第二章-諧波的產(chǎn)生

1、中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所第二章 諧波的產(chǎn)生授課老師：危韌勇授課老師：危韌勇E-mail：時(shí)間：時(shí)間：1/7/2022中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所非線性負(fù)荷用電量的年增長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于發(fā)電量年增長(zhǎng)率，這是非線性負(fù)荷用電量的年增長(zhǎng)率遠(yuǎn)高于發(fā)電量年增長(zhǎng)率，這是電網(wǎng)的諧波迅速惡化的根源，非線性負(fù)荷用電量的來(lái)勢(shì)兇猛，電網(wǎng)的諧波迅速惡化的根源，非線性負(fù)荷用電量的來(lái)勢(shì)兇猛，這必然帶來(lái)尚不能被認(rèn)識(shí)的新問(wèn)題。這必然帶來(lái)尚不能被認(rèn)識(shí)的新問(wèn)題。諧波源是電網(wǎng)諧波問(wèn)題的根源。當(dāng)前，重要的諧波源（非線諧波源是電網(wǎng)諧波問(wèn)題的根

2、源。當(dāng)前，重要的諧波源（非線性負(fù)荷用電設(shè)備）依次是電力整流器、逆變器、變頻裝置等性負(fù)荷用電設(shè)備）依次是電力整流器、逆變器、變頻裝置等換流裝置占諧波源總數(shù)的換流裝置占諧波源總數(shù)的66；家用電器占諧波源總數(shù)的；家用電器占諧波源總數(shù)的23以及電弧爐等。這里可以看出換流裝置和家用電器兩大部以及電弧爐等。這里可以看出換流裝置和家用電器兩大部分完全占據(jù)了核心位置。因此，在高新技術(shù)電力電子應(yīng)用領(lǐng)分完全占據(jù)了核心位置。因此，在高新技術(shù)電力電子應(yīng)用領(lǐng)域中，分析掌握新生的諧波源的特性及其運(yùn)行狀態(tài)，使得節(jié)域中，分析掌握新生的諧波源的特性及其運(yùn)行狀態(tài)，使得節(jié)能減排與諧波治理達(dá)到完美結(jié)合，這也是迫切需要深入研究能減排與

3、諧波治理達(dá)到完美結(jié)合，這也是迫切需要深入研究的新問(wèn)題。的新問(wèn)題。中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所諧波源的分類諧波源的分類 傳統(tǒng)非線性設(shè)備傳統(tǒng)非線性設(shè)備 變壓器變壓器 旋轉(zhuǎn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)電機(jī) 電弧爐電弧爐 現(xiàn)代電力電子非線性設(shè)備現(xiàn)代電力電子非線性設(shè)備 熒光燈熒光燈 電子控制裝置和開(kāi)關(guān)、電源電子控制裝置和開(kāi)關(guān)、電源 晶閘管控制設(shè)備（整流器、逆變器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、晶閘管控制設(shè)備（整流器、逆變器、靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置、變頻器、高壓直流輸電設(shè)備等）變頻器、高壓直流輸電設(shè)備等）中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所諧波來(lái)源家用

4、電器家用電器電子鎮(zhèn)流器電子鎮(zhèn)流器調(diào)速傳動(dòng)裝置調(diào)速傳動(dòng)裝置n產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備產(chǎn)生諧波的電氣設(shè)備開(kāi)關(guān)模式電源開(kāi)關(guān)模式電源變壓器變壓器電弧爐電弧爐中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所諧波來(lái)源中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所Z1Z2Z3L1L2L3NIh1Ih1Ih1Ih3Ih3Ih33xIh3三相電源為單相負(fù)載供電三相電源為單相負(fù)載供電: 三次諧波在中性線上迭加三次諧波在中性線上迭加090180270360450-202A相B相C相三次諧波、A相三次諧波、B相三次諧波、C相中線的三次諧波I中性線I中性線中性線

