谐波讲座及治理讲解.ppt

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,HAERBIN WEIHAN ELECTRIC EQUIPMENT CO,. 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。,谐波的基本概念,目前国际普遍定义谐波为：,谐波定义为：电气量频 率为基波整数倍的正弦波分 量。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。,基波叠加5次和7次谐波,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,谐波对电 容的影响,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,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；,在谐波引起的事故中占75,谐波对电 机的影响,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 网的影响,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，导致短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。, ,谐波对继电保 护装置的影响,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,a 、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 GB 17625.11998 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。 b 、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。,c 、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。 d 、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,1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）,1国家标准对谐波的要求：,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,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。,LC无源滤波 简介,LC无源滤波 简介,LC无源滤波 简介,只能部分的滤除谐波！大概50%,LC 缺点,不能完全滤除谐波,LC 缺点一,LC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,为达到理想的滤波效 果，需要设置多组滤波器！,LC 缺点二,多组设计，体积较大，滤波效果相互抵消！,滤波器分组设计，占地面积大,LC 缺点三,H5,H7,H11,HP13,L,C,滤波电抗器一般做成空芯的比较多，不宜放在柜内， 占地面积大，不宜管理。噪声也不小。,HAERBIN WEIHAN ELECTRIC EQUIPMENT CO, LTD.,谐振点容易变化,LC 缺点四,谐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设计容量固定，当负 载容量变大时，易过载 并导致滤波器烧毁！,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。,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。,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，,APF 优点,APF 分类,APF 原 理,APF 原 理,APF 主电路,APF 工作过程,反向后的 谐波电流,输出,计算,检测,APF 技术组成,有源电力 滤波器,电流跟踪控制,谐波检测技术,APF 设计内容,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、150A、200A、300A 可滤除谐波次数：2次50次谐波 滤波效率：90% 响应时间：10ms 开关频率：20KHz,APF 技术参数,1 50A100A 10008002200 2 120A200A 100010002200 3 220A300A 2（100010002200） 注：1、本装置可以多台柜并联使用，扩大滤波能力。 2、柜体尺寸可根据用户需求进行特殊设计。,APF 体 积,APF 技术特点,APF 应用领域,中频炉负荷特点： 中频炉是将三相工频（50Hz）交流电经整流电路变为直流电，再经逆变电路输出单相的中频（1000-1500Hz）交流电源供给炉子加热。,APF用在中频炉负荷,自然功率因数很高，一般在0.9以上（甚至更高），向系统吸收的无功小。 中频炉是一个复杂的非线性电路，输入侧的电流是非正弦波的，由此产生大量高次谐波注入电网。 一般1000KW以下的中频炉通常采用6脉动整流;1000KW以上的中频炉采用12或24脉动整流。 6脉动整流的中频炉产生的谐波主要为：5、7、11、13次等谐波。 12脉动整流的中频炉产生的谐波主要为：11、13、23、25次等谐波。