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第一章 引言
1.1非线性负荷的电能质量问题
随着工业负荷的不断发展及电力电子设备的大量应用，非线性负荷己经成为电力系统负荷的重要组成部分。据统计，目前20%的电力负荷通过各种形式的功率交换来实现，所造成的谐波污染对电力系统危害巨大，交流电弧炉、轧机等大量冲击性负荷引起的电压波动及闪变更是人们头疼的问题[1]。总之，非线性负荷对区域性电网甚至整个电力系统的影响表现十分明显与突出，分析非线性负荷的谐波特性具有举足轻重的意义。
电力系统的非线性负荷大致有以下几类：(1)大功率可控硅整流装置，如电气化铁道、电化工业电解装置、直流输电的换流阀和相控电抗器型无功补偿装置；(2)交流炼钢电弧炉及轧机；(3)节能型家用电器；（4）自饱和、可控饱和电抗器；(5)大型变压器的励磁回路；(6)高频感应加热炉；(7)电石炉。它们的主要用电特性一般表现为：(1)产生大量的谐波污染。所有的非线性负荷都不同程度地产生谐波，冲击性负荷特别是炼钢电弧炉几乎产生连续频谱的谐波电流，甚至产生大量的分数次谐波。（2）引起电压波动及电压闪变。（3)产生负序电流 [2,3]。其中，对非线性负荷所产生谐波的特性的研究为本文的重点。
在现代工矿企业和运输部门中，非线性负荷大量增加。首先是硅整流和换流技术的发展，例如化工部门在电解中广泛采用硅整流；电气化铁道中采用单相交流整流供电的机车；冶金和矿山部门大量用可控硅整流电源作拖动；高压大容量直流输电中的换流站；家用电器中广泛采用硅整流等等。其次是冶金、机械工业的发展使电弧炼钢炉容量不断扩大，单台容量由过去几吨发展到300-400吨，相应的电炉变压器容量也由几个兆伏安发展到几十甚至一、二百兆伏安。此外，工业中广泛使用的电弧和接触焊设备，硅铁炉、高频炉等均属非线性负荷。电力变压器容量在不断发展，也成为电力系统的一个重要的非线性负荷。随着工业的发展预计非线性负荷还将不断增加。非线性负荷从电网吸收非正弦电流，引起电网电压畸变。
1.2谐波问题及研究意义
电力系统中，电能是以额定的频率和电压向用户供电。对电能的质量也是用频率和电压来表征。非线性负载尤其是电力电子装置使用的日益增多，
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特别是近二十年来，各种电力电子装置在电力系统、工业部门以及家庭中的应用迅速普及，使得电力电子装置所产生的谐波对电网的污染日益严重，目前电力电子装置己成为电力系统的首要谐波源。谐波电流和无功电流大量注入电网，引起电网闪变、频率变化、三相不平衡，影响了电能质量、输电效率和设备的安全运行与正常使用。并且随着科技的发展，随着电力电子装置容量的增大，使用数量的迅速上升和控制方式的多样，非线性负荷还将不断增加。非线性负荷从电网中吸收非正弦电流，引起电网电压波形畸变，因此通称为谐波源。目前国际上公认，谐波的“污染”是电力系统的公害，必须采取措施加以。
谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。综合来看，谐波污染对电力系统的危害主要概括为[6-8]:
1)在感应电机和同步电机中发生过度的损耗发热，甚至引起感应电机和同步电机的机械振动；
2)增加变压器和电网的损耗。当发生谐振或放大现象时，损耗可达到相当大的程度；
3)对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流的放大，从而导致电容器因过负荷或过电压而损坏，对电力电缆也会造成过负荷或过电压击穿；
4)系统中谐波电压和电流谐振造成过电压和过电流或者引起电缆介质绝缘的破坏；
5)对继电保护、自动控制装置和计算机产生干扰和造成误动作。 6)干扰大电机的控制器和发电厂的励磁系统；
7)干扰脉动控制和电力载波系统，引起遥控转换，负荷控制和仪表显示功能的系统误动；
8)位于零点电压交叉检波和触发电路的不稳定运行； 9)电度表出现测量误差。
10)谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路产生干扰影响。
谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。但是，现在电力电子装置产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。
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1.3非线性负荷谐波的评估
