第三章 無功補(bǔ)償中諧波抑制

1、成都勝業(yè)電器設(shè)備有限公司成都勝業(yè)電器設(shè)備有限公司 主講人主講人 何蔣何蔣無功補(bǔ)償中的無功補(bǔ)償中的諧波抑制諧波抑制諧波抑制簡介 什么是諧波 對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量稱為諧波，諧波頻率與基波頻率的比值(n=fn/f1)稱為諧波次數(shù)，諧波實際上是一種干擾量，使電網(wǎng)受到污染。在電力系統(tǒng)中，諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，即電路中有諧波產(chǎn)生。 諧波產(chǎn)生源線性負(fù)荷線性負(fù)荷：非線性負(fù)荷非線性負(fù)荷：VIVI電阻性元件電阻性元件頻率相依元件頻率相依元

2、件鐵磁性設(shè)備鐵磁性設(shè)備電弧性設(shè)備電弧性設(shè)備電子式電力轉(zhuǎn)換器電子式電力轉(zhuǎn)換器不產(chǎn)生諧波不產(chǎn)生諧波諧波產(chǎn)生源諧波產(chǎn)生源諧波表示法諧波表示法任何周期波形都可以展開成傅立葉級數(shù)表示)sin(sincos)(1010nnnnnntnCAtnBtnAAtff (t) 一個頻率為f0的周期函數(shù)，其角頻率為0=2f0,周期 T=1/f0=2/0n0n0101,nCn)sin()sin(相位為，頻率為它的幅值為次諧波，第基波分量ftnCtCnn傅立葉級數(shù)的系數(shù)由下式給出 :txBABACdxnxtfdttntfTAdxnxtfdttntfTAdxtfdttfTAnnnnnnTnTnT0222002002000)

3、arctan()sin()(1)sin()(2)cos()(1)cos()(2)(21)(1諧波的特性對稱性相序性獨立性一、對稱性奇對稱：沒有余弦項偶對稱：沒有正弦項半波對稱：沒有直流分量和偶次諧波電力系統(tǒng)是由雙向?qū)ΨQ的元件組成的，這些元件的電壓和電流具有半波對稱的特性。因此，電力系統(tǒng)中一般不包含偶次諧波。二、相序性正序諧波負(fù)序諧波零序諧波ABC正相序諧波正相序諧波(3n+1)(3n+1)4 4、7 7、1010、13 13 ABC負(fù)相序諧波負(fù)相序諧波(3n -1)(3n -1)2 2、5 5、8 8、1111ABC零相序諧波零相序諧波(3n)(3n)3 3、6 6、9 9、12 12 獨立性

4、： 不同諧波的響應(yīng)是相互獨立的，我們可以將各次諧波分別處理，再相互疊加求出總的諧波響應(yīng)。諧波的度量方法：諧波的度量方法：一、有諧波分量存在的電壓電流有效值。二、第h次諧波含有率。三、總諧波畸變率。有諧波分量存在的電壓電流有效值221232221.nnVVVVVV 221232221.nnIIIIII 電壓有效值：電流有效值：第h次諧波含有率%1001 UUHRUhh%1001 IIHRIhh第h次諧波電壓含有率第h次諧波電流含有率總諧波電壓畸變率總諧波電壓畸變率總諧波電流畸變率總諧波電流畸變率%100.(%)12212322 VVVVVTHDnnV%100.(%)12212322 IIIIIT

5、HDnnI總諧波畸變率：總諧波畸變率：國標(biāo)諧波電壓限值國標(biāo)諧波電流限值產(chǎn)生諧波的設(shè)備： 諧波源諧波電流源諧波電壓源主要負(fù)荷端系統(tǒng)端鐵磁性設(shè)備鐵磁性設(shè)備 發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器等發(fā)電機(jī)、電動機(jī)、變壓器等電弧性設(shè)備電弧性設(shè)備 電弧爐、點焊機(jī)等電弧爐、點焊機(jī)等電子式電力轉(zhuǎn)換器電子式電力轉(zhuǎn)換器 整流器、變頻器、整流器、變頻器、 UPS UPS等等諧波產(chǎn)生源諧波的影響u1. 1. 造成線路過載、發(fā)熱、甚至短路。造成線路過載、發(fā)熱、甚至短路。u2. 2. 造成電網(wǎng)的并聯(lián)諧振與串聯(lián)諧振。造成電網(wǎng)的并聯(lián)諧振與串聯(lián)諧振。u3. 3. 影響通訊系統(tǒng)的正常工作影響通訊系統(tǒng)的正常工作 。u4. 4. 造成計量儀表顯示

