电力电子装置应用中的电能质量问题解决方案

1电力电子装置应用中的电能质量问题与解决方案PowerQualityproblemsandSluationstotheApplicationofPowerElectronicEquipment21、概述2、电力电子装置应用中的电能质量问题案例3、基于配电网阻抗匹配的解决方案主题内容31概述我国公用电网输出电能的35%以上通过电力电子装置变换后供给负载使用，今后10年内其比例将上升到50%以上。广义负荷三相正弦交流电网发电机整流装置直流负荷电能质量治理装置电能质量治理装置4广义负荷三相正弦交流电网发电机交直交变频装置交流负荷电能质量治理装置电能质量治理装置5高压直流输电通过变流装置实现交流-直流变换远端交流电源直流输电直流-交流变换负荷密集输配电电网广义负荷电能质量治理装置电能质量治理装置电能质量治理装置6风电电源经电力电子装置变换后接入电力系统交直交变换风电输配电网广义负荷电能质量治理装置电能质量治理装置交交变换风电输配电网广义负荷电能质量治理装置电能质量治理装置7电源及用户的电力电子装置总用电功率将占电源总功率的70%以上。太阳能电源经电力电子装置变换后接入电力系统直流-交流变换太阳能电源输配电网广义负荷电能质量治理装置电能质量治理装置8电力电子装置产生的谐波电流、谐波电压及无功功率危害极大：公用电网电压畸变增大，功率因数降低，输配电线路及负荷的谐波与无功损耗使电力系统的效率降低，谐波电流和谐波电压引起的谐振使电力系统的安全可靠性降低。电力电子装置总容量巨大，电力电子装置应用中的电能质量问题日趋严重，合理的匹配输配电网阻抗是解决这一问题的关键技术之一。本报告的案例只涉及部分低压办公、家用电气及变频装置的电能质量问题，解决方案也只涉及阻抗匹配技术。92电力电子装置应用中的电能质量问题（案例）2.1低压办公家用电器的电能质量问题2.2变频器的电能质量问题102.1部分低压办公家用电器的电能质量问题2.1.1计算机类用电设备谐波和无功特性2.1.2空调类用电设备的谐波及无功特性2.1.3非线性照明类用电设备的谐波及无功特性112.1.1计算机类用电设备谐波和无功特性各次谐波电流含量（mA）设备型号I1（mA）THDi（%）35791113IBM便携式126.6635.138.4317.598.857.344.653.26东芝便携式152.576.58106.3345.481.2613.025.983.62华硕便携式153.7477.38107.9746.991.7913.416.793.21惠普便携式117.8545.9250.951.636.744.512.53.85索尼便携式160.8976.01111.7946.430.7414.196.033.97联想便携式78.3594.546138.0715.420.896.074.66台式机（带CRT显示器）580131.575304202901605020计算机服务器108870317509103070064801705540860012设备型号IBM东芝东芝华硕惠普联想台式机（带CRT显示器）IBM服务器系统功率角（°）-7.01-7.01-6.05-26.42-13.55-4.9218.55-1.87功率因数0.990.990.990.900.971.000.951.00P（W）33.4433.4433.9025.3217.0235.6522880.44125.15Q（var）-4.11-4.11-3.59-12.58-4.10-3.067677.90-4.09基波功率S（VA）33.6933.6934.1628.2717.5135.7824134.30125.22功率因数0.790.790.790.850.710.800.900.6013便携式计算机电压、电流波形及频谱14台式机整机电压、电流波形及频谱15计算机服务器和存储器系统电压、电流波形及频谱162.1.2空调类