諧波的產生危害及治理(平頂山)

1、諧波的產生危害及治理 主講：劉建華 博士中國礦業(yè)大學信電學院2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院2個人簡介個人簡介 劉建華：博士，碩士生導師，中國礦業(yè)大學電劉建華：博士，碩士生導師，中國礦業(yè)大學電氣安全與智能電器研究所副所長。曾獲教育部科氣安全與智能電器研究所副所長。曾獲教育部科技進步三等獎技進步三等獎1項、煤炭部科技進步二等獎項、煤炭部科技進步二等獎1項、項、煤炭工業(yè)科技進步二等獎煤炭工業(yè)科技進步二等獎2項，山東省科技進步項，山東省科技進步獎獎1項，參與國家自然科學基金項，參與國家自然科學基金2項，發(fā)表論文項，發(fā)表論文20余篇。余篇。主要研究方向：配電自動化、諧波治理、中性點主要研

2、究方向：配電自動化、諧波治理、中性點接地方式、供電安全。接地方式、供電安全。n電電 話：話051680139889nE-mail: 2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院3目 錄一、電能質量簡介一、電能質量簡介二、諧波二、諧波三、中壓電能質量的治理三、中壓電能質量的治理2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院4一、電能質量簡介：內容及標準1.1.GB/T 12325-2003GB/T 12325-2003 電能質量電能質量 供電電壓允許偏差供電電壓允許偏差；2.2.GB 12326-2000 GB 12326-2000 電能質量電能質量 電壓波動和閃變電

3、壓波動和閃變; ;3.3.GB/T 15543-1995 GB/T 15543-1995 電能質量電能質量 三相電壓允許不平衡度三相電壓允許不平衡度; ;4.4.GB/T 15945-1995 GB/T 15945-1995 電能質量電能質量 電力系統(tǒng)頻率允許偏差電力系統(tǒng)頻率允許偏差; ;5.5.GB/T 14549-1993 GB/T 14549-1993 電能質量電能質量 公用電網諧波公用電網諧波; ;2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院5一、電能質量簡介： 供電電壓允許偏差供電電壓允許偏差n電壓偏差計算：n供電電壓的允許偏差：1）35kV及以上供電電壓正、負偏差的絕對值之和不超

4、過標稱系統(tǒng)電壓的 10；注：如供電電壓上下偏差同號（均為正或負）時，按較大的偏差絕對值作為衡量依據。2） 10kV及以下三相供電電壓允許偏差為標稱系統(tǒng)電壓的 7 。3）220V單相供電電壓允許偏差為標稱系統(tǒng)電壓的+7 、10 。4）對供電電壓允許偏差有特殊要求的用戶，由供用電雙方協(xié)議確定。100實測電壓標稱系統(tǒng)電壓電壓偏差(%)%標稱系統(tǒng)電壓2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院6一、電能質量簡介：電壓波動和閃變電壓波動和閃變l 電壓變動特性d(t)：電壓方均根值變動的時間函數，以系統(tǒng)標稱電壓的百分數表示。l 電壓變動d：電壓變動特性d(t)上，相鄰兩個極值電壓之差。l 電壓變動頻度r

5、：單位時間內電壓變動的次數(電壓由大到小或由小到大各算一次變動)。同一方向的若干次變動，如間隔時間小于30 ms，則算一次變動。l 電壓波動：電壓方均根值一系列的變動或連續(xù)的改變。電壓變動頻度r次/小時電壓變動d的限值低 壓、中壓高 壓r1431r 1032.510r 10021.5100r 10001.251電力系統(tǒng)公共連接點或波動負荷用戶引起的公共連接點電壓變動限值電力系統(tǒng)公共連接點或波動負荷用戶引起的公共連接點電壓變動限值2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院7一、電能質量簡介：電壓波動和閃變電壓波動和閃變( (續(xù)續(xù)) )l 閃變時間t: 一個有時間量綱的值，表示電壓變動的閃變影

