电力谐波抑制技术及解决方案.ppt

电力谐波抑制技术及解决方案,山大华天（烟台）电子科技有限公司,1,内 容 提 要,电能质量问题与电力谐波华天电能质量控制产品介绍电能质量产品的设计与选用,2,什么是“电能质量”,Power Quality电能质量（电源质量、电力质量、电力品质）定义1：合格电能质量的概念是指，给敏感设备提供电力和设置的接地系统均适合于该设备正常工作。IEEE标准化协调委员会给出的 power quality（电能质量）的技术定义定义2：电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和不干扰用户使用电力的物理特性。IEC(1000-2-2/4)标准中给出的电能质量定义定义3：电能质量定义是指在电力系统中某一指定点上电压的特性，这些特性可根据预定的基准、技术参数来评价。国际电工委员会（IEC）给出的电能质量定义根据这一定义，可以认为电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频率和恒定幅值的正弦波形电压与连续供电。,3,用户负荷对电能质量的影响,电能质量并不完全由供电方决定,电能质量问题可能由电力用户的负荷引起：三相负荷不平衡可导致三相电压不平衡低功率因数可导致电压偏移负荷冲击与波动可导致电压波动与闪变非线性负荷产生的谐波电流可导致电压波形畸变,4,理想的电压与负荷电流波形,5,非线性负荷电流的波形畸变,6,冲击性负荷的电流波动 1/2,7,冲击性负载的电流波动 2/2,8,电能质量问题的危害 1/2,设备工作异常，产生废品；计算机复位、数据丢失；设备效能降低、寿命缩短、过热、烧毁；电容器击穿、损坏；功率因数下降、设备容量下降、电力损耗增加、付出更多电费,9,电能质量问题的危害 2/2,一个计算中心瞬间失电就可能破坏几十个小时数据处理结果，导致几十万美元产值损失；12周波供电电压暂降，就可能破坏半导体生产线，导致上百万美元损失。据统计美国因电能质量问题造成的损失每年高达260亿美元。2005年由国际铜业协会（中国）主持的一次“中国电能质量行业现状与用户行为调研报告”中，调查了32个行业共92家企业，其中有49家企业，因电能质量问题，在经济上损失达2.53.5亿元。,10,供电电压偏差（GB/T 123252008）电压波动和闪变（GB/T 123262008）公用电网谐波（GB/T 145491993）三相电压不平衡（GB/T 155432008）电力系统频率偏差（GB/T 159452008）暂时过电压和瞬态过电压（GB/T 184812001）公用电网间谐波（GB/T 24337-2009）,电能质量国家标准,11,无功的定义,传统定义：相移功率因数DPF=COS 其中为正弦电压与电流波形之间的相位差畸变（失真）功率因数：总功率因数：,12,消耗无功功率的设备,旋转电机变压器输电线路交直流调速系统中高频感应加热设备充电机焊接设备,晶闸管温控设备晶闸管调光设备不间断电源计算机打印机节能灯日光灯.,13,无功功率对公用电网的影响,占用电力设备容量增加设备及线路损耗使线路及变压器的电压降增大，电压产生波动，供电质量严重降低,14,无功补偿的意义,改善功率因数从而降低总电流减少输电线路及变压器的损耗提高变压器及输电线路的利用率及区域发电机系统的带负荷能力，从而减少设备投资费用稳定受电端及电网的电压，提高供电质量在长距离输电线路中可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力,15,谐波的定义,国际电工标准(IEC555-2,1982)和国际大电网会议(CIGRE)的文献中定义：“谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的h次分量”。