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1、民用建筑配电系统谐波污染及其抑制方法2006-10-07 15:08这篇关于谐波问题的文章，写作开始于两年前。更早的起因是由于一位甲方电气技术人员，对我在工程中使用软启动器提出疑义，认为会对配电系统产生干扰。而软启动器厂家无法提供详细的谐波参数，我当时对此类问题的理解也不够深入，虽然用了这么多年的软启动器，但是并不能向甲方提供令人信服的说明，最后这场与甲方的辩论不欢而散。为了加深对谐波问题的了解，我开始收集一些相关资料，准备写一点东西，初衷是希望能够找到一个方法，在一个工程未建成以前，对配电系统谐波污染问题能够定性定量，从而在设计中采取相应的处理措施，简单的说，就是确定是否需要采取滤波措施，如
2、果需要那么具体采取那种措施，如何具体实现。但是在写的过程中，发现我无法解决实际工程的谐波计算问题，同时谐波抑制方法多种多样，各有利弊，需要针对不同情况采取不同措施，具体实施方案也难以一概而论，因此我只好放弃了最初的计划，这篇文章就变成了一篇介绍性的文章，从论文变成科普性文章了。这篇文章基本上来源于各种参考文献，我觉得与其说是我写作，不如说是编写更为恰当，我在这里向所有的参考文献作者表示感谢。之所以选择贴这篇文章，是希望谐波污染问题能够得到各位同行的重视，我认为，不能等到像民规这样的规范出现了谐波污染问题的条文后，才去研究它注意它。我相信在今后几年内，各种类型的谐波抑制装置将出现在民用建筑配电系
3、统中。我在各处的电气论坛基本上看不到大家对谐波问题的讨论，不知道同行们对此类问题看法和了解程度，如果大家认为科普性文章过于浅显，不适合在此处张贴，请及时通知我。由于论坛条件所限，文章中的数学公式和图表无法正常显示，只好略去，可能造成读者不便，深表歉意。摘要：近年来，随着电力电子技术的不断发展，各类电力电子设备在能源系统、工业领域、民用建筑、电气化交通中应用日益广泛，电网谐波问题越来越为人们所重视。各国对电网质量的评价不再仅限于频率和电压的稳定程度，对谐波也相应制定了国际和国家标准加以限制。据有关资料统计，在各行业产生的谐波量中，来自民用建筑的约占 40%。本文着重对民用建筑内配电系统谐波污染问
4、题进行探讨和介绍。关键词：配电系统；分析；测量；谐波；危害；滤波器一、配电系统谐波产生原因及谐波源种类1. 供电系统的基波频率定为工频（50Hz）。谐波频率为基波频率的整数倍的有两种，奇数次的统称为奇次谐波，偶数次的统称为偶次谐波。谐波频率为基波频率非整数倍的称为间谐波或分数谐波（interharmonics）。谐波频率低于基波频率的称为次谐波。2. 在民用建筑配电系统中，当理论上电网供电为正弦基波电压，其施加在非线性负荷上时，负荷吸收的电流与施加的波形不同，畸变的电流将在电源系统的阻抗上产生电压降，因而产生畸变电压。而畸变电压将对所有用电负荷（线性和非线性）产生影响，产生更多的畸变电流。事实
5、上电网供电电源往往含有一定比例的畸变电压，因此上述情况有可能更为严重。当电网电压含有谐波电压时，在异步电动机转子中感应出谐波电流，而异步电动机转子的异步转速又反过来在定子中产生频率低于电网谐波电压的次谐波及间谐波。在配电系统中，某种比例电抗率的电容器组或系统自身电抗与电容比率适合时，将会对某种特定次数的谐波电流产生谐振放大，有时可达谐波源电流的 10 倍以上。3. 民用建筑中谐波源有以下两类1) 含有半导体非线性元件的谐波源UPS 电源、直流屏、变频调速器、软起动器、气体放电灯、电子镇流器、家用电器及办公电器的直流电源、可控硅调光器、交流调压器等电力电子装置。以上这些设备产生的谐波电流取决于它