5、= 3xIh3（各相的各相的3次諧波電流同相位）次諧波電流同相位）Z1, Z2, Z3 : 非線性負(fù)載非線性負(fù)載中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所n可控硅整流器的特征可控硅整流器的特征三相對(duì)稱負(fù)載三相對(duì)稱負(fù)載6 6可控硅整流橋產(chǎn)生大量的可控硅整流橋產(chǎn)生大量的5 5次、次、7 7次、次、1111次、次、1313次諧波次諧波電流電流.負(fù)載其它負(fù)載整流器輸入電流控制上線的諧波GTHDUTHDI濾波器降低整流器的諧波主要是為了避免諧波電流騷擾在上線并聯(lián)的其它負(fù)載，保證供電系統(tǒng)的電壓失真度THDU，滿足有關(guān)諧波騷擾的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定?？煽毓枵髌髫?fù)載可控硅整流器負(fù)載

6、 UPSUPS、變頻調(diào)速器等電子設(shè)備屬于這種電路、變頻調(diào)速器等電子設(shè)備屬于這種電路中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所可控硅整流器負(fù)載可控硅整流器負(fù)載 UPSUPS、變頻調(diào)速器等電子設(shè)備屬于這種電路、變頻調(diào)速器等電子設(shè)備屬于這種電路典型的三相負(fù)載135791113H1=100%, H3=5%., H5=40%, H7=20%, H9=1%, H11=7%, H13=5% THDI=45.8%!L1ZCL2L3e1e2e3i IIs中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所-2.5-2-1.5-1-0.500.511.

7、522.5圖（無(wú)電抗器）圖（無(wú)電抗器）C Ce1e1e2e2e3e3Mi I Isn 3 3相負(fù)載相負(fù)載n 產(chǎn)生產(chǎn)生5 5，7 7，1111，1313的高諧波電流的高諧波電流n 電流是不穩(wěn)定的電流是不穩(wěn)定的 諧波電流是諧波電流是S=23KVA THDI=124%S=23KVA THDI=124%諧波頻譜諧波頻譜81% H5, 74% H7, 42% H11, .81% H5, 74% H7, 42% H11, .H11H13H17H19H21H23050100H1H5H7變速傳動(dòng)裝置變速傳動(dòng)裝置nnn中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所02040608

8、0100H1H5H7H11H13H17H19S=122KVA THDI=30%S=122KVA THDI=30%諧波電流是諧波電流是圖圖L1L1Z ZC CL2L2L3L3e1e1e2e2e3e3i I Is 諧波頻譜諧波頻譜28% H5, 5% H7, 6% H11, .28% H5, 5% H7, 6% H11, .n 3 3相負(fù)載相負(fù)載n 控制控制GratzGratz（格拉茨）橋（格拉茨）橋n 產(chǎn)生產(chǎn)生5 5，7 7，1111，1313，的諧波電流的諧波電流整流器整流器/ /充電器充電器nnn中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所諧波頻譜諧波頻譜

9、56% H3, 9% H5, 9% H756% H3, 9% H5, 9% H7H11H13H15020406080100H1H3H5H7H9諧波電流是諧波電流是Is=341A THDI=58%Is=341A THDI=58%n 單相負(fù)載單相負(fù)載n 有高諧波含量的電流有高諧波含量的電流n 持續(xù)在持續(xù)在2020到到5050周期之間周期之間電焊機(jī)電焊機(jī)nn中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所H11020406080100H1H3H5H7H9n諧波電流是諧波電流是 S=22KVA THDI=53%S=22KVA THDI=53%n 諧波頻譜諧波頻譜51% H

