现代通信机房的谐波处理及节能.ppt

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1、IDC机房的谐波处理及节能减排机房的谐波处理及节能减排主讲人：主讲人：杜秋杜秋1.引言引言2.谐波的危害谐波的危害3.谐波的特性谐波的特性4.谐波的表示方式谐波的表示方式5.谐波的定义与计算谐波的定义与计算6.不同类型设备的谐波特征不同类型设备的谐波特征7.机房谐波源机房谐波源整流电路谐波的理论分析整流电路谐波的理论分析8.IDC机房的谐波抑制机房的谐波抑制9.电容谐振的案例分析电容谐振的案例分析10.节能减排数据分析与经验体会节能减排数据分析与经验体会目目录录1、引、引言言2.近年来谐波所造成的危害日趋严重，对发、输、供、用电设备都造成了严重影响，导致设备运行近年来谐波所造成的危害日趋严重，

2、对发、输、供、用电设备都造成了严重影响，导致设备运行故障、维修工作量增加及增耗电费，甚至引发火灾事故等。故障、维修工作量增加及增耗电费，甚至引发火灾事故等。3.保证电能质量，以使用户安全、正常用电是电力部门的职责。但电能质量和一般产品质量不同之保证电能质量，以使用户安全、正常用电是电力部门的职责。但电能质量和一般产品质量不同之处在于它不完全取决于电力生产企业，有的质量指标处在于它不完全取决于电力生产企业，有的质量指标（例如：谐波、电压波动和闪变，三相电压例如：谐波、电压波动和闪变，三相电压不平衡度不平衡度）主要由用户负荷的干扰所致。因此电能质量的保证，需要供用电双方共同努力，共同主要由用户负荷

3、的干扰所致。因此电能质量的保证，需要供用电双方共同努力，共同承担相应的责任。承担相应的责任。4.计算母线谐波电压、支路谐波电流、电压和电流总谐波畸变率（计算母线谐波电压、支路谐波电流、电压和电流总谐波畸变率（THD），以及找出其谐振的条件），以及找出其谐振的条件是谐波研究和处理的基本途径。是谐波研究和处理的基本途径。1.1.随着电子技术的发展，大功率可控硅随着电子技术的发展，大功率可控硅SCRSCR、门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管GTOGTO、电力场效应晶体管、电力场效应晶体管MOSFETMOSFET、电力晶体管、电力晶体管GTRGTR、IGBTIGBT等技术的发等技术的发展和广泛应用，大量

4、非线性负荷的增加，展和广泛应用，大量非线性负荷的增加，使得电力系统波形严重畸变，这便是谐波。使得电力系统波形严重畸变，这便是谐波。谐波最早发现在谐波最早发现在2020世纪世纪2020年代，年代，5050年代以年代以来，非线性负载引起的谐波问题日益受到来，非线性负载引起的谐波问题日益受到关注。关注。1.1、谐波的基本定义、谐波的基本定义所谓的谐波是指供电系统中所含有的频率为所谓的谐波是指供电系统中所含有的频率为基波的整数倍基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅立叶级数傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系分解，除了得到

5、与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值（谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。通）称为谐波次数。通俗的将分解后的谐波称为俗的将分解后的谐波称为n次谐波，此处的次谐波，此处的n即是谐波次数。即是谐波次数。一般指从一般指从2次到次到50次范围，如次范围，如5次谐波电压（电流）的频率次谐波电压（电流）的频率是是250赫兹，赫兹，7次谐波电压（电流）的频率是次谐波电压（电流）的频率是350赫兹；超赫兹；超过过13次的谐波称高次谐波。次的谐波称高次谐波。5 52、谐波干扰的

6、危害谐波干扰的危害对发电设备的危害对发电设备的危害：谐波干扰增大发电机的损耗，产生寄生转矩，降低了机谐波干扰增大发电机的损耗，产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率；谐波在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗，械能向电能转换的效率；谐波在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗，产生振动和发出异常的噪音。发电机中产生振动和发出异常的噪音。发电机中THDI必须小于等于必须小于等于20%，否则发电机，否则发电机的功率也必须进行折算；的功率也必须进行折算；对输电设备的危害对输电设备的危害：损耗增加损耗增加（趋肤效应）、引发谐振（线路电感、对地电（趋肤效应）、引发谐振（线路电感、对地电容）、中线电