IEEE标准中(参见IEEE标准5191981)定义为：“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。,畸变波形的谐波分量,16,产生电力谐波的设备,不间断电源计算机充电器音像设备变频空调晶闸管调光设备电子节能灯等,变频调速器 直流调速系统 整流设备 中高频感应加热设备 晶闸管温控加热设备 焊接设备 电弧炉 电力机车,17,电力谐波的主要危害,降低功率因数，降低电力设备容量，增加电力损耗；导致配电系统共振，危及系统安全；导致无功补偿设备无法正常运行甚至烧毁；引起继电保护设施的误动作，导致意外断电；增加电机振动，影响产品质量和电机寿命；导致变压器、线路、电机过热，加速设备绝缘老化；延缓电弧熄灭，影响断路器的分断容量；增加电压峰值，降低绝缘介质寿命；导致中线过载，甚至引发事故；导致电力计量仪表误差；干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备,18,A,B,C,N,I1=200A,I3=100A,I(rms)=223A,I1=200A,I3=100A,I(rms)=223A,I1=200A,I3=100A,I(rms)=223A,I1=0A,I3=300A,I(rms)=300A,第三次谐波电流会产生下列问题:谐波电流的危害:1.中性线电缆因过电流烧毁2.产生150Hz的磁场3.引起电流失真4.造成变压器过负荷,过温度,商业写字楼的谐波问题,谐波电压的危害:1.引起电压失真2.造成负载运行不正常,19,GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波,20,GB/T 14549-1993 电能质量 公用电网谐波,表2注入公共连接点的谐波电流允许值,21,安装电力滤波器的意义,消除各次电压、电流谐波污染和干扰，满足国家标准要求；改善电压质量，提高设备运行安全性和可靠性，降低设备温升和损耗；提高系统功率因数，提高线路和电力设备利用率；防止系统共振，提高系统运行稳定性，预防设备故障，保障系统安全；降低电力损耗、提高设备效率，节约电能。,22,治理电力谐波的方法,改进用电设备，使其不产生或少产生谐波；受设备结构、效率、成本、可靠性等因素影响，只能解决部分问题。串联失谐电抗器抑制谐波共振放大；主要抑制谐波共振放大，滤波作用较小。使用 LC 无源电力滤波器进行谐波治理；是目前治理谐波的主要方法，但治理效果不理想，并可能导致系统震荡和谐波放大等新问题。使用有源电力滤波器进行谐波治理。治理效果好，节能、节材，是谐波治理技术的最新发展方向，有着广阔的发展前景。,23,内 容 提 要,电能质量问题与电力谐波华天电能质量控制产品介绍电能质量产品的设计与选用,24,华天电能质量产品分类,动态无功补偿按补偿方式：三相三线制、三相四线制按照补偿速度：普通型、高速型和超高速型无源滤波器按补偿方式：三相三线制、三相四线制按照补偿速度：普通型、高速型和超高速型有源滤波器按补偿方式：三相三线制、三相四线制按电流检测方式：源电流检测性、负载电流检测性,25,华天HTEQ高速动态消谐无功补偿器,26,无功补偿设备面临的新问题,电力电子装置的应用日益广泛，配电系统中谐波含量增加，导致电容补偿设备发生高次谐波放大、共振、过载烧坏等问题，传统的无功补偿电容设备因无谐波抑制能力，无法正常投入运行。当今许多工业设备具有无功需求高速波动的特点，传统的无功补偿电容设备因投切速度低、暂态冲击大等缺陷，无法实现实时补偿，无法满足使用要求。,27,华天HTEQ动态补偿器工作原理,28,华天HTEQ高速动态无功补偿器系统图,29,华天HTEQ高速动态无功补偿器主要特点,采用晶闸管无暂态过程高速投切调谐电容器组新技术，具有高速实时跟踪无功补偿和谐波抑制的双重功能。