用电设备的谐波及无功特性分体挂壁式空调谐波特性各次谐波电流含量（A）设备型号I1（A）THDi（%）234567HaierKFR-25GW4.8821.370.830.260.070.570.080.05HaierKFR-35GW6.3517.750.880.190.040.660.060.1317分体挂壁式空调无功特性设备型号HaierKFR-25GWHaierKFR-35GW功率角（°）7.9310.74功率因数0.990.98P（W）1093.41397.5Q（var）152.34263.1基波功率S（VA）1103.91412.2功率因数0.970.9718HairKFR-25GW电压、电流波形及频谱（制冷）19HairKFR-25GW电压、电流波形及频谱（制热）202.1.3非线性照明类用电设备的谐波及无功特性荧光灯谐波特性各次谐波电流含量（A）设备型号I1（A）THDi（%）35791113普通荧光灯5.128.650.440.050.050.010.010.01紧凑型荧光灯3.5786.112.611.330.600.50.250.1221荧光灯无功特性设备型号普通荧光灯紧凑型荧光灯功率角（°）5.1237.33功率因数1.000.80P（W）1145.6641.14Q（var）102.74489.02基波功率S（VA）1150.2806.34功率因数0.990.6122紧凑型荧光灯电压、电流波形及频谱232.2变频轧机电能质量问题2.2.1变频轧机产生的谐波电流与配电电缆电容谐振故障案例2.2.2变频轧机引起电网电压波形缺口和尖刺干扰案例2.2.3变频器谐波故障案例2.2.4变频器引起的整流变压器严重发热故障案例2.2.5变频器输出引起电机发热故障案例242.2.1变频轧机产生的谐波电流与配电电缆电容谐振故障案例（1）故障描述某冷轧厂年产150万吨中高等级汽车板和冷轧电工钢。其中，酸洗轧机联合机组采用大功率交直交变频传动，其整流环节采用世界最先进的PWM整器，电力电子器件选用IGBT。该机组投产后，供电变压器一直存在高频啸叫声，特别是2004年3至4月，该冷轧厂新增3＃彩涂机组，在现场调试过程中，3＃彩涂机组HB段220V出口控制电源所带负载共有5个1756－PA75的PLC电源模块、5个CPC电源模块、15个温度变送器电源模块的压敏电阻烧坏，严重影响系统的安全经济运行。25（2）故障测试接线图其他负载滤波器组交－直－交变频器轧机80MVA110kV10kVI1I226（3）10kV总进线电压电流波形与频谱27（4）10kV总进线谐波电压、谐波电流数据报表h60626364656667686970Uh(V)80100801402604209045013090UH：42.5HRUh(%)1.51.91.52.54.77.61.78.12.41.6THDu(%)13.5)(h108.52.826.719.722.2-163.884.9-131.0-135.2-133.6)(AIh6758162762785IH:47.6)(h-158.197.9123.0115.7116.3-72.2-178.3-38.9-46.8-43.7hh-93.4-95.1-96.3-96.0-94.1-91.6-96.8-92.1-88.4-89.928（5）变频轧机馈线电压电流波形与频谱29（6）变频轧机馈线谐波电压、谐波电流波形与频谱30（7）考虑到电缆电容的网络谐波电流系数仿真01020304050607080012345678KhHarmonicorder31（8）数据分析结论I2为谐波电流源负载，68次高次谐波电流为其特征谐波电流，I1为总进线电流，由于电缆分布电容与系统阻抗并联谐振，使进入I1的68次谐波电流放大3倍左右，HRU68高达8.1%，THDU高达13.5%，严重超过电磁兼容限值（8%），并通过变压器传递到其他低压负载，若变压器二次侧为阻容负载时，则会产生串联谐振，使谐波电压放大，这正是原3#彩涂出口变配电系统220V母线68次左右谐波电压放大，烧坏电源模块的原因。