7、流增大容）、中线电流增大、影响线路的稳定运行（继电保护的误动或拒动）；、影响线路的稳定运行（继电保护的误动或拒动）；对供电设备的危害对供电设备的危害：损害电容损害电容、变压器、变压器降容降容（铜损、涡流损耗与导体外部因（铜损、涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗漏磁通引起的杂散损耗）、降低可靠性、影响电力测量的准确性、降低可靠性、影响电力测量的准确性；对用电设备的危害对用电设备的危害：视在功率视在功率增大增大、干扰敏感性的电子设备；干扰敏感性的电子设备；对人体的危害：对人体的危害：人体细胞在受到刺激兴奋时，细胞膜静息电位会发生快速电人体细胞在受到刺激兴奋时，细胞膜静息电位会发生快速电波动或

8、可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场，引起不适，甚至诱发疾病，危害人体健康；直接影响人的脑磁场与心磁场，引起不适，甚至诱发疾病，危害人体健康；能源的浪费：能源的浪费：谐波的存在可增大视在功率、降低功率因数，大量浪费电能；谐波的存在可增大视在功率、降低功率因数，大量浪费电能；6 66 62.1、谐波危害列表、谐波危害列表受影响设备影响的内容电动机主要是引起转子表面局部过热；也能引起定子零件过热，常需降低输出功率；引起振动等变压器引起绕组、外层硅钢片、外壳、金属紧固件的发热，降低输出

9、功率；还会引起噪音和振动。空调设备控制失常，制冷、加湿失效，控制精度降低等。电容器增加介质的局部放电和热老化；还会引起机械振动，串并联谐振，严重时可引起爆炸。电缆增加浸渍绝缘局部放电和温升，缩短寿命，增加短路几率，严重时造成断电或火灾。消弧线圈延迟或阻碍消弧作用。断路器降低遮断能力，延缓甚至阻碍熄弧，有时损坏断路器。避雷器涌流延长其放电时间，可能导致损坏。换流装置使燃弧间隔不匀，个别不能运行。电压互感器可能引发参数谐振而损坏。电力系统损耗增大，降低安全。遥控传输等引起数据丢失、误显示、误动、误传、元件损坏等。电能表增加误差，增大供电线损率。自动装置、集成线路板导致误判断、误动、误控制等。继电保

10、护引起误启动、误跳闸、拒动、损坏，引起事故或扩大停电事故。通信系统主要引起电话杂音，有时出现过电压。其他表计增加误差，造成基波值大于实际的错觉。3、电力系统谐波的特性、电力系统谐波的特性1、对称性：、对称性：奇对称性：奇对称性：f（-t）=-f（t），展开为傅立叶级数式没有余弦项；），展开为傅立叶级数式没有余弦项；偶对称性：偶对称性：f（-t）=f（t），展开为傅立叶级数式没有正弦项而只有），展开为傅立叶级数式没有正弦项而只有余弦项；余弦项；半对称性：半对称性：f(t+T/2)=-f（t），没有直流分量且偶次谐波被抵消，故），没有直流分量且偶次谐波被抵消，故忽略偶次谐波。忽略偶次谐波。2、相序

11、性：、相序性：在一个平衡的三相系统中，单频谐波分量是完全正序的，或完全负在一个平衡的三相系统中，单频谐波分量是完全正序的，或完全负序的，或完全零序的；序的，或完全零序的；3、独立性：、独立性：平衡电力系统中的线性网络对不同谐波的响应是相互独立的，这性平衡电力系统中的线性网络对不同谐波的响应是相互独立的，这性质使得我们可以将各次谐波分别处理；即：对各次谐波分别建立等质使得我们可以将各次谐波分别处理；即：对各次谐波分别建立等效电路并求解电流和电压。效电路并求解电流和电压。10104、谐波的表示方法、谐波的表示方法傅立叶级数是研究和分析谐波畸变的有效方法，通过傅立叶分解能够对畸变波傅立叶级数是研究和

12、分析谐波畸变的有效方法，通过傅立叶分解能够对畸变波形的各种分量进行检查，任何周期波形都可被展开为傅立叶级数，即：形的各种分量进行检查，任何周期波形都可被展开为傅立叶级数，即：f(t):频率为频率为f0的周期函数，角频率的周期函数，角频率0=2f0，周期，周期T=1/f0=2/0;C1sin(0t+1):基波分量；基波分量；Cksin(k0t+k):第第k次谐波。幅值为次谐波。幅值为CK,频率为频率为k0,初始相位为初始相位为k5、谐波的参数定义与计算、谐波的参数定义与计算在电力生产、传输、转换和使用的各在电力生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。只有准确分个环节中都会产生谐波。只有准