基于DSP和CPLD等新型集成控制芯片完成实时无功检测、谐波分析和控制逻辑运算，快速准确。可实时跟踪负荷无功的高速变化，准确进行跟踪补偿，并可有效抑制系统中的谐波电压和电流。调谐电容器组以循环方式工作，投切过程无暂态冲击，速度快，寿命长，可靠性高。采用优化设计的调谐电容器组，补偿参数自适应控制算法，实现了无功补偿与谐波治理一体化。,30,电容器组投切方式比较,随机投入暂态涌流高达数倍正常电流,华天无暂态投入技术无暂态涌流,零电压投入技术暂态涌流可达2倍正常电流,31,快速响应,图中上半部分显示的是使用快速HTEQ系统的补偿效果。当负载电流突然增加时，快速HTEQ在520ms内投切所需要的全部电容器，总电流明显减小；当负载切除时，快速HTEQ又在520ms内切除相应全部电容器 图中下半部分显示的是采用准实时系统错误的补偿方式。系统中，投切一组电容器需要3个周波，投切所有四组电容器需要12个周波。因为投入的延时，补偿电容是逐步加入，总无功功率逐步减小；而切除的延时，电容器是逐步断开，会产生过补无功。对于快速变化的无功，这样的补偿效果是负面的，系统的总电流是增加而不是减小，会因为欠补或过补而造成电压的波动和闪变。,32,扫描模式,HTEQ采用独特的扫描模式来保护电容器，防止电容器过热，通过减少过流和减少发热来延长电容器的寿命。电子开关接通一组电容器的同时关断另一组电容器。这样的操作每几秒钟进行一次，保证能轮流投切每一组电容器，同时保证对外的总的补偿容量不变。这样由于较低的任务周期而使电容器的平均电流降低，降低了电容器的工作时间，有效的保护了电容器。,33,华天HTEQ动态无功补偿器命名方法,34,HTEQ典型应用,轮胎制造主要负载密炼机（直流电机）轧钢主要负载轧钢机（直流电机）矿山主要负载提升机（直流电机、交流电机、变频器）汽车制造阻焊,35,密炼机特性-拓扑结构图,36,密炼机负载特性-快速变化,37,密炼机负载特性-低功率因数,38,密炼机负载特性-高谐波含量,39,密炼机数据分析及具体方案,数据分析负载为6脉动相控整流直流电机功率因数低谐波含量高，主要为5、7、11次负载变化剧烈具体方案安装1套HTEQV33-0.6/1200/9A1高速动态无功补偿装置预期功率因数达到0.9以上谐波滤除率55%,40,实施效果-功率因数,41,负荷电流快速波动（黑）补偿电流实时跟踪（红）补偿后源电流（蓝)实时系统的优点：实时跟踪无过补、无欠补更节能减小对变压器和电网的冲击,实施效果-实时跟踪,42,实施效果-实时跟踪（续）,负荷电流快速波动（黑）补偿电流实时跟踪（红）补偿后源电流（蓝),负荷电流波形（黑）补偿电流波形（红）源电流波形（蓝）,43,实施效果-电流电压,44,实施效果-谐波,滤波后相电流谐波分析,滤波前相电流谐波分析,滤波后相电压谐波分析,滤波前相电压谐波分析,45,实施效果-汇总,设备运行前后投资效益分析如下：,谐波电流补偿量：,46,港口应用案例 1/3,治理前,治理后,电流波形,电流谐波,47,治理前,治理后,电压谐波,功率因数趋势,港口应用案例 2/3,48,适时跟踪配电系统中的无功需求量并及时补偿，不出现过补及欠补现象，并保证功平均功率因数在0.95以上；视在电流大大下降，减少了无功电流对配电系统的冲击，减小电压波动；谐波电压畸变率由1.6%下降到1.2%；谐波电流畸变率由17.1%下降到3.9%；消除了利率电费罚款；为配电系统的安全、稳定运行提供了保障。