6、本身的特性和工作状况及加给它的电压，而与电力系统的参数关系不大，可以被看作是谐波恒流源。它们所产生的谐波电流主要为奇次谐波，也是民用建筑配电系统中主要的谐波源。2) 含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源交流电动机、变压器、特种光源、断路器和熔断器动作电弧等，一般情况下同步电机所产生的奇次谐波与异步电机所产生的间谐波和次谐波并不严重，可以忽略。变压器所产生的谐波电流大小与其铁芯饱和程度有关。正常运行时，电压为额定值，铁芯工作在轻度饱和的范围，此时它基本上是线性电路。在一些特殊情况下：如建筑物刚投入使用或夜间轻载运行，变压器运行电压偏高；变压器投切操作；负载剧烈变化；外网电压波动；变压器在高过载情况下
7、造成励磁电流过大；严重三相不平衡导致直流分量增大；太阳耀斑爆发引起的地磁暴在电网中产生的感应电流等，此时铁芯饱和程度变深，谐波电流含量增大，主要为三次谐波。二、 谐波分析基本原理1. 谐波分析最常采用的方法是傅立叶级数展开法，或称频域分析。电压为正弦波时，其瞬时值可以表示为：式中：U 电压有效值或称方均根值 初相角 角频率f 频率T 周期对于非正弦畸变波形而言，可分解成为如下形式的傅立叶级数：式中： n = 1、2、3，或 式中： 以图示周期性分波为例：（选定坐标原点在函数为零的点）以上公式均以非正弦电压为例，对于非正弦电流只需将式中的 改为 即可。由于周期性电压（电流）的瞬时值随时间变化，工
8、程上一般采用有效值。第 n次谐波的电压和电流有效值分别为：谐波电压含量和谐波电流含量有效值分别为：n 次谐波电压含有率 HRUn（Harmonic Ratio Un）次谐波电流含有率 HRInU1 和 I1 均为基波电压电流有效值。电压总畸变率 THDu（total harmonic distortion）简称 DF（Distortion Factor）,为各次谐波含有率的平方和的平方根值。同样，电流总畸变率 THDi: U1 有时也采用线路额定电压。在考虑电压畸变对线路绝缘配合的影响时，需要注意电压峰值。波峰系数CF（Crest Factor）为畸变波形的峰值与有效值的比值。正弦波、方波和三
9、角波的 CF 值分别为、1、 。而畸变波形的波峰系数为： 国际电报电话咨询委员会（CCITT）用噪声权系数 Pn 计入各次谐波对电信的干扰，用电话谐波波形系数 THFF 表示： 附表 各次谐波电压的噪声权系数（Pn）谐波次数 h 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10ph 0.71 8.91 35.5 89.1 178 295 376 484 582 661谐波次数 h 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20ph 733 794 851 902 955 1000 1035 1072 1109 1112谐波次数 h 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
10、ph 1109 1072 1035 1000 977 955 929 905 871 861谐波次数 h 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40ph 842 824 807 791 775 760 745 732 720 708谐波次数 h 41 42 43 44 45 46 47 48 49 ph 698 689 679 670 661 652 643 634 625 无源滤波装置的设计依赖于畸变波形的频域分析。2. 畸变波形的时域分析时域分析避开分解傅立叶级数的步骤，而且也不限于电压为正弦波形，将电流按电压波形分解成两个正交分量，其中有功分量为 ip(t)，与电压 U(
11、t)的波形一致，即 ，G 为电导，其取值满足下列公式：有功功率 因此 即 电源的无功分量 ，满足 由于 ip 与 iq 正交，其有效值 ，S=UI，P=UIp，Qt=UIq，Qt2=Qf2+D2Qt2=Qf2+D2说明频域分析中由电流和电压的基波及电流与电压的同次谐波的相角差引起的无功功率称为频域分析无功功率 Qf，由电流和电压的不同次谐波之间的相角差所引起的无功功率称为畸变功率 D。Qt 是根据时域分析而定义的，其包含了上述两者。根据上述公式进行无功补偿的原理性电路如下图所示，这也是下面要说明的有源滤波器的基本原理。三、谐波计算及测量1. 谐波分析中的理论计算方法称为谐波潮流计算，即通过确定