13、确分析了谐波干扰产生的机理，才能有针析了谐波干扰产生的机理，才能有针对性地提出有效的治理方法；对性地提出有效的治理方法；谐波的基本特征参数谐波的基本特征参数：按照傅立叶级：按照傅立叶级数展开时，各次谐波电流都是正弦波，数展开时，各次谐波电流都是正弦波，IH1为基波成份为基波成份(50Hz或或60Hz)；IHk为谐波成份，其中为谐波成份，其中k为谐波次数为谐波次数(50Hz或或60Hz的的k倍倍)。总电流总电流(压）谐波失真度压）谐波失真度THDI（U)：h h1 1h h3 3h h5 5h h7 7IeIcrHarmonicdistortion5.1、谐波功率及其公式定义、谐波功率及其公式定

14、义有功功率：有功功率：p(t)=v(t)i(t)无功功率：无功功率：视在功率视在功率:畸变功率：畸变功率：D2=S2-(P2+Q2)功率因数：功率因数：Pf=P/S5.2、举例、举例例：三相整流器输入电流（如图），其谐波频谱为：例：三相整流器输入电流（如图），其谐波频谱为：Ih5=33%、Ih7=2.7%、Ih11=7.3%、Ih13=1.6%、Ih17=2.6%、Ih19=1.1%、Ih23=1.5%、Ih25=1.3%，计算，计算THDI%：电流的有效值比基波电流的有效值增电流的有效值比基波电流的有效值增大了大了5.6%，即比没有谐波时的额定，即比没有谐波时的额定电流增大电流增大5.6%，

15、这将在导体中造成，这将在导体中造成温度升高温度升高 8 85.3、峰值因数、峰值因数峰值因数峰值因数(CrestFactor)：定义为：定义为峰值峰值（最大幅值）与（最大幅值）与有效有效值值的比率，用来表示信号的比率，用来表示信号(电流或电压电流或电压)形状的特征：形状的特征：线性负载的典型峰值因数是线性负载的典型峰值因数是1.414，六脉冲整流器的典型峰，六脉冲整流器的典型峰值因数从值因数从1.5到到2，小型计算机的典型峰值因数从，小型计算机的典型峰值因数从2到到2.5，微，微机的典型峰值因数从机的典型峰值因数从2到到3。峰值因数对峰值因数对UPS容量有一定影响，举例分析如下：容量有一定影响

16、，举例分析如下：例如：对于例如：对于200KVAUPS，其额定电流，其额定电流In=303A，若其峰值因数，若其峰值因数Cf=3:1，则：则：UPS可承受峰值电流为可承受峰值电流为303Ax3=909A假设：负载峰值因数为假设：负载峰值因数为3.5:1，则：，则：UPS对于该负载所提供的电流有效值为：对于该负载所提供的电流有效值为：909A/3.5=259.7A即即:UPS的使用容量为的使用容量为259.7Ax220Vx3=171.4KVA7 75.4、谐、谐振振串联谐振：发生在容性电抗和感性电抗相等的串联串联谐振：发生在容性电抗和感性电抗相等的串联RLC电电路中，发生时，电路的阻抗很小，较小

17、的激励电压就能产路中，发生时，电路的阻抗很小，较小的激励电压就能产生巨大的电流。生巨大的电流。并联谐振：发生在具有感性电抗和容性电抗相等的并联并联谐振：发生在具有感性电抗和容性电抗相等的并联RLC电路中，发生时，电路的导纳很小，较小的激励电流电路中，发生时，电路的导纳很小，较小的激励电流就能产生巨大的电压。就能产生巨大的电压。串并联谐振发生的条件：串并联谐振发生的条件：XLC=r*L=XCr=1/r*C谐振的角频率为：谐振的角频率为：r*L=1/(LC)谐振的次数为：谐振的次数为：hr=(XC/XL)6.1、发电机发电机 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁芯也很难做到绝对均匀一致及

18、其他一些原因，发电机多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。而且，当对发电机的结构和接线采取一些措施后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。6.2、输配电系统输配电系统 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁芯的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁芯的饱和程度有关。铁芯的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。6、不同类型设备的谐波特征、不同类型设备的谐波特征6.3、用电设备、用电设