,港口应用案例 3/3,49,轧钢行业效果实测,负荷电流快速波动（黑）补偿电流实时跟踪（红）补偿后源电流（蓝),50,橡胶制造行业设备照片,51,华天HTPF无源电力滤波器,52,并联电力滤波器基本原理,并联电力滤波器工作原理示意图,53,华天HTPF无源电力滤波器系统图,54,华天HTPF无源电力滤波器主要特点,针对用户配电系统与负荷特征专门设计，可实现最佳配合；计算机模拟分析技术与计算机辅助参数优化设计技术，取得最优性价比；基于 DSP 和 CPLD 等新型高速集成控制芯片的控制器，控制快速准确；基于无功与谐波分析的补偿参数的自适应控制技术，实现无功补偿、谐波滤除、谐波共振抑制等指标综合优化控制；无功补偿与谐波治理一体化，设备性价比高。,55,华天HTPF无源电力滤波器命名方法,56,HTPF典型应用,铸造企业主要负载中频炉船厂主要负载焊机、行车锻造主要负载中频炉、锻压机械水泥制造主要负载变频器商业写字楼及住宅主要负载-计算机、打印机、节能灯、UPS,57,中频炉和锻造混合负载应用案例,变压器容量及负载变压器：1250kVA/10kv/400v负载：中频炉，锻造设备，行车治理方案消谐无功补偿 720kvar,58,实施效果 1/4,治理前,治理后,电压波形,电压谐波,59,治理前,治理后,电流波形,电流谐波,实施效果 2/4,60,治理前,治理后,功率和电能,实施效果 3/4,61,效益分析其他隐形效益：无功补偿电容器不出现谐振、过载现象；变压器、电动机等的机械振动、噪声和温升显著降低；设备和线路发热、损耗降低；避免保护装置的误动或拒动；减少电力系统测量仪表产生误差；,实施效果 4/4,62,汽车制造业应用案例 1/3,变压器1250KVA变压器，10kv/0.4kv负载总成车间-变频器存在问题功率因数低；因普通补偿装置导致谐波谐振，给配电系统及正常生产带来一系列安全隐患。实施效果：功率因数达到0.95以上；电压谐波畸变率由7.0%下降为0.8%，电流谐波畸变率由84.5%下降为4.2%,63,治理前,治理后,电压波形,电压谐波,汽车制造业应用案例 2/3,64,治理前,治理后,电流波形,电流谐波,汽车制造业应用案例 3/3,65,华天有源电力滤波器,66,HTQF图片,67,HTQF图片,68,有源电力滤波器原理,工作原理：实时检测负载的谐波电流，主动跟踪产生等幅反相的谐波电流注入电网，实现谐波补偿（抵消）-主动滤波。,69,有源电力滤波器原理示意图,工作原理：实时检测负载的谐波电流，主动跟踪产生等幅反相的谐波电流注入电网，实现谐波补偿（抵消）-主动滤波。,70,HTQF有源电力滤波器主要构成,指令电流运算单元实时分离负荷电流中的有功、无功、谐波和不平衡分量；按照工作模式要求产生指令电流补偿电流发生器按照指令电流产生所需补偿电流,71,负荷电流 电源电压 负载电流基波分量负载电流谐波分量 基波无功分量 基波有功分量,非线性负荷电流的分解,72,负荷电流 电源电压 负载电流基波分量负载电流谐波分量 基波无功分量 基波有功分量 补偿电流 补偿后的源电流,单纯滤波工作模式,73,负荷电流 电源电压 负载电流基波分量负载电流谐波分量 基波无功分量 基波有功分量 补偿电流 补偿后的源电流,单纯补偿无功工作模式,74,负荷电流 电源电压 负载电流基波分量负载电流谐波分量 基波无功分量 基波有功分量 补偿电流 补偿后的源电流,谐波无功综合补偿工作模式,75,严格的热设计-主控单元,76,严格的热设计-电抗器,77,严格的热设计-逆变模块,78,非晶材料电抗器-低噪音,79,三相三线制滤波器滤波效果1/6,黄色：负载电流；绿色：补偿电流；紫色：源电流,80,三相三线制滤波器滤波效果2/6,黄色：负载电流；绿色：补偿电流；紫色：源电流,81,三相三线制滤波器滤波效果3/6,黄色：负载电流；绿色：补偿电流；紫色：源电流,82,三相三线制滤波器滤波效果4/6,滤波前,滤波后,电流波形,83,三相三线制滤波器滤波效果5/6,滤波前,滤波后,电流谐波频谱分析,84,三相三线制滤波器滤波效果6/6,滤波前,滤波后,电流谐波表格,85,三相四线制滤波器滤波效果1/6,黄色：负载电流；绿色：补偿电流；紫色：源电流,86,三相四线制滤波器滤波效果 