6、響，和波形、幅值以及頻度均有關。l 閃變：燈光照度不穩(wěn)定造成的視感。l 短時間閃變值Pst: 衡量短時間(若干分鐘)內閃變強弱的一個統(tǒng)計量值。l 長時間閃變值Plt: 由 短時間閃變值推算出，反映長時間(若干小時)閃變強弱的量值。電壓等級低壓中壓高壓短時間閃變值1.00.9(1.0)0.8長時間閃變值0.80.7(0.8)0.6注：短、長時間閃變值每次測量周期10min 、2小時；中壓括號中的值僅適用于公共連接點連接的所有用戶為同電壓級的用戶場合。電力系統(tǒng)公共連接點各級電壓下的閃變限值電力系統(tǒng)公共連接點各級電壓下的閃變限值2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院8電能質量簡介三相電壓允許

7、不平衡度三相電壓允許不平衡度2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院9電能質量簡介電力系統(tǒng)頻率允許偏差電力系統(tǒng)頻率允許偏差l電力系統(tǒng)頻率允許偏差：正常允許0.2Hz，當系統(tǒng)容量較小時允許0.5Hz 。l用戶沖擊負荷引起的系統(tǒng)頻率變動一般不得超過0.2Hz，根據沖擊負荷性質和大小以及系統(tǒng)的條件也可適當變動限值，但應保證近區(qū)電力網、發(fā)電機組和用戶的交全、穩(wěn)定運行以及正常供電。2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院10電能質量簡介公用電網諧波公用電網諧波l 總諧波畸變率(THD)：周期性交流量中的諧波含量的方均根值與其基波分量的方均根值之比(用百分數表示)。分為電壓總諧波畸變率與電流總

8、諧波畸變率。公用電網諧波電壓公用電網諧波電壓(相電壓相電壓)限值限值電網標稱電壓kV電壓總諧波畸變率各次諧波電壓含有率奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.82022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院11電能質量簡介公用電網諧波（續(xù)）公用電網諧波（續(xù)）l 公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量(方均根值)不應超過表2中規(guī)定的允許值。當公共連接點處的最小短路容量不同于基準短路容量時，表2中的諧波電流允許值應進行換算即：各次諧波電流分量各次諧波電流允許值*(公共連接點的最小短路容量/基準短路容量)。2022年3月16日星

9、期三中國礦業(yè)大學信電學院12二、諧波：諧波的產生非線性負載產生諧波：l 工業(yè)用易產生諧波設備：直流調速器、變頻調速器、不間斷電源系統(tǒng)（UPS）、 現代照明系統(tǒng)、焊接裝置 、感應加熱爐、整流器、飽和變壓器等。l 民用易產生諧波設備：電視機、空調、計算機、日光燈、電冰箱等 。諧波流向：l 諧波電流主要流過電容器。l 諧波電流也流過電網。l 諧波電流的流動導致諧波電壓。l 諧波也注入其他接入同一電網總線的線性負載。l 注入電網的諧波也會流向聯(lián)網的其他用戶。2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院13二、諧波：三相整流產生的諧波l三相整流設備產生的諧波電流，其諧波次數可按如下公式求得：N = f

10、n / f1 = K*P1 公式中： N = 諧波次數； fn = 諧波電流頻率 ； f1 = 基波電流頻率 ； K = 1，2，3， ； P = 整流設備的波頭數（6、12、24）。 例如：6 波頭的整流器將產生 5，7，11，13 次諧波。l三相整流設備產生的諧波電流值可按如下公式求得：In = I1 / N 公式中： In = N 次諧波的電流值 ； I1 = 基波電流值； N = 諧波次數。 2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院14二、諧波：諧波的種類l 特性諧波： 與相關回路結構相關. 有規(guī)律的諧波次數. 諧波頻率可由公式 k*p+1 ; k = 1,2,3得到. 諧波頻率