19、备随着电子技术的发展，电网中非线性负载呈逐渐增加的趋势，非线性负载在随着电子技术的发展，电网中非线性负载呈逐渐增加的趋势，非线性负载在工作时向市电反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，进而导工作时向市电反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，进而导致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流，电压畸变的程度取决于谐波致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流，电压畸变的程度取决于谐波电流的频率和幅值。整流器、充电器、开关电源、调光器、变频调速器、计电流的频率和幅值。整流器、充电器、开关电源、调光器、变频调速器、计算机、荧光灯等等都是非线性负载，见各典型图算机、荧光灯等等都是非线性负

20、载，见各典型图开关电源开关电源变频调速器变频调速器充电器充电器荧光灯荧光灯6、不同类型设备的谐波特征、不同类型设备的谐波特征6、不同类型设备的谐波特征、不同类型设备的谐波特征6.4、变流设备、变流设备:整流器、逆变器、变频器等各种电力变流设备采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而整流器、逆变器、变频器等各种电力变流设备采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波，电网还必须向这类给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波，电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。负荷产生的谐波提供额外的

21、电能。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基次谐波的含量可达基波的波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；次及以上奇次谐波电流；如果是如果是12脉冲整流器，也还有脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。附几种典型的整流电路和谐波电流示意图

22、次及以上奇次谐波电流。附几种典型的整流电路和谐波电流示意图开关电源负载开关电源负载整流充电器整流充电器变频调速器变频调速器UPS整流器整流器7 7.1 .1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础1.谐波：谐波：可分解为傅里叶级数傅里叶级数基波（fundamental）在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量谐波频率为基波频率大于1整数倍的分量7 7、整流电路产生谐波的理论分析、整流电路产生谐波的理论分析IITypicalSwitchModePowerSupplyU谐波量谐波量:UI谐波次数谐波频率和基波频率的整数比n次谐波电流含有率以HRIn（Harmonic Ratio for In）表

23、示为：电 流 谐 波 总 畸 变 率 THDi（Total Harmonic distortion）定义为：2.单相整流的谐波单相整流的谐波7 7.1 .1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础3、功率因数、功率因数正弦电路中的情况：正弦电路中的情况：电路的有功功率就是其平均功率；电路的有功功率就是其平均功率；视在功率为电压、电流有效值的乘积，即视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI无功功率无功功率定义为定义为：Q=U I sinj j功率因数功率因数l l 定义为有功功率定义为有功功率P和视在功率和视在功率S的比值的比值：此时此时无功功率无功功率Q与有功功率与有功功率P、视在功

24、率视在功率S之间有如下关系之间有如下关系：功率因数功率因数是由电压和电流的相位差是由电压和电流的相位差j j 决定的：决定的：l l=cosj j7 7.1 .1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础3、功率因数、功率因数非正弦电路中的情况非正弦电路中的情况有有功功功功率率、视视在在功功率率、功功率率因因数数的的定定义义均均和和正正弦弦电电路路相相同同，功功率率因数仍由因数仍由l l=cosj j定义。定义。公公用用电电网网中中，通通常常电电压压的的波波形形畸畸变变很很小小，而而电电流流波波形形的的畸畸变变可可能能很很大大。因因此此，不不考考虑虑电电压压畸畸变变，研研究究电电压压波波形

25、形为为正正弦弦波波、电电流流波波形为非正弦波（合成波）的情况有很大的实际意义。形为非正弦波（合成波）的情况有很大的实际意义。设正弦波电压有效值为设正弦波电压有效值为U，畸变电流有效值为畸变电流有效值为I，基波电流有效值基波电流有效值及与电压的相位差分别为及与电压的相位差分别为I1和和j j 1。这时有功功率为：这时有功功率为：P=U I1 cosj j1功率因数为：功率因数为：7 7.1 .1 谐波和无功功率分析基础谐波和无功功率分析基础4、基波因数、基波因数n n=I1/I，即基波电流有效值和总电流有效值之比5、位移因数、位移因数（基波功率因数）cosj j 1非正弦电路的无功功率定义很多，

26、但尚无被广泛接受的科学而权威的定义，一般情况下的引申公式：，这样定义的无功功率Q反映了能量的流动和交换；6、谐谐波波功功率率：上式目前被较广泛的接受用于定义无功的表达式，但该定义对无功功率的描述很粗糙。为准确描述，也可根据相关公式定义的无功功率，其谐波功率采用符号Qf，忽略电压中的谐波时有：Q f=U I 1 sinj j 1 ；在非正弦情况下，S2P2+D2，因此引入畸变功率D，使得：S2=P2+Qf2+D2，Q2=Qf2+D27 7.2 .2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析1-1.单相桥式全控整流电路单相桥式全控整流电路忽略换相过程和电流脉动，带阻

