谐波抑制设计技术.ppt

1,供配电系统谐波抑制设计技术,2,谐波问题不是新问题，但又是新问题。,3,我国早在1984年就发布了电子系统谐波管理暂行规定；随后又于1993年颁布了电能质量公用电网谐波标准；进入21世纪的2003年又颁布了公用低压供电系统低频传导骚扰及信号传输兼容水平和工厂低频传导骚扰的兼容水平两个文件。与此同时，2003年和2004年又先后发布了单台设备16A和16A的谐波电流发射限值的规定。上述简况已能说明，谐波问题已不是什么新问题了，早已有章可循了。,谐波问题不是新问题，是因为：,4,谐波问题又是新问题，是因为：,谐波是当代科技进步的“产物”，随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的类型、数量和用电量的变化和更新换代是个不确定因素，这就需要去解决情况不断发生变化的新问题。非线性负荷用电量的年增长率远高于发电量年增长率，这是电网的谐波迅速恶化的根源，非线性负荷用电量的来势凶猛，这必然带来尚不能被认识的新问题。谐波源是电网谐波问题的根源。当前，重要的谐波源（非线性负荷用电设备）依次是电力整流器、逆变器、变频装置等换流装置占谐波源总数的66；家用电器占谐波源总数的23以及电弧炉等。这里可以看出换流装置和家用电器两大部分完全占据了核心位置。因此，在高新技术电力电子应用领域中，分析掌握新生的谐波源的特性及其运行状态，使得节能减排与谐波治理达到完美结合，这也是迫切需要深入研究的新问题。,5,所以，研讨供配电系统中的谐波问题,就是一件很有意义的课题了。,6,一、谐波限值（允许值）,电力电子装置在运行中必然产生各次谐波。根据现有的技术水平要求其在运行中不产生谐波是不现实的也是不可能的。既然谐波的存在是不可避免的，而谐波又是一种电磁骚扰，为使谐波骚扰造成的危害很少，能在工程中可以接受的水平，就必须将谐波限制在一定范围 谐波限值或谐波允许值。,7,1.国内谐波限值规定,（1）公用电网谐波限值,8,电网谐波电压限值电网谐波电压（相电压）限值（GB/T14549-93）,谐波电压含量,9,注入公共连接点的谐波电流允许值,注入公共连接点的谐波电流允许值（GB/T14549-93）,注：SK1时允许值：In=Inp（SK1/SK2）SK1公共连接点的最小短路容量（MVA）。,10,（2）非公用和工厂的中压、低压 供电系统的长时谐波电压兼容水平和电压总谐波畸变率的允许值。,11,非公用和工厂的中压、低压供电系统的长时谐波电压兼容水平（IEC61000-2-4：2002）（GB/T18039.4-2003 idt IEC-1994）,12,电压总谐波畸变率（THDu）允许值,建筑物的电磁环境分类可分为三类。大型医疗中心、航空港、金融中心、电信枢纽、防灾中心以及冶金、化 工、造纸等重点谐波监控治理行业中的计算机、自动控制和保护设备，其公共连接点的谐波电压的兼容水平宜符合类要求。特级、一级办公建筑、特级剧场、大型商场及一般工业环境的公共连接点和系统或装置内部连接点（IPC）的谐波电压兼容水平宜符合类要求。一般办公建筑、公共建筑以及一般工业建筑环境中，连接有下列设备时，其系统或装置内部连接点的谐波电压兼容水平 宜符合类要求。大部分负荷经换流器供电；有焊接设备；频繁启动的大型电动机；快速变化的负荷。,13,（3）低压电气设备谐波电流限值 单台设备每相输出的电流16A时各类低压电气设备的谐波电流发射限值,注：电路功率因数，n谐波次数,14,单台设备每相输入电流16A，75A时 平衡三相设备谐波电流发射限值（IEC61000-3-12：2004）（GB/Z17625.6-2003.idt IEC-1998）,注：12次及12次以下的偶次谐波的相对值不应 12次以上的偶次谐波如同奇次谐波，计入THD和PWHD中考虑。