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主讲人：杜秋,引言谐波的危害谐波的特性谐波的表示方式谐波的定义与计算不同类型设备的谐波特征机房谐波源整流电路谐波的理论分析IDC机房的谐波抑制电容谐振的案例分析节能减排数据分析与经验体会,目 录,1、引 言,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，导致设备运行故障、维修工作量增加及增耗电费，甚至引发火灾事故等。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（例如：谐波、电压波动和闪变，三相电压不平衡度）主要由用户负荷的干扰所致。因此电能质量的保证，需

2、要供用电双方共同努力，共同承担相应的责任。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是谐波研究和处理的基本途径。,随着电子技术的发展，大功率可控硅SCR、门极可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管MOSFET、电力晶体管GTR、IGBT等技术的发展和广泛应用，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。谐波最早发现在20世纪20年代，50年代以来，非线性负载引起的谐波问题日益受到关注。,1.1、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傅立叶级数分解，除了得到与电网基波频率

3、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。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1）称为谐波次数。通俗的将分解后的谐波称为n次谐波，此处的n即是谐波次数。一般指从2次到50次范围，如5次谐波电压（电流）的频率是250赫兹，7次谐波电压（电流）的频率是350赫兹；超过13次的谐波称高次谐波。,5,2、谐波干扰的危害,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THDI必须小于等于20%，否则发电机的功率也必须进行折算；对输电设备的危害：损耗增加（趋

4、肤效应）、引发谐振（线路电感、对地电容）、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）；对供电设备的危害：损害电容、变压器降容（铜损、涡流损耗与导体外部因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；对用电设备的危害：视在功率增大、干扰敏感性的电子设备；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；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；,6,6,2.1、谐波危害列表,3、电力系统谐波的特性,1

5、、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；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余弦项；半对称性：f(t+T/2)=-f（t），没有直流分量且偶次谐波被抵消，故忽略偶次谐波。2、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，或完全负序的，或完全零序的；3、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。,10,4、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形的各种分量进行检查，任何周

6、期波形都可被展开为傅立叶级数，即：f(t):频率为f0的周期函数，角频率0=2f0，周期T=1/f0=2/0;C1sin(0t+1):基波分量；Cksin(k0t+k):第k次谐波。幅值为CK,频率为k0,初始相位为k,5、谐波的参数定义与计算,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；谐波的基本特征参数：按照傅立叶级数展开时，各次谐波电流都是正弦波，IH1 为基波成份(50 Hz 或 60 Hz)；IHk 为谐波成份，其中k为谐波次数(50 Hz 或60 Hz的k倍)。,总电流(压）谐波失真度THDI（U)：,5

7、.1、谐波功率及其公式定义,有功功率：p(t)=v(t)i(t),无功功率：,视在功率:,畸变功率：D2=S2-(P2+Q2),功率因数：Pf=P/S,5.2、举例,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THDI%：,电流的有效值比基波电流的有效值增大了5.6%，即比没有谐波时的额定电流增大5.6%，这将在导体中造成温度升高,8,5.3、峰值因数,峰值因数(Crest Factor)：定义为峰值（最大幅值）与有效值的比率，用来表示

8、信号(电流或电压)形状的特征：线性负载的典型峰值因数是1.414，六脉冲整流器的典型峰值因数从1.5到2，小型计算机的典型峰值因数从2到2.5，微机的典型峰值因数从2到3。,峰值因数对UPS容量有一定影响，举例分析如下：例如：对于200KVA UPS，其额定电流In=303A，若其峰值因数Cf=3:1，则：UPS可承受峰值电流为303A x 3=909A假设：负载峰值因数为3.5:1，则：UPS对于该负载所提供的电流有效值为：909A/3.5=259.7A即:UPS的使用容量为259.7A x 220V x3=171.4KVA,7,5.4、谐 振,串联谐振：发生在容性电抗和感性电抗相等的串联R

9、LC电路中，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。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，较小的激励电流就能产生巨大的电压。串并联谐振发生的条件：XLC=r*L=XCr=1/r*C谐振的角频率为：r*L=1/(LC)谐振的次数为：hr=(XC/XL),6.1、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 输配电系统中主要是电

