主要是銅損，當(dāng)流過感應(yīng)電動機(jī)的諧波電流增大時(shí)，其鐵芯齒部磁飽和增大，使基波電抗和諧波電抗都減小，因而使諧波功率損失增大。此外，磁飽和也會引起激磁阻抗和基波負(fù)序阻抗減小。在感應(yīng)電動機(jī)的端電壓和基波負(fù)序電壓一定時(shí)，激磁電流和負(fù)序電流引起的銅損也會增大。從而引起附加發(fā)熱增大。諧波電流對電力系統(tǒng)電氣計(jì)量儀表的不良影響 高次諧波對電氣計(jì)量儀表，特別是電能計(jì)量儀表，影響較大。這是因?yàn)楝F(xiàn)在使用的功率表并沒有關(guān)于受高次諧波和功率因數(shù)影響而產(chǎn)

9、生誤差的限制措施。,諧波電流對電力系統(tǒng)變壓器的不良影響 由于諧波電流流入變壓器產(chǎn)生的鐵芯磁滯現(xiàn)象會引起噪音增大。此外，還會由高次諧波電流、電壓而引起的附加鐵損和銅損，使變壓器總電能損失增大，容量利用率減小。 造成電網(wǎng)功率損耗增加，線路和設(shè)備過熱； 引起變電站局部的并聯(lián)或串聯(lián)諧振，造成電力設(shè)備損壞； 造成繼電保護(hù)和自動裝置誤動作； 增大磁場干擾，影響電子儀表和通信系統(tǒng)的正常工作，降低通信質(zhì)量。,國外電力專家對諧波標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)識 (1) 諧波標(biāo)準(zhǔn)制定受經(jīng)驗(yàn)影響，各國的經(jīng)驗(yàn)都是在諧波問題長期研究和治理過程中逐步積累的，各國形成諧波標(biāo)準(zhǔn)時(shí)考慮的因素也是多樣化的，很少有標(biāo)準(zhǔn)是完全建立在對系統(tǒng)特性的詳細(xì)理論研

10、究基礎(chǔ)上，所以標(biāo)準(zhǔn)在形式上大多是趨于經(jīng)驗(yàn)和保守的。 (2) 各國在制定諧波標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，充分考慮了本國電力系統(tǒng)的特殊性以及多種關(guān)注因素。不同國家的標(biāo)準(zhǔn)，例如英國和新西蘭標(biāo)準(zhǔn)，存在較大差異也是正常的。 脫離各國背景，評論不同國家標(biāo)準(zhǔn)優(yōu)劣是沒有意義的;同樣,不了解本國實(shí)際情況套用他國標(biāo)準(zhǔn)也是不妥的。,(3) 各國諧波標(biāo)準(zhǔn)反映的是當(dāng)前時(shí)期本國電網(wǎng)和非線性用戶之間達(dá)成的平衡或妥協(xié)，所以諧波標(biāo)準(zhǔn)不是永久不變的，諧波標(biāo)準(zhǔn)的執(zhí)行也不是僵硬的。 (4) 用戶在諧波標(biāo)準(zhǔn)下的權(quán)益應(yīng)予充分關(guān)注。 我國自20世紀(jì)80年代起開展電力諧波研究，并已取得眾多基礎(chǔ)性成果。 諧波國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-93《電能質(zhì)

11、量 公用電網(wǎng)諧波》自1994年3月起開始實(shí)施。 基于IEC 61000-3-6技術(shù)文件的國家標(biāo)準(zhǔn)化指導(dǎo)性技術(shù)文件GB/Z 17625.4-2000 《電磁兼容 限值 中、高壓電力系統(tǒng)中畸變負(fù)荷發(fā)射限值的評估》也于2000年12月頒布。,在電氣化鐵道諧波評估方面，我國電力和鐵路部門長期以來存在較大爭議。 綜合考慮國內(nèi)外經(jīng)驗(yàn)，我國鐵路專家認(rèn)為對電氣化鐵路諧波考核應(yīng)主要針對諧波電壓，采用總量控制方法，以電鐵總諧波電壓畸變率作為諧波限值，不再對各次諧波電流進(jìn)行評估。 鐵路專家認(rèn)為牽引變電所作為電氣化鐵路諧波源頭，如果控制其110 kV（或220 kV）母線總諧波電壓畸變率不超標(biāo)，那么連接它的公共