11、呈規(guī)律性.l 非特性諧波： 由頻率轉換設備產生. 系統(tǒng)不平衡 (電壓和感抗)l 3次諧波（零序諧波）： 3*(2n+1) ,n = 0,1,2 例如 3,9,15,21. 等. 主要影響零序. 增加零相電流.2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院15二、諧波：諧波的相序（1）l 每一諧波的相序都有關于基波的聯(lián)系.l 按約定基波被設定為正相序.l 所有高次諧波都有相對于基波的正、負或是零相序. 2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院16二、諧波：諧波的相序（2）RYB的相序的相序 (+ Seq.)基次分量基次分量 R Y B基次基次 +120o 0o -120o 二次二次 +24

12、0o 0o -240o 諧波諧波 -120o 0o +120o 因而二次諧波作為負序分量運轉因而二次諧波作為負序分量運轉.YRBYRB負序2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院17二、諧波：諧波的相序（3）RYB的相序的相序 (+ Seq.)基次分量基次分量 R Y B基次基次 +120o 0o -120o 三次三次 +360o 0o -360o 諧波諧波 +0o 0o -0o 因而三次諧波作為零序分量運轉因而三次諧波作為零序分量運轉.YRBRYB2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院18二、諧波：諧波的相序（4）諧波次序諧波次序123456789相序相序+-0+-0+-0正序

13、正序負序負序零序零序基次基次2 2次次3 3次次4 4次次5 5次次6 6次次7 7次次8 8次次9 9次次1010次次1111次次1212次次3n+13n+1次次3n+23n+2次次3n+33n+3次次被被3 3除余除余1 1被被3 3除余除余2 2可被可被3 3整除整除每一諧波的相序算法及排列：2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院19二、諧波：諧波的相序（4）各序諧波的特性及危害：正序正序 負序負序零序零序趨膚效應引起過熱趨膚效應引起過熱趨膚效應引起過熱支持基波與基波對抗在中性點積聚中溫過熱產生零線發(fā)熱相對危害較少危害很多造成中性線接地和開路情況的原因2022年3月16日星期三中

14、國礦業(yè)大學信電學院20二、諧波：對設備的的危害設備種類諧波影響變壓器由于趨膚效應增加銅損；諧波高頻增加鐵損；降低效率。電動機增加銅損，鐵損；脈動轉矩。電力電纜增加銅損，導致過熱。開關裝置，繼電保護誤動或據動。自動控制裝置操作不正常。電力電容器由于串聯(lián)或并聯(lián)諧振導致電容器過載。通信設備產生嚴重干擾。2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院21三、中壓電能質量的治理：內容及目標l使注入公用電網的諧波電流及公共連接點的諧波電壓在國標限值以內；l提高用戶用電的功率因數；l使電壓波動和閃變在國標限值以內；l使電壓凹陷、凸起、短時中斷的幅值和持續(xù)時間在設備容許范圍內。l使用戶設備在電磁兼容允許范圍內

15、安全經濟運行，把對電網的干擾限制在國標限值以內。2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院22三、中壓電能質量的治理：治理設備l無源濾波器FC（手動/自動投切，調諧/非調諧）l靜止型動態(tài)無功補償裝置SVC：TSC、TSC+TCRl靜止型動態(tài)無功補償裝置SVC：FC+TCR、FC+MCRl有源濾波器APFl靜止無功發(fā)生器SVG(又稱靜止同步補償器STATCOM)2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院23三、中壓電能質量的治理：無源濾波器FCl主要器件：電容器+電抗器+電阻器（可選）l投切方式：手動、自動l功能：純補償（非調諧）、補償濾波（調諧）l濾波原理：采用電力電容器串聯(lián)適當比例的

16、電抗器，形成針對某一特定頻率的低阻抗濾波回路，吸收特定頻率的諧波電流，補償基波無功功率。l適用場合：無功功率大、功率因數低、無功變化不頻繁，具有典型特征諧波（5，7，11，13次）的工業(yè)負荷。l優(yōu)點：結構簡單，造價低廉，適合大規(guī)模應用。l缺點：響應時間長，兩次投切間隔通常要幾秒放電時間，不能補償動態(tài)無功；補償容量受到電網電壓的限制，電網電壓越低，輸出無功越小，而此時恰恰需要向電網輸出無功，以期抬高電網電壓水平；只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產生放大作用；濾波要求和無功補償、調壓要求有時難以協(xié)調；投切產生涌流及過電壓會對系統(tǒng)會造成沖擊，補償精度低。2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學