10、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,6.3、用电设备 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电流的频率和幅值。整流器、充电器

11、、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,开关电源,变频调速器,充电器,荧光灯,6、不同类型设备的谐波特征,6、不同类型设备的谐波特征,6.4、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。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。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边

12、及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；如果是12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,开关电源负载,整流充电器,变频调速器,UPS整流器,7.1 谐波和无功功率分析基础,1.谐波：可分解为傅里叶级数基波（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、整流电路产生谐波的理论分析,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

13、,7.1 谐波和无功功率分析基础,3、功率因数正弦电路中的情况：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S=UI无功功率定义为：Q=U I sinj功率因数l 定义为有功功率P和视在功率S的比值：此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系：功率因数是由电压和电流的相位差j 决定的：l=cos j,7.1 谐波和无功功率分析基础,3、功率因数非正弦电路中的情况有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由l=cos j定义。公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正

14、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U，畸变电流有效值为I，基波电流有效值及与电压的相位差分别为I1和j 1。这时有功功率为：P=U I1 cosj1 功率因数为：,7.1 谐波和无功功率分析基础,4、基波因数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（基波功率因数）cosj 1 非正弦电路的无功功率定义很多，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、谐波功率：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

15、采用符号Qf，忽略电压中的谐波时有：Q f=U I 1 sinj 1；在非正弦情况下，S2 P2+D2，因此引入畸变功率D，使得：S2=P2+Qf2+D2，Q2=Qf2+D2,7.2 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 忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，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）；,7.2 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 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

16、 控制角，故位移因数为：功率因数为：,7.2 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在阻感负载下，忽略换相过程和电流脉动，直流电感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：,7.2 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：,2-3、电流基波和各次谐波有效值分别为：,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,9,7.2 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

17、由相关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：,7.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和 功率因数分析,单相桥式不可控整流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 RC越大，则谐波越大，而基波越小。这是因为，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

18、制冲击电流从而抑制了交流电流的畸变。,7.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和 功率因数分析,2、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。3.三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。,7.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和 功率因数分析,交流侧谐波组成有如

19、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：（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）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,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 a=0时，m脉波整流电路的电压波形,=0时，m脉

20、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/mp/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,2、为了描述整流电压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,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,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

21、的谐波分析,=0时整流电压、电流中的谐波有如下规律：（1）m脉波整流电压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时的情况：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，

22、以n为参变量的与 的关系）当 从0 90变化时，ud的谐波幅值随 增大而增大，=90时谐波幅值最大 从90 180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,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：1、计算机程序谐波分析法：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(Z)在已知谐波电流源频谱(I)的情况下，求得母线电压(V)计算线路电流:I=VZ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。从某点上看出去，等效阻抗可以通过将串联元件的阻抗相加

23、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，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,8.1、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，还关系到运营企业的切身利益。当今社会倡导“高效”和“节能”，除了提高产品的效率和推广节能型产品外，在设备安装和运行中应注重治理谐波干扰、消除电磁污染等手段降低损耗。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的限制。谐波治理就是在谐波源处安装滤波器，就近吸

24、收谐波源产生的谐波电流，从而降低谐波电压。国标电能质量、公用电网谐波(GB/T 14549-1993)规定：,8.2、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。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；2、改变变压器的联接方式；3、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；5、采用LC调谐式滤波器（无源）；6、采用有源谐波处理器；7、IGBT整流技术的谐波；,8.3、改变变压器的联接方式,这种方法仅抑制3次和3n次谐波，例如型/Y型变压器，如图所示，三次谐波和3n次谐波

25、在绕组中形成环流，在输入端消除3n次谐波。,8.4、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pk1和pk(p为整流相数或脉动数，k为正整数)。当脉动数由p=6增加到p=12时，可以有效地消除幅值较大的低频项，从而大大地降低了谐波电流的有效值。例如：下图中12脉冲整流器，采用两组6脉冲整流器经30移相后迭加，约为6脉冲整流器THDI（30）的二分之一。,8.5、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；例如：UPS之前采用串联电抗器LF作为谐波抑制，其等效电路如下图。电源和线路阻抗为Ls，e为理想电压源，B点的电压失真度THDU为D，则

