电梯能量回馈单元对电网谐波发射限值研究.doc

电梯能量回馈单元对电网谐波发射限值研究陈志溪 梅烨 吕晓东摘要：电梯能量回馈单元可以取代制动电阻，将电梯再生电能返回到三相电网中，从而显著地降低电梯的耗电量，是目前电梯行业的一个热点。在电梯能量回馈单元的工作过程中，由于其内部逆变桥的高速开关及死区的影响，将不可避免得对电网带来谐波干扰。为避免能量回馈单元所发射的谐波污染电网，影响其他用电器的正常工作，需要制定标准，对其做出限制。目前国内以及国际上并没有对能量回馈单元专门制定相应的标准，本文在分析对比 GB 17625.1-2003，GB/Z 17625.4-2003，GB/T 14549-1993以及IEEE std 519-1992中关于电网谐波发射限值规定基础上，提出了针对能量回馈单元对电网谐波发射限值的推荐标准。关键词：能量回馈，电流THD，国家标准1. 引言随着世界能源价格的不断上涨、温室效应的不断加剧以及经济危机的影响，节能减排越来越为人们所关注。在传统的电梯驱动系统中，电机反转产生的再生电能是通过制动电阻转化为热能所消耗掉。而使用电梯能量回馈单元来代替制动电阻，则可以将这部分再生电能重新收集并反馈回电网中，供电网中的其他用电设备使用。根据应用实例显示，节电比例普遍在15% 40%之间，节能效果十分明显，因此电梯能量回馈单元成为了当前电梯行业的一个热点。现有的电梯能量回馈单元都是通过一个工频电抗器与电网相连接，其回馈电能是以向电网注入电流的形式实现的。能量回馈单元内部逆变桥工作在高频下，而且桥臂开关过程中还需要引入死区，从而导致了回馈电流中不仅包含了基波成分，还包含了丰富的高次谐波。近年来随着电力电子技术的迅速发展，电网中的谐波电压水平逐年增高，并引起了一系列问题。在已有的电网情况下，限制电力系统谐波水平主要通过限制用户的谐波发射水平来实现，而限制用户谐波发射水平的依据是相关谐波标准。目前能量回馈单元还没有相应的国家标准，各生产企业均以自己的企业标准进行生产，在一些重要的指标上各企业间的差别很大，令电梯厂商筛选产品时无所适从，也不利于提升整个行业的技术水平。本文在分析国家通用标准GB17625.1，GB17625.4，GB/T14549以及美国国家标准IEEE std 519-1992的基础上，结合能量回馈单元的实际情况，提出了针对能量回馈单元对电网谐波发射限值的推荐标准2. 电网谐波衡量指标电梯能量回馈单元对电网的谐波发射分为电压谐波与电流谐波两类，由于电网本身的内阻比较小以及能量回馈单元内部工频电抗器的存在，其对电网的电压谐波发射相对来说不是很大，而电流谐波则要会是主要的干扰成分。衡量电梯能量回馈单元对电网谐波干扰大小的具体指标有两个：1）各次谐波的含有率，分为各次谐波电压含有率HRUh与各次电流谐波含有率HRIh。其中各次谐波电压含有率HRUh的定义如下： （1）式中：Uh 第h次谐波电压（均方根值）；U1 基波电压（均方根值）。各次谐波电流含有率HRIh的定义如下： （2）式中：Ih 第h次谐波电流（均方根值）；I1 基波电流（均方根值）。2）总谐波畸变率，分为电压总谐波畸变率THDu以及电流总谐波畸变率THDi。其中电压总谐波畸变率计算公式为： （3）电流总谐波畸变率THDi的计算公式如下： （4）（3）、（4）式中：N 所要计算到的最大谐波次数在上述指标中，对于电压谐波限值，国内外的标准都是相一致的，本文只是做一个简单的列举。而对于电流谐波限值，则有不同的限值，本文主要对此进行比较讨论。3. 谐波电压限值GB/T 14549 1993中，对标称电压380V的公用电网谐波电压限值规定如下：表1电压总谐波畸变率%各次谐波电压含有率，%奇 次偶 次5.04.02.0上述规定与美国国家标准IEEE Std 519-1992一致，笔者对此也无不同意见。4. 