谐波原理及抑制

谐波原理及抑制2施耐德电气公司房地产客户部内容1-基本概念2-电力生产、配电和消耗各环节产生的谐波干扰3-标准和规定4-谐波对主要元件的影响5-谐波抑制方案5.1-防止和校正5.2-有源滤波器5.3-正弦波采样理论3施耐德电气公司房地产客户部1-基本概念目的:了解本课必备的基本概念4施耐德电气公司房地产客户部基本概念线性负载非线性负载无谐波电流包含谐波线性负载概念:负载被称为“线性的”是指当施加一个正弦波电压时它吸收的电流也是正弦波的负载。例,白炽灯,加热器,稳态运行的电机。非线性负载概念:负载被称为“非线性”是指当加上一个正弦波电压,它吸收的电流为非正弦的。例,计算机,启动时的电机,变频器，节能灯，变压器加电时,等。5施耐德电气公司房地产客户部电抗器饱和基本概念非线性，举例整流二极管L=f(i)vLiRvlilLviviviwtwt非线性引起谐波表现为电流不再跟随电压的形状,即不是正弦波。2PP6施耐德电气公司房地产客户部间谐波正弦分量不是基波频率的整数倍。次谐波谐波分量频率低于基波频率这两类干扰是由各种设备吸收的功率为周期性或随机变化引起的。例:电弧炉电弧不稳定波形控制循环变流器频率变换器变频器基本概念间谐波和次谐波图形12345infrainter7施耐德电气公司房地产客户部定义傅立叶变换:所有周期性的非正弦连续函数,可以被分解成无穷多的周期正弦函数的总和,该正弦函数的频率为基波频率的整数倍。基本概念f(t)=+[ancos(nw1t)+bnsin(nw1t)]式中:w1=(T为周期)n为正整数ao,an,bn为博立叶系数ao=f(t).dtan=f(t).cosnw1t.dtbn=f(t).sinnw1t.dtSn=1ao22pT2ToT2ToT2ToT8施耐德电气公司房地产客户部Y0=0Yn=对于奇数次nYn/Y1=对于奇数次n基本概念定义以方波为例1n22Ep1nH3均方根值.E22p13基波均方根值.E22pYn/Y1100%1357911n2PP+EU-Ewt9施耐德电气公司房地产客户部基本概念定义逐次谐波畸变n次谐波均方根与基波均方根值的比值频谱谐波幅值和谐波次数的函数表示。各次谐波幅值表示为基波的百分数。YnY1Hn%=10010施耐德电气公司房地产客户部非正弦周期量的均方根值(RMS)Yrms=y2(t)dt=(Yn)2电压畸变谐波均方根值与基波的比值THD(%)=100*对于DIN标准,Y1由Y的均方根值代替基本概念定义1T∫T0n=n=1(Yn)2n=n=2Y1*11施耐德电气公司房地产客户部基本概念定义功率因数和相移因数功率因数是有功功率P与视在功率S的比值相移因数cosj1代表电压与电流基波夹角的余弦。P1基波分量的有功功率S1基波分量的视在功率畸变因数DF是PF与cosj1之间的比值峰值因数是峰值与周期量均方根值的比值PSPF=P1S1cosj1=PFcosj1DF=YcrestYrmsCF=12施耐德电气公司房地产客户部电压与电流畸变的关系电源阻抗对于每个电流谐波In,对应该频率的电源阻抗Zsn两端存在谐波电压UnUn=Zsn.In逐次谐波畸变Hn=(U1:基波值)THD(%)=100(Hn)2在各次谐波频率下的电源阻抗为电压出现畸变的基本原因结论:如果电源阻抗低,电压畸变就低。