不同于表中的Rsce值相对应的各谐波电流限值允许用线性插入法求出。In第n次谐波电流，I1基波电流，PWHD部分加权谐波畸变率。一台设备或一套用户装置的短路比，计算公式（Sce短路容量；Sequ设备的额定视在功率）单相设备：RsceSce/3Sequ；三相设备：RsceSce/Sequ；,15,不平衡三相设备谐波电流发射限值,注：12次及12次以下的偶次谐波的相对值不应。12次以上的偶次谐波如同奇次谐波，计入THD和PWHD中考虑。不同于表中的Rsce值相对应的各谐波电流限值允许用线性插入法求出。In第n次谐波电流，I1基波电流。,16,单台设备每相输入电流75A时 75A的平衡三相设备谐波电流发射限值（IEC61000-3-12：2004）（GB/Z17625.6-2003,idt IEC-1998）,注：12次及12次以下的偶次谐波的相对值不应 12次以上的偶次谐波如同奇次谐波，计入THD和PWHD中考虑。不同于表中的Rsce值相对应的各谐波电流限值允许用线性插入法求出。In第n次谐波电流，II基波电流，PWHD 部分加权谐波畸变率。,17,2.国际电工委员会（IEC）和国外谐波限值水平,18,（1）IEC6100022：2002环境公用低压供电系统低频传导骚扰及信号传 输的兼容水平公用低压电网的谐波电压兼容水平,19,（2）美国IEEE std-519:1992 谐波限值水平,20,（3）国外谐波限值水平范围可归纳为：低压（1kV）:一般为5%，个别为4%，7%（国内为5）。中压（2477 kV）：一般为2%5%，个别为6%（国内为34）。目前，在世界范围内最具影响的电磁兼容（EMC）标准有两类：国际电工委员会（IEC）和欧洲标准在欧洲、亚洲、澳洲和非 洲有较大影响力。美国电气与电子工程师学会（IEEE）和美国标准化协会（ANSI）标准在美国有很大影响力。我国有关EMC标准主要依据的是IEC61000系列标准。,21,二谐波评估,谐波的出现将造成电流或电压波形的畸变,从而会降低电能质量，并且与供配电系统连接的非线性负荷引起谐波电流，通过系统阻抗，谐波电流产生谐波电压，又反向注入电源侧,进而引起供电电压畸变。北京电力部门已于2004年在电能质量公用电网谐波工作管理办法中要求对谐波骚扰的危害进行全面评估，并应由有资质的单位完成。,22,1.谐波频谱特征,23,（1）谐波实测数据（举例）低压侧主进线回路谐波电流畸变率实测数据。写字楼的配电系统中，主要是3次、5次和7次谐波。电流畸变率值,24,整流设备不同的工作状态，不同的负荷率情况下的谐波实测数据。测试结果表明，在不同的负荷率情况下，整流设备的谐波电流畸变率也不同，负荷率越高，THDI越低，同时整流设备的频谱特性很宽。电流畸变率值,25,三相UPS设备在不同的负荷率情况下的谐波实测数据。负荷 率越高，THUI越低。同时UPS设备主要是5次、7次谐波。UPS设备谐波实测数据,26,变频器产生的谐波主要为5次、7次、11次和13次谐波电流畸变率在3035左右。单台进口变频器谐波实测数据,27,单相整流设备产生的谐波主要为3次、7次和9次。单台整流设备谐波实测数据,彩色电视机的型号不同，虽然皆为29规格，谐波电流值并不同。几种型号彩色电视机谐波电流值实测数据,28,高压钠灯的功率不同，谐波电流也有所差异。高压钠灯的谐波电流实测数据,高压钠灯有无并联电容器，谐波电流含有率也不相同。有无并联电容器的钠灯的谐波电流含有率（In/I1）,29,高压钠灯产生的谐波主要为3次、5次和7次，谐波电流畸变率为15左右。照明用高压钠灯实测数据（选用228盏）,30,某政府办公楼照明回路电源总进线处实测数据,31,测试时间：2007年11月20日下午 测试点位置：某建院办公楼变压器进线柜测试工具：FLUKE435型电能质量分析仪分析软件：Fluke View 3.20版测试安装接线：三相四线制接线示意图见右图：,问题：1、院谐波污染严重吗？