10、3, 11% H5, 8% H9.n 圖圖PhPhN NFLFLIs n 單相負(fù)載單相負(fù)載n 諧波的電容阻抗諧波的電容阻抗照明（熒光燈照明（熒光燈）中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所 磁飽和型設(shè)備（變壓器、電抗器等）磁飽和型設(shè)備（變壓器、電抗器等）1、鐵芯設(shè)備諧波電流特點(diǎn)、鐵芯設(shè)備諧波電流特點(diǎn) i0 為尖頂波，含有為尖頂波，含有3、5、7等奇次諧波電流；等奇次諧波電流； 諧諧 波大小與電壓有關(guān)，波大小與電壓有關(guān)，U高、高、 i0 大，諧波大。大，諧波大。 2、變壓器中的諧波電流、變壓器中的諧波電流 配電變諧波問(wèn)題突出；配電變諧波問(wèn)題突出； 中性點(diǎn)接地

11、變壓器含有大量中性點(diǎn)接地變壓器含有大量3及及3倍次諧波電流；倍次諧波電流； 有角形繞組變壓器線電流中無(wú)三倍次頻諧電流。有角形繞組變壓器線電流中無(wú)三倍次頻諧電流。圖圖 電壓磁通為正弦波時(shí)變壓器勵(lì)電壓磁通為正弦波時(shí)變壓器勵(lì)磁電流波形磁電流波形中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所電弧爐電弧爐 產(chǎn)生隨機(jī)性、三相不平衡諧波和基波負(fù)序電流； 以2、3、4、5、7次諧波為主，含有偶次諧波； 引起PCC點(diǎn)電壓變動(dòng)，存在閃變影響問(wèn)題。諧波次數(shù)諧波次數(shù)23457諧波含有率諧波含有率熔化期熔化期7.75.82.54.23.1精練期精練期2.02.1 家用電器家用電器 電視機(jī)

12、和調(diào)光、調(diào)濕等電力調(diào)節(jié)家用電器產(chǎn)生諧波。電視機(jī)和調(diào)光、調(diào)濕等電力調(diào)節(jié)家用電器產(chǎn)生諧波。 主要產(chǎn)生奇次諧波，雖然單個(gè)電器產(chǎn)生的諧波數(shù)值小，但合成的諧波影響較大；主要產(chǎn)生奇次諧波，雖然單個(gè)電器產(chǎn)生的諧波數(shù)值小，但合成的諧波影響較大； 治理難度大，需要通過(guò)實(shí)測(cè)選擇濾波器安裝位置。治理難度大，需要通過(guò)實(shí)測(cè)選擇濾波器安裝位置。中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所諧波的頻譜特征諧波的頻譜特征 通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)和用電設(shè)備的諧波的實(shí)際測(cè)量，雖然尚待完善，但仍通過(guò)對(duì)電力系統(tǒng)和用電設(shè)備的諧波的實(shí)際測(cè)量，雖然尚待完善，但仍看可出：看可出： 諧波畸變率值與負(fù)荷率高低有關(guān)。負(fù)荷率

13、高，諧波畸變率值越小。諧波畸變率值與負(fù)荷率高低有關(guān)。負(fù)荷率高，諧波畸變率值越小。 諧波畸變率值與用電設(shè)備功率有關(guān)。同類設(shè)備的功率不同，諧波畸變諧波畸變率值與用電設(shè)備功率有關(guān)。同類設(shè)備的功率不同，諧波畸變率值也不同。率值也不同。 諧波畸變率值與用電設(shè)備型號(hào)規(guī)格有關(guān)。同類用電設(shè)備的型號(hào)不同，諧波畸變率值與用電設(shè)備型號(hào)規(guī)格有關(guān)。同類用電設(shè)備的型號(hào)不同，諧波畸變率也不同，即使規(guī)格相同的同類設(shè)備，諧波畸變率也有差異。諧波畸變率也不同，即使規(guī)格相同的同類設(shè)備，諧波畸變率也有差異。 諧波畸變率值與非線性負(fù)荷和非線性設(shè)備的特性有關(guān)。不同類型的諧諧波畸變率值與非線性負(fù)荷和非線性設(shè)備的特性有關(guān)。不同類型的諧波源，