26、A点的电压失真度为D,8.6、采用LC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，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LC滤波器难以滤除频率较低、幅值较大的畸变波。例如：UPS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Ls、滤波器的串联电抗器为LF、电容为CP、并联电抗器为LP，即图所示的等效电路,则输入端的第n次谐波电流为：,6 pulse SCR rectifier+H5 filter,满载时THDI:5-7%,12 pulse SCR rec

27、tifier+H11 filter,满载时THDI:3-5%,8.7、采用有源谐波处理器,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：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RS232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,有源谐波处理器的原理图,8.8、IGBT整流技术的谐波,绝

28、缘栅双极晶体管（Insulated-Gate Bipolar TransistorIGBT），采用IGBT整流技术的UPS其THDI仅有3%，在谐波抑制、可控性方面具有较大优势；IGBT的结构和情况三端器件：栅极G、集电极C和发射极EGTR（电力晶体管）和MOSFET（电力场效应晶体管）复合，结合二者的优点，具有良好的特性，一般应用于小容量系统；1986年投入市场后，取代了GTR和一部分MOSFET的市场,中小功率电力电子设备的主导器件；继续提高电压和电流容量，以期再取代GTO（门极可关断晶体管）的地位；,8.9、IGBT的特性和参数特点,IGBT的优点：(1)开关速度高，开关损耗小。在电压1

29、000V以上时，开关损耗只有GTR的1/10，与电力MOSFET相当；(2)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(3)通态压降比MOSFET低，特别是在电流较大的区域；(4)输入阻抗高，输入特性与MOSFET类似；(5)与MOSFET和GTR相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点；IGBT整流相比传统的晶闸管整流缺点：元件耐压低，传统晶闸管耐电网波动可达2000V以上，而IGBT耐压超过1000V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；单元件容量小，对于400KVA-ups，需要多组IGBT器件并联，而对于传统的晶闸

30、管来讲一个即可，故障率要高于传统型；IGBT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,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；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；1、第一代有源滤波补偿装置采用模拟和数

31、字逻辑电路进行电流检测和电流注入的工作原理，通过实时检测负载电流波形，滤除波形中的基波(50/60Hz)成分，将剩余部分的波形反向，通过控制IGBTs的触发，将反向电流注入供电系统中，实现滤除谐波、动态补偿系统波动、抑制谐振、提高功率因数等功能；2、第二代有源滤波补偿装置采用DSP和IGBTs电子技术，通过实时检测负载电流谐波，将反向谐波电流注入供电系统中，从而实现滤除谐波、提高功率因数等功能。,8.10-2、不同谐波处理方式的比较,1、按标准分析：绿底是IEC 61000-3-4 谐波标准的要求，红字为不满足IEC标准的部分，THM有源滤波器是唯一能全面满足 IEC标准的滤波器,8.10-2

32、、不同谐波处理方式的比较,2、按参数分析：,3、按频谱分析：,8.10-2、不同谐波处理方式的比较,4、按负载率分析：,8.11、有源谐波处理器的优点：,衰减性:谐波总电流失真度(THDI)衰减率=10倍；安全性:并联方式可保证对负载供电的连续性和安全性；节能性：可提高负载的输入功率因数，降低负载从电网中耗用的电流有效值和视在功率，真正实现节能；净化电源：改善电磁兼容性，减少设备间的传导干扰，增强设备运行的可靠性，消除对电网的污染；满足标准：最大限度满足IEC61000-3-4标准和通信标准（YD/T 1095-2000,10.抑制谐波干扰方法及效果对比,9、案例电容器的并联谐振（原况）谐波处

