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电能质量专题讲座 电力系统谐波抑制与无功功率补偿 电能质量研究所 内容提要 一、谐波的基本概念、产生与危害 二、谐波谐振与放大 三、电力系统谐波抑制与无功功率补偿 四、无源与有源混合补偿技术 一、谐波的基本概念、产生与危害 1、谐波畸变 波形畸变是由电力系统中的非线性设备引起的，流过非线性设备的电流和加在其上的电压不成比例关系。图1-1给出了在一个简单的非线性电阻上施加正弦电压的例子，非线性电阻上电压和电流的关系随所给出的特性曲线变化。虽然该电阻上所加电压是理想正弦波，但流过其中的电流却是非正弦的，即出现了谐波畸变问题。当电压有较小增加时，电流可能成倍增加，并且其波形也将发生变化。 一、谐波的基本概念、产生与危害 一、谐波的基本概念、产生与危害 任何周期性的畸变波形都可用正弦波形的和表示，如图1-2所示。也就是说，当畸变波形的每个周期都相同时，则该波形可用一系列频率为基波频率整数倍的理想正弦波形的和来表示。其中，频率为基波频率整数倍的分量称为谐波，而一系列正弦波形的和称为傅里叶级数。 一、谐波的基本概念、产生与危害 一、谐波的基本概念、产生与危害 2、谐波的基本概念与定义 国际上公认的谐波定义为：“ 谐波是一个周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。 谐波次数必须为正整数 如我国电力系统的标称频率F（也称为工业频率，简称工频）为50Hz，则基波为50Hz，二次谐波为100Hz，三次谐波为150Hz等。 一、谐波的基本概念、产生与危害 间谐波和次谐波 在一定的供电系统条件下，有些用电负荷会出现非整数倍的周期性电流的波动，根据该电流周期分解出的傅里叶级数，可能得出不是基波整数倍频率的分数谐波(fractional-harmonics)或称间谐波(inter-harmonics)。 次谐波（sub-harmonics)是指频率低于工频基波频率的分量。 一、谐波的基本概念、产生与危害 谐波和暂态现象 在许多电能质量问题中常把暂态现象误认为是谐波畸变。暂态过程的实测波形是一个带有明显高频分量的畸变波形，虽然暂态过程中含有高频分量，但是暂态和谐波却是两个完全不同的现象，它们的分析方法也是不同的。电力系统仅在受到突然扰动之后，其暂态波形呈现出高频特性，但这些频率并不是谐波，与系统的基波频率无关。 一、谐波的基本概念、产生与危害 短时间谐波 对于短时间的冲击电流，例如，变压器空载合闸的励磁涌流，按周期函数分解，将包含短时间的谐波和间谐波电流，称为短时间的谐波电流或快速变化谐波电流，应与电力系统稳态和准稳态谐波区别开来。 一、谐波的基本概念、产生与危害 陷波 换流装置在换相时，会导致电压波形出现陷波或称换相缺口。这种畸变是电压瞬时值的突然变化，虽然也是周期性的，但不属于谐波范畴。 一、谐波的基本概念、产生与危害 3、非正弦量有效值和总谐波畸变率 一、谐波的基本概念、产生与危害 一、谐波的基本概念、产生与危害 4、非正弦条件下的无功功率与功率因数 假定电源电压波形以正弦函数变化（这同实际情况比较接近，则假设是合理的），可推导出： 一、谐波的基本概念、产生与危害 根据传统定义，有 ◆结论：功率因数大小由两方面因素决定： ①相移功率因数 ，即基频电压与电流之间的相位差； ②电流的基波分量所占比例，即电流畸变程度 。 一、谐波的基本概念、产生与危害 5、典型谐波源 变压器 由于经济原因，变压器所使用的磁性材料通常在接近非线性或就在非线性区域运行。即使所加的电压是正弦的，变压器的励磁电流也是非正弦的，因而包含谐波（主要是3次谐波）。 一、谐波的基本概念、产生与危害 一、谐波的基本概念、产生与危害 整流装置 一、谐波的基本概念、产生与危害 一、谐波的基本概念、产生与危害 电力机车 一、谐波的基本概念、产生与危害 电弧炉 根据电弧炉的容量及冶炼要求，炼钢周期约为3~8h不等。炼钢前的0.5~2h为炉料的熔化时期，此阶段电弧极不稳定，因此电弧电流具有数值大而且不平衡、畸变和不规则波动的特点。特别是在熔化期的初期，畸变和波动更为严重。在后一阶段的精炼期，电弧电流比较稳定，波动大为减小，电流的数值相对较小且比较平衡，畸变也较小。 根据对电弧炉实测电流的分析，电弧炉电流中主要含有2、3、4、5、7次谐波成分。 一、谐波的基本概念、产生与危害 6、谐波的影响和危害 在电力危害方面： 1）旋转电机等的（换流变压器过载）附加谐波损耗与