电网谐波的危害及治理

电网谐波的危害及治理讲解内容有源电力滤波器应用实例有源电力滤波器工作原理谐波治理方案谐波的产生谐波产生的危害HAERBINWEIHANELECTRICEQUIPMENTCO,.LTD.引言随着科学技术的发展，各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及开关电源等大规模使用，使得电力系统中谐波成份显著增加。其负面效应日益显见。“谐波污染”已经成为影响电能质量的主要因素之一，因此进行谐波治理也成为了现代电力生产发展的迫切要求。谐波是什么什么是谐波？非线性负载线性负载UI线性负载UI基波3次谐波5次谐波7次谐波9次谐波两类负载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。谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1)称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波，称为非谐波（Non-harmonics)或分数谐波。harmonicsdistortedwavefundamental基波叠加5次和7次谐波示意图谐波的基本概念对于我国使用的50Hz电源来说基波为50Hz，3次谐波为150Hz，5次谐波为250Hz，以此类推。高次谐波产生的根本原因是由于电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压与产生的电流不成线性（正比）关系而造成的波形畸变。谐波产生的原因（1）发电源质量不高产生谐波；•由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。•发电机发出谐波电势的同时也会有谐波电势产生，其谐波电势取决于发电机本身的结构和工作状况，基本上与外接阻抗无关。故可视为谐波恒压源，但其值很小。谐波产生的原因电网谐波来自于三个方面：（2）输配电系统产生谐波；供电系统本身存在的非线性元件是谐波的又一来源。这些非线性元件主要有变压器激磁支路、交直流换流站的可控硅控制元件、可控硅控制的电容器、电抗器组等。谐波产生的原因电网谐波来自于三个方面：（3）用电设备产生的谐波。谐波产生的原因电网谐波来自于三个方面：由于用电设备的非线性，导致谐波的产生。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。非线性负载举例：整流器、开关电源、变频调速器、电子计算机、荧光灯、微波炉、电视机、电话等等…开关电源变频调速器充电器荧光灯（3）用电设备产生的谐波。谐波产生的原因电网谐波来自于三个方面：调光器、加热器；三相整流器：充电器三相整流器：UPS开关电源负载：计算机、家用电器等三相整流器：变频调速器谐波产生的原因谐波源种类整流电路交流调压电路交－交变频电路产生大量的谐波谐波危害谐波影响电动机效率和正常运行，寿命缩短加速电容器老化继电保护装置误动作容易引起局部谐振影响通信系统的正常工作增加变压器和线路损耗线性负载没有谐波:•功率因数＝Cos非线性负载:•功率因数PF=P/S（有功功率/视在功率）S=视在功率P=有功功率Q=无功功率D＝失真功率S(VA)S(VA)D:谐波失真功率P2+Q2S=P2+Q2+D2S=P(W)谐波占用电源容量无功功率谐波功率有功功率视在功率D和Q一样，无法转化为有用功谐波占用电源容量谐波对电容的影响1CZC2f电容器对高次谐波呈现低阻抗特性谐波电流会更多的流过电容器，使电容器长期工作在过载情况，导致电容器寿命缩短，甚至烧毁。补偿柜投不上、电容器嚣叫。谐波对电容的影响谐波源系统侧1、补偿投入时熔断器烧坏；2、导致电容器击穿；3、补偿柜投不上；4、使电容器击穿甚至爆炸；hIC•电动机转矩产生脉动•起动和运行性能变坏•电动机的损耗增加•温升增加，缩短电动机的使用寿命•减少电动机的出力•产生机械振动和噪声谐波对电动机的影响•谐波的集肤效应使谐波电阻比基波电阻增加很大，因此谐波引起的附加损耗也有所增加。