27、感负载，直流电感L为足够大（电流i2的波形见图）变压器二次侧电流谐波分析：电流中仅含奇次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数（n=1,3,5）；7 7.2 .2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析1-2、功率因数计算功率因数计算基波电流有效值：i2的有效值I=Id，则：电流基波与电压的相位差等于控制角 ，故位移因数为：功率因数为：7 7.2 .2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析2-1.三相桥式全控整流电路及波形三相桥式全控整流电路及波形在阻感负载下，忽略换相过程和电流脉动，直流

28、电感L为足够大，以 =30为例，交流侧电压和电流波形如图ua和ia波形所示。此时，电流为正负半周各120的方波，其有效值与直流电流的关系为：7 7.2 .2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析2-2、变压器二次侧电流谐波分析：变压器二次侧电流谐波分析：2-3、电电流流基基波波和和各各次次谐谐波有效值分别为：波有效值分别为：电流中仅含6k1（k为正整数）次谐波各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数9 97 7.2 .2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析2-4、功率因数计算功率因数计算由相关

29、公式可得基波因数为：电流基波与电压的相位差为 ，则位移因数为：功率因数为：7 7.3 .3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和 功率因数分析功率因数分析1.单单相相桥桥式式不不可可控控整整流流电路电路单相不可控整流电路采用感容滤波，典型的交流侧电流波形如右图所示。电容滤波的单相不可控整流电路交流侧谐波组成有如下规律：（1）谐波次数为奇次；（2）谐波次数越高，谐波幅值越小；（3）与带阻感负载的单相全控桥整流电路相比，谐波与基波的关系是不固定的，w w RC越大，则谐波越大，而基波越小。这是因为，w w RC越大，意味着负载越轻，二极管的导通角越小，则交流侧电

30、流波形的底部就越窄，波形畸变也越严重。（4）越大，则谐波越小，这是因为串联电感L抑制冲击电流从而抑制了交流电流的畸变。7 7.3 .3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和 功率因数分析功率因数分析2、关于功率因数的结论如下、关于功率因数的结论如下：（1）通常位移因数是滞后的，并且随负载加重（wRC减小）滞后的角度增大，随滤波电感加大滞后的角度也增大。（2）由于谐波的大小受负载大小（wRC）的影响，随wRC增大，谐波增大，而基波减小，也就使基波因数减小，使得总的功率因数降低。同时，谐波受滤波电感的影响，滤波电感越大，谐波越小，基波因数越大，总功率因数越大。3

31、.三相桥式不可控整流电路三相桥式不可控整流电路实际应用的电容滤波三相不可控整流电路中通常有滤波电感。7 7.3 .3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和 功率因数分析功率因数分析交流侧谐波组成有如下规律交流侧谐波组成有如下规律：（1）谐波次数为6k1次，k=1，2，3；（2）谐波次数越高，谐波幅值越小；（3）谐波与基波的关系是不固定的，负载越轻（wRC越大），则谐波越大，基波越小；滤波电感越大（W*(LC)1/2越大），则谐波越小，而基波越大。关于功率因数的结论如下关于功率因数的结论如下：（1）位移因数通常是滞后的，但与单相时相比，位移因数更接近1；（2）

32、随负载加重（w RC的减小），总的功率因数提高；同时，随滤波电感加大，总功率因数也提高。7.4整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐波分析1、整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。右图 =0时，m脉波整流电路的电压波形 =0 时，m脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析将纵坐标选在整流电压的峰值处，则在-p p/mp p/m区间，整流电压的表达式为：Udo=2*U2*COSwt对该整流输出电压进行傅里叶级数分解，得出：(式中，k=1，2，3)；且：7.4整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐波分析2、为了描述整流

33、电压ud0中所含谐波的总体情况，定义谐波分量有效值UR与整流电压平均值Ud0之比为：则m m2 23 36 61212g gu（%）48.248.218.2718.274.184.180.9940.9940 0不同脉波数m时的电压纹波因数值。7.4整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐波分析负载电流的傅里叶级数可由整流电压的傅里叶级数求得：当负载为R、L和反电动势E串联时，上式中：n次谐波电流的幅值dn为：n次谐波电流的滞后角为：7.4整流输出电压和电流的谐波分析整流输出电压和电流的谐波分析 =0 时整流电压、电流中的谐波有如下规律：时整流电压、电流中的谐波有如下规律：（1）m脉波