33、理设备运行时的无功补偿电气原理示意图,案例电容器的并联谐振等效原理图,并联谐振的参数分析,在有谐波背景的系统中单独使用电容器进行无功补偿，系统谐波或背景谐波将对补偿电容器造成很大影响，如果满足并联谐振或串联谐振条件，谐波电流将几乎全部流入电容器组中使其过载。,纯电容补偿时系统参数的容阻抗谐振图表,并联谐振的改善方案,在系统中的电容补偿回路中串入电抗器，以抑制并联谐振的发生。,150,Z,Hz,ZNETWORK,Filter,f(Hz),Z,150,XL,XC,L,C,3rd Harmonic,Z(filtern)=,X(Ln)+(-X(Cn),三次諧波滤波器(并联式),谐波电流引起电容过流击穿

34、的抑制,串电抗器后系统容阻抗曲线图,从相关计算参数及等效电路图可知，串入电抗器后，随着奇次谐波频率的增加，其容抗XC（n）和感抗XL（n）的串联回路将逐步增大并趋于恒定，而变压器的阻抗同步上升，所以当大量谐波电流突入时，不会引起电容器及熔丝的烧坏。,串联电抗器后电容器耐压等级的选择,当系统电压为400V，串14.8%电抗器后，电容器组的耐压等级计算如下：VC=VS+VL+VH=400+40014.8%/（1-14.8%）+40010.5%=4001.2787=511V即电容器的耐压等级为511V以上才是安全的。,电抗器的容量和耐流问题,输出容量和额定容量的关系 补偿电容器在串接电抗器后，输出容

35、量和安装容量的关系应为：安装容量 Q1、输出容量 Q2、基波电压 U1、电容器耐压U2：例：当系统电压为400V，使用525V的电容器并加串14.8%电抗器，电容器额定容量为Q1，电容器组的输出容量计算如下：Q2=（400/525）2Q1（1-14.8%）=68%Q1 电抗器耐流问题 因系统中含有谐波成份，而高频谐波对电抗器绕组而言，会产生集肤效应，造成电抗器温升过载。故在选用电抗器时，若电抗器耐流考虑不足，可能造成电抗器烧毁。因此，在选择调谐电抗电容器组进行无功补偿时应充分考虑电容器及与其匹配的电抗器。,谐波处理实例举析电流波形比较,谐波处理实例举析THDI分量图,电网参数及其关系（如图）,

36、避免电网受谐波损害的方案：局部重组电网结构以分离或隔离产生电力污染的设备，或增大电力系统的供电容量和电缆、开关等方法并没有消除谐波，且成本昂贵；该方式不可取,案例：用一台1,000kVA的变压器为6脉冲整流桥供电，当整流器产生的谐波频谱为：H5=25%、H7=14%、H11=9%、H13=8%时，则得到功率折算系数为：,10.节能减排数据分析与经验体会有功、无功、谐波矢量示意图,节能效果分析参数测试表（1）,以某机房7台400KVA的UPS系统为例，介绍谐波处理的节能经验（2+1、3+1系统各一套）。,谐波处理节能效果及效益分析,节能效果：综合比较谐波设备运行前后各12个月的数据发现：在收入、

37、机架数、带宽流量等业务量综合增加了25%的情况下，月均有功功率提高了12.3%，无功功率降低了76.9%，总视在用电量仅提升了7%，而电费单价却降低了3%；企业效益：据统计，07年电费支出约1500万元、用电22.5MKVAh、20.4MKWh，同比处理前后的用电特性推算，其年节约电能达148万KW.h，节约电费支出可达约110万元，则16个月即可收回设备的硬件投资成本；社会效益：从该表数据可知，谐波处理设备有效提高了所在的国家电网电能利用率，,起到了节能减排作用。谐波设备的应用使电网线损大幅降低，电网综合节能约可达到10%20%（甚至更高，不同的用电环境和不同处理方式产生的效果不同），推算该

