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电能质量基础知识培训 培训人 徐翔 电能质量概述无功与谐波基础知识无功补偿与谐波治理方法某移动基站谐波治理案例 报告内容 一 电能质量概述 1 5 电能质量的定义 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 2 5 电能质量问题 频率问题 幅度问题 稳态过电压 欠电压及电压波动闪变 flicker 幅度暂低 sag dip 暂高 swell 短时中断 interruption 波形和对称度 三相不对称谐波 harmonics 暂态脉冲 impulsivetransient 暂态振荡 oscillatorytransient 一 电能质量概述 3 5 一 电能质量概述 4 5 产生电能质量问题的原因 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 雷电 外力破坏 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 5 5 二 无功与谐波的基础知识 1 10 无功功率 无功功率只是描述了能量交换的幅度 而并不消耗功率 无功功率分为感性无功与容性无功 感性无功表现为电压相位超前电流相位 容性无功表现为电压相位滞后电流相位 增加额外电费根据 功率因数调整电费办法 功率因数标准为0 9时 大于160kVA的用户 若功率因数大于0 9小于0 95 则每增加0 01减收0 15 的电费 大于0 95减收0 75 的电费 若功率因数小于0 9大于0 64 则每减少0 01增收0 5 的电费 如为0 8则要加收5 的电费奖的少 罚的多 二 无功与谐波的基础知识 2 10 二 无功与谐波的基础知识 3 10 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 谐波由非线性负载产生 谐波 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 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 二 无功与谐波的基础知识 4 10 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 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 0 50 100 二 无功与谐波的基础知识 5 10 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 二 无功与谐波的基础知识 6 10 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 2 5 2 1 5 1 0 5 0 0 5 1 1 5 2 2 5 谐波电流是 S 23kVATHDI 124 谐波频谱 81 H5 74 H7 42 H11 H11 H13 H17 H19 H21 H23 0 50 100 H1 H5 H7 二 无功与谐波的基础知识 7 10 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 0 20 40 60 80 100 H1 H5 H7 H11 H13 H17 H19 二 无功与谐波的基础知识 8 10 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 H11 H13 H15 0 20 40 60 80 100 H1 H3 H5 H7 H9 二 无功与谐波的基础知识 9 10 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 H11 0 20 40 60 80 100 H1 H3 H5 H7 H9 二 无功与谐波的基础知识 10 10 三 无功治理与谐波治理方法 1 24 同步调相机 并联电容器 静止无功补偿装置 SVC 晶闸管控制电抗器 TCR 晶闸管投切电容器 TSC 饱和电抗器 静止无功发生器 SVG 无功治理方法介绍 并联电容器 提供超前的无功补偿量固定 三 无功治理与谐波治理方法 2 24 通常与固定电容器配合电容器提供超前的无功TCR提供滞后的无功 大小连续可调总体上既可提供超前的无功 也可提供滞后的无功可连续动态调节 晶闸管控制电抗器 TCR 三 无功治理与谐波治理方法 3 24 提供超前的无功动态投切分级调节 晶闸管投切电容器 TSC 三 无功治理与谐波治理方法 4 24 静止无功发生器 SVG 静止无功发生器 SVG StaticVarGenerator 的基本原理是指将自换相桥式电路通过电抗器直接并联在电网上 