电力谐波和滤波器的方案设计

电力谐波和滤波器的方案设计2004.8.24供电系统谐波与治理技术讲座华北电力大学电气工程学院谐波的基本概念、性质和指标一、谐波定义：谐波是周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。二、谐波性质：1、谐波次数h必须为正整数；2、谐波通指稳态、连续谐波；3、谐波通常包含各次正弦波。间谐波、次谐波、陷波等不属于高次谐波范畴。三、评价指标：华北电力大学电气工程学院1100%hhIHRII=?1100%hhUHRUU=?1、谐波电流、电压含有率：含有率指某次谐波分量与基波分量比值的百分数。谐波的基本概念、性质和指标2、电流、电压总谐波畸变率：总谐波畸变率指畸变波形偏离正弦波形的程度。表达式如下：221100%MhhIITHDI==?å谐波治理即限制谐波含有率和总谐波畸变率不超标。四、国标限值（允许谐波含有率表见国标）221100%MhhUUTHDU==?å华北电力大学电气工程学院供电系统谐波主要影响和危害一、对变压器的影响1、产生导体附加损耗；2、产生涡流和铁芯损耗，引起变压器发热或过热；3、使变压器产生振动和噪声。二、对旋转电机的影响1、在绕组上产生附加损耗；2、在转子上产生谐波涡流，引起附加铁损和发热；3、引起旋转电机振动和产生高频噪声。总之，谐波增大变压器、电机功率损耗，产生发热、振动和噪声等，影响运行经济性和使用寿命。22221h1h2PIR(II)RP===+=+DåP华北电力大学电气工程学院供电系统谐波主要影响和危害三、对通讯的影响540Hz—1200Hz的谐波影响通讯系统通话质量；人听觉对800~1200Hz谐波噪声较为敏感。国际电报电话咨询委员会用噪声加权系数Pfh计算各次谐波的干扰：电话谐波波形系数：四、对电能计量的影响1、在感应电能表绕组、圆盘上产生谐波涡流和使总电流增大，增大电能表的计量误差；2、谐波功率引起较大的电能计量系统误差，电子式电能表这种误差大于感应式电能表。25011100%8001000fhhhhpfVTHFFV=骣琪=创?琪桫å华北电力大学电气工程学院供电系统谐波主要影响和危害谐波功率引起的电能计量误差分析1、线性用户电能表WhM：P1M+PhM，多计电能，受谐波影响还要多付费；不合理。2、非线性用户电能表WhR：P1R-PhR，少计电能，即对系统造成干扰还少付费；不合理。3、对发电厂电能表WhG：P1G-PhG，少计电能。华北电力大学电气工程学院供电系统谐波主要影响和危害五、对电力系统运行的影响（保护误动、设备损坏等）1、谐振放大现象分析谐波可能引发电容器与系统感抗的谐振，引起严重谐波电压、电流畸变，影响电网安全运行。实例……。华北电力大学电气工程学院供电系统谐波主要影响和危害2、谐波放大计算设：谐波源电流为Ih；进入系统为Ish；进入电容器为Ich。则：IshIh或IchIh称谐波放大；IshIh和IchIh称谐波严重放大。可求：母线电压：(/)/skChhhhskChXhXXhUXIIhXhXXhå-==+-C路电流：//hschhkskCUhXIIhXXhhXhXXh==-+-（1）（2）系统电流：//hkCshhhskCUhXXhIIhXhXhXXh-==+-（3）华北电力大学电气工程学院供电系统谐波主要影响和危害3、谐波放大结果分析分析：（1）当，且Ih0时，不论Ih大小，Ich和Ish均为无穷大，此时发生谐波严重放大。0CSKXhhXX==+（2）当时，有Ich=Ih，Ish=0，此时XC与XK支路发生串联谐振，电容支路为滤波器。CKKXhhX==（3）由前式可知，能影响谐波电流进入系统的参数有h、XS、XC和XK四个量，而可供调节或限制谐波放大的量只有XK。定义K=XK/XC为电抗率。计算可知：采用K为4.5%和6%电抗器，可防止4次以上的谐波放大。分析结果说明了滤波器原理和需注意的问题华北电力大学电气工程学院供电系统高次谐波的产生源包括铁磁饱和型、电子开关型和电弧型三大类。