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谐波分析

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  • 发布时间:2013/9/18 16:07:05
  • 作者:银河电气

谐波分析定义

  《电力名词》第二版定义:谐波分析是指将非正弦周期信号按傅里叶级数展成一系列谐波,以考察信号中各次谐波的幅值与相角等参量。

      非正弦波里含有大量的谐波,不同的波形里含有不同的谐波成份。在倍频器、变频器、乐器、音响、放大器……分柝各次谐波的分布;任何关于时间的周期信号都能展开成傅立叶级数,即无限多个正弦函数和余弦函数的和表示,这就是谐波分析的过程。
      奇次谐波,指频率为基波频率的3、5、7……倍的谐波;
      偶次谐波,指频率是基波频率的2、4、6……倍的谐波。
  对f(t)=-f(t+T/2) 的函数(T为函数周期),偶次谐波及直流分量为0;对f(t)=f(t+T/2) 的函数,奇次谐波为0。

谐波危害

  1、谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗,降低了发电、输电及用电设备的效率,大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。
  2、谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外,还会产生机械振动、噪声和过电压,使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短,以至损坏。
  3、谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,这就使上述1和2的危害大大增加,甚至引起严重事故。
  4、谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,并会使电气测量仪表计量不准确。
  5、谐波会对邻近的通信系统产生干扰,轻者产生噪声,降低通信质量;重者导致住处丢失,使通信系统无法正常工作。

分析方法

  满足一定条件(Dirichlet条件)的、以T为周期的时间的周期函数f(t),在连续点处,可用下述的三角函数的线性组合(傅里叶级数)来表示:

 
  上式称为f(t)的傅里叶级数,其中,ω=2π/T。

 

 

  n为整数,n>=0。


  n为整数,n>=1。
  在间断点处,下式成立:
 


  a0/2为信号f(t)的直流分量。令

 
  c1为基波幅值,cn为n次谐波的幅值。c1有时也称1次谐波的幅值。a0/2有时也称0次谐波的幅值。

谐波测量方法

  谐波分析是信号处理的一种基本手段。在电力系统的谐波分析中,主要采用各种谐波分析仪分析电网电压、电流信号的谐波,该类仪表的谐波分析次数一般在40次以下。
  对于富含谐波的变频器输出的PWM波,其谐波主要集中在载波频率的整数倍附近,当载波频率高于基波频率40倍时,采用上述谐波分析设备,其谐波含量近似等于零,不能满足谐波分析的需要。
  上述场合,当载波频率固定时,谐波的频率范围相对固定,而所需分析的谐波次数,与基波频率密切相关,基波频率越低,需要分析的谐波次数越高。一般宜采用宽频带的,运算能力较强、存储容量较大的变频功率分析仪,根据需要,其谐波分析的次数可达数百甚至数千次。例如,当载波频率为2kHz,基波频率为50Hz时,其40次左右的谐波含量最大;当基波频率为5Hz时,其400次左右的谐波含量最大,需要分析的谐波次数一般至少应达到2000次。
  同时,选择仪表的同时,还应选择合适带宽的传感器,因为传感器的带宽将限制进入二次仪表的信号的有效带宽。一般用选择宽频带的电压、电流传感器,如:变频功率传感器

WP4000变频功率分析仪

变频功率分析仪

变频电量传感器

变频功率传感器

谐波治理

  谐波的治理主要采用无源滤波装置和有源滤波器。   
  1、无源滤波装置主要采用LC回路,并联于系统中,LC回路的设定,只能针对于某一次谐波,即针对于某一个频率为低阻抗,使得该频率流经为其设定的LC回路,达到消除(滤除)某一频率的谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时,在基波对系统进行无功补偿。这种滤波装置简单,成本低,但不能滤除干净。其主要元件为投切开关、电容器、电抗器以及保护和控制回路。   
  2、有源电力滤波器。这种滤波器是用电力电子元件产生一个大小相等,但方向相反的谐波电流,用以抵销网络中的谐波电流,这种装置的主要元件是大功率电力电子器件,成本高,在其额定功率范围内,原则上能全部滤除干净。