2/6,黄色：负载电流；绿色：补偿电流；紫色：源电流,87,三相四线制滤波器滤波效果3/6,黄色：负载电流；绿色：补偿电流；紫色：源电流,88,三相四线制滤波器滤波效果4/6,滤波前,滤波后,电流波形,89,三相四线制滤波器滤波效果5/6,滤波前,滤波后,电流谐波频谱分析,90,三相四线制滤波器滤波效果6/6,滤波前,滤波后,电流谐波表格,91,华天HTQF有源电力滤波器命名方法,92,华天HTQF有源电力滤波器特点1/2,纹波交错对消变流器专利技术，电流跟踪速度高、纹波低、损耗低；多DSP协同控制，控制精度高、速度快；谐波滤除率高，对目标谐波，有效滤除能力可达97%；同时滤除多达20种谐波，最高可滤除至50次谐波；可设定的谐波分次补偿功能；谐波无功综合补偿，具有“滤波优先”、“无功优先”、“只滤谐波”、“只补无功”四种工作模式，满足各种配电系统补偿需求；平衡补偿功能，可平衡各相之间的负载电流；先进控制算法，适应各种复杂现场稳定运行，可与电容补偿柜并联运行；光纤驱动，安全、可靠、抗干扰能力强；变流器模块化设计，功率密度高、安装维护方便；,93,低损耗微晶合金磁芯电抗器，噪声低，效率高；输出容量大，单机输出容量可达400A；可以多机并联运行，满足各种补偿容量需求；输出容量满载后自动限流，无过载之忧；多重保护功能，严格热设计，确保系统运行安全可靠；可选择的源电流或负载电流检测方式，便于现场安装；数字化控制，中文液晶显示；故障自诊断功能；历史事件纪录功能；RS485接口，标准MODBUS RTU通讯协议，计算机远程监控功能。,华天HTQF有源电力滤波器特点2/2,94,应用场合,三相三线制系统适合于工业大容量负载，如整流器、变频器、大型UPS、电弧炉、中频炉、三相充电机等 三相对称的非线性负载三相四线制系统适合于商业建筑，节能灯、金属灯、电脑、复印机、UPS、变频空调等三相不对称的非线性负载,95,HTQF典型应用,电池制造主要负载充放电机通信主要负载UPS金属冶炼、化工主要负载变频器旅游主要负载直流电机商业写字楼及住宅主要负载-计算机、打印机、节能灯、UPS,96,某通讯公司配电基本情况,供电容量1台S9-1250变压器配备480kvar无功补偿负载情况2套（4台）200KVA UPS、开关电源、空调存在问题2005年维护中发现变压器输出端电缆发热达67度，初步判断为变压器安装时总电缆截面积不足，2005年底加粗电缆后，电缆表面温度47度（高室温25度），仍然偏高，并且电缆震动较大 怀疑为后端负荷谐波原因所致 用户需求降低电缆温升、消除电缆震动降低谐波，减小谐波对相关设备的干扰,97,数据分析及具体方案,数据分析产生谐波的负载主要是UPS，6脉动整流器设备：谐波主要为5、7、11次电压波形畸变率：1、2#UPS：4.1%,3、4#UPS：7.8%电流波形畸变率：1、2#UPS：69.3%，3、4#UPS：54.6%具体方案保留原电容补偿柜2套UPS各安装1套HTAF3L-0.4/200AS有源电力有源滤波器治理后电流谐波小于10%电缆温升降低810度，消除振动,98,实施效果,滤波前相电压谐波分析,滤波后相电压谐波分析,滤波前相电压有效值和波形,滤波后相电压有效值和波形,电压谐波由滤波前的7.8%降为2.1%,99,实施效果,滤波后相电流谐波分析,滤波前相电流有效值和波形,滤波后相电流有效值和波形,电流谐波由滤波前的68.9%降为8.8%,滤波前相电流谐波分析,100,实施效果,电压谐波含量降低到3，电流谐波含量降低到9；变压器输出端电缆温度明显降低，电缆温度37度（室温25度时）；电缆震动基本消除；平均功率因数为由0.7提高到0.95以上，减少了无功功率对电力设备容量的占用；降低电能损耗，使设备运行环境更安全。