谐波电流限值关于电流谐波总畸变率的规定，本文所引用的4个标准中都有不同的规定，GB 17625.1-2003为强制性标准，适用于每相输入电流16A的设备，能量回馈单元为标准中的A类设备（三相平衡设备），其谐波电流限值引用如下：表2谐波次数n最大允许谐波电流A奇 次 谐 波32.3051.1470.7790.40110.33130.2115 n 390.1515/n偶 次 谐 波21.0840.4360.308 n 400.238/n对于输入电流 16A 的能量回馈单元，则适用于指导性标准GB/Z 17625.6-2003，其中对于可连接到短路比RSCe等于或大于33的供电系统任何点的设备谐波电流发射限值规定如下：表3谐波次数n允许的谐波电流In/I1a/%谐波次数n允许的谐波电流In/I1a/%321.6210.6510.7230.977.2250.893.8270.6113.1290.7132310.7150.7330.6171.2191.1偶次8/n或0.6a I1=基波电流额定值；In=谐波电流分量可以看出，以上两个标准的规定都是比较宽松的，GB 17625.1-2003只对各次谐波电流的绝对值进行了限制，对总谐波电流畸变率并没有做出限制。GB 17625.6-2003只对各次谐波电流含有率做出了限制，同样对总谐波电流畸变率没有做出限制。推荐性标准GB/T 14549-1993中对于标称电压为380V，基准短路容量为10MVA的公用电网公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（均方根值）规定如下：表4谐波次数n谐波电流允许值A谐波次数n谐波电流允许值A27814113621512439169.75621718626188.67441916819207.8921218.91016227.1112823141213246.513242512要将上表所列的数值应用到一台具体的用电设备上，需要将上表中谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配，计算式为： （5）式中：Ih 第h次谐波电流允许值，A；Si 第i个用户的用电协议容量，MVA；St 公共连接点的供电设备容量，MVA； 相位迭加系数，参见GB/T 14549-1993附录C。同样得，上述标准只对各次谐波电流的绝对值进行了限制，标准所关注的是在公共注入点所检测到的谐波电流含量，而不是单台设备的谐波电流发射。如果要将该标准应用到单台用电设备上，需要知道本地公用电网的参数并进行换算，给标准的应用带来不方便之处。美国国家标准IEEE std 519-1992是GB/T 14549-1993的等效标准，该标准里对连接到标称电压380V的设备谐波电流的限值规定如下：表4次数限值次数限值h 114.023h350.611h172.035h0.317h231.5THDi5.0与GB/T 14549-1993不同，该标准通过限制每一台设备的电流谐波发射限值来保证整个电网的电流谐波在限值之内。对于能量回馈单元来说，该标准具有更强的可操作性。5. 谐波电流限值相关标准分析GB 17625.1-2003与GB/Z 17625.6-2003的制定，是有其历史原因的。早期的电力电子设备，尤其是三相大功率设备，大多采用的是不控整流或者是晶闸管移相整流，电流谐波很大。而目前此类设备还广泛得应用在各个领域，如果制定的电流谐波标准过于严格，将会导致这些用户即使采用技术措施也难以达到制定的标准，造成不必要的浪费。但对于能量回馈单元来说，基于以下几点原因，笔者认为可以对其应用更为严格的标准：1）电梯能量回馈单元采用了最新的电力电子技术研究成果和器件，技术上比较先进；2）电梯能量回馈单元本身的电路拓扑就是一个全可控三相整流桥的结构，可以很方便得通过控制算法对输入谐波进行抑制；3）电梯能量回馈单元从本质上来说是一个发电设备，而不是一个用电设备，制定更加严格的电流谐波标准，有利于电力部门接受该产品的入网，从而保证整个行业的健康发展。4）目前电力系统谐波问题日益严重，已经引起国家相关部门的重视，可以预计国家对于电力谐波的标准会越来越严格，因此制定电梯能量回馈单元的相关标准时，必须有一定的前瞻性。综上所述，笔者认为应该将表1的电压谐波限值和表4的电流谐波限值作为能量回馈的电网谐波发射限值标准，将能量回馈单元注入电网的电压THDu和电流THDi均限值到5%以内，保证电网中其它用电产品的正常运行。参考文献1GB 17625.1-2003，电磁兼容 限值 谐波电流发射限值（设备每相输入电流16A），国家技术监督局，北京，20032GB/Z 17625.6-2003，电磁兼容 限值 对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的