由于供电变压器及线路发热，每年谐波损耗高达48万kWh，严重影响系统安全经济运行。322.2.2变频轧机引起电网电压波形缺口和尖刺干扰案例（1）故障测试接线图：240MVA220kV35kV110kVI1变频轧机用户I233（2）110kV侧母线电压和110kV出线电流波形与频谱34（3）110kV侧母线电压和变频器用户馈线电流波形与频谱35（4）110kV侧母线电压和变频器用户馈线电流波形与频谱36（5）电压波形缺口和尖刺的特征数据：由上图可得到：B相电压每周波出现一次波形缺口和电压尖刺，波形缺口宽度为1.5ms左右，缺口深度为27.6kV（0.31p.u.），最大尖刺峰峰值高出66kV(0.38p.u.)，缺口和尖刺持续时间在2ms～7.8ms。（6）电压波形缺口和尖刺产生的原因：由电流频谱可看出，主导谐波电流次数为3、5、7，说明110kV负载有可控硅整流装置，当交流侧电源短路容量大于整流器容量20倍以上，在可控硅深度控制时，将引起公共连接点的电压波形出现较深的换相缺口。由于受电路中电感和杂散电容的影响，换向缺口波形的两边出现过冲而成的电压尖刺。37（7）电压波形换向缺口和尖刺的危害A．持续的高频尖刺电压影响电力设备（输电电缆、变压器、电动机等）的绝缘寿命；B．高频尖刺电压影响测量仪表的测量精度；C．高频尖刺电压令使自动控制装置和继电保护装置误动作；D．电压缺口和尖刺将使负序电压增大，使电机发热，影响电机的绝缘寿命和出力；21.2UkV,21.80%U；23.31IA,21.47%I；21200/3.31363Z,系统阻抗2/1102/856.414.13SKZUS；2/25.7SZZ,即2SZZ。说明负序电压过高不是负载负序电流注入系统造成的，而是电压缺口和尖刺造成的。38E.电压缺口和尖刺将使谐波电压增大，引发谐波故障。由图可看出，B相谐波电流很小，电流总谐波含量为5.11A，而B相总谐波电压含有率则高达15.1%。以8次谐波电压和谐波电流为例：3.89SUkV，5.8%SHRU，0.27SIA，/14407SSSZUI；系统8次谐波阻抗：.8814.13113SZ；8/127.5SZZ，即.8SSZZ。由此可见，谐波电压不是谐波电流注入系统产生的，而是可控硅换向时的电压缺口和尖刺造成的。分析周期的电压缺口和尖刺持续时间仅7.8ms,是一个周期时间的39%,因此在电压缺口和尖刺持续时间内，谐波电压更高，电压缺口和尖刺引发谐波故障的概率更大。392.2.3变频器谐波故障案例（1）概述某不锈钢冷轧厂接在10kV母线的2＃轧机因过电流导致主开关跳闸。经检查，2＃轧机左整流单元严重损坏。主要损坏元件有：RC滤波器的电容器击穿单相接地，均压电容器烧损，部分IGBT整流元件炸裂，需要更换的部件价值640万元人民币。依据接于系统的故障录波仪记录的故障过程数据，通过时域过程相关分析和频域的能量流分析确认故障源为2#轧机IGBT整流器，影响系统的供电质量，致使2#轧机左整流单元损坏，设备制造商应负全部技术责任。事后2#轧机设备制造商做了经济赔偿。同时根据故障分析的结果，采取相应的技术措施，避免了同类事故发生。40（2）故障测试系统图：10kVII段母线I2右整流单元左整流单元I13.4kV3.4kVU41（3）全过程时域分析（以B相电压和I1的B相电流波形）故障前及故障切除后，电压波形正常；故障发生期电流电压波形畸变严重；故障雪崩期，电流过载，电流波形畸变严重，基波电压幅值下降；故障切除后，电压质量正常。由此可见，10kV配电网电压质量正常，故障期间电压质量下降是故障设备干扰造成的。42（4）故障发展期过程频域分析2＃轧机左整流单元的故障原因不是10kV供电质量不好，而是左整流单元故障所产生36次谐波电流注入电网和右整流单元，致使10kV母线36次谐波电压含有率