12、連接點(diǎn)的總諧波電壓畸變率必然不會超標(biāo)。 英、美、加拿大等國對電氣化鐵路側(cè)重諧波電壓考核。,傳統(tǒng)功率理論,單相正弦電路功率理論,,,有功功率P （平均功率）,,電路的無功功率,工程上還把設(shè)備的電壓和電流的有效值的乘積作為其功率設(shè)計(jì)的極限，用來表示設(shè)備的最大可利用容量。即視在功率,,S為有功P的最大值。P越接近S則說明設(shè)備的容量利用得越充分。 功率因數(shù):,,非正弦不平衡條件下的電壓量和電流量 假設(shè)非正弦相電壓和線電流定義如下（b、c相類似）,相電壓和線電流的方均根值和諧波分量有關(guān),區(qū)分了基頻和非基頻分量（總諧波）,三相三線制電力系統(tǒng)沒有中性線電流，有效三相電壓和電流的計(jì)算表示為,三相三線制電力系統(tǒng)

13、與無法采用人為中性點(diǎn)來測量相電壓，則有效三相電壓可以用相間電壓方均根值計(jì)算,三相三線制電力系統(tǒng)中有效電壓和有效電流的基頻和非基頻分量定義為,有效三相電壓和電流,電壓總諧波畸變率和電流總諧波畸變率,視在功率定義:廣泛使用的是在功率定義可以區(qū)分為算數(shù)或矢量視在功率方法，IEEE1459-2000中闡述并論證了有效（或系統(tǒng)）是在功率是最合適的定義。,三相算術(shù)視在功率,1、算術(shù)視在功率：單相電力系統(tǒng)的Budeanu功率定義,三相矢量視在功率,2、矢量視在功率,三相總有功功率、Budeanu無功功率、畸變功率視在功率,3、有效視在功率,三相有效視在功率可以用基頻與非基頻電壓和電流分量表示,三相有效視在功

14、率包括基頻視在功率和非基頻視在功率,非基頻視在功率包括三個(gè)畸變分量,,,,電流畸變功率,電壓畸變功率,諧波畸變功率,非基頻視在功率包括三個(gè)畸變分量,,,,電流畸變功率,電壓畸變功率,諧波畸變功率,有效諧波視在功率與諧波畸變功率、有效諧波有功功率有關(guān),,,,有效諧波視在功率,有效諧波有功功率,諧波畸變功率,4、基頻有功功率和無功功率：基于正序分量計(jì)算,5、功率因數(shù)定義,電力系統(tǒng)諧波阻抗與特性,電力系統(tǒng)的諧波阻抗就是指系統(tǒng)模型中指定節(jié)點(diǎn)的諧波阻抗隨頻率變化的規(guī)律 。,,極坐標(biāo)曲線,阻抗模值曲線,阻抗角曲線,阻抗角導(dǎo)數(shù),,,諧振分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振。研究諧波阻抗特性最重要的就是研究系統(tǒng)中發(fā)生（局部

15、）諧振時(shí)的阻抗特性，并找出規(guī)律，識別發(fā)生了哪種諧振,,,,并聯(lián)方式,串聯(lián)方式,,,,,,,,,,,并聯(lián)方式,并聯(lián)方式的節(jié)點(diǎn)阻抗,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,設(shè)虛框內(nèi)在基波下有相同的端口特性,并聯(lián)諧振的阻抗特性: 1、阻抗模值取得極大值，為純阻性； 2、電抗由感性變?yōu)槿菪裕?并聯(lián)諧振的阻抗特性: 3、阻抗角由正變負(fù)，阻抗角過零處，阻抗角導(dǎo)數(shù)取得極小值 串聯(lián)諧振的阻抗特性: 3、阻抗角由負(fù)變正，阻抗角過零處，阻抗角導(dǎo)數(shù)取得極大值,串聯(lián)諧振的阻抗特性: 1、阻抗模值取得極小值，為純阻性； 2、電抗由容性變?yōu)楦行裕?結(jié)論4-1 局部并聯(lián)諧振 使節(jié)點(diǎn)阻抗模

