关于电能质量的技术探讨与有源电力滤波器

报告人：许强报告日期：2008年5月关于电能质量的技术探讨与有源电力滤波器西安赛博电气有限责任公司简介◆公司成立于2003年，位于西安高新区新型工业园◆公司是专业从事有源电力滤波器、无源滤波器等电能质量产品设计、生产、销售和服务的高新技术企业◆国内有源电力滤波器研发、生产、销售和服务龙头企业◆打破国外在高端产品方面一统天下的局面，提升本土技术的竞争实力◆技术依托：西安交通大学西安赛博电气有限责任公司简介◆设有系统与控制、功率变换、信号处理、监控与软件、结构工艺5个专业组。取得和获受理专利近10项，发明专利1项◆国家科技部中小企业创新基金资助◆多项业界领先的自主知识产权核心技术西安赛博电气有限责任公司简介公司成立后，2003年开始将西安交通大学有源电力滤波器的技术转化为产品设计，首次设计的产品是为南京某所雷达供电系统用的2台SPA3-100A有源电力滤波器。2003年12月交的货，运行后客户对设备的性能给予了很好的价。西安赛博电气有限责任公司简介2004年～2005年重点工作是建立电能质量实验站。西安赛博电气有限责任公司简介2004年～2005年间有源电力滤波器的系列化设计，并做小量生产的设计、生产等工作，同时也开始了设计、生产混合滤波器（有源电力滤波器＋无源滤波器）。西安赛博电气有限责任公司简介•我们的产业化过程：通过2005年的现场运行的考验，我解决了许多可靠性、安全性的问题，在没有国家标准的情况下,建立了有源电力滤波器的企业标，并参与了有源电力滤波器国家标准的起草工作。这一年我们获得了国家科技型中小企业创新基金。我们正在进行产业化的实施。西安赛博电气有限责任公司简介赛博电气有限责任公司的设计、生产与西安交通大学紧密相连，充分将西安交通大学十几年的技术积累服务于解决我们面临的电能质量的各种问题。西安赛博电气有限责任公司简介管理上公司均执行由英国国家质量保证有限公司NQA审核和注册的IS09001:2000质量管理体系„电能质量概述„谐波的概念„谐波的产生„谐波的危害„谐波的治理„有源电力滤波器„案例介绍„总结报告内容：一、电能质量概述„电能质量的定义：目前没有国家标准的解释！从普遍意义上讲是指供电和用电质量，包括电压、电流的稳态及暂态量值的偏差、波形畸变的程度、闪变等对用电设备造成影响的供电和用电问题。一、电能质量概述„电能质量问题：¾频率问题¾幅度问题9稳态过电压、欠电压及电压波动9闪变（flicker）9幅度暂低（sag，dip）、暂高（swell）、短时中断（interruption）¾波形和对称度9三相不对称9谐波（harmonics）9暂态脉冲（impulsivetransient）9暂态振荡（oscillatorytransient）一、电能质量概述一、电能质量概述„产生电能质量问题的原因¾干扰性负荷电弧炉、整流器、单相负荷及各种电源的变换设备等¾雷电、外力破坏¾配电设备故障、电容器投切、线路切换等„国家标准–《供电电压允许偏差》(GB12325-1990)–《电压允许波动和闪变》(GB12326-2000)–《公用电网谐波》(GB/T14549-1993)–《三相电压允许不平衡度》(GB/T15543-1995)–《电力系统频率允许偏差》(GB/T15945-1995)–《暂态过电压和瞬态过电压》(GB/T18481-2001)一、电能质量概述报告内容：„电能质量概述„谐波的概念„谐波的产生„谐波的危害„谐波的治理„有源电力滤波器„案例介绍„总结二、谐波的基本概念任何频率“f”的周期信号，无论它的波形是什么，都可以作为以下的总和被表现：„频率f的正弦分量，被称为基波（h1）„有频率的正弦分量（即基波的全倍数）被称为谐波（hn）.„dc(直流)分量（如果可用）。例：()()()yhhttt=+13-1.5-1-0.500.511.5=-1.5-1-0.500.511.5+-1.5-1-0.500.511.5„谐波由非线性负载产生二、谐波的基本概念¾线性负载：如果一个负载引导的电流与电源电压有相同的波形，则它被称为是“线性的”。