,应用案例一,中频炉的危害,中频炉产生的谐波流入电容器，加大了电容器的热能损耗，加速电容器老化，造成电容器使用寿命降低。 谐波与电容器形成谐振严重放大谐波，瞬间电流高达数千安培,造成电容器鼓肚、爆炸，开关跳闸，带来厂区大面积停电、人员伤亡事故。 诣波在电网中流动，引起的功率损耗都是无效损耗，加大网损。 谐波使变压器损耗加大，变压器磁密按照基波电流设计，大量谐波流过变压器容易使变压器磁通饱和，加大损耗。 有资料显示3%的谐波电压会产生5%的变压器损耗。 对自动化水平比较高的生产线、电气设备造成干扰,谐波导致程序紊乱、保护总跳闸,无法顺利生产。,谐波有百害而无一利！,采用LC滤波的危害,LC滤波的参数易变,电容容量逐年衰减,谐振点发生改变,起不到 滤波效果。 LC滤波的电容器参数一旦偏移,产生谐振,烧毁电器设备。 LC滤波靠阻抗分流,滤波效果一般在50%左右,不能有效滤波。 LC容量一旦确定,是固定不变的,系统容量扩载,LC出现过载。 LC属于分组式滤波,设多组滤波通道,在整体效果上各组互相抵消,在未来发展趋势中,电力电子滤波取代 LC 已成为必然。 APF取消了滤波电容、滤波电抗,LC再增容也达不到APF的滤波效果。,用户情况介绍,情况简介： 地 点：桥箱有限公司热压轴头设备电力配套工程 主要负荷：一台200KW中频炉 解决问题：中频炉在工作的时候产生大量谐波，导致同系统内其他数控设备总出现故障，影响企业正常生产。 解决方案：为了治理谐波污染问题，在中频炉旁边进行就地滤波，安装了一台200A的 APF电力有源滤波装置。APF有源滤波装置占地面积小，采用一台低压柜体。,安装位置示意图,其它负载,APF-200,中频炉,If,IS,IL,APF投入前IS,APF投入后IS,LC滤波器投入后理想效果IS,应用效果,（a）APF投入前系统谐波分析图 （b）APF投入后系统谐波分析图,（c）APF投入前系统谐波含量 （d）APF投入后系统谐波含量,APF投入前后实测数据,应用效果,（a）LC投入前系统谐波分析图,LC无源滤波器投入前后的实测数据,（b）LC投入后系统谐波分析图,结论,APF有源滤波与LC无源滤波效果对比：,APF用在变频器负荷,应用案例二,变频器负荷特点： 工业上常用的变频器主要有交直交变频器和交交变频2种。 交直交变频器先将工频交流电变为直流电，再将直流电变为控制电机所需的频率和电压，这种变频器大量用在需要各种场合。 交交变频无中间整流环节，直接将工频交流电变为控制电机所需的频率和电压。 交直交变频驱动系统自然功率因数较高，一般在0.9以上（高的时候能达到0.95-0.99）。 谐波大（高达25以上），主要谐波是5、7、11、13次谐波，属于非线性负荷。 负荷波动大，周期性变化。,变频器是谐波源家族的主要成员!,交流-交流,交流-直流-交流,主要有两种： 1.交直交变频，高功率因数（0.9以上） 2.交交变频，功率因数0.7-0.8,APF投入后电源侧电流,电 源,变频器,电机 M,负载侧电流,IL,AC 50Hz,APF输出电流,系统示意图,变频器负荷 对电网的影响,变频器大量用在各种场合，诸如汽车涂装线、冲压线、港口门机、 桥吊、化工场所、纺织线、烟草卷烟机、造纸行业、水处理系统等等。 产生谐波污染，导致电网电压波形畸变，降低了电能质量。 谐波干扰自动化生产线、精密精细设备正常工作，导致数据处理错误、程序紊乱，使继电保护误动作、拒动，造成安全事故。 谐波对自身及电网安全、稳定运行构成威胁，影响设备正常工作。 对电网冲击大，影响电压稳定。,污染随处可见！,变频广泛使用,某港口16t/35m门机系统主要负荷有起升电机、变幅电机、旋转电机、行走电机，这些电机均采用交直交变频驱动。如下图所示：,用户情况,为了保证系统投入后安全经济运行，在1#、2、3港机上加装了新型的APF有源滤波装置，产品型号：APF-0.4/200A共计三套。APF运行后，调试人员对港机进行满载考核，测量和录下滤波器投入前后的系统电能情况。,用户情况,波形没有毛刺了！,（a）APF投入前系统电压电流波形 （b）APF投入后系统电压电流波形,APF投入前后实测数据一,应用效果,（c）APF投入前系统谐波分析图 （d）APF投入后系统谐波分析图,APF投入前后实测数据二,有了APF,谐波滤除了！,应用效果,APF有源滤波效果：,结论,冲压线负荷特点： 冲击电流大（瞬间冲击电流达到了数百安培），给电力系统带来大量的冲击性无功功率，造成电压波动，功率因数低。 变化快，冲压机工作时负荷在短时间内周期波动。 谐波大，主要是5、7、11、13次谐波，属于非线性负荷。,APF用在冲压线负荷,应用案例二,冲压线负荷工作时产生的冲击性无功功率造成电网电压大幅度波动，影响电能质量。 冲压线负荷产生的大量冲击性无功，造成网损增加加，变压器输出能力不够，系统不能经济运行。 产生谐波污染，影响系统电能质量。,冲压线负荷 对电网的影响,情况简介： 地点：冲压线4#变电所1600KVA变压器 主要负荷：冲压机床和一些其他用电设备 问题描述：冲压机床在生产过程中产生了大量的高次谐波，主要为5、7、9、11等次谐波，造成电网电能质量下降，影响其它设备的正常运行和工艺质量。 最终解决方案：为滤除谐波，改善电能质量，变压器低压母线安装了一台APF有源滤波装置。,用户情况介绍,（a）APF投入前系统谐波分析图 （b）APF投入后系统谐波分析图,APF投入前后实测数据,有了APF,谐波滤除了！,应用效果,APF有源滤波效果：,结论,直流电机负荷特点： 冲击大，功率因数低，属于动态负荷，从 电机启动、稳定到制动一个工作周期一般 在几分钟之内，而且在这一过程中无功变 化大，功率因数在启动加速阶段最低 （0.40.7），制动阶段则较高。 产