17、信電學院24三、中壓電能質量的治理:非調諧無源濾波器l非調諧(Detuned)或諧波抑制濾波器：諧振頻率fR 最低主諧波頻率的90%；例如：fR =214Hz,小于5次諧波的90% .l電抗系數 12.5% 或 14%適用于 3次諧波 ；電抗系數 5.5% 或 7%適用于 5、7次諧波 。l適用于：僅考慮無功補償，且諧波含量小的場所。l參數選擇需要注意防止電容器諧波過載。接線原理圖2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院25三、中壓電能質量的治理：調諧無源濾波器l調諧(Tuned)或諧波吸收濾波器：諧振頻率 fR在被吸收的諧波頻率的10%的范圍內；例如：fR =246Hz,吸收 5次諧波

18、。l要濾除 5、7、11 次諧波分別采用 5、7、11 次濾波器。l適用于：考慮無功補償同時需要進行諧波吸收的場所，一般諧波成份固定且無功變化不大。l優(yōu)點：濾波效果好；l缺點：無功變化較大時，難以做到補償與諧波治理的完美結合。5 次7 次11 次接線原理圖2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院26三、中壓電能質量的治理：SVC-TSCl 主要器件：FC+TSC或FC+TSC+TCRl TSC投切方式：晶閘管投切電容器，有晶閘管和二極管反并聯(lián)及兩個晶閘管反并聯(lián)兩種方式。l 冷卻方式：水冷、風冷。l 功能：分組補償電網感性無功，吸收電網中特定頻段諧波電流。l 優(yōu)點：動態(tài)跟蹤無功變化，跟蹤速

19、度可達510ms，不發(fā)生過補償、無投切振蕩和無沖擊投切，對三相不平衡負荷可以分相補償。l 缺點：控制復雜；晶閘管的冷卻系統(tǒng)必須帶電運行，水冷運行維護成本高，風冷效率低；自身產生的諧波不可忽視，諧波治理效果不理想；產生電磁輻射污染。l TSCTCR補償器：以電容器作分級粗調，以電感作相控細調。2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院27三、中壓電能質量的治理：SVC-FC+TCR/MCRl 主要器件：FC+TCR、FC+MCRl FC+TCR投切方式：FC固定投切，可控硅調節(jié)相控電抗器投入比例。l FC+MCR投切方式：FC固定投切，可控硅調節(jié)磁控電抗器投入比例。l 冷卻方式：水冷、風冷。

20、l 功能：補償電網感性無功，FC吸收電網中特定頻段諧波電流，部分減小無功沖擊造成的電壓波動與閃變。l 優(yōu)點：動態(tài)跟蹤無功變化，跟蹤速度可達20ms，不發(fā)生過補償、無投切振蕩和無沖擊投切。l 缺點：功耗大；占地面積大；晶閘管的冷卻系統(tǒng)必須帶電運行，水冷運行維護成本高，風冷效率低；自身產生的諧波不可忽視，諧波引起電感、電容發(fā)熱，導致絕緣老化，電容器參數參數變化及損壞；諧波在TCR與FC間流動增加損耗，降低效率；諧波引起電磁兼容問題干擾周圍設備；諧波造成電磁污染、輻射環(huán)保問題。2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院28三、中壓電能質量的治理： SVC-FC+TCR2022年3月16日星期三中