34、整流电压ud0的谐波次数为mk（k=1，2，3.）次，即m的倍数次；整流电流的谐波由整流电压谐波决定，也为mk次；（2）当m一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最低次（m次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值dn的减小更为迅速；（3）m增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹波因数迅速下降。0 时时的的情情况况：波整流电压谐波的一般表达式十分复杂，给出三相桥式整流电路的结果，说明谐波电压与 角的关系式为：以n为参变量，n次谐波幅值（取标幺值）对 的关系如图（三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与 的关系）当 从0 90 变化时，ud的

35、谐波幅值随 增大而增大，=90 时谐波幅值最大 从90180之间电路工作于有源逆变工作状态，ud的谐波幅值随 增大而减小电力系统谐波分析计算电力系统谐波分析计算谐波分析用于研究谐波的状况，目的在于检测谐振点，计算谐波电流和电压及其谐波分析用于研究谐波的状况，目的在于检测谐振点，计算谐波电流和电压及其畸变水平。常用方法有：畸变水平。常用方法有：1、计算机程序谐波分析法：、计算机程序谐波分析法：建立每一次谐波的母线导纳矩阵建立每一次谐波的母线导纳矩阵(Y)获取每一次谐波的母线阻抗获取每一次谐波的母线阻抗(Z)在已知谐波电流源频谱在已知谐波电流源频谱(I)的情况下，求得母线电压的情况下，求得母线电压

36、(V)计算线路电流计算线路电流:I=VZ计算电压和电流的畸变因数计算电压和电流的畸变因数2、电子表格谐波分析法：通过计算系统中不同元件的谐波阻抗来处理问题。从某点上看出、电子表格谐波分析法：通过计算系统中不同元件的谐波阻抗来处理问题。从某点上看出去，等效阻抗可以通过将串联元件的阻抗相加或将并联元件的导纳相加来获得，从而去，等效阻抗可以通过将串联元件的阻抗相加或将并联元件的导纳相加来获得，从而得到阻抗扫描图，该图描述了被研母线的驱动阻抗模值与谐波次数或频率的关系曲线，得到阻抗扫描图，该图描述了被研母线的驱动阻抗模值与谐波次数或频率的关系曲线，从中可检测系统的谐振点。主要步骤有数据输入和网络分析（

37、过程从略）从中可检测系统的谐振点。主要步骤有数据输入和网络分析（过程从略）8、IDC机房的谐波抑制机房的谐波抑制8.1、谐波抑制的意义和要求、谐波抑制的意义和要求谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门有关，还关系到运营企谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门有关，还关系到运营企业的切身利益。业的切身利益。当今社会当今社会倡导倡导“高效高效”和和“节能节能”，除了提高产品的效率和推广节能型产品外，在设备安装和运行，除了提高产品的效率和推广节能型产品外，在设备安装和运行中应注重治理中应注重治理谐波干扰、消除电磁污染等手段谐波干扰、消除电磁污染

38、等手段降低损耗。降低损耗。随着电力污染问题日益严重，各国纷纷出台治理措施和相关标准，对产生电力污染的设备提出明确随着电力污染问题日益严重，各国纷纷出台治理措施和相关标准，对产生电力污染的设备提出明确的限制。谐波治理就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流，从而降低谐波电的限制。谐波治理就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流，从而降低谐波电压。压。国标国标电能质量、公用电网谐波电能质量、公用电网谐波(GB/T14549-1993)规定：规定：8.2、抑制谐波的方法、抑制谐波的方法通常电压谐波是由电流谐波产生的，有效地抑制电流谐波就会使电压通常电压谐波是由电流谐波产生

39、的，有效地抑制电流谐波就会使电压畸变达到要求的范围畸变达到要求的范围,取得了提高电源品质和节能的双重效果取得了提高电源品质和节能的双重效果。常用的抑制谐波方式如下：常用的抑制谐波方式如下：1、增大变压器、线缆等电力系统的容量；、增大变压器、线缆等电力系统的容量；2、改变变压器的联接方式；、改变变压器的联接方式；3、增加整流变压器二次侧的相数、增加整流变压器二次侧的相数；4、在线路中串入抗谐波电感器、在线路中串入抗谐波电感器；5、采用、采用LC调谐式滤波器（无源）；调谐式滤波器（无源）；6、采用、采用有源谐波处理器有源谐波处理器；7、IGBT整流技术的谐波；整流技术的谐波；8.3、改变变压器的联