•谐波源发出的谐波有功功率也给接在电网上的其他用电设备带来危害，并增加功率损耗。•磁吹线圈不能正常工作，导致断路器无法断开以至损坏。•导致中线过载过热、绝缘损坏，发生短路，引起火灾。谐波对电网的影响谐波对保护、通讯、测量的影响•谐波将导致保护装置受到干扰而误动或拒动，可靠性降低。•当有谐波存在时，将导致产生测量误差。•信息化设备无法正常工作。•系统(电网)不稳定，用电设备无法正常运行。•精密、精细加工工艺流程无法正常生产。导致结果：设备发热，效率降低，异声及振动，绝缘老化及至击穿，缩短使用寿命，严重时导致电气火灾事故。谐波对用户的危害设备产品费用支出安全谐波导致系统中电容器的老化、电抗器烧毁、损坏电动机、危害变压器产生过热、损坏通信设备、加速电缆老化。谐波影响生产线的安全稳定运行，导致产品质量下降，例如：造纸、纺织、等精密生产行业等。谐波增加线路损耗、导致用户用电费用增加，设计容量提高。谐波导致继电保护装置的误动作和据动作，控制柜无法正常工作，存在谐振危险，增加电火灾的可能等。国内相关政策法规1993年国家技术监督局制定颁布了GB/T14549---1993《电能质量公用电网谐波》标准，作为对电力系统产品电能质量的要求，规定了公用电网谐波电压（相电压）限值，作为限制用电户谐波污染的排放。对于用电户，一则要求购置的用电设备先进合理设计，产生的谐波电流符合GB17625.1—1998《低压电气及电子设备发出的谐波电流限制值标准》。二则对于不能满足要求的用电户，要求安装电力谐波滤波器。1995年国家通过了《电力法》，并于1996年4月1日起实施。《电力法》规定：“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”（第三十二条），在电能质量治理上必须遵循《电力法》规定，“谁污染、谁治理”的原则。对于新投产的项目，必须根据用户用电负荷性质给电能污染造成的程度，加装消除电能污染的设备。1998年，电力工业部颁发了《电网电能质量技术监督管理规定》（电综（1998）211号文），该文规定了国家电力公司是负责全国电网电能质量技术监督管理部门，以各级电力调动部门为中心，逐步加强对电能质量指标的全面运行监测。2001年，国家电力公司下发了《关于进一步提高用户电压质量管理的指导意见》，规定供电部门应对配电区的电压质量进行24小时轮测，发现电能污染超过“标准”的用户应采取措施，加装抑制谐波及功率因数补偿设备，必要时依据《电力法》规定：“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”（第三十二条），运用法律手段治理电能污染。国内相关政策法规国家标准对谐波的要求：1）谐波电压限值《电能质量、公用电网谐波》GB/T14549-93公用电网谐波电压（相电压）电网标称电压kV电压总谐波畸变率%各次谐波电压含有率：%奇数偶数0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8注：220kV可参照110KV执行。2）谐波电流允许值注入公用连接点的谐波电流允许值注：谐波电流允许值国家标准对谐波的要求：谐波治理治理谐波无源电力滤波器利用电容器、电抗器和电阻器的适当组合而构成的滤波装置。其具有结构简单、维护方便等优点,但只能抑制固定次谐波、其滤波效果受系统阻抗及频率变化影响、且体积庞大、易与系统发生谐振。有源电力滤波器其基本原理是产生一个与负载谐波电流具有幅值相同而相位相反的补偿电流，与负载谐波电流相抵消以达到消除谐波的目的。是一种积极的谐波消除方式，滤波器效果较无源滤波器好。1()fnZRjnLnCfnZLC无源滤波简介LC无源滤波简介0f0fZ-XCXLXL=ωL=2πfLXC=1/ωC=1/2πfCLCLC无源滤波简介负载电网sZfnZhIsZfnZ容易谐振容量固定参数易变化效果不好！