21、國礦業(yè)大學信電學院29三、中壓電能質量的治理：SVC （續(xù)）2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院30三、中壓電能質量的治理：APFl 主要器件：有源濾波器APFl 分類：電壓型和電流型；并聯(lián)型和串聯(lián)型。實用的為并聯(lián)電壓型。l 原理：利用PWM技術實現的電流發(fā)生器,它產生與負載無功(基波與諧波)電流大小相等、方向相反的電流，使注入電網的無功電流為零。功能：諧波治理無功補償抑制電壓驟降抑制閃變。l 優(yōu)點：無需大容量電容器和電抗器，是一種動態(tài)的可控解決方案，可自動地適應網絡和負載的變化，不存在諧振問題，占地面積小 。l 缺點：單機容量較小，不適合大容量補償，高壓應用幾乎沒有，系統(tǒng)造價高。l

22、 適用場合：功率因數高、配電系統(tǒng)復雜、諧波分量復雜的工業(yè)負荷。2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院31三、中壓電能質量的治理：APF-MARSl電能質量有源恢復系統(tǒng)MARS（Mains Active Restoring System）是一種高壓有源濾波補償裝置。l主要器件：斷路器、變壓器、MARS。l原理：利用雙橋PWM技術實現的電流發(fā)生器，具備有源濾波器的所有優(yōu)點，同時還能提供雙向無功功率補償，對系統(tǒng)的高頻紋波影響最小。l功能：諧波治理無功補償抑制電壓驟降抑制閃變。l適用場合：功率因數高、配電系統(tǒng)復雜、諧波分量復雜、補償容量大的中高壓工業(yè)負荷。l特點：主動動態(tài)輸出各次諧波電流和無功

23、電流，補償范圍廣，補償精度高；是一種動態(tài)的可控解決方案，可自動地適應網絡和負載的變化，不存在系統(tǒng)諧振危險；采用雙橋PWM技術，對系統(tǒng)的高頻紋波影響?。豁憫俣瓤爝_2ms;單機容量大，技術成熟，適合大容量高壓補償。2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院32三、中壓電能質量的治理： APF-MARS（續(xù)）MARS特性：l 高動態(tài)：電流測量周期20s ，意味著可以足夠地補償各次諧波。l 直接諧波控制：可以自由地選擇諧波次數并對它們直接補償，這一方法可以以最小的有源濾波容量實現最優(yōu)的補償效果。l 最小電網回饋：兩個并聯(lián)的IGBT橋和同步的切換操作保證了最小的電網回饋。 l 獨立的濾波性能：濾波

24、功能的設置是獨立于電網質量和電網阻抗的。l 無功電流的補償：可以補償基波無功電流（容性或感性電流），系統(tǒng)補償諧波剩余的容量都可以用來進行無功補償。l 減小電壓波動：在大功率電機啟動時，減小電壓的波動。l 減少閃變：高動態(tài)的補償特征有效地減小閃變。l 容量比APF大：單機120k-1450kVAr 容量范圍。2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院33三、中壓電能質量的治理： APF-MARS（續(xù)）MARS接線原理圖 2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院34三、中壓電能質量的治理： APF-MARS（續(xù)）MARS補償無功電流原理-=0.0050.010.0150.020.0256

25、004002000200400600IUI eff =324.3A0.0050.010.0150.020.0256004002000200400600UIrIr eff =74.2AInetz0.0050.010.0150.020.0256004002000200400600UInetz eff =315.7A無 MARS時的電流MARS 電流系統(tǒng)電流 特點：對無功電流的高動態(tài)性補償；降低系統(tǒng)公共連接點電流；系統(tǒng)中無諧振危險；載波控制系統(tǒng)不受影響。2022年3月16日星期三中國礦業(yè)大學信電學院35三、中壓電能質量的治理： APF-MARS（續(xù)）MARS補償諧波電流原理特點：補償諧波電流，明顯改善系統(tǒng)電壓波形；降低系統(tǒng)電流; 不產生諧振; 不影響載波信號。無 MARS時的電流系統(tǒng)電流0.0050.010.0150.020.0256004002000200400600I UI eff =343.7A-0.0050.010.0150.020.0256004002000200400600UIgIg eff =113.8A=0.0050.010.0150.020.0256004002000200400600InetzUInetz eff =324.3