基本概念电源阻抗n=n=2UeZsisUnU113施耐德电气公司房地产客户部发电机X”d=12%阻抗和频率的函数关系基本概念电源阻抗等效图变压器,发电机,电缆输出阻抗与额定负载时输出阻抗的比值传统UPS变压器Usc=4%MLIUPSUPS%ZsZc1501005050250500750F(Hz)14施耐德电气公司房地产客户部电流谐波畸变依赖于负载电压谐波畸变依赖于电源较低的电源阻抗利于谐波电流流向电源,但同时电压畸变往往也较低反之,高电源阻抗阻止谐波电流流向电源,但电压总畸变往往也较高电源阻抗与总谐波畸变(u,i)之间的变化是非线性的基本概念电源阻抗对电压和电流畸变的影响15施耐德电气公司房地产客户部基本概念术语主要术语通常标记IEC其它总谐波畸变TDHDTHD,t功率因数FPlPF相移因数cosjcosj1畸变因数FDnDF,Fd峰值因数FCFCCF16施耐德电气公司房地产客户部2-电力生产、配电和消耗各环节产生的谐波干扰目的:认识干扰源的特点17施耐德电气公司房地产客户部谐波干扰电源EJPMIUPSBMV/LV线性负载在电网某一点,谐波畸变依赖于:负载类型电缆或导线变压器接线类型和阻抗电源阻抗18施耐德电气公司房地产客户部当无载或线性负载时,THD(U)小于4%对于非线性负载,畸变主要依赖:采用技术网络情况(*):不同类型产品有很大不同电源处谐波畸变一般不太突出谐波干扰电力生产:发电机和不间断电源Sn(kVA)10001000to50005000THD(U)发电机5%3%1,5%THD(U)UPS3%(*)(*)19施耐德电气公司房地产客户部B,FB,FP00º180º360ºi谐波干扰电力输配UUii变压器产生谐波:奇次:材料的磁滞现象磁饱和偶次通电时饱和励磁变压器对极性负载产生的偶次谐波敏感(0)(b)20施耐德电气公司房地产客户部整流型负载产生很宽频谱范围(3-15)的奇次谐波电流越来越多地使用形成了重要的谐波污染源谐波干扰电能的消耗DCiCRD8764381517%100500135791113Ni21施耐德电气公司房地产客户部理想状态:电源侧电感Lligne=0In(theo)=,n=6k+/-1l5(theo)=20%l1l11(theo)=9%l1l7(theo)=14%l1l13(theo)=8%l1电源阻抗的影响谐波干扰不间断电源供电:(用于直流电机的变频驱动器)带阻感负载的三相六脉动整流桥I1nI55(theo)x100LfLligneZe’1e’2e’3wtldwtl1wDta(a=30°)a=90°30°20°10°5°100908070605%9%Usc(%)22施耐德电气公司房地产客户部L=10mHI(t)%10050015711131719N所有带前部整流的静态转换器都是潜在污染源(功率电源,变频器,UPS)谐波干扰变频驱动器:(频率转换型)带阻容负载的三相六脉动整流桥LligneTHD(l)=140%23施耐德电气公司房地产客户部谐波干扰谐波源照明放电灯带磁性镇流器的荧光灯(H3可达30%以上)带内置电子镇流器的荧光灯(THD(I)可达140%以上)电弧炉电弧是非线性的,不对称和不稳定的电流含有交流或直流分量奇次和偶次连续频谱与整流器类似FLFLFL123NACfurnace连续频谱12324施耐德电气公司房地产客户部*资料来源:“中压配电网络的谐波污染”,J.Lachaume,EDF–DERClamart.第五次谐波(电压)谐波干扰中压电网的干扰第五次谐波电压的变化在HV/MV主变电站的母线上测量家用电器负载效应43.532.521.510.548121620t(时)H5(%)25施耐德电气公司房地产客户部谐波干扰波形总谐波畸变调光灯萤光灯感应灯变频器开关电源MTHD(i)%中型负载THD(i)%THD(i)电磁镇流器%THD(i)电子镇流器%THD(i)%异步电机THD(i)(无载)%THD(i)有负载%THD(i)%26施耐德电气公司房地产客户部3-标准和规定目的:了解目前谐波的标准,变化,趋势,…及共识27施耐德电气公司房地产客户部电磁骚扰:所有可能会引起设备或系统故障的电磁现象。电磁兼容性:设备或系统可工作在满意的环境中,且不对环境中元件产生不能忍受的电磁骚扰。抗干扰:设备或系统在电磁骚扰出现时能正常工作的能力。