这样的电流没有谐波分量。这样的负载的例子：电热器中的电阻器，稳态条件下的电感负载（电动机，变压器等）¾非线性负载：如果一个负载引导的电流与电源电压没有相同的波形，则它被称为是“非线性的”。这样的电流有高谐波分量。谐波频谱取决于负载的类型。例如开关电源，整流电源，变压器UIUIϕ¾次数：谐波次数定义为谐波频率等于基波频率的倍数。例：对于50Hz的基波，第3次谐波的频率是3x50=150Hz。¾频谱：信号的频谱是作为不同的谐波各自频率的功能显示它们的振幅的图。作为基波的％的谐波频谱050100二、谐波的基本概念28.722.927.222.2722.56++++=rmsI222...21)(HnHHvaluerms+++=值¾非正弦周期信号的rms值是：H1=基波分量，H2，…，Hn＝谐波分量缩写词rms代表均方根。¾例：计算由单相负载（例如个人电脑）引导的rms电流：Ifund.=56.2A;Ih3=27.2A;Ih5=2.7A;Ih7=9.2A;Ih9=7.8A.二、谐波的基本概念¾总谐波畸变率（THD）：谐波的rms值与基波的rms值的比率THDHHHnH%...=x+++100231222¾单个谐波百分比：“n次”谐波的rms值与基波rms值的比率HnHTHDn%=1x100二、谐波的基本概念报告内容：„电能质量概述„谐波的概念„谐波的产生„谐波的危害„谐波的治理„有源电力滤波器„案例介绍„总结三、谐波的产生谐波源设备：„变速传动装置（包括交流、直流）„晶闸管控制设备„固定式换流器（UPS不间断电源）„电弧炉„电焊机„大建筑物中的照明„饱和电抗器（变压器）¾变速传动装置（交流）„3相负载主要产生5，7，11，13次谐波电流„电流是不稳定的图（无电抗器）Ce1e2e3MiIIs-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5„谐波电流是S=23kVATHDI=124%„谐波频谱81%H5,74%H7,42%H11,...H11H13H17H19H21H23050100H1H5H7三、谐波的产生¾整流器等：„3相负载主要产生5，7，11，13次谐波电流„谐波电流是S=122kVATHDI=30%„谐波频谱28%H5,5%H7,6%H11,...图L1ZCL2L3e1e2e3iIIs020406080100H1H5H7H11H13H17H19三、谐波的产生¾电焊机：„单相负载„有较高3次谐波含量的电流„谐波电流是Is=341ATHDI=58%„谐波频谱56%H3,9%H5,9%H7,...H11H13H15020406080100H1H3H5H7H9三、谐波的产生¾照明（荧光灯）：„单相负载„有较高3次谐波含量的电流„谐波电流是S=22kVA„谐波频谱51%H3,11%H5,8%H9,...FLIsH11020406080100H1H3H5H7H9三、谐波的产生报告内容：„电能质量概述„谐波的概念„谐波的产生„谐波的危害„谐波的治理„有源电力滤波器„案例介绍„总结四、谐波的危害¾对输线路的影响2222212311nIIIIIITHDi=++++=+…(1)accdcsepedcRkRkkR==++2acsIRTFα=传输电路温升为：其中：I为流过导体的电流，acRαF为导体的交流电阻，为导体的总换热系数，为导体的总换热系数。lgabTτ=+高分子材料的热老化方程为：四、谐波的危害¾对变压器的影响9均方根值电流增加负荷电流含有谐波时，将在三个方面引起压器发热的增加：9涡流损耗9铁芯损耗、四、谐波的危害在非正弦电压下绝缘寿命相对缩短：0tmτSτNSτθ－在最高标准温度下绝缘寿命－在正弦和非正弦电压作用下，设备长期运行的绝缘温度－温度常数，当温差等于此常数时，绝缘寿命缩短一倍0.69SNSSNSStttττθ−−=四、谐波的危害、对于A级和B级绝缘材料，一般08Cθ=，则0.086SNSStttτ−=Δ式中τΔ为谐波作用下绝缘的附加温升，它和谐波含量、设备结构和容量均有关。