16、值 取得極大值，阻抗角 由大最快變小，即 為極小值（負(fù)最大值）； 局部串聯(lián)諧振 恰好相反，節(jié)點(diǎn)阻抗模值 為最小值，阻抗角 由小最快變大，即 為極大值（正最大值）。,,,,,,,,,,,,并聯(lián)諧振：諧波阻抗取得極大值 諧波阻抗角由正變負(fù),串聯(lián)諧振：諧波阻抗取得極小值 諧波阻抗角由負(fù)變正,并聯(lián)諧振：↓X過零，由正變負(fù),串聯(lián)諧振：↑X過零，由負(fù)變正,無源交流濾波器分類： 1 按接入系統(tǒng)的方式，可分為串聯(lián)和并聯(lián)兩種類型。 串聯(lián)濾波器 串入系統(tǒng) 調(diào)諧濾波器，利用L－C并聯(lián)諧振來阻礙諧波進(jìn)入系統(tǒng) 基波下呈感性 經(jīng)受全部電流，絕緣水平要求高 并聯(lián)濾波器

17、 并入系統(tǒng) 調(diào)諧濾波器，利用L－C串聯(lián)諧振構(gòu)成諧波通路 基波下呈容性 承受調(diào)諧的諧波電流和部分無功電流,,,,,,,,,2 按調(diào)諧銳度，可把并聯(lián)濾波器分為調(diào)諧濾波器和阻尼濾波器兩種 調(diào)諧濾波器 調(diào)諧在某一、二次較低次諧波上 ，其中串聯(lián)（等效）電阻很小，也稱高Q（品質(zhì)因數(shù)）濾波器 。 阻尼濾波器 在某一寬頻帶上呈現(xiàn)低阻抗（如高通阻尼濾波器），其（等效）電阻較大，也稱低Q濾波器 。 3 按階數(shù)可把并聯(lián)濾波器中的阻尼濾波器分為一階、二階和三階等阻尼濾波器。,,,,,,,,,常用濾波器及其特性 1 調(diào)諧濾波器 單調(diào)諧濾波器 忽略電阻，相對阻頻特性為 其中 為單調(diào)諧支路的固有頻率,,,,,,,,

18、,,,雙調(diào)諧濾波器,,,,,,,,,,,,,,阻抗頻率特性,,,在接近諧振頻率時(shí)，雙調(diào)諧濾波器可等效成兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波支路。,調(diào)諧濾波器對自身元件參數(shù)精度要求更高。環(huán)境溫度引起的元件參數(shù)變化以及電網(wǎng)頻率偏移都會使調(diào)諧濾波器失諧，考慮到這些因素就不能使調(diào)諧濾波器正好設(shè)計(jì)在某一次諧波的諧振點(diǎn)上，而是要往感性區(qū)作適當(dāng)偏移。,2 阻尼濾波器（高通濾波器） 一階阻尼濾波器 二階阻尼濾波器,,,,,,,,,三階阻尼濾波器 三階阻尼濾波器 C型濾波器 調(diào)諧濾波器比阻尼濾波器對元件參數(shù)精度要求高。 元件參數(shù)變化及電網(wǎng)頻率偏移都會使調(diào)諧濾波器失諧。設(shè)計(jì)時(shí)，需要在諧振點(diǎn)上向感性區(qū)做適當(dāng)偏移。,,,,,,,,,四、濾波原理與系統(tǒng)阻抗 非線性負(fù)荷一般可視為諧波電流源。 系統(tǒng)諧波電流和諧波電壓分別為 理想濾波器時(shí)，,,,,,,,,,,,,實(shí)際濾波效果取決于濾波器阻抗及系統(tǒng)阻抗的關(guān)系。 為感性且較大時(shí)，則能取得好的濾波效果。 為容性時(shí)，就會造成h次諧波的放大 。,