2、谐波污染以多少次为主？3、需要什么样的解决方案？,11 某设计楼谐波实测数据,32,某建院办公楼谐波数据分析,基本电气量数据,有功功率,电流,电压,视在功率,无功功率,功率因数,33,C相电流电压波形,某建院办公楼谐波数据分析,电压波形,电流波形,34,C相电流谐波分析,某建院办公楼谐波数据分析,35,中性线电流波形,某建院办公楼谐波数据分析,36,中性线电流谐波分析,某建院办公楼谐波数据分析,37,（2）谐波的频谱特征,通过对电力系统和用电设备的谐波的实际测量，虽然尚待完善，但仍看可出：谐波畸变率值与负荷率高低有关。负荷率高，谐波畸变率值越小。谐波畸变率值与用电设备功率有关。同类设备的功率不同，谐波畸变率值也不同。谐波畸变率值与用电设备型号规格有关。同类用电设备的型号不同，谐波畸变率也不同，即使规格相同的同类设备，谐波畸变率也有差异。谐波畸变率值与非线性负荷和非线性设备的特性有关。不同类型的谐波源，谐波畸变率值也不相同。其主要谐波频谱特征也有差异。,38,一些设施或设备的主要谐波特征,39,谐波的实测数据也证明了谐波抑制的复杂性。原有的谐波污染经过治理，使得电磁环境得到改善，达到了谐波限值（允许值）的规定要求。但是由于科学技术的发展，需要对用电设备进行改造更新，或是系统运行方式、设备电功率、技术参数、实际运行设备台数等的调整，可能出现谐波频谱发生变化，因此，对重点谐波监控治理单位，实时监测供电系统的谐波电压、电流以及单次谐波含有率等谐波畸变率参数并进行全面分析评估，以便有针对性地进行谐波治理，就显得非常必要了。,40,2.评估方法,（1）评估的目的 将电网中的谐波电压限制在对所有设备不致造成有害影响 的水平，以保持供电系统的正常运行。（2）谐波限制目标值 供电系统一般采用各次谐波电压含有率3%，电压总谐波畸变率5%的允许值作为评估目标值。这主要是基于对交流电动机、电力电容器等在谐波作用下，等效发热和绝缘老化的研究，并考虑电子计算机等对电源波形的要求而确定的。（3）评估的简化方法,41,北京地区规定 符合下列条件之一时，可不经谐波核算，允许直接接入中压电网。Pn0.1MVA Pn/Si15%式中：Pn 谐波源的额定容量之和（MVA）；Si 第i个用电单位的协议用电量（MVA）。当用电单位的谐波源仅为整流设备并符合下列规定时，可直接接入电 网。6/10kV中压用电单位，三相整流器容量不超过下表规定时；6/10kV电压等级允许整流器容量,42,0.22/0.38kV电压等级整流器的谐波电流限值,0.22/0.38kV低压用电单位，单相整流器容量不大于3.5kVA，三相整流器容量不大于10.5kVA，且不超过下表规定的谐波电流限值时；,滤波器的装设判定 产生谐波的设备功率之和占全部设备总功率的比率超过15%时。全部设备实际低负荷运行时，产生谐波的运行设备功率之和与全部运行设备总功率的比率超 过15%时。单次谐波电压超过2%或总谐波电压超过3%时。滤波补偿用电力电容器和电抗器，应具有能承受系统出现的最大过电流和过电压能力。投切装置应采 用专用接触器或加大投切接触器容量等措施。当非线性负荷容量占配电变压器容量的比例较大（如超过50%）设备的自然功率因数较高 时，宜在变压器低压配电母线侧集中装设有源电力滤波器。,43,IEC文件中建议对中压系统畸变负荷的谐波发射限值分三级处理，第一级是以用电单位协议容量（Si）与公共连接点的短路容量（Ssc）之比来判断。符合下列条件时允许直接接入中压电网。Si/Ssc 0.1%法国标准中的规定 在中压电网中可直接接入的谐波源负荷容量（P）为：P 0.5 MVA P 1%SSC,44,（4）配置电能质量监测与控制系统 谐波问题的复杂性、多变性，使得在工程设计阶段不可能进行实际谐波测量，而难于取得供配电系统的实际谐波含量。