1.3.1谐波评估简介
1993年颁布的国家标准《电能质量 公用电网谐波》GB／T 14549—93中，规定了公用电网谐波的允许值及其测试方法，该标准适用于交流额定频率为50Hz、标称电压110kV及以下的公用电网，标称电压为220kV的公用电网可参照执行，不适用于暂态现象和短时间谐波。该标准中提出并规定了谐波电压限值和谐波电流允许值。该标准颁布以来，为中国电力系统的电能质量管理提供了共同遵守的法则，成为全国进行电网谐波监督管理的基础和依据。谐波评估，是谐波监督和管理工作中的一个环节，其目的是控制或非线性负荷注入电网的谐波电流，使电网电压谐波畸变率总是保持在国家标准规定的谐波电压限值—公用电网谐波规划值范围之内。
国家标准GB/T 14549—93中，给出了各个电压等级的基准短路容量和全部用户注入公共连接点的各次谐波电流的允许值，便于在工程实践中使用。当公共连接点的最小短路容量不同于基准短路容量时，可按实际的最小短路容量Sk1与基准短路容量Sk2的比值进行修正，得到全部用户实际的谐波电流注入允许值Ih=
Sk1
Ihp。在公共连接点同时连接多个用户时，对于第i个用Sk2
户的第h次谐波电流注入允许值Ihi，还必须根据该用户与供电公司所签订的供电协议中，与经济上有关的用电协议容量Si (MVA)，以及公共连接点的供
1Siα电设备总容量St(MVA)和求和指数α来分配，即：Ihi=Ih()该式把用户
St
注入系统的谐波电流允许值与其经济责任联系起来，保证了全部用户负荷运行时，系统谐波电压畸变率不致超过规划值，可见是比较合理的。在GB/Z 17625.4—2000(IEC 61000—3—6：1996)中，也推荐了这种分配方式。综上所述，谐波电流注入限值，主要是用来评估单个客户的负荷能否在公共连接点接入系统。
1.3.2 非线性负荷接入的评估
各种各样的非线性负荷和设备在电力系统中会产生谐波，而且接入负荷的公共连接点分布在各个电压等级的整个电力网络中。供电公司对公共连接点的电压谐波畸变率，应该控制在国家标准规定的限值之下。所有用户有责任在公共连接点把注入的谐波电流值减少到国家标准规定的允许范围内。供电公司和用户必须一起协同工作，来保证整个供电系统的谐波电压畸变率处
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于安全合理的水平。因此，对非线性负荷接入的评估，已成为各国电网公司的例行工作。 1、评估的一般程序
①第一级：简单评估。对于低压电气设备或者具有小型低压非线性负荷的用户，可以不要求详细评估其产生的谐波特征或对供电系统的影响，而按照国家标准GB17625．1—1998(IEC 61000—3—2：1995)规定的低压电气及电子设备发出的谐波电流限值(设备每相输入电流≤16A)，即可判断是否可以接入。这一条是产品类标准，一般应由产品制造商负责。
对于一般小用户或者非线性负荷数量有限的用户，如果满足（Si/Spcc） ≤0.1％ ，则可以直接接入，而不必作进一步的详细评估。式中，Si为第i个用户的用电协议容量，Spcc为公共连接点的短路容量。
如果不满足上述条件，可以采用加权的非线性设备容量Sd作为判据，如果(Sd/Spcc)≤O.1％，则该用户的负荷可直接接入。式中Sd=ΣSdi·Wj，其中Sdi为第i个用户中的第j个非线性设备的额定容量，Wj为第j个设备产生谐波的加权因子，对于单相整流电源Wj取2.5，三相6脉动变流器根据不同的平滑环节Wj取0.8至2.0，12脉动变流器Wj取0.5等等。
另外，还可以采用负荷(设备)发出的谐波电流Ih相对于用户负荷总电流
Ii的比值ih作为判据，符合表1-1列出的比值，即可接入。
表1-1 用户负荷接入判据表
谐波次数 5 7 11 13 ih2 ih=Ih/I1 5%～6% 3%～4%1.5%～3%1%～2.5%6%～8% 表1-1中，Ih是客户负荷所发出的第h次谐波电流有效值，Ii是对应于客户用电协议容量的基波电流有效值。如果用户已经或者准备安装无功补偿电容器组，那么，对于来自供电系统的谐波和可能存在的谐振问题必须进行详细评估。
②第二级：详细评估。按照国家标准GB/T 14549—93规定的谐波电流注入允许值进行第2级评估。详细评估的基本原则是：当供电系统处于满负荷，在公共连接点上所有用户都各自按允许值最大地注入谐波电流时，应保持PCC的电压谐波畸变率不超过相应的谐波规划值。也就是如何合理地把谐波规划值分配给每个用户的过程。一般包括如下工作：
a．确定公共连接点，收集和掌握包括本级和上一级供电网络的结构和数据参数以及运行方式。
