3、现代通信机房的谐波处理及节能

IDC机房的谐波处理及节能减排主讲人：杜秋[e-mail]1.引言2.谐波的危害3.谐波的特性4.谐波的表示方式5.谐波的定义与计算6.不同类型设备的谐波特征7.机房谐波源——整流电路谐波的理论分析8.IDC机房的谐波抑制9.电容谐振的案例分析10.节能减排数据分析与经验体会目录1、引言2.近年来谐波所造成的危害日趋严重，对发、输、供、用电设备都造成了严重影响，导致设备运行故障、维修工作量增加及增耗电费，甚至引发火灾事故等。3.保证电能质量，以使用户安全、正常用电是电力部门的职责。但电能质量和一般产品质量不同之处在于它不完全取决于电力生产企业，有的质量指标（例如：谐波、电压波动和闪变，三相电压不平衡度）主要由用户负荷的干扰所致。因此电能质量的保证，需要供用电双方共同努力，共同承担相应的责任。4.计算母线谐波电压、支路谐波电流、电压和电流总谐波畸变率（THD），以及找出其谐振的条件是谐波研究和处理的基本途径。1.随着电子技术的发展，大功率可控硅SCR、门极可关断晶闸管GTO、电力场效应晶体管MOSFET、电力晶体管GTR、IGBT等技术的发展和广泛应用，大量非线性负荷的增加，使得电力系统波形严重畸变，这便是谐波。谐波最早发现在20世纪20年代，50年代以来，非线性负载引起的谐波问题日益受到关注。MCTIGBT功率MOSFET功率SIT肖特基势垒二极管SITHGTORCTTRIACLTT晶闸管电力二极管双极型单极型混合型复合型（（图1-42GTR1.1、谐波的基本定义•所谓的谐波是指供电系统中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的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。通俗的将分解后的谐波称为n次谐波，此处的n即是谐波次数。一般指从2次到50次范围，如5次谐波电压（电流）的频率是250赫兹，7次谐波电压（电流）的频率是350赫兹；超过13次的谐波称高次谐波。52、谐波干扰的危害•对发电设备的危害：谐波干扰增大发电机的损耗，产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率；谐波在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗，产生振动和发出异常的噪音。发电机中THDI必须小于等于20%，否则发电机的功率也必须进行折算；•对输电设备的危害：损耗增加（趋肤效应）、引发谐振（线路电感、对地电容）、中线电流增大、影响线路的稳定运行（继电保护的误动或拒动）；•对供电设备的危害：损害电容、变压器降容（铜损、涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗）、降低可靠性、影响电力测量的准确性；•对用电设备的危害：视在功率增大、干扰敏感性的电子设备；•对人体的危害：人体细胞在受到刺激兴奋时，细胞膜静息电位会发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场，引起不适，甚至诱发疾病，危害人体健康；•能源的浪费：谐波的存在可增大视在功率、降低功率因数，大量浪费电能；662.1、谐波危害列表受影响设备影响的内容电动机主要是引起转子表面局部过热；也能引起定子零件过热，常需降低输出功率；引起振动等变压器引起绕组、外层硅钢片、外壳、金属紧固件的发热，降低输出功率；还会引起噪音和振动。空调设备控制失常，制冷、加湿失效，控制精度降低等。电容器增加介质的局部放电和热老化；还会引起机械振动，串并联谐振，严重时可引起爆炸。电缆增加浸渍绝缘局部放电和温升，缩短寿命，增加短路几率，严重时造成断电或火灾。消弧线圈延迟或阻碍消弧作用。断路器降低遮断能力，延缓甚至阻碍熄弧，有时损坏断路器。避雷器涌流延长其放电时间，可能导致损坏。换流装置使燃弧间隔不匀，个别不能运行。电压互感器可能引发参数谐振而损坏。电力系统损耗增大，降低安全。遥控传输等引起数据丢失、误显示、误动、误传、元件损坏等。电能表增加误差，增大供电线损率。自动装置、集成线路板导致误判断、误动、误控制等。继电保护引起误启动、误跳闸、拒动、损坏，引起事故或扩大停电事故。通信系统主要引起电话杂音，有时出现过电压。其他表计增加误差，造成基波值大于实际的错觉。3、电力系统谐波的特性1、对称性：奇对称性：f（-t）=-f（t），展开为傅立叶级数式没有余弦项；偶对称性：f（-t）=f（t），展开为傅立叶级数式没有正弦项而只有余弦项；半对称性：f(t+T/2)=-f（t），没有直流分量且偶次谐波被抵消，故忽略偶次谐波。2、相序性：在一个平衡的三相系统中，单频谐波分量是完全正序的，或完全负序的，或完全零序的；3、独立性：平衡电力系统中的线性网络对不同谐波的响应是相互独立的，这性质使得我们可以将各次谐波分别处理；即：对各次谐波分别建立等效电路并求解电流和电压。104、谐波的表示方法傅立叶级数是研究和分析谐波畸变的有效方法，通过傅立叶分解能够对畸变波形的各种分量进行检查，任何周期波形都可被展开为傅立叶级数，即：f(t):频率为f0的周期函数，角频率ω0=2πf0，周期T=1/f0=2π/ω0;C1sin(ω0t+ф1):基波分量；Cksin(kω0t+фk):第k次谐波。幅值为CK,频率为kω0,初始相位为фkf(t)=A0+∑K=1∞[Akcos(kω0t)+Bksin(kω0t)]=A0+∑K=1∞Cksin(kω0t+фk)（式1）（式2）A0=—T1f(t)dt=∫T02π1f(t)dx（x=ω0t）式3∫2π0—Ak=—T2f(t)cos(kω0t)dt=∫T0π1f(t)cos(kx)dx式4∫2π0—Bk=T2f(t)sin(kω0t)dt=∫T0π1f(t)sin(kx)dx式5∫2π0——Ck=√Ak2Bk2+фk=arctan(AkBk)式6式75、谐波的参数定义与计算•在电力生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。只有准确分析了谐波干扰产生的机理，才能有针对性地提出有效的治理方法；•谐波的基本特征参数：按照傅立叶级数展开时，各次谐波电流都是正弦波，IH1为基波成份(50Hz或60Hz)；IHk为谐波成份，其中k为谐波次数(50Hz或60Hz的k倍)。