电力谐波与治理(2017年11月)

电力谐波与治理电力谐波与治理杨兆华佛山科学技术学院自动化学院教授（佛山市贝瑞尔电气科技有限公司董事长）电话：[phone]手机：[phone]邮箱：[e-mail]2019/8/31电力谐波与治理2019/8/3学习和工作经历：1、1982年1986年，华中科技大学（原华中理工大学）电力系电机专业本科；2、1986年1989年，华中科技大学电力系电机专业硕士研究生；1987年加入中国共产党；3、1989年1994年，华中科技大学电力系工作，在1991年至1994年期间任电力技术研究所支部书记；4、1994年现在，在佛山科学技术学院工作：1996年至2003年，先后任机械与自动化系系主任，电气工程与自动化系系主任；2003年至2012年，先后任机电与信息工程学院副院长，机械与电气工程学院副院长；2000年至2012年任佛科院重点学科“电力电子与运动控制”学科带头人；2006年获得教授职称；5、1998年1999年，英国Staffordshire大学工学院访问学者；6、2012年开始，在岗创办佛山市贝瑞尔电气科技有限公司并任董事长，贝瑞尔电气2016年获得国家高新企业证书。电力谐波与治理2019/8/3现兼任的主要社会与学术职务有：1、全国电力电子学标准化技术委员会委员；2、全国电力电子学标准化技术委员会逆变电源分技术委员会委员；3、广东省电力电子系统与设备标准化技术委员会副秘书长；4、广东省能源基础与管理标准化委员会委员；5、广东省电气商会常务副会长；6、广东省自动化学会常务理事；7、佛山市自动化学会理事长8、佛山市电机工程学会副理事长9、佛山市科协委员10、华中科技大学佛山校友会副会长电力谐波与治理2019/8/3电力谐波与治理2019/8/3电力谐波与治理1、谐波的基本概念什么叫谐波？在电力系统中，可以认为除基波(50Hz)外，任一周期性的信号，皆称为谐波。频率低于50Hz的称为次谐波，高于50Hz的为高次谐波。高次谐波又常分为偶次谐波（频率为基波频率的偶数倍）和奇次谐波（频率为基波频率的奇数倍）在电力系统中，主要存在电压谐波和电流谐波两类基波与三次谐波基波与五次谐波在实际电力系统中，常见的谐波是高次谐波，最常见的是奇次谐波，如3、5、7、11次等2019/8/36电力谐波与治理理论基础：任何周期性非正弦波可以利用傅立叶级数分解为基波和谐波两部分)cos()(100nnntnAatxN次谐波些不N次谐波的相角些不N次谐波的频率些不N次谐波的幅值些不信号的均值，直流分量些不2019/8/37电力谐波与治理方波方波谐波含量丰富，但主要含有3、5、7、9等奇次谐波2019/8/38电力谐波与治理2、电力谐波的危害谐波对供电设备的危害：★电力变压器和发电机损耗增大，产生过热损坏；★电缆过热，绝缘老化；★电力电容器介质损耗增大，过热；★中线电流增大，过热。谐波对用电设备的危害：★敏感性负载受干扰，计算机出错，死机；★保护装置异常动作，开关误跳闸；★伺服电机产生脉动，交流电机产生振动，噪音增大；★产生线路传导电磁干扰，数字传输故障，通讯广播中断；★照明设备和显示器产生闪烁。波对电网的危害：★电网的品质变坏，波形失真增大；★过度地消耗电网中的无功功率和增大电流有效值；★电网的负担加重，可用容量下降。2019/8/39电力谐波与治理3、谐波的来源电源本身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。由非线性负载所致（主要来源）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。什么是非线性负载？理论上讲，欧姆定律不在适用于非线性负载★电力电子设备是非线性负载的主要类型，也是产生电力谐波的主要来源★其它非线性负载：磁路饱和的变压器；变压器空载合闸激磁涌流产生谐波；电容器组开断时瞬态过电压干扰；电焊机负荷等2019/8/310电力谐波与治理2019/8/311常见的嵌入电力电子技术的用电设备工业设备家电设备照明设备数码设备1、带变频器的电动机，2、数控车床及各种交流伺服电机，3、各种电梯设备，4、各种特殊用途加热设备和冶金电源1、变频空调，2、变频冰箱，3、电视机（开关电源）4、电磁炉1、LED灯，2、节能灯，3、带电子整流器的日光灯1、计算机（开关电源），2、网络设备，3、各种数码设备充电器对电网带来谐波污染对电网带来的不利影响降低系统的功率因数嵌入电力电子技术的用电设备对交流电网的影响电力谐波与治理2019/8/312贝瑞尔电气贝瑞尔电气贝瑞尔电气Tel:0757-8127190182106382Fax:[phone]Http:www.fsberyl.com地址：佛山市南海区桂城街道瀚天科技城B1区2号楼D座基于新能源分布式发电与储能的一种交直流混合配电示范系统方案构想2017-11-1变频器