40、接方式、改变变压器的联接方式这种方法仅抑制这种方法仅抑制3次和次和3n次谐波，例如次谐波，例如型型/Y型变压器，如图所型变压器，如图所示，三次谐波和示，三次谐波和3n次谐波在次谐波在绕组中形成环流，在输入端消除绕组中形成环流，在输入端消除3n次谐波。次谐波。8.4、增加整流变压器二次侧的相数、增加整流变压器二次侧的相数整流器在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为整流器在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为pk1和和pk(p为整流相数或脉动数，为整流相数或脉动数，k为正整数为正整数)。当脉动数。当脉动数由由p=6增加到增加到p=12时，可以有效地消除幅值较大的低频项，时，可以有效地消除幅

41、值较大的低频项，从而大大地降低了谐波电流的有效值。例如：下图中从而大大地降低了谐波电流的有效值。例如：下图中12脉脉冲整流器，采用两组冲整流器，采用两组6脉冲整流器经脉冲整流器经30移相后迭加，约为移相后迭加，约为6脉冲整流器脉冲整流器THDI（30）的二分之一。）的二分之一。THDiSn1/2Sn12P6P8.5、在线路中串入抗谐波电感器（无源）、在线路中串入抗谐波电感器（无源）串电感主要适用于三次谐波的治理；串电感主要适用于三次谐波的治理；例如：例如：UPS之前采用串联电抗器之前采用串联电抗器LF作为谐波抑制，其等效电路如下图。作为谐波抑制，其等效电路如下图。电源和线路阻抗为电源和线路阻抗

42、为Ls，e为理想电压源，为理想电压源，B点的电压失真度点的电压失真度THDU为为D，则，则A点的电压失真度为点的电压失真度为D8.6、采用、采用LC调谐式滤波器（无源）调谐式滤波器（无源）调谐式滤波器仅按谐波频率选择衰减次数，这是用电感元件和电容元件构成的滤波器，调谐式滤波器仅按谐波频率选择衰减次数，这是用电感元件和电容元件构成的滤波器，对滤除高频脉冲尖刺有一定的效果，但必须保证电感元件在强电流通过时，产生的压对滤除高频脉冲尖刺有一定的效果，但必须保证电感元件在强电流通过时，产生的压降不能影响其它电气设备的正常工作。简单的降不能影响其它电气设备的正常工作。简单的LC滤波器难以滤除频率较低、幅值

43、较大滤波器难以滤除频率较低、幅值较大的畸变波。的畸变波。例如：例如：UPS之前采用之前采用LC调谐式滤波器作为谐波抑制时，设电源和线路阻抗为调谐式滤波器作为谐波抑制时，设电源和线路阻抗为Ls、滤波、滤波器的串联电抗器为器的串联电抗器为LF、电容为、电容为CP、并联电抗器为、并联电抗器为LP，即图所示的等效电路，即图所示的等效电路,则输入端则输入端的第的第n次谐波电流为次谐波电流为：6 pulse SCR rectifier+H5 filter满载时满载时THDI:5-7%THDI:5-7%12 pulse SCR rectifier+H11 filter满载时满载时THDI:3-5%THDI:

44、3-5%8.7、采用、采用有源谐波处理器有源谐波处理器随着电力电子技术的发展，有源滤波补偿技术日益成熟，并得到了广泛应用。较传统的无源滤随着电力电子技术的发展，有源滤波补偿技术日益成熟，并得到了广泛应用。较传统的无源滤波补偿系统，它具有功能多，适应性好及响应速度快等优点，随着价格的不断下降，应用将日波补偿系统，它具有功能多，适应性好及响应速度快等优点，随着价格的不断下降，应用将日益普遍。原理图如下：益普遍。原理图如下：目前应用的有源谐波调节器具有友好的用户界面，通过对话窗进行现场设置，真实地将用户现目前应用的有源谐波调节器具有友好的用户界面，通过对话窗进行现场设置，真实地将用户现场实际状态反馈