,101,光伏行业应用案例,供电容量2台S9-2000变压器负载情况变频器存在问题谐波严重-电压谐波：6%，电流谐波17.1%变频器等相关设备损坏率高用户需求降低谐波，消除污染降能节耗降低设备故障率,102,光伏行业实施效果 1/3,治理前,治理后,电压波形,电压谐波,103,电压谐波由滤波前的6.0%降为2.3%,治理前,治理后,电流波形,电流谐波,光伏行业实施效果 2/3,104,电流谐波由滤波前的17.1%降为3.2%,治理前,治理后,电压电流关系,功率和电能,光伏行业实施效果 3/3,105,某商业写字楼实施效果 1/3,黑色L1：负载电流红色L2：滤波器输出电流蓝色L3：源电流,106,某商业写字楼实施效果 2/3,治理前,治理后,107,电流谐波由滤波前的31.8%降为1.9%,电流波形,电流谐波,某商业写字楼实施效果 3/3,治理前,治理后,108,某化工厂电源配电基本情况,供电容量2台S9-1250变压器每台变压器配备640kvar无功补偿负载情况变频器、直流电机、普通电机存在问题谐波严重-电压谐波：10.4%，电流谐波20.6%变频器、电容器等相关设备损坏率高用户需求提高功率因数降能节耗降低设备故障率,109,数据分析及具体方案,数据分析负载主要以6脉冲整流器为主电压、电流谐波主要为5、7、11次具体方案保留原电容补偿柜安装3套HTAF3L-0.4/200AS有源电力滤波器预期功率因数达到0.9降低电气设备的损坏率,110,某化工厂实施效果 1/3,治理前,治理后,电压波形,电压谐波,111,治理前,治理后,电流波形,电流谐波,某化工厂实施效果 2/3,112,谐波电压畸变率从10.4%下降到3.3%，谐波电流畸变率从20.6%下降到4.7%；变频器、电容器损坏率明显减低；降低电能损耗，使设备运行环境更安全。,某化工厂实施效果 3/3,113,中海油滤波器照片,114,达古冰川照片,115,有源电力滤波器与无源滤波器的对比,116,内 容 提 要,电能质量问题与电力谐波华天电能质量控制产品介绍电能质量产品的设计与选用,117,华天电能质量产品选型指南,118,有源电力滤波器的选用,滤波器的额定电压等级与频率要与系统一致；系统中有无中线谐波滤波需求？有：选用3相4线系统；无：选用3相3线系统。根据系统中需滤除的谐波电流最大值确定滤波器容量：一般选取滤波器的额定补偿电流与负荷谐波电流大致相等；滤波器的额定补偿电流大于负荷谐波电流滤波充分；滤波器的额定补偿电流适当小于负荷谐波电流性价比高。其他事项：华天有源电力滤波器可以多模块并联运行；华天有源电力滤波器可以与无功补偿电容器并联运行。,119,无源电力滤波器的选用,滤波器的额定电压等级与频率要与系统一致；系统中有无中线谐波滤波需求？有：选用3相4线系统；无：选用3相3线系统。无源滤波器不能与常规无功补偿电容器并联运行；无源滤波器的基波无功容量应符合系统无功补偿需求；无源滤波器滤波支路需根据系统谐波频谱进行设计或选用，必须从系统中最低次主要谐波开始；常用无源滤波器支路组合：无3次谐波时：5次，5次+7次，5次+7次+11次。有3次谐波时：3次，3次+5次，3次+5次+7次。滤波器分流谐波电流不得超过滤波器的额定谐波补偿电流；需要根据系统阻抗和谐波电压含量进行滤波效果校验和安全校验。,120,已获得的专利证书,121,有源滤波器检验报告和相关证书,122,检验报告,123,部分专利证书,124,部分荣誉证书,125,华天电能高质量控制产品部分用户,华天电能高质量控制产品部分用户,谢谢！,128,