6、不準(zhǔn)確。造成計量儀表顯示不準(zhǔn)確。u5. 5. 導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作導(dǎo)致設(shè)備無法正常工作 顯示屏跳動顯示屏跳動諧波含量過高，將會造成諧波含量過高，將會造成數(shù)據(jù)失真數(shù)據(jù)失真PC 計算機(jī)計算機(jī)振動振動發(fā)熱發(fā)熱M:電機(jī)電機(jī)工作不正常工作不正常UPS燒毀故障燒毀故障諧振放大諧波諧振放大諧波電容器電容器停機(jī)停機(jī)無法供電無法供電G:發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)etc 其它其它集膚效應(yīng)集膚效應(yīng)過載發(fā)熱過載發(fā)熱電纜電纜噪音噪音溫升溫升變壓器變壓器通訊通訊產(chǎn)生感應(yīng)電磁場產(chǎn)生感應(yīng)電磁場 諧波電流諧波電流諧波的方向諧波的方向B用戶用戶諧波的污染諧波的污染用戶用戶 - C 負(fù)載用戶用戶 - A用戶用戶 - B 負(fù)載抑制諧波的措施在補(bǔ)償

7、電容器回路串聯(lián)電抗器。裝設(shè)由電容、電感及電阻組成的單調(diào)諧濾波器和高通濾波器。增加整流相數(shù)。當(dāng)兩臺以上整流變壓器由同一段母線供電時，可將整流變壓器一次側(cè)繞組分別交替接成Y型和型，使5次和7次諧波相抵消。并聯(lián)電容器引起的諧波問題一、放大諧波，引起電容器過電流。二、引起諧波電流的并聯(lián)諧振。三、引起諧波電壓的串聯(lián)諧振。Xcn XsnncnsnsncnIXXXI InIcnIsnncnsncnsnIXXXI 一、放大諧波，引起電容器過電流。諧波電流源補(bǔ)償電容變壓器阻抗- 造成電容器故障造成電容器故障- 增大諧波對電網(wǎng)的影響增大諧波對電網(wǎng)的影響LOAD諧波電流諧波電流I5 , I7 ,I11 電容器電容器

8、二、引起諧波電流的并聯(lián)諧振。Xcn XsnncnsnsncnIXXXI InIcnIsnncnsncnsnIXXXI 由上式可看到，當(dāng)Xsn等于Xcn時，Icn與Isn等于無窮大，此時電容與變壓器發(fā)生了電流并聯(lián)諧振。HarmonicI5 , I7, I11.LoadZLC(n)的阻抗的阻抗為無限大為無限大諧波電流流經(jīng)諧波電流流經(jīng)阻抗無限大的回路時阻抗無限大的回路時無無限限大大的的諧諧波波電電壓壓將產(chǎn)生將產(chǎn)生無限大無限大的諧波電壓的諧波電壓無限大的諧波電壓無限大的諧波電壓將與電網(wǎng)與電容器間將與電網(wǎng)與電容器間,產(chǎn)生大電流產(chǎn)生大電流將迅速造成電容器故障將迅速造成電容器故障無無限限大大的的諧諧波波電電

9、壓壓XcnHarmonic XsnLoad XsnXcncnsnnXXZ 當(dāng)當(dāng) Xsn=Xcn 時時 Zn的阻抗為的阻抗為 0三、引起諧波電壓的串聯(lián)諧振。諧波電壓源變壓器阻抗補(bǔ)償電容器VnHarmonicV5 , V7, V11.諧波電壓流經(jīng)諧波電壓流經(jīng)阻抗為阻抗為 0 的回路時的回路時無無限限大大的的諧諧波波電電流流將產(chǎn)生無限大的諧波電流將產(chǎn)生無限大的諧波電流與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧振與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧振- 造成電容器故障造成電容器故障- 增大諧波對電網(wǎng)的影響增大諧波對電網(wǎng)的影響LOADV5 , V7 ,V11.電容器電容器變壓器變壓器與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧振與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧振如何避免諧波影響如何避免諧波影

10、響? - 如何避免電容器過電流如何避免電容器過電流 - 如何避免與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧如何避免與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振振 - 如何避免與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧如何避免與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧振振LOAD電容器電容器變壓器變壓器諧波電流諧波電流I5 , I7 ,I11 電抗器電抗器1.改變設(shè)備改變設(shè)備?2.改變電網(wǎng)改變電網(wǎng)?3.改變電容改變電容? 為了防止補(bǔ)償回路諧振過電流，我們需要在并聯(lián)電容器上串聯(lián)一個適當(dāng)電抗率為P的電抗，以抑制諧波，保護(hù)補(bǔ)償電容器，那么這個電抗的選擇就需要使補(bǔ)償回路對基波呈容性，對需要抑制的諧波呈感性，這樣就能防止諧波引起的諧振。 LCCLXXpCL21111 電抗率定義：補(bǔ)償回路電抗基波感抗與電容基