一、磁饱和型设备（变压器、电动机、电抗器等）铁芯设备谐波电流特点：2、中性点接地变压器含有大量3及3倍次谐波电流；3、有角形绕组变压器线电流中无三倍次频谐电流。1、i0为尖顶波，含有3、5、7等奇次谐波电流；2、谐波大小与电压有关，U高、i0大，谐波大。变压器中的谐波电流：1、配电变谐波问题突出；华北电力大学电气工程学院供电系统高次谐波的产生源二、换流装置的谐波（影响较大的谐波源，中频炉）1、单相全控桥式整流理想单相桥式整流交流侧电流为连续周期方波，只含有2K±1次谐波电流，不含直流和偶次谐波分量。华北电力大学电气工程学院供电系统高次谐波的产生源理想三相桥式整流交流侧电流为断续周期方波，只含有6K±1次谐波电流。2、三相全控桥式整流华北电力大学电气工程学院供电系统高次谐波的产生源理想6相桥式整流交流侧电流为连续周期梯型波，含有12K±1次谐波电流。3、6相桥式整流右图为用Y/y12和Y/d11接线整流变压器组成的6相桥式整流电路单相电路图。图a谐波电流和图b谐波电流两者结合构成6相桥式整流电路的谐波电流如图c所示。理想6相桥式整流直流侧的波头脉动数P=12。华北电力大学电气工程学院供电系统高次谐波的产生源4、换流装置的特征谐波和非特征谐波特征谐波—整流装置理想情况下产生的谐波。换流装置交流侧为谐波电流源，特征谐波为h=KP±1；换流装置直流侧为谐波电压源，特征谐波为h=KP。例如：单相全波，P=2，产生1、3、5、7……次谐波；三相半波，P=3，产生2、4、6、8……次谐波；三相全波，P=6，产生5、7、11、13……次谐波。可见，整流波形波头脉动数P越大，谐波次数h越高，对应的h次谐波电流值Ih越小。非特征谐波—指控制角不等，电压、阻抗不对称等因素产生次数不定的谐波。难以进行数值分析。华北电力大学电气工程学院供电系统高次谐波的产生源三、电力机车产生的谐波电力机车为波动性很大的、大功率单相整流负荷，有不对称、非线性、波动性和功率大等的特点，将产生高次谐波和基波负序电流。1、牵引网的供电方式两站距离40~50Km；供电距离20~25Km；供电电压110/27.5KV。2、机车电路与电流波形电力机车电路和注入电网电流波形如图所示。由于采用单相全波整流，不采取措施将产生很大的谐波。华北电力大学电气工程学院供电系统高次谐波的产生源三、电力机车产生的谐波华北电力大学电气工程学院供电系统高次谐波的产生源3、电力机车谐波特点1）在工作状态产生谐波。治理为车载或投切方式；2）单相全波整流P=2，典型谐波为奇次谐波；3）电力机车谐波为典型谐波电流源；4）产生的谐波含量大、次数低（P=2），影响大。4、电力机车供电系统谐波分析1）注入牵引变电站的谐波电流，为多辆机车谐波电流的叠加，运行方式变化大、计算复杂，通常只能实测；2）注入电网的谐波电流为不平衡谐波，可能包含正序、负序、零序性质的谐波；治理电力机车谐波的滤波器有特殊要求。华北电力大学电气工程学院供电系统高次谐波的产生源四、电弧炉产生的谐波特点（影响最大）1、产生随机性、三相不平衡谐波和基波负序电流；2、以2、3、4、5、7次谐波为主，含有偶次谐波；3、引起PCC点电压变动，存在闪变影响问题。谐波次数23457谐波含有率熔化期7.75.82.54.23.1精练期2.02.1五、家用电器产生的谐波特点1、主要产生奇次谐波，虽然单个电器产生的谐波数值小，但合成的谐波影响较大；2、治理难度大，需通过实测选择滤波器安装位置。华北电力大学电气工程学院电网谐波治理常用方法与措施常用的限制、治理谐波措施包括：1、降低谐波源谐波电流含量增加换流装置波形脉动次数是降低谐波的有效措施。换流装置网侧特征谐波次数：h＝KP±1换流装置产生的谐波电流大小：IhI1/h装置P越大，h越大，则低次谐波少，Ih越小。2、装设交流滤波器交流滤波器分有源和无源两种。无源滤波器的结构简单、技术可靠、应用广泛，后面讲设计方法。