而取得谐波畸变率等参数对保证系统正常运行又是非常需要的。重点谐波监控治理行业（谐波污染大户）在供配电系统设计中宜装设有可监测包含谐波畸变率的电力参数监控器。含有运算谐波数据、功能检测、功率因数、峰值系数、畸变功率、电压和电流谐波畸变率、单次谐波畸变率、谐间波，并可实时提供电流和电压的频谱分析。具有校正、统计检测、显示、通信等功能。,45,注：1）监测回路配置的电力参数监控仪功能：2）电容器回路配置可通讯的功率因数控制器功能 遥测 遥测 电流、电压、功率、电能、功率因数、频率、最大/最小等 电流、电压、功率、功率因数、谐波 谐波畸变率：THDU和THDI 柜内温度 遥信 遥信 断路器分合状态、故障状态等 投切步数、报警 各种越限报警 3）一般回路配置多回路监控单元 遥控 4）远程通讯功能和联网 远程合分断路器,46,为后续谐波治理提供条件在供配电系统运行后，可通过采集到的谐波畸变率等监测数据提请专业人员进行分析评估，从而可有针对性的策划谐波治理方案。谐波检测结果的感性评估。,47,三、谐波抑制技术,48,建筑物供配电系统设计应该有效控制谐波源注入电网公共连接点 的谐波含量，降低对供配电系统的谐波危害。电力电子设备装置的开关特性强非线性，使其在运行时产生 大量的谐波骚扰 变压器、电动机等的损耗增加；断路器误动作；继电保护和自动装置不能正常工作；中性导体过热；载流导体的集肤效应加重；功率因数降低和电力电容器损坏；对通信系统干扰。,49,供配电系统的谐波抑制措施的选择应该根据达标水平、措施效 果、经济性和技术成熟程度等因素，综合比较后确定。并掌握下 列原则 谐波源的谐波电流发射量限制与系统谐波治理相结合；谐波抑制与无功补偿相结合；有源滤波与无源滤波相结合；滤波装置集中装设与分散装设相结合。采取下列措施，有针对性的确定合理、有效、经济的谐波抑制设 计方案。电气系统的改进；在供配电系统中采用特殊的电气装置或设备；滤波；布线系统中屏蔽隔离技术的采用；选择合适的系统接地型式。,50,（1）合理的选择供配电系统配置，优化供配电系统运行方式。将非线性负荷连接在靠近电源端（短路容量的降低，会造成谐波干扰的增加）。,将非线性负荷应尽可能放在靠近上端的位置（推荐方案）举例,1.电气系统的改进,51,将非线性负荷与敏感负荷分开，并由不同母线供电（尽可能减少互相干扰）。,将非线性负荷归成组并尽可能放在靠近上端的位置（推荐方案）举例,52,建立隔离电源，采用隔离变压器是常用的抑制谐波骚扰的措施。可隔离来自电源的3n次谐波。可将负荷与外部电源分隔，并可阻挡外部电源的瞬变电压传导通路。,通过隔离变压器为非线性负荷供电举例,53,隔离电源的应用UPS电源,54,配装电抗器。给变速传动装置供电时，安装线路电抗器使电流变得平稳，通过增加供电线路阻抗，谐波电流得到抑制。,55,（2）采用专用配电变压器供电方式或采用专线供电。有利于系统电能质量；便于集中对谐波进行治理；有利于减少对其它敏感设备的谐波骚扰。如：大容量的空调制冷（暖）系统宜采用专用配电变压器供电。电梯、UPS装置、广播、扩声系统等宜由专线供电。,56,（3）将不对称负荷（单相、两相负载）合理分配到各相或分散接到不 同的供电点上。负荷不平衡，将引起线损及线路电压损失增大。负荷较大的相线圈过热，磁路不平衡，会造成附加损耗。（4）当技术经济合理时，可将谐波源由增大的配电变压器供电。谐波畸变率超标而又未采取治理措施前，对变压器应采取降容使用。当供电负荷中50为非线性负荷时，变压器容量应降低约45运行。降容是对谐波造成的电气设备的损耗增加并引起设备过载所需采取 的应对措施（电源电压畸变率超过10时，变压器损耗约增加10 15，寿命减少约5）。