11、波容抗之比XcUXLICLZ1f2 如圖所示，LC串聯(lián)電路的阻抗為其中，其阻抗值隨頻率的變化曲線如圖所示f(Hz)Z()容性感性ffCfLZ212 由阻抗隨電網(wǎng)頻率變化曲線可知，在f這個分界頻率之前，LC回路呈容性，在f之后，LC回路呈感性，因此，我們要抑制諧波，補(bǔ)償基波，就要使基波頻率在f之前，諧波頻率在f之后。pffpffppLCLCCLXXpCLCL112LC121LC11LC101111212111 因此得由可知：由f的計算：%1 .11310 Ppff%4510 Ppff所以要抑制三次諧波，就需要滿足要抑制五次諧波，就需要滿足由此計算電抗率p。電容串聯(lián)電抗后，電容兩端電壓會升高，整個

12、回路所提供的無功功率會降低，具體的計算過程如下pUUQpUCCpCULCUUIUQpUCpCUCLCUCICUcNN 11111111112222式中：Uc為電容兩端電壓 U為電網(wǎng)電壓 I為電路總電流 Q為LC回路實際補(bǔ)償?shù)墓β?QN為電容的額定容量 UN為電容的額定電壓效果：效果：- 避免電容器過電流避免電容器過電流 - 避免與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振避免與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振- 避免與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧振避免與系統(tǒng)產(chǎn)生串聯(lián)諧振- 保有電容器特性，完成無功補(bǔ)償保有電容器特性，完成無功補(bǔ)償同時，串加電抗器還可以抑制電流的快速變化，其抑制投切涌流的作用。結(jié)論結(jié)論:諧波環(huán)境下：諧波環(huán)境下：裝設(shè)裝設(shè)純電容器純電容器

13、作無功補(bǔ)償作無功補(bǔ)償會造成電容器故障會造成電容器故障會放大諧波會放大諧波,造成諧波對電網(wǎng)的污染造成諧波對電網(wǎng)的污染裝設(shè)裝設(shè)電容器、電抗器組電容器、電抗器組作無功補(bǔ)償作無功補(bǔ)償可保護(hù)電容器免于諧波的影響而故障可保護(hù)電容器免于諧波的影響而故障可避免諧振現(xiàn)象可避免諧振現(xiàn)象,降低諧波的污染降低諧波的污染電容電抗器的選用需注意電容電抗器的選用需注意: : 1.1.電容電抗器的諧振頻率電容電抗器的諧振頻率 2. 2.電容器耐壓電容器耐壓 3. 3.電抗器耐流電抗器耐流 方法：以負(fù)載產(chǎn)生之方法：以負(fù)載產(chǎn)生之最低階次諧波為依據(jù)，最低階次諧波為依據(jù)，避開諧振點避開諧振點例如：例如：次及以上諧波選用及以上；次及以

14、上諧波選用及以上；次及以上諧波選用次及以上諧波選用.及以上；及以上；1.電抗器的電抗率電抗器的電抗率針對典型工礦設(shè)備電抗器的設(shè)計 1）對于六脈整流設(shè)備，變頻器，直流電弧爐，直流軋機(jī)及中頻爐等非線性設(shè)備通常產(chǎn)生5 7 11次諧波，一般選用5%-7%的電抗器； 2）對于單相供電設(shè)備，電焊機(jī)，交流電弧爐，鐵合金爐，電石爐等負(fù)荷通常會產(chǎn)生3 5次諧波，應(yīng)選用12%-14%的電抗器；以以400V系統(tǒng)串加系統(tǒng)串加7%電抗器為例電抗器為例 數(shù)值上數(shù)值上: 2.電容器額定電壓的計算與選擇電容器額定電壓的計算與選擇400V 乘以 1/（1-0.07）等于430V留一定余量選擇480V的電容。在串聯(lián)電抗后，補(bǔ)償容量會小于電容器額定補(bǔ)償容量，因此在抑制諧波的同時要兼顧補(bǔ)償容量的滿足。Eg:在400V系統(tǒng)中需要補(bǔ)償30KVAR，配7%電抗率電抗和480V的電容，補(bǔ)償后（400V系統(tǒng)）實際補(bǔ)償為22.4KVAR；pQUUQNN 122選擇電抗器時注意電抗器與電容器的互相匹配1、額定電壓的匹配。2、額定容量的匹配。如果電容電抗不匹配，則電抗的電抗率會發(fā)生變化。電抗器