b．用户提供用电设备的有关参数、接线方式及谐波特性。
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c. 通过实际测量或分析预估的方法，确定用户总的谐波电流注入值。 d. 实测或分析预估供电系统在公共连接点处的背景谐波值及谐波阻抗。 e. 根据实际系统在最小方式下的短路容量和同用户的用电协议容量，按照国家标准中规定的允许值，核算该用户在公共连接点处各次谐波电流注入允许值。
f. 如果用户的谐波电流注入值超过允许值，必须考虑降低或减少谐波电流注入的措施，同时结合所需的无功补偿量，设计谐波滤波器或串入电抗器的无功补偿电容器组。
g．建立系统网络计算模型，进行模拟运行和仿真计算。 2、不同性质负荷的评估
绝大多数的谐波问题都与来自工业设备中使用的非线性用电装置有关。近年来，需要作评估的非线性负荷有工业设备、商业设备、交通设备以及住宅区用电设备等类型。 3、评估时应注意的问题
（1）在进行详细评估时，要充分考虑到在供电系统和用电设备中可能存在的各种运行情况和非理想的工作条件，如供电系统侧和用户侧无功补偿电容器组的投切、谐波滤波器组的投切、不同负荷组合的投切以及供电方式的改变等
（2）对一些变化较快的负荷，要进行谐波时变特性的评估。对谐波电流注入值的，一般是指非线性设备注入的稳态谐波。但不同设备所产生的谐波具有不同的时变特性，严格地说，所有的谐波在幅度上都具有典型的时变特性。根据国家标准，采用测量时间上95％的概率分布值作为谐波测量值，然后将该测量值与注入允许值作比较；对于那些不经常运行而且运行时间很短的负荷，其谐波注入限值可以适当放宽。
1.4国内外研究状况和进展
1.4.1国外研究状况
国际上对电力谐波问题的研究大约起源于五六十年代，当时的研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。70年代后，随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题日趋严重，从而引起各国的高度重视。近十几年间电力谐波的研究，已经越过了电力系统的范畴，渗透到了电工理论、电网络理论、电力电子学、数字信号处理、计算技术、系统仿真等其它学术领域，并且形成了自己特有的理论
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体系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、标准与管理制度等。目前，谐波研究仍是一个非常活跃的领域。
发达国家的经验和预测表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量迅猛增加。针对谐波的大量出现，目前国外己经研制成功各种谐波测量分析仪，如德国产的NOWA-1谐波分析仪、美国产F40/41手持式谐波分析仪和英国产PA系列高精度电力谐波分析仪等。
电力系统的谐波研究问题近几十年来在世界范围内得到了十分广泛的关注，国际电工委员会(IEC)、国际大电网会议(CIGRE)、国际供电会议(CIRED)及美国电气和电子工程师学会(IEEE)等国际性学术组织，都相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并已制定出了电力系统谐波的相关标准。并且从1984年开始，每两年召开一次的电力系统国际谐波会议(CHPS)为这个领域的国际交流提供了直接的渠道，正推动着谐波研究工作深入开展[7，8]。
发达国家的经验和预测表明，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量将迅猛增加。例如美国IEEE学会认为，伴随着当代一项最重要的科技进步，即电力电子技术的发展，作为非线性用电负荷的敏感电子器件已经大量涌现。日本电气协同研究会的电力系统高次谐波对策委员会论述说：日本当前的重要谐波源依次是电力换流器(占谐波源总数的66％)、家用电器(占谐波源总数的23％)以及大型电弧炉。在高技术的电力电子领域中，换流装置占核心位置 [15～18]。
对间谐波由于其幅值和谐波比起来通常较低，周期和幅值的变化特性，及分析和检测方法的，至今在国外也鲜有很深入的研究。随着对电能质量的研究的提高，间谐波的研究必将引起进一步的重视。
1.4.2国内研究状况
