电力谐波抑制技术及解决方案

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”PowerQuality——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powerquality（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1/27冲击性负载的电流波动2/28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；1～2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2.5～3.5亿元。10供电电压偏差（GB/T12325—2008）电压波动和闪变（GB/T12326—2008）公用电网谐波（GB/T14549—1993）三相电压不平衡（GB/T15543—2008）电力系统频率偏差（GB/T15945—2008）暂时过电压和瞬态过电压（GB/T18481—2001）公用电网间谐波（GB/T24337-2009）电能质量国家标准11无功的定义SPQφ传统定义：相移功率因数DPF=COSφ其中φ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：3212221111IIIIIInnIIPF畸变IICOS1失真PFDPFSPPF12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519—1981)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18ABCN单相非线性负载I1=200A,I3=100A,I(rms)=223AI1=200A,I3=100A,I(rms)=223AI1=200A,I3=100A,I(rms)=223AI1=0AI3=300AI(rms)=300A单相非线性负载单相非线性负载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19GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波表1公用电网谐波电压限值各次谐波电压含有率%电网标称电压kV电压总谐波畸变率%奇次偶次0.385.04.02.06104.03.21.635663.02.41.21102.01.60.820GB/T14549-1993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23456789101112131415161718192021222324250.381078623962264419211628131411129.7188.6167.88.97.1146.512610043342134142411118.5167.1136.16.85.3104.794.34.93.97.43.66.810100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.262.85.42.62.92.34.52.14.13525015127.7125.18.83.84.13.15.62.64.72.22.51.93.61.73.21.51.81.42.71.32.56650016138.1135.49.34.14.33.35.92.752.32.623.81.83.41.61.91.52.81.42.6110750129.669.446.833.22.44.323.71.71.9152.81.32.51.21.41.12.111.9注:220kV基准短路容量取2000MVA标准电压KV基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值A21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5－20ms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5－20ms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34HTEQ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411.负荷电流快速波动（黑）2.补偿电流实时跟踪（红）3.补偿后源电流（蓝)实时系统的优点：1.实时跟踪2.无过补、无欠补3.更节能4.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）1.负荷电流快速波动（黑）2.补偿电流实时跟踪（红）3.补偿后源电流（蓝)1.负荷电流波形（黑）2.补偿电流波形（红）3.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-汇总补偿前(实测值)补偿量(计算值)补偿后(计算值)谐波电流下降