3、合理选择供电电压4、加强谐波管理工作华北电力大学电气工程学院无源LC滤波器基本原理和结构LC滤波器是应用最广、最多的滤波器。1、常用的两种滤波器：调谐滤波器和高通滤波器。2、滤波器设计要求1）使注入系统的谐波减小到国标允许的水平；2）进行基波无功补偿，供给负荷所需的无功功率。华北电力大学电气工程学院无源LC滤波器基本原理和结构3、单调谐滤波器由图主电路可求：调谐频率：调谐次数：谐波阻抗：1/2rfLCp=1//rrCLhffXX==2222111(2)()2LCffZRfLRXXfcffpp=+-=++在谐振点：∣z∣＝R特征阻抗：；品质因数：q为设计滤波器的重要参数，典型值q=30～60。01LXLCCww==rLLqRRCw==华北电力大学电气工程学院无源LC滤波器基本原理和结构4、高通滤波器用于吸收某一次数及其以上的各次谐波。如图所示。复数阻抗：截止频率：截止次数：结构参数：，一般取m=0.5~2；q=0.7~1.4依据以上三式可设计高通滤波器的参数。2222222221jLRZjRjLωLRLR1=jRωLRωLCC=-++骣÷ç÷+-ç÷ç÷ç++桫CRf210＝0011f1h=f2fCRCXRp==CRLm2＝华北电力大学电气工程学院滤波器设计的技术（目标）指标2、注入电网的各次谐波电流小于国标规定限值（部分）华北电力大学电气工程学院1、总电压畸变率小于国家标准规定的限值短路容量不同时的换算公式：khhpkjSIIS=3、功率因数到0.85～0.95以上，并使投资为最小滤波器设计的基本内容和要求2、电流平衡：校验滤波电容器的过电流水平，IEC为1.45倍。华北电力大学电气工程学院为安全、可靠运行，要对设计进行过压、过流等校验。1、电压平衡：选择支路滤波电容器的额定电压2251221CNhhhUUUhf==+-å22111.3CChCIII+?å3、容量平衡：QCN=QC1（基波容量）+ΣQh(谐波容量)；对滤波支路仅考虑I1和Ih通过时，近似有：2222123[()]1chhCNchUIQhhUUhf=--滤波器设计的基本内容和要求5、滤波支路品质因数q值的计算华北电力大学电气工程学院为安全、可靠运行，要对设计进行电压、电流等校验。4、滤波支路等值频偏（总失谐度）的计算111()2rfLCfLCddDDD=+++(/2)1cos22sinsssctgqfdddd-==其中，δs为滤波器接点看进去的系统等值阻抗角。滤波器设计的技术性很强，需有专门的程序。除参数计算外，要能对滤波器的谐波阻抗、综合阻抗、谐波放大、局部谐振（串、并联）等滤波性能进行分析。6、滤波器性能和二次保护等分析计算滤波器的设计步骤和设计方法一、滤波器参数选择原则原则：最小投资；母线THDU和进入系统的谐波电流最小；满足无功补偿的要求；保证安全、可靠运行。参数设计、选择前必须掌握的资料：1）系统主接线和系统设备（变压器、电缆等）资料；2）系统和负荷的性质、大小、阻抗特性等；3）谐波源特性（谐波次数、含量、波动性能等）；4）无功补偿要求；要达到的滤波指标；5）滤波器主设备参数误差、过载能力、温度等要求。以上资料是滤波器参数选择、设计必要条件。华北电力大学电气工程学院滤波器的设计步骤和设计方法二、滤波器结构及接线方式选择由一组或数组单调谐滤波器组成，有时再加一组高通滤波器。工程接线可灵活多样，但推荐采用电抗器接电容低压侧的星形接线，主要优点是：1）任一电容击穿短路电流小；2）设备承受的仅为相电压；3）便于分相调谐。高通滤波器多采用二阶减幅型结构（基波损耗小，频率特性好，结构简单）。经济原因高通滤波器多用于高压。华北电力大学电气工程学院滤波器的设计步骤和设计方法三、滤波器设计参数的分析处理参数设计必须应依据实测值或绝对可靠的谐波计算值，但根据具体情况可作一些近似处理：1、母线短路容量较小或换算得到的系统电抗（包括变压器）XS较大时，可忽略系统等值电阻RS；2、系统原有谐波水平应通过实测得到，在滤波器参数设计时，新老谐波电流源应一起考虑；3、L、C制造、测量存在误差，以及