总电流(压）谐波失真度THDI（U)：12242322......100%IHHIHIHIHTHDIkh1h3h5h7IeIcrTHD100IIIhhnh%1Harmonicdistortion1hnI100%THD2n2II5.1、谐波功率及其公式定义•有功功率：p(t)=v(t)×i(t)P=P(t)dt=TVh*Ih*cos(θh-фh)—T1∫021—∑h=1∞•无功功率：•视在功率:Q=21—∑h=1∞Vh*Ih*sin(θh-фh)S=S11+THDV2*√1+THDI2*√•畸变功率：D2=S2-(P2+Q2)•功率因数：Pf=P/S5.2、举例•例：三相整流器输入电流（如图），其谐波频谱为：Ih5=33%、Ih7=2.7%、Ih11=7.3%、Ih13=1.6%、Ih17=2.6%、Ih19=1.1%、Ih23=1.5%、Ih25=1.3%，计算THDI%：：%.13.0.0150.01126.0.0160.0730.0270.33......%2222222234011640000010022242322kHHHHTHDI合成电流基波t12121056134011IIHTHDIIHIeff..＝•电流的有效值比基波电流的有效值增大了5.6%，即比没有谐波时的额定电流增大5.6%，这将在导体中造成温度升高85.3、峰值因数•峰值因数(CrestFactor)：定义为峰值（最大幅值）与有效值的比率，用来表示信号(电流或电压)形状的特征：•线性负载的典型峰值因数是1.414，六脉冲整流器的典型峰值因数从1.5到2，小型计算机的典型峰值因数从2到2.5，微机的典型峰值因数从2到3。•峰值因数对UPS容量有一定影响，举例分析如下：例如：对于200KVAUPS，其额定电流In=303A，若其峰值因数Cf=3:1，则：UPS可承受峰值电流为303Ax3=909A假设：负载峰值因数为3.5:1，则：UPS对于该负载所提供的电流有效值为：909A/3.5=259.7A即:UPS的使用容量为259.7Ax220Vx3=171.4KVA有效值峰值Fc%7.85857.02004.171UPS的功率折算＝75.4、谐振•串联谐振：发生在容性电抗和感性电抗相等的串联RLC电路中，发生时，电路的阻抗很小，较小的激励电压就能产生巨大的电流。•并联谐振：发生在具有感性电抗和容性电抗相等的并联RLC电路中，发生时，电路的导纳很小，较小的激励电流就能产生巨大的电压。•串并联谐振发生的条件：XLC=ωr*L=XCr=1/ωr*C•谐振的角频率为：ωr*L=1/(LC)½•谐振的次数为：hr=(XC/XL)½6.1、发电机发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁芯也很难做到绝对均匀一致及其他一些原因，发电机多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。而且，当对发电机的结构和接线采取一些措施后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。6.2、输配电系统输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁芯的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁芯的饱和程度有关。铁芯的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。6、不同类型设备的谐波特征6.3、用电设备随着电子技术的发展，电网中非线性负载呈逐渐增加的趋势，非线性负载在工作时向市电反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，进而导致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流，电压畸变的程度取决于谐波电流的频率和幅值。整流器、充电器、开关电源、调光器、变频调速器、计算机、荧光灯等等都是非线性负载，见各典型图开关电源变频调速器充电器荧光灯6、不同类型设备的谐波特征6、不同类型设备的谐波特征6.4、变流设备:•整流器、逆变器、变频器等各种电力变流设备采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波，电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。•如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。•如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流；•如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波电流。附几种典型的整流电路和谐波电流示意图开关电源负载整流充电器变频调速器UPS整流器7.1谐波和无功功率分析基础1.谐波：可分解为傅里叶级数基波（fundamental）——在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量谐波——频率为基波频率大于1整数倍的分量%1001IIHRInn%1001IITHDhi7、整流电路产生谐波的理论分析IITypicalSwitchModePowerSupplyU谐波量:UI谐波次数——谐波频率和基波频率的整数比n次谐波电流含有率以HRIn（HarmonicRatioforIn）表示为：电流谐波总畸变率THDi（TotalHarmonicdistortion）定义为：2.单相整流的谐波7.1谐波和无功功率分析基础3、功率因数——正弦电路中的情况：电路的有功功率就是其平均功率；视在功率为电压、电流有效值的乘积，即S=UI无功功率定义为：Q=UIsinj功率因数l定义为有功功率P和视在功率S的比值：此时无功功率Q与有功功率P、视在功率S之间有如下关系：功率因数是由电压和电流的相位差j决定的：l=cosjj20cos)(2