12、谐波网络的数学模型，计算出系统中各节点的谐波电压和各支路通过的谐波电流。对于民用建筑物内部配电系统而言，可以忽略电源侧谐波参数（包括发电机、供电线路、各级供电变压器），主要考虑谐波源负荷。由于建筑物内各类负荷随时间变化，补偿电容也随系统功率因数变化而改变投切容量，这使得要准确确定各类负荷的等值谐波阻抗变得很困难。同时，在实际工程中，谐波计算所需数据如配电系统各元件的频率特性和谐波参数、各谐波源的频谱特性，尤其是相频特性等数据，难以得到足够准确的资料。国内外现有的一些导则、规范推荐由基波三相短路容量推算系统谐波阻抗的方法。这种方法近似认为系统各元件都是电感性的，并忽略其电阻，因而，系统谐波阻抗
13、Xsn 等于基波电抗 Xs1 与谐波次数 n 的乘积。基波电抗可由该点三相短路容量 Sk 和额定电压 Un 求得，即 Zsh（谐波阻抗）为，接入点产生的谐波电压 Uh 为 。实际上由于系统中还有其它谐波源存在，它们在新谐波源接入处也会产生谐波电压。设接入点为 P 点，原有谐波电压 Uhp，新谐波源产生的谐波电压为Uhp，则 P 点实际的谐波电压 Uhp 应为前两者的相量和： 其中 Kh 系数按下表选择h 3 5 7 11 13 9,15,偶次Kh 162 128 0.72 0.18 0.08 02. 测量和估计谐波问题的理论分析往往不足以满足实际工程中的需求，最终定性定量分析还是需要实际测量的
14、结果为依据。谐波测量器主要有以下几种形式：形式 原理 特点失真度计式 抑制基波，得到总谐波有效值，指示后者与基波有效值之比 测总谐波幅度，并可连续记录外差选频式 用外差原理分别选测某次谐波 不能同时测各次谐波分量带通选频式 采用多个窄带滤波器逐次选出各次谐波分量 各次谐波分量可连续测量式记录采样数字式 对待测信号采样，经 A/D 转换并离散化，然后用计算机处理 可打印出各次谐波的幅值和相位上图中所给出的是谐波电流的检测原理。CT 二次侧的电流通过 T 电路转换成与 i 成比例的电压，由 S2 电路选出基波分量，经 D1 检波器在 D2 显示器上显示。另一路由 R 基波抑制电路，到 M 量程选择
15、电路，再经 S1 选频电路，最后在 D2 显示器上显示出各高次谐波电压幅值或比例。谐波电压的检测原理与此类似。其运算原理有以下几种：1) 快速傅氏变换：这是传统的频域分析的改进方法，以求和替代积分，以降低精度为代价来提取实时性，可以得出各次谐波的幅值相位。但当计算三相谐波电流时，运算量迅速增加，高次谐波的幅值和相角误差较大，可能分解的最高次的谐波可达 60 余次。2) 瞬时无功功率理论：该理论自 80 年代提出后，突破了传统的平均值为基础的功率定义，系统定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量，在检测谐波电流时，延时不超过一个电源周期，具有较好的实时性，抗干扰能力强。这种方法的计算中忽略了
16、零序分量，即三相电压正弦对称，电网发生故障时，计算值与实际值有较大偏差，且基波电流的精度受低通滤波器的限制。这种方法是传统时域分析方法的发展，广泛应用于有源电力滤波器的控制系统中。3) 小波变换理论：由于实际工程中大量电气参数不断变化，适用于平稳信号的傅立叶变换无法满足要求，而瞬时无功功率理论所采用的时域分析方法，却存在一定延时，对于快速变化的信号跟踪能力仍有欠缺。小波变换理论适合于对局部频域进行精确分析，其提供了一个自适应的可调采样窗口，具有更强的实时性。其主要缺陷在于要减小因频域分析造成的误差，必须得到一个理想小波极数，但目前这一理想极数还停留在理论阶段。4) 神经网络方法：其特点是算法基于误差曲面上的梯度下降，权调数量与输入量一致，并保持与误差的负梯度方向一致，因此能保证网络的收敛性。对于谐波分析来说，所得出的高次谐波取决于输入模式向量的次数，向量越多，得到的谐波