14、諧波畸變率值也不相同。其主要諧波頻譜特征也有差異。波源，諧波畸變率值也不相同。其主要諧波頻譜特征也有差異。中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所一些設(shè)施或設(shè)備的主要諧波特征設(shè)設(shè) 備備 名名 稱稱主主 要要 諧諧 波（次）波（次）I3I5I7I11、I13電梯、自動(dòng)扶梯、升降機(jī)電梯、自動(dòng)扶梯、升降機(jī)變頻變頻/軟啟動(dòng)器的制冷軟啟動(dòng)器的制冷/熱設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備熱設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、通風(fēng)設(shè)備熒光燈、金鹵燈、調(diào)光器等非線性照明設(shè)備熒光燈、金鹵燈、調(diào)光器等非線性照明設(shè)備計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備等計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)處理設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備等不間斷電源（不間斷電源

15、（UPS）單相單相三相三相醫(yī)療設(shè)備醫(yī)療設(shè)備小型診斷治療設(shè)備小型診斷治療設(shè)備大型診斷治療設(shè)備大型診斷治療設(shè)備 注：表中注：表中 表示該次諧波成分的比例。表示該次諧波成分的比例。中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所可見(jiàn)可見(jiàn),電力電子裝置已成為最主要的諧波源。電力電子裝置已成為最主要的諧波源。最大諧波源種類最大諧波源種類所占份額所占份額電力電子裝置電力電子裝置整流整流器器整流裝置整流裝置66%66%辦公及家用電器辦公及家用電器23%23%交流電力調(diào)整裝交流電力調(diào)整裝置置1%1%電弧爐電弧爐4%4%無(wú)諧波源無(wú)諧波源6%6% 最大諧波源分布統(tǒng)計(jì)最大諧波源分布統(tǒng)計(jì)

16、中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所 下圖是關(guān)于各行業(yè)產(chǎn)生諧波量分布情況的調(diào)查結(jié)果。下圖是關(guān)于各行業(yè)產(chǎn)生諧波量分布情況的調(diào)查結(jié)果。 從圖中可以看出，來(lái)自樓宇（指建筑物，其諧波由辦公、家電設(shè)備和照明電源等產(chǎn)生）的約占40.6%，來(lái)自鐵路和冶金行業(yè)的分別約占17.2%和15.1%。這三個(gè)行業(yè)共占72.9%。在這三個(gè)行業(yè)中，除部分照明電源（樓宇）、電弧爐（冶金）等以外，主要諧波源為電力電子裝置，其他行業(yè)的諧波源也大多來(lái)自電力電子裝置。中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所行業(yè)行業(yè) 最大諧波源用戶數(shù)最大諧波源用戶數(shù)整流裝

17、整流裝置置電力調(diào)電力調(diào)整裝置整裝置 電弧爐電弧爐辦公及家用電辦公及家用電器器無(wú)諧波源用無(wú)諧波源用戶戶其他其他合計(jì)合計(jì)樓宇樓宇141327公共事業(yè)公共事業(yè)2014126鐵路鐵路19120冶金冶金1431220機(jī)械制造機(jī)械制造/ 建材建材9 /52/28/51/537化學(xué)化學(xué)/ 造造紙紙15/161/02/11/238合計(jì)合計(jì)112183512168中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院新能源與電能質(zhì)量控制研究所新能源與電能質(zhì)量控制研究所小結(jié)小結(jié) 上述各種諧波源是諧波電流源，其所產(chǎn)生的諧波電流取決于諧波源本身的特性，上述各種諧波源是諧波電流源，其所產(chǎn)生的諧波電流取決于諧波源本身的特性，基本上與供電網(wǎng)的參數(shù)無(wú)關(guān)。如大量應(yīng)用的直流側(cè)為阻感負(fù)載的整流電路，基本上與供電網(wǎng)的參數(shù)無(wú)關(guān)。如大量應(yīng)用的直流側(cè)為阻感負(fù)載的