消耗大量有色金属LC缺点不能完全滤除谐波LC缺点一hI5ZLC滤波支路是低阻分流原理，支路电阻与变压器内阻并联，反比分流，滤波效果在50％左右，不高需要多个滤波通道LC缺点二LCLC谐波源7次滤波13次滤波LCLC11次滤波5次滤波I5I7I11I13滤波器分组设计，占地面积大LC缺点三H5H7H11HP13LC1.滤波电抗器一般做成空芯的比较多，不宜放在柜内，2.占地面积大，不宜管理。噪声也不小。HAERBINWEIHANELECTRICEQUIPMENTCO,LTD.谐振点容易变化fnZ1()fnZRjnLnCfnZnnLC缺点四LC调谐支路采用滤波电容器，有电容器必定会发生电容器容量衰减，造成谐振点偏移，滤波效果大大降低，这就可以解释为什么无源滤波装置在使用二、三年后感觉效果不如刚投入使用时的效果。在衰减严重情况下，LC非但不能滤波反而将谐波放大，与系统发生谐振，引起重大供电事故。容量固定LC缺点五滤波装置的设计容量和滤波次数一定要和实际负荷状态匹配，如提前设计，对负荷的谐波状况可能掌握不那么准确，设计容量大了，会出现过补，高次滤波支路投不上；设计容量小了，会出现滤波支路过载，烧毁滤波电容器或电抗器，造成麻烦。高功率因数场合滤波困难LC缺点六滤波支路接入的同时，滤波电容器的基波补偿容量也送入系统。某些需要滤波的场合，功率因数就非常高，例如进口变频器，这类负载本身的功率因数高达0.95以上，满载时能达到0.99以上，但自身没有采取谐波滤波措施，变频器工作电流中含有约30％谐波电流。在这种情况下滤波装置的全部投入会造成系统容性无功过补，这是很危险也是不允许的，这样往往需要再安装电抗器，投入感性无功去抵消过补的容性无功。QPQCQF轻载时高次滤波支路投不上LC缺点七在轻负载情况下，系统内仍有谐波存在，但11次、13次滤波支路就可能投不上，原因是基波无功过补了。LCLC谐波源7次滤波13次滤波LCLC11次滤波5次滤波I5I7I11I13在一个系统内不宜设置多处滤波LC缺点八已经投产，发现滤波容量做小了，或者用户要扩产增容，增加了非线性负荷的容量，需要增加滤波器的容量。这时单靠增加并联滤波电容器的数量是解决不了滤波增容问题，原因电抗器不匹配了，不推荐同一滤波次数的多台滤波器并联使用，整套装置要推倒重来。LC缺点九滤波装置各支路的投、切原则必须遵循：先低后高投入，先高后低切除。不遵循这一原则会造成电容支路过载，烧断熔丝，故障保护等情况出现。滤波装置各支路的投、切必须遵循原则LC缺点十LC滤波器的滤波效果会受到电网频率波动的影响，还与电网电压的波动有关，系统中大负载的启用会造成系统电压跌落，功率因数偏低，谐波量达到高潮的时候，是最需要电容器满负荷输出，但恰恰电容器容量输出是最小的，原因是：我们知道电容器输出容量与电容器两端的电压平方成正比，由于系统电压的跌落，电容器输出容量平方关系下降，指望不上。这段时期的电能质量会非常差。对于特殊的谐波、或当系统阻抗和频率变化时，与电源阻抗发生的并联谐振会导致谐波电流放大，使电路无法正常工作。LC滤波器的滤波效果会受到电网参数的影响，无谐振灵活效果好无过载动态连续有源电力滤波器优点APF优点并联与谐波源并联，为谐波提供通路，起到“疏”作用，具有投切方便、保护简单的优点。工业多采用此方案。串联串联于电源与负载之间，阻止负载谐波流入系统，起到“堵”作用。但投切、退出和保护比较复杂。混合无源滤波器和有源滤波器的组合结构，减少了有源电力滤波器的体积和成本APF分类谐波源系统sifiliCAPF原理谐波源系统APF原理APF主电路fL+-+-APF工作过程反向后的谐波电流输出控制计算检测APF技术组成DSP有源电力滤波器电流跟踪控制谐波检测技术APF设计内容容量接入点电路结构根据需要补偿负荷的谐波次数及容量确定有源电力滤波器的容量根据补偿效果及就地补偿原则确定有源电力滤波器接入点根据接入点电压及负荷结构确定有源电力滤波器电压等级及电路APF产品外观工作电压：380V、520V、660V电源频率：50/60Hz最大谐波电流：50A、100A、150