，若变压器正常的绝缘寿命为20年，由于谐波引起附加的温升与变压器绝缘寿命的对应表为：四、谐波的危害¾对电容器的影响谐波电压在电容器中产生额外的电力损耗：232()10nnnctgUδω∞−=×∑电力谐波和电容器之间的作用是相互的，它不仅在电容器中产生额外的电力损耗，而且可能与电容器一起产生串联或并联谐振。ctgδnωnnUn式中：为电容，为介质损耗系数,次谐波的角频率；次谐波电压有效值。为为四、谐波的危害当同一母线上接有电容器和谐波源时，设电源为纯感性的，当下式成立时就会发生并联谐振:SCSSnff=因在高频电路中电容阻抗较小故可略去负荷电阻。在此条件下，当下式成立时就会发生串联谐振:2tLnctcSSffSZS=−fnfSSCS式中：为基波频率，为谐振频率，系统短路容量，为电容器容量tStZLScS变压器容量，变压器阻抗标幺值，负荷容量，电容器容量式中：四、谐波的危害、在电容器的作用下，谐波电流可以被放大2～5倍，而在谐振时可达30倍以上。谐振引起的过电压和过电流会大大增加电容器的损耗和过热，这往往导致电容器的损坏。四、谐波的危害¾对继电保护装置的影响谐波对继电保护的影响主要表现为使继电器动作特性畸变或效果降低，其后果常是保护装置的拒动或误动。常规的电磁型电流继电器的电磁动作转矩为：2222211232ppppmIWMFLKLKLKILKIRφ=====FpLφI2WmR式中：为电磁力，为动片与支点的力臂长度，为磁通，为流入线圈的电流有效值，为线圈匝数，为磁通φ所经过磁路的磁阻四、谐波的危害¾对电能表的影响、112WnnnPKPkP∞==+∑目前，计量中主要采用静电感应式电能表。它是按工频(基波50Hz)纯正弦交流额定工况设计制造的。存在电力谐波时，基波电流和谐波电流都会在电能表转盘上产生涡流，电能表转速所反映的功率是基波和各次谐波共同作用下产生的，即：WP1K1Pnkn式中：为电能表计量的功率，为基波的转矩系数，为基波功率，次谐波的转矩系数。为四、谐波的危害报告内容：„电能质量概述„谐波的概念„谐波的产生„谐波的危害„谐波的治理„有源电力滤波器„案例介绍„总结五、谐波的治理‹LC无源滤波器¾单调谐滤波器¾高通滤波器¾双调谐滤波器‹有源电力滤波器„无源电力滤波器优点–结构简单–容易实现–便于维护–成本较低等„无源电力滤波器缺点–单调谐滤波器的谐振频率会因电容、电感参数的偏差或变化而改变–电网频率会有一定波动，这将导致滤波器失谐–电网阻抗变化对单调谐滤波器的滤波效果有较大影响–更为严重的是，电网阻抗与滤波装置有发生并联谐振的可能五、谐波的治理„有源电力滤波器的特点–实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应；–可同时对谐波和无功进行补偿，且补偿无功的大小可做到连续调节；–补偿无功时不需贮能元件；补偿谐波时所需贮能元件容量也不大；–即使补偿对象电流过大，电力有源滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；–受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；–能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响；–既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。五、谐波的治理报告内容：„电能质量概述„谐波的概念„谐波的产生„谐波的危害„谐波的治理„有源电力滤波器„案例介绍„总结六、有源电力滤波器¾并联型¾串联型¾与无源滤波器混合¾统一电能质量调节器－并联型＋串联型六、有源电力滤波器¾并联型负载(谐波源)APFiSiLiC交流电网LLfLhCLhSLCLfiiiiiiiii=+=−=+=并联型有源滤波器原理简图：六、有源电力滤波器安装并联型有源滤波器的非线性负载系统：六、有源电力滤波器IAHFActiveHarmonicFilter（有源谐波滤波器）V1I1I1+I5+I7V1Non-linearLoads（非线性负载）INLTransfor