,57,变压器的降容率除采用降容率曲线计算外，还可使用 降容系数计算法确定：,式中：K降容系数；n谐波次数；Inn次谐波电流；I1基波电流；HRnn次谐波电流含有率。,58,59,变压器的降容率,（5）谐波敏感的用电设备不宜布置在谐波源的近旁。,60,2.采用特殊的电气装置或设备,（1）一般应选用D,yn11型接线组别的三相电力变压器，如SCB系列电力 变压器。在条件允许时采用有利于抑制谐波作用的K系数三相电力变压器。D,yn11接线组别的变压器，虽有利于抑制谐波，但从降低谐波危害而言并不是理想的选择。在D接线的绕组内虽为3n次谐波提供了通路，但仍以环 流存在，使铜损耗增大从而使变压器温升增加。K系数变压器特点 中性线按200相线定额；采用异型绕组导体截面以降低谐波引起的附加损耗。特殊设计的铁芯，以降低铁损。K系数法是考虑了频率因数，它是用于计算干式变压器的非线性负荷造成谐波影响的最精确和可行的方法。（2）采用“单位功率因数变流器”功率因数为1的变流设备。（3）优先选用符合谐波电流发射允许值的设备。,61,(4)整流设备的脉动数的选择原则,功率在250kVA以下的小功率整流装置，采用0.22/0.38kV供电时，宜采用6脉动整流，容量特别小的装置可采用单相整流。功率大于250kVA、0.22/0.38kV供电的整流装置，宜采用12脉动整流。功率在1500kVA以下中等容量的整流装置，采用10kV供电时，宜采用12脉动整流。功率在1500kVA以上，采用10kV供电的整流装置，宜采用24脉动整流。,62,3.滤波,谐波滤波是谐波治理的有效装置。（1）谐波滤波类型选择 交流滤波器主要有有源滤波器、无源滤波器和混合滤波器。有源滤波器是电力电子是自动控制技术和高速计算机等最新技术的综合。通过逆变器产生一个与系统中各次谐波大小相等，相位相反的谐波电流注入电网中，以达消谐目的。有源滤波器用于谐波电流较大，谐波源的谐波频普较宽（如：大功率整流设备），谐波源的自然功率因数较高（如：变频调速、核磁共振机等）时谐波治理较为合适。无源滤波器是利用电容、电抗、电阻元件构成谐波电流的滤波器。在谐波频率下，为一低阻抗回路以吸收谐波，在基波频率下，提供无功电流以改善功率因数。无源滤波器用于谐波电流和无功负荷比较稳定，自然功率因数又较低，频谱特征明显，谐波较集中于连续的三种或以下（如：3、5、7次）的系统中的谐波治理较为合适。混合型滤波器结合了无源滤波器和有源滤波器的优点。混合型滤波器 通常是将系统中谐波电流大的恒定部分由无源滤波器过滤，而其小谐波电流及波动部分由有源滤波器处理，以节约总体造价。,63,有源滤波器与无源滤波器比较,有源滤波器与无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制电压闪变，补偿无功电流，性价比较为合理。,64,滤波器的技术指标 有源滤波器 谐波频谱滤除次数（不应少于50次谐波）；功率因数校正（最高可达到1.0）；对负荷变化的瞬间响应，全响应时间（不大于10ms）；不会发生过载危险；有扩展能力（可并联工作）。无源滤波器 过载能力强；承载容量大。,65,治理方式 集中治理保护变压器的所有非线性设备；当非线性负荷容量与配电变压器容量的比例超过50，分布区域较广且自然功率因数较高时，宜在变压器低压侧配电母线上集中装设。分散治理保护区域内少量的非线性设备；仅在一个区域内有较分散且容量较小的非线性负荷时，宜在分配电箱母线上装设。就地治理保护局部区域内的几台重要的非线性设备。仅有几台大容量的非线性设备，宜在每台谐波源处就地配装。,66,67,典型写字楼的配电系统中，非线性负荷分布较广且负荷容量不是很大，但又很分散，对谐波源的就地补偿很难实现，因此，适宜采用集中治理或分散治理方式。