电梯数控车床UPS变频空调变频冰箱电视机电磁炉LED灯计算机变压器三相波形单相波形交流母线0.4KVAC不可控整流环节1、增加无功补偿设备2、增加谐波治理设备电力谐波与治理2019/8/313电力谐波与治理电力电子设备产生谐波的主要来源是其整流环节（AC/DC)电力电子设备常用的整流环节：●电容滤波的二极管不可控整流●电感、电容滤波的可控硅相控整流电路开关电源电路2019/8/314电力谐波与治理通用变频器主电路原理图UPS电源构成图2019/8/315电力谐波与治理电容滤波二极管不可控整流电路的谐波电流波形a)b)c)+abcTiaRCudidiCiRVD4VD6VD1VD3VD5VD2iaiaOOtta)b)c)+abcTiaRCudidiCiRVD4VD6VD1VD3VD5VD2iaiaOOtt2019/8/316电力谐波与治理电感滤波的可控硅相控整流电路的谐波电流波形ud1=30°ud2uduabuacubcubaucaucbuabuacⅠⅡⅢⅣⅤⅥtOtOtOtOidiat1uaubuc2019/8/317电力谐波与治理常用电力电子设备实测波形标准的正弦波形电流波形（变频器）电流波形（日光灯）电流波形（电梯）2019/8/318电力谐波与治理4、谐波的特征1）谐波的有效值(rms)由于各次谐波电流都是正弦波，因此可以测量每次谐波的有效值，但这些正弦波的频率各不相同，为基波频率的整数倍：IH1为基波成分(50Hz)；IHk为谐波成分，其中k为谐波次数(50Hz的k倍)。谐波分析就是要确定这些数值。2019/8/319电力谐波与治理2）总电流有效值3）各次谐波的含量每次谐波的含量都可以用一个百分数来表示，即该次谐波电流的有效值与基波电流有效值之比，这个比率就代表了各次谐波的含量水平：2019/8/320电力谐波与治理4）谐波失真度或谐波畸变率2019/8/321电力谐波与治理5）功率因数（1）功率因数(PowerFactor)功率因数为给定非线性负载两端的有功功率(kW)和视在功率(kVA)之比：VASkWPk（2）基波电流和基波电压之间的相移只有基波电压和基波电流为正弦波时，它们之间的相移可以定义为：kVAkcos111SWP＝（3）失真因数(DistortionFactor)失真因数定义为：12cos1＝＋＝THDID2019/8/322电力谐波与治理5、谐波治理方法（1）治理主要途径●内部治理直接从电力电子装置内部进行改造，主要针对整流环节进行功率因数校正，目前主要方法是功率因数校正电路或高频整流技术●外部治理从装置的外部治理，主要途径是通过滤波，抑制和减少谐波含量，目前主要方法无源滤波和电力有源滤波2019/8/323电力谐波与治理功率因数校正技术和高频整流技术uiiituiiiiiui0iui1uliLSsRDCLRoUPWM比较器电流误差放大器电压误差放大器乘法器驱动KsVmoirUmUPFC控制IC单相功率因数校正技术2019/8/324电力谐波与治理a)b)c)+abcTiaRCudidiCiRVD4VD6VD1VD3VD5VD2iaiaOOtta)b)c)+abcTiaRCudidiCiRVD4VD6VD1VD3VD5VD2iaiaOOtt三相高频整流技术2019/8/325电力谐波与治理谐波外部治理---滤波无源滤波方式2019/8/326电力谐波与治理电力有源滤波技术2019/8/327电力谐波与治理（2）治理主要方式●集中治理——保护变压器的所有非线性设备；当非线性负荷容量与配电变压器容量的比例超过50％，分布区域较广且自然功率因数较高时，宜在变压器低压侧配电母线上集中装设。●分散治理——保护区域内少量的非线性设备；仅在一个区域内有较分散且容量较小的非线性负荷时，宜在分配电箱母线上装设。●就地治理——保护局部区域内的几台重要的非线性设备。仅有几台大容量的非线性设备，宜在每台谐波源处就地配装。2019/8/328电力谐波与治理2019/8/3295、关于谐波与无功补偿电容器的关系-造成电容器过电流-与系统产生并联谐振-与系统产生串联谐振-造成电容器故障-增大谐波对电网的影响电力谐波与治理2019/8/330电力谐波与治理2019/8/331电力谐波与治理2019/8/332如何避免谐波电流对电容器的影响？增加电抗器电力谐波与治理2019/8/333电力谐波与治理2019/8/334电力谐波与治理2019/8/335电力谐波与治理2019/8/336电力谐波与治理2019/8/337电力谐波与治理谐波治理应用行业●电梯及提升系统●橡胶行业●污水处理系统●汽车工业●酒店、医院●造纸业●水泥行业●计算机中心●焊机系统●轨道交通●石化行业●变频驱动设备●隧道通风●智能建筑●矿井、油田等等●烟草行业●风力发电站●造船业●冶金业●纺织●建材●不间断电源（UPS）2019/8/338电力谐波与治理2019/8/339