45、至有源谐波调节器中，让其通过采样拾取器实时捕捉谐波，全面有效地抑制电场实际状态反馈至有源谐波调节器中，让其通过采样拾取器实时捕捉谐波，全面有效地抑制电网中的谐波。该调节器还具有标准的网中的谐波。该调节器还具有标准的RS232接口，可方便地将谐波信息与实时计算机通讯接口，可方便地将谐波信息与实时计算机通讯 线路连接的系统框图线路连接的系统框图有源谐波处理器的原理图有源谐波处理器的原理图8.8、IGBT整流技术的谐波整流技术的谐波绝缘栅双极晶体管绝缘栅双极晶体管（Insulated-GateBipolarTransistorIGBT），采用），采用IGBT整流技术的整流技术的UPS其其THDI仅有

46、仅有3%，在谐波抑制、可控性方面，在谐波抑制、可控性方面具有较大优势；具有较大优势；IGBT的结构和情况的结构和情况三端器件：栅极三端器件：栅极G、集电极、集电极C和发射极和发射极EGTR（电电力力晶晶体体管管）和和MOSFET（电电力力场场效效应应晶晶体体管管）复复合合，结结合合二二者者的的优优点点，具具有良好的特性，一般应用于小容量系统；有良好的特性，一般应用于小容量系统；1986年年投投入入市市场场后后，取取代代了了GTR和和一一部部分分MOSFET的的市市场场,中中小小功功率率电电力力电电子子设设备备的的主导器件；主导器件；继继续续提提高高电电压压和和电电流流容容量量，以以期期再再取取

47、代代GTO（门极可关断晶体管）的地位；门极可关断晶体管）的地位；8.9、IGBT的特性和参数特点的特性和参数特点IGBT的优点：的优点：(1)开关速度高，开关损耗小。在电压开关速度高，开关损耗小。在电压1000V以上时，开关损耗只有以上时，开关损耗只有GTR的的1/10，与，与电力电力MOSFET相当；相当；(2)相同电压和电流定额时，安全工作区比相同电压和电流定额时，安全工作区比GTR大，且具有耐脉冲电流冲击能力大，且具有耐脉冲电流冲击能力(3)通态压降比通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域；低，特别是在电流较大的区域；(4)输入阻抗高，输入特性与输入阻抗高，输入特性与MOSFE

48、T类似；类似；(5)与与MOSFET和和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点率高的特点；IGBT整流相比传统的晶闸管整流缺点：整流相比传统的晶闸管整流缺点：1.元件耐压低，传统晶闸管耐电网波动可达元件耐压低，传统晶闸管耐电网波动可达2000V以上，而以上，而IGBT耐压超过耐压超过1000V时，时，稳定性差。对于整流侧的市电来讲远比逆变侧直流品质要差得多；稳定性差。对于整流侧的市电来讲远比逆变侧直流品质要差得多；2.单元件容量小，对于单元件容量小，对于400KVA-ups，需要多组，需要多组IGBT器件并联，而

49、对于传统的晶闸器件并联，而对于传统的晶闸管来讲一个即可，故障率要高于传统型；管来讲一个即可，故障率要高于传统型；3.IGBT控制线路复杂，元器件多，相对的故障率要高，稳定性要差；控制线路复杂，元器件多，相对的故障率要高，稳定性要差；8.10-1、不同谐波抑制方式的比较、不同谐波抑制方式的比较改变变压器的联接方式、增加整流变压器二次侧的相数、在线路中串入抗谐波电改变变压器的联接方式、增加整流变压器二次侧的相数、在线路中串入抗谐波电感器等方式都具有一定局限性，仅能滤除或改变部分性能，同时由于需要串入系感器等方式都具有一定局限性，仅能滤除或改变部分性能，同时由于需要串入系统主回路，当本身故障时易引起

50、事故，所以机房的统主回路，当本身故障时易引起事故，所以机房的UPS回路中不建议采用；回路中不建议采用；无源滤波装置，吸收高次谐波，而所有滤波支路对基波呈现容性，满足无功补偿无源滤波装置，吸收高次谐波，而所有滤波支路对基波呈现容性，满足无功补偿要求，不必另装并联电容器补偿装置，这种方法经济、简便。实际应用中仍有局要求，不必另装并联电容器补偿装置，这种方法经济、简便。实际应用中仍有局限性；限性；有源滤波器的优点是能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，但造价较高；有源滤波器的优点是能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，但造价较高；1、第一代有源滤波补偿装置采用模拟和数字逻辑电路进行电流检测和电流