我国谐波研究工作大体上经历了3个阶段，谐波认识和知识普及阶段；建立分析和测量手段，进行实际普查的阶段；谐波综合治理阶段[4]。我国从80年代开始大量采用硅整流设备，尤其是电气化铁路的迅速发展，推动了硅整流技术的发展和应用。电气化铁路具有牵引重量大、速度高、节约能源、对环境污染小等优点，电力牵引己成为我国铁路动力改造的主要方向。目前，非线性负荷的大量增加，使我国不少电网的谐波成分已大大超过了有关标准，并出现了一些危及电网安全、经济运行的问题。事实证明：1985年8月大同第二发电厂2号发电机组(200MW)负序电流保护动作跳闸，造成向首都供电中断，使北京大面积停电的严重事故；1994年4月山西晋东南电网解列事故，都是由于电气化铁道的谐波和负序电流干扰的结果。与此同时，我国
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许多科研和生产单位，一些高等院校相继开展了谐波研究工作，在多次学术会议上，交流了这方面的一些成果[4]。
同国外的先进技术水平相比较，我国的谐波研究和治理工作仍存在着较大差距。1983年，ABB公司在加拿大某铝电解厂安装了63kV, 70Mvar工业用谐波滤波系统；1991年，日本三菱电机公司在日本犬山开关站投运了154kV，±80MVA的ASVG；随之，又研制了20MVA的APF以抑制电弧炉产生的谐波。很明显，随着我国改革开放和经济建设的发展，我国电网已开始遭遇并将迅速面临发达国家当前的谐波局面，即非线性负荷随着高新技术的发展而猛增，电网电压畸变率也将上升。所以为了监测、分析和治理谐波，都需要研究有关非线性负荷的谐波特性。
谐波一般指频率为工频（基波频率）整数倍的成分，而非整数倍基波频率的成分则称为间谐波。对间谐波的研究，相关的资料很少。现行国家标准《电能质量 公用电网谐波》（G/B14549-93）也只是对谐波规定了限值和测量方法,实际上间谐波及其影响广泛存在于电力系统中。如果对间谐波的研究工作能做到足够深入，必将对提高电能质量有极大帮助。
1.5 本文所做的工作
本文首先对非线性负荷谐波问题在国内外研究现状进行了描述，简单介绍了非线性负荷接入电网后的评估工作，分析了变频器，电力机车及电弧炉的谐波特性，在此基础上做了如下一些工作：
1、对变频调速装置根据其电压等级，是否含有ACL/DCL，及脉动数给出了详细的评估流程，且通过在MATLAB下搭建模型进行仿真得出的数据拟合出了变频器负载率与其谐波含量间的函数关系式。
2、对电力机车根据单台机车的谐波含有率，馈电臂上机车的台数，是否装有滤波器及牵引变和接触网的类型得出牵引变电站高压侧谐波电流的计算流程，对系统的评估电气化铁道的电能质量问题有很大意义。
3、详细的介绍了两个谐波的评估实例，分别对福建长乐地区10座110kV变电站进行了谐波分析，对广东韶钢改扩建工程谐波进行了评估，评估方法及结果已得到认可。
4、对晶闸管整流系统的间谐波进行了分析。将开关函数法应用于间谐波的分析，在MATLAB中搭建模型证实了晶闸管整流系统的开关函数对间谐波的调制理论。提出了在此类系统中，PLL对间谐波产生的影响。比较了系统分别为开环和闭环，有不同大小背景间谐波，整数次谐波对间谐波的不同影响。
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第二章 几种非线性负荷谐波特性研究
2.1 变频调速装置（VFD）
近年来，随着全社会对工业生产、居民生活等各个用电领域节能、环保、高效等要求的提高，电动机变频调速运行得到极大的关注。而电力电子技术、微电子技术及电机控制理论的发展为电动机的变频调速提供了技术上的支持。在这种环境下，电动机调速系统有了很大发展。容量从几十瓦到上千千瓦的变频调速已投入到工业及商业应用。
2.1.1 变频调速的分类与拓扑结构
变频调速依据电能的变换方式可分为间接变频方式和直接变频方式两种，如图2－1所示。
<500v判断电压等级U>1~10kv中高压变频器脉动数p及结构表2-1是否有低压ACL/DCL变频表2-2器负载率I'（2-5）hh式IˆIh当有m个谐波源叠加时，表2-4ˆImhˆ=Iˆ×IIh1h图2－1 变频调速的方式 a）间接变频方法 b）直接变频方法
间接变频方式又称交－直－交变频方式，是将交流电通过整流器变换为直流电，再用逆变器将直流电变为频率、电压可调的交流电供给异步电动机。这种变频器又可分为以下两种类型： 1） 电压型变频调速，图2－2所示：
图2－2 电压型PWM变频器主电路
LACLDC~
M3~整流输出经电感电容滤波，具有恒压源特性。逆变器对三相交流异步电
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