标准和规定定义28施耐德电气公司房地产客户部各种干扰等级干扰等级抗干扰界限敏感性水平设备或系统可能误动或损坏的干扰水平抗干扰水平设备或系统能承受的正常干扰等级电磁兼容性水平在给定的正常环境中,最大可出现的干扰等级。辐射等级:用户或设备规定的最大辐射等级。0标准和规定29施耐德电气公司房地产客户部标准化共存电能生产输配电(EDF)消耗用户相互影响综合考虑产生和传送电压畸变网络改造产生畸变电流负载改造相互影响$$ZLZSZCZCGRR标准和规定30施耐德电气公司房地产客户部质量等级兼容性水平*CIGRE:国际大电网委员会低压供电电网IEC1000-2-2标准CIGRE*推荐(Electra出版,第123期,1989年3月)中压和高压供电电网IEC正起草中压标准CIGRE推荐(Electra出版,第123期,1989年3月)中压和低压工业装置IEC1000-2-4标准标准和规定31施耐德电气公司房地产客户部兼容性水平谐波次数公共电网ELECTRA表工业装置IEC1000-2-4表n一级二级三级222333564111.5536860.50.51735780.50.5191,51.52.5100.50.511133.55120.20.2113334.5非常敏感一般敏感不敏感(信息处理)TotalTHD5%8%10%nLVHV221.535241156260.50.575280.50.291.51100.50.2113.51.5120.20.21331.5TotalTHD8%3%标准和规定32施耐德电气公司房地产客户部状况:对每个用户作出必要限制,以避免进行系统性的检查,因为电压畸变依赖于电网阻抗:除非注入电流非常低,一般来说很难靠限制注入谐波电流来控制实际的电压畸变。利用限制谐波电压来约束和惩罚用户。较公平的方法:采用允许的干扰功率,该功率大小正比于用户实际消耗的负载功率。然而对于低压网络,该方法很难用于家庭,故采用对家用电器产品产生的谐波电流进行限制。辐射等级标准和规定33施耐德电气公司房地产客户部每相电流小于16A:IEC1000-3-2规定对所有设备即功率范围除大于1kW和小于功率75W(1999年降低为50W)的工业设备外,其谐波水平应满足低压开关柜每相电流大于16A:目前无标准,但IEC1000-3-4正处于计划中谐波次数最大可接受谐波电流(安培)奇次谐波32.351.1470.7790.4110.33130.2115?n?390.15x偶次谐波21.0840.4360.308?n?400.23x15n8n标准和规定34施耐德电气公司房地产客户部无国际标准但对不同级别基本存在共识第一级:自动接受根据电压等级和干扰功率。例如EDF干扰功率＜1%正常情况下测量点最小短路功率。作为扩展,如果总干扰功率小于即视为可接受干扰工业应用高压4MVA中压500kVA低压40kVA标准和规定35施耐德电气公司房地产客户部低压中压高压低压中压高压低压中压高压534.6232.53.8220.71.31.572.53.8290.71.1140.40.71111.72.71.5150.20.20.360.20.30.5131.52.31.5210.10.20.280.20.30.21711.51210.10.20.2100.20.30.2190.81.21120.10.20.2230.81.20.7120.10.20.2250.81.20.7250.2+0.15+0.1+畸变畸变偶次次数次数次数奇次非3的倍数奇次3的倍数畸变6n10n2.5n工业应用第2级:保留接受当超过前面限制时,供电部门通常在接入点定义总谐波畸变。如果这些等级被超过,供电部门保留要求附加补偿的权利。逐次畸变总畸变低压:4%中压:6%高压:3%标准和规定36施耐德电气公司房地产客户部第三阶段:例外但仍有可能接受当超出第二级而没有超过兼容性等级时,由于其它用户不产生谐波,则可以给予例外接受。