适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值或者直接控制其交流侧电流 就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流 实现动态无功补偿的目的 三 无功治理与谐波治理方法 5 24 SVG的三种运行模式 三 无功治理与谐波治理方法 6 24 响应速度更快SVG响应时间 5ms SVG可在极短的时间之内完成从额定容性无功功率到额定感性无功功率的相互转换 这种无可比拟的响应速度完全可以胜任对冲击性负荷的补偿 SVG特点 安全性更高SVG运行时被控制为电流源 不存在与系统阻抗发生谐振的可能性 安全性更高 补偿功能多样化 使用同一套SVG装置 可以实现不同的多种补偿功能 补偿负载无功补偿负载谐波补偿负载不平衡同时补偿负载无功 谐波和不平衡 三 无功治理与谐波治理方法 7 24 谐波含量极低SVG采用了PWM技术和多重化技术 与TCR型SVC相比 谐波含量极低 对电网不会产生二次污染 占地面积较小SVG采用直接PWM电流控制技术 其输出电流波形和相位完全可控 SVG能够在额定感性到额定容性的范围内运行 由于无需大容量的电容器和电抗器做储能元件 SVG的占地面积最大只有相同容量SVC的50 三 无功治理与谐波治理方法 8 24 几种无功补偿方案比较 三 无功治理与谐波治理方法 9 24 谐波治理方法 LC无源滤波器单调谐滤波器高通滤波器双调谐滤波器 有源电力滤波器并联型串联型与无源滤波器混合统一电能质量调节器 并联型 串联型 三 无功治理与谐波治理方法 10 24 单调谐滤波器对某一频率的谐波呈现低阻抗 与电网阻抗形成分流的关系 使大部分该频率的谐波流入滤波器 LC无源滤波器单调谐滤波器高通滤波器双调谐滤波器 三 无功治理与谐波治理方法 11 24 有源电力滤波器 并联型 三 无功治理与谐波治理方法 12 24 并联型有源滤波器原理简图 三 无功治理与谐波治理方法 13 24 有源电力滤波器 串联型 通常用于补偿电压型的谐波源可等效为一个谐波电压源解决电压波形问题 三 无功治理与谐波治理方法 14 24 安装并联型有源滤波器的非线性负载系统 三 无功治理与谐波治理方法 15 24 混合型 有源滤波器和无源滤波器混合 三 无功治理与谐波治理方法 16 24 统一电能质量调节器 并联型有源滤波器和串联型有源滤波器的组合同时解决电压 电流的波形问题 三 无功治理与谐波治理方法 17 24 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 三 无功治理与谐波治理方法 18 24 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 三 无功治理与谐波治理方法 19 24 参数1 容量 与其它三相交流电力设备的容量定义相同 有源电力滤波器装置的容量SAPF为 式中 UAPF和IAPF分别为有源电力滤波器交流侧线电压和线电流的有效值 市售APF大多采用电流标称 如75A对应的容量为50kVA 150A对应100kVA 有源电力滤波器技术参数 三 无功治理与谐波治理方法 20 24 参数2 补偿次数 补偿次数只可补偿的谐波次数 国外厂家一般定义2 60次同时可选20种 需注意以下问题 1 弄清负载的谐波电流哪些频次是必须补偿的 若负载的高次谐波电流很小就没有补偿的必要 一般而言25次以上的谐波电流很小 2 不是任何频次电流都可以达到额定值 如 75A的APF出75A的50次谐波电流 任何厂家都做不到 3 APF输出电流的频次分配比例是按典型负载设计的 越是高次电流 13次 以上 输出能力越差 三 无功治理与谐波治理方法 21 24 参数3 补偿率 在负载谐波电流处于APF补偿电流范围内时 单台APF谐波补偿率 的定义如下 式中 THDiLoad为补偿后负载电流的THD THDiGrid为补偿后电网电流的THD 1 补偿率是针对典型负载的 不是任何负载时都能达到 起草中的APF国标规定补偿率应 85 2 负载电流的THD及有效值对补偿率有较大影响 3 任何厂家的补偿率都是针对典型负载的 且定义有差别 起草中的APF国标对补偿率的定义及测试方法有明确规定 三 无功治理与谐波治理方法 22 24 参数4 响应时间 响应时间是指谐波负载投入后 经过多长时间电网的谐波电流被完全滤除 只有基波 图 a 给出了电网电流和负载电流的波形 图 b 给出了电网电流和APF输出电流的波形 可看出 负载电流从0到额定电流130A时 经过10ms后APF完全补偿了谐波电流 这证明了APF的响应时间为10ms 三 无功治理与谐波治理方法 23 24 1 响应时间指的是谐波电流被完全消除所需的时间 瞬时响应时间指的是开始出谐波的时间 有的厂家给出us级的瞬时响应时间