38、项目可为国家电网年节约电能达225万KVA.h以上；重大意义：长期以来，国内供电系统和用户较少注意到电网中谐波的危害，但电力供应和供电质量是不可分割的。电力谐波是一种污染，逐步被业界认知，基于其可能造成负面影响，各国纷纷出台治理措施。目前，我国将节能减排作为国家的一项基本国策在推行，制定了相关标准，我们在谐波应用方面的任何举措和创新，无论对国家或企业来说都具有重大意义！,某通信机房无源滤波装置补偿前后的测试对比,补偿前电流频谱图,补偿后电流频谱图,补偿前功率频谱图,补偿后功率频谱图,补偿前电压、电流频谱图,补偿后电压、电流频谱图,1、谐波处理措施的节能：从上表可知，有功电能节约13.2万KWh

39、/年，节约电费11.22万元/年，视在电量节约62.2万KVAh/年;2、提升效率，可大幅节能：该机房系统为6脉150kva（2+1）系统，目前负载率42%，输入380A，输出288A，效率75%，若按UPS的90%效率，节约电能35万KWh/年，节约电费29.75万元/年；,图形及节能效果解读（12.25),附、各机房运行数据分析,张江机房UPS改造前后的系统参数比较：,备注：下走线尚未拆除，空调能耗的变化是由于天气原因引起，待三线改造全部完成后，空调能耗占比将可达到0.5左右。保守估算此项措施全年可节电110万度，可节约电费约11万元；改造前后UPS效率提升24%，保守综合估算仅此项全年可

40、节电102万度，可节约电费100万元以上；详细参数和UPS系统测试图见下页,某机房UPS系统改造谐波处理及监控示意图,68,改造后的UPS系统参数测试表,69,谐波处理设备的容量设计与计算,大量的参数测试和计算发现：对于一套UPS系统，在不同负载率时，其UPS系统输出的负载率和该套系统THDI值的乘积基本在某一范围内波动，计算经验值约为：0.200.30，特征参数见下表。谐波处理设备容量选择的经验公式：I=*N*P 其中：IUPS系统产生的需处理的谐波电流（A）；NUPS系统配备的可用UPS的台数，即N+1中的N；P单台UPS的容量（KVA）；取0.50，长期测试总结出的经验性参数,谐波处理的

41、经验与体会,1、谐波源的确定及处理点的定位；要对谐波进行有效的处理，对谐波源及其含量的确认非常重要，它直接关系到谐波处理的效果和设备运行环境的安全性能。通过对各种设备电路结构及其电气特性的分解和测试，确认IDC机房的主要谐波源为UPS设备。处理方式采用集中和分散治理相结合的原则对谐波源进行综合治理。2、处理器的选型及性价比较；经过对各谐波处理设备工作方式的连线结构、性能参数、安全系数、安装方式、设备投资等情况进行综合的分析比对，从安全出发在IDC中建议采用：有源滤波器进行谐波处理是较优的选择；,通信机房是电信业能源消耗的主要业务之一，其节能是一个综合性的系统工程。从阶段性上分，它涵盖了方案规划

42、、系统设计、工程建设和运行维护；从基础设施等硬件范畴上讲，它包括建筑物结构、机房布局、空调设备与电力配置；从软件方面，它还包括了新技术的应用、维护措施的创新以及精细化管理。以谐波处理为例，任何机房节能技术及其实施在思路上具有普遍性，但在实际应用上根据机房特点的不同，各个机房具有相对的个性化差异和局限性；节能减排要全程贯彻“科学性发展观”，科学地开头、科学地结尾！,关于节能减排的一些体会,实施机房节能措施时应把握的几条原则,无论实施任何的节能措施，都必须以安全为前提，一个措施的执行不得以影响或牺牲自身或其他系统的安全为代价；一个设备的安全运行不得以其他设备的安全运行为前提；任何一个节能措施的实施都是有代价的，都需要一定的投资，所以，任何一个节能措施的投资都必须以投入与产出的经济性作为考核可行性的关键指标；由于机房是一个综合性系统，系统之间都存在着相互的制约和连锁，任何一个节能措施都不是孤立的，都具有一定的局限性，它必须结合机房设施的综合特点，因地制宜地制定解决方案；,谐波处理的定位与安装方式的讨论,11,谢谢聆听！,