,68,设计图例-总补偿,69,有源滤波器安装位置比较有源滤波器安装位置比较表,70,有源滤波器抑制谐波的实测效果（举例）有源电力滤波器运行前输出侧的电气考数,表中：PF功率因数；THDI电流总谐波畸变率。,71,有源电力滤波器在运行后输入侧的电气参数,72,（2）电抗器电容器组滤波谐振频率随电容器组的投入和切出而改变，一旦出现与谐振频率一致，就不可避免的产生谐振。电容器在配电系统中，若系统存在谐波电流可能导致振荡并引起电压的畸变，有时谐波分量会被加倍而过载。在电容器回路上串联抑制谐波电抗器，增加对高次谐波的阻抗，可避免谐振并可保护电容器。,73,滤波电抗器的电抗率选择 抑制谐波骚扰和避免串联谐振的主要措施是，串联一个电抗器，而滤波电抗器的电抗率参数又直接关系着滤波效果。电抗器的不同电抗率与谐波次数和谐振频率的关系 计算方法：,从表中可看出：欲使3次谐波电流不产生放大，必须使电抗器的电抗率Rr12%。,74,目前市场上供应的滤波电抗器的电抗率。,电抗率为5.5%的滤波器可吸收约50%60%的5次谐波；Rr为7%时，仅可吸收约15%20%的5次谐波。,75,滤波电抗器的选择原则 调谐滤波器，以5次谐波为例，250Hz225Hz（不得大于10%）；非调谐滤波器，以5次谐波为例，225Hz（不得小于10%）；串联电抗器的调谐频率应小于最低主谐波频率，越接近滤除主谐波频率效果越好；针对5次谐波电抗率接近4又4是不易的；调谐与非调谐滤波器两者都有滤波功能，也都有无功补偿能力。只是调谐滤波器的滤波能力和无功补偿能力要强一些。,76,电抗率参数的选择规定 北京地区规定 谐波为3次以上时：Rr为12.5%15%；推荐：Rr为12.5%13.7%；谐波为5次以上时：Rr为4.5%7%；推荐：Rr为5%5.5%；并联电容器装置设计规范GB5022795规定：谐波为3次时：Rr为12.5%；谐波为5次以上时：Rr为4.5%6%；IEC建议 调谐滤波器的电抗率：Rr（%）为4%5%（5次谐波）。非调谐滤波器的电扰率：,77,电容器额定电压UCN的选择 电容器串联电抗器后，电容器端电压会上升；计及电容器运行中应能承受的长期工频过电压为标称电压的1.1倍。电容 器的端电压：计算结果见表。电容器的端电压计算表,电抗器的电抗率Rr为47时，电容器额定电压选择值UCN为480V；Rr为1215时，UCN为525V。,78,电容器的降容,如何计算实际补偿容量？,调谐无功功率补偿系统主要器件选型13.7%电抗器，调谐频率135Hz，针对3次及以上谐波480V电容器，计算容量时需考虑降容,79,（3）谐波滤波方案选择 变压器额定容量Sn2000kVA时，滤波方案的确定。,80,四、结束语,1.谐波抑制和治理，是“治少”，不是“治无”。谐波抑制和治理，在于消弱谐波源骚扰能量，因此规定有谐波允许值。谐波评估的简化方法就是建立在限制非线性负荷占有比例的基础上提出的。2.谐波不是不可知的，是可以实时监测的。对系统的THDU、THDI；单次谐波幅值；谐间波波形捕捉等。谐波的存在不仅影响供配电系统的电能质量，也关系到电能的有效利用节能。3.供电系统及其连接设备的谐波是可以测量的。测量的目的在于取得其真实有效数据，并作为谐波治理和设备选择的重要依据。不仅可测量谐波畸变率，谐波频谱特征等数据，还可测量用电设备的谐波发射量。4.谐波的存在是有危害的，但不是不能抑制和治理的。避免使用不符合谐波电流发射限值的设备,或采用自带消谐机制的设备.采取有利于抑制谐波的综合治理措施综合治理措施,合理的选择谐波滤波方案和有关技术参数,是可以获得良好效果的。5.一些有实力的公司（如施耐德电器公司）都已开发有谐波专用的选型软件，可方便进行计算评估。6.谐波抑制技术已得到普遍关注，并且谐波抑制设计也已成为建筑工程供配电系统设计中不可缺少的重要组成部分。,