谐波治理的知识.doc

中国航天科工集团第二研究院706所谐波治理的知识1 为什么谐波的问题越来越严重？因为现代的用电方式与传统的用电方式发生了巨大的变化。传统的电气负荷大部分是线性负荷，线性负荷不会产生谐波电流，只会导致功率因数降低的问题。而现代负荷大多是非线性负荷，典型的就是整流电路。整流电路几乎应用在所有的电力电子设备中，常见的包括：变频器、中频炉、直流电机、充电机、直流电源、信息设备、节能灯具等。这些设备产生了严重的谐波电流。随着节能降耗技术的普及，电力电子设备的使用更加普遍，谐波的问题将日益突出。需要注意的是，这些电力电子设备虽然产生较强的谐波，但是相移功率因数都很高。因此，过去，电力公司关心功率因数的问题，将来，将更加关注谐波的问题。2 当谐波电流严重时，会出现哪些现象？主要的现象包括：l 配电线缆的截面积符合要求，但是仍然过热l 变压器的容量符合要求，但是仍然过热l 三相平衡配电，但是零线中电流仍然过大，或者零线过热l 配电箱的容量符合要求，但是仍然出现跳闸现象，或者继电保护器误动作l 同一配电系统上的数控机床精度降低l 同一电网上的控制设备误动作，仪表显示不稳定或者读数误差增加l 无功补偿电容频繁损坏l 无功补偿柜不能投切，或者不能达到预定补偿目标l 导致电网上的保护设备的误动作l 变压器输出的电压达不到国家的规定（THD 5%）3 为什么要治理谐波？治理谐波有三个意义：1) 满足电力公司对电网质量的要求，电力公司为了维护电网的质量，对电力用户向电网注入的谐波电流提出了限制。由于很多企业中安装了高精度、高度自动化的设备，这些设备对电能质量的要求很高。为了满足这些企业的要求，电力公司将对谐波提出更加严格的要求；2) 保证企业内部电能质量，企业内部如果有高精度、自动控制设备，对于电能质量的要求较高，通过谐波治理，使企业内部的电能质量满足要求；3) 有利于节能降耗：谐波电流在变压器、电缆线路中产生更大的热量，这些热量就是额外的能量损耗，减小谐波电流，就能够节省这些能量。另外，谐波电流在负荷中所做的功都是无功功率，谐波电力越大，功率因数越低，能源利用率越低。因此，减小谐波电流对于提高功率因数很重要。4 关于谐波有哪些标准？常用的标准有三个，IEEE519、GB14549、GB17625。这三个标准分为两类，IEEE519、GB14549是针对电网的，它们规定了电网上的谐波电流和谐波电压的最大幅度。电力公司使用这两个标准，规范电力用户的谐波发射，保证公共电网的质量。GB17625是针对设备的，它规定了设备的谐波电流发射必需满足的要求。如果接入电网的设备满足这个标准的要求，就不会造成谐波相关的潜在风险。系统集成商要保证系统的稳定运行，一个好方法就是所有的设备都选用满足这个标准的产品。5 为什么治理谐波的最佳位置在谐波源？因为这样等于从根本上消除了谐波电流，谐波电流带来的各种危害迎刃而解。另外，在谐波源治理谐波给工程设计带来很大的方便。大部分电气工程师对于谐波的认识还比较初级，当配电系统上有较大的谐波电流时，给他们的设计带来很大困惑，各种传统的设计手册不再适用。例如，考虑谐波电流时，电缆的截面积不能再按照基波电流的情况来计算，变压器的容量也不能按照基波电流的情况来设计。如果在谐波源治理谐波，由于配电系统上没有谐波电流，电气工程师可以按照传统的线性负载系统来进行设计，而这方面的设计已经十分成熟。虽然从谐波治理的角度讲，最佳治理位置在谐波源，但在实际工程中要综合考虑可实施性和性价比。在综合考虑各种因素时，应该将谐波源就地治理和在母线上统一治理结合起来，获得最高的性价比。6 为什么称HTHF谐波滤波器为设备级的谐波滤波器？因为HTHF滤波器特别适用于安装在电力电子设备的电源输入端，保证设备的谐波电流发射满足特定的要求。并不是任何滤波器都可以安装在设备的电源输入端，设备级的谐波滤波器必须具备以下条件：1) 谐波滤波效果确定：某台设备安装了设备级的滤波器后，它的谐波指标就要是确定的，例如，总谐波电流畸变率THID 10%。换句话说，就是，这个设备在任何场合使用，谐波电流发射强度都是一定的，与配电系统的特性有关。2) 不能吸收上游的谐波电流：某台电力电子设备可能在任何位置接入电网，如果它的上游有其他谐波源，设备级的滤波器不能吸收来自上游的谐波，否则这个滤波器就容易发生过载，甚至损坏。3) 不能造成系统不稳定：显然这是一个基本要求，如果由于电力电子设备配装了滤波器，而在接入系统时，造成系统不稳定，是不允许的。4) 不能产生过大的超前无功功率：公共电网不允许负载呈现较强的电容性，这会造成系统不稳定。如果电力电子设备配装了滤波器后，发出过大的容性无功，当接入的设备滤波器较多时，就会达不到电力公司的要求。HTHF滤波器完全能够满足上述要求，因此，称其为设备级的谐波滤波器。另外，这样称呼还有提醒用户的含义，这就是，这种滤波器不适合于安装在母线上。因为这个滤波器接入母线后，会限制母线的容量，并且他的输出电压为梯形波，虽然特别适合于6脉整流电路，但是不适合于有些负载。7 什么叫有源滤波器？简单地说，有源滤波器就是，滤波器本身就是一个谐波源，它能够主动地向电网发出谐波电流。与此相对应的是无源滤波器，无源滤波器不能主动向电网发出谐波电流，而只能被动的吸收电网上的谐波电流。有源滤波器的工作原理：检测出电网上的谐波电流后，向电网上注入幅度相等，相位相反的谐波电流，使其抵消电网上原来的谐波电流，达到减小谐波的效果。8 有源滤波器有什么优点？从谐波治理的角度讲，有源滤波器是一种理想的谐波治理设备。与传统的无源滤波器相比，它具有以下优点（这些都是无源滤波器不具备的）：1) 滤波效果确定2) 不会引起系统不稳定3) 不会发生过载4) 不会发出额外的容性无功功率但是，有源滤波器的构造十分复杂，成本较高。另外，由于有源滤波器本身就是一个大功率的电力电子设备（逆变器），在工作时会产生较强的射频干扰。这种射频干扰一方面直接注入到电网，另一方面也会通过空间产生辐射，干扰临近的电子设备。因此在使用有源滤波器时，要注意这一点，必要时采取适当的射频干扰滤波措施。9 有源滤波器可以作为设备级滤波器使用吗？从技术上讲，当然可以。但是从经济上讲，很少这样做。因为，有源滤波器本身的价格可能超过设备本身。并且，有源滤波器可能降低设备的电磁兼容性，除非采用额外的射频干扰控制措施，这会进一步增加成本。有源滤波器更适合于安装在母线上。在很多场合，有源滤波器是无法被无源滤波器所取代的。例如，商业楼宇中，由于负荷大多为节能灯、信息设备、自动化办公设备，3次谐波十分严重。如果用无源滤波器来滤除3次谐波，会导致容性无功过大。这时，有源滤波器就是不二的选择。有源滤波器是一种理想的母线滤波器。10 当谐波电流超出PSW有源滤波器的额定补偿电流时，PSW会损坏吗？不会。这时仅会发生滤波效果下降的现象。因为PSW有源滤波器具有过载保护功能，即使检测到的谐波电流超过额定输出电流，他的输出电流也不会增加。这时，就会有些谐波电流得不到补偿。11 怎样确定谐波治理的位置，在设备级进行治理，还是在母线上治理？从技术上讲，这取决于治理谐波的目的。任何谐波治理方法，都是保证治理位置的上游谐波指标达到要求。如果，谐波治理的目的是满足电力公司对企业主变压器上游的电能质量要求，就采取母线治理的方法。如果，谐波治理的目的不仅是满足电力公司对企业主变压器上游的电能质量要求，还要保证企业内部的用电质量，就要采取设备级治理的方法。当然，即使在母线上治理，也还有选择治理点的问题。选择治理点的原则有两个，第一，治理点要在所有谐波源负荷的上游；第二，治理点尽量靠近下游，这样，企业能够获得最大的好处。例如，在主变压器的次级治理优于在初级治理，在初级治理，获得好处仅是电力公司，在次级治理，企业获得好处是变压器的容量得到了释放。12 怎样制定一个最佳的谐波治理方案？我们对最佳的谐波治理方案的定义是：既满足电力公司的要求，又保证企业内部的电能质量，并且成本最低。最佳的谐波治理方案如下图所示。图中，大功率谐波源（例如11kW以上）采用HTHF滤波器，将其谐波电流发射降低到THID10%以下。保证企业内部电网的质量。PSW小功率谐波源大功率谐波源HTHF较小功率谐波源（例如10kW以下）不用采用专门的谐波滤波器。因为这些谐波源产生的谐波电流绝对值较小，不会对企业内部电网造成严重的影响。在母线上安装PSW有源滤波器，消除所有残留的谐波电流，满足电力公司的要求。由于大部分谐波都已经在谐波