谐波原理及抑制

谐波原理及抑制 内容 1 基本概念2 电力生产 配电和消耗各环节产生的谐波干扰3 标准和规定4 谐波对主要元件的影响5 谐波抑制方案5 1 防止和校正5 2 有源滤波器5 3 正弦波采样理论 1 基本概念目的 了解本课必备的基本概念 基本概念 线性负载非线性负载 无谐波电流包含谐波 线性负载概念 负载被称为 线性的 是指当施加一个正弦波电压时它吸收的电流也是正弦波的负载 例 白炽灯 加热器 稳态运行的电机 非线性负载概念 负载被称为 非线性 是指当加上一个正弦波电压 它吸收的电流为非正弦的 例 计算机 启动时的电机 变频器 节能灯 变压器加电时 等 电抗器饱和 基本概念 非线性 举例 整流二极管 L f i vL i Rv lil L v i v i v i wt wt 非线性引起谐波表现为电流不再跟随电压的形状 即不是正弦波 2P P 间谐波正弦分量不是基波频率的整数倍 次谐波谐波分量频率低于基波频率这两类干扰是由各种设备吸收的功率为周期性或随机变化引起的 例 电弧炉电弧不稳定波形控制循环变流器频率变换器变频器 基本概念 间谐波和次谐波 定义 傅立叶变换 所有周期性的非正弦连续函数 可以被分解成无穷多的周期正弦函数的总和 该正弦函数的频率为基波频率的整数倍 基本概念 f t ancos nw1t bnsin nw1t 式中 w1 T为周期 n为正整数ao an bn为博立叶系数ao f t dtan f t cosnw1t dtbn f t sinnw1t dt Y0 0Yn 对于奇数次nYn Y1 对于奇数次n 基本概念 定义 以方波为例 wt 基本概念 定义 逐次谐波畸变n次谐波均方根与基波均方根值的比值频谱谐波幅值和谐波次数的函数表示 各次谐波幅值表示为基波的百分数 非正弦周期量的均方根值 RMS Yrms y2 t dt Yn 2电压畸变谐波均方根值与基波的比值THD 100 对于DIN标准 Y1由Y的均方根值代替 基本概念 定义 1T T 0 n n 1 Yn 2 n n 2 Y1 基本概念 定义 功率因数和相移因数功率因数是有功功率P与视在功率S的比值相移因数cosj1代表电压与电流基波夹角的余弦 P1基波分量的有功功率S1基波分量的视在功率畸变因数DF是PF与cosj1之间的比值峰值因数是峰值与周期量均方根值的比值 电压与电流畸变的关系 电源阻抗对于每个电流谐波In 对应该频率的电源阻抗Zsn两端存在谐波电压UnUn Zsn In逐次谐波畸变Hn U1 基波值 THD 100 Hn 2在各次谐波频率下的电源阻抗为电压出现畸变的基本原因结论 如果电源阻抗低 电压畸变就低 基本概念 电源阻抗 n n 2 发电机X d 12 阻抗和频率的函数关系 基本概念 电源阻抗 等效图变压器 发电机 电缆 输出阻抗与额定负载时输出阻抗的比值 传统UPS 变压器Usc 4 MLIUPS UPS 15010050 50250500750 F Hz 电流谐波畸变依赖于负载电压谐波畸变依赖于电源较低的电源阻抗利于谐波电流流向电源 但同时电压畸变往往也较低反之 高电源阻抗阻止谐波电流流向电源 但电压总畸变往往也较高电源阻抗与总谐波畸变 u i 之间的变化是非线性的 基本概念 电源阻抗对电压和电流畸变的影响 基本概念 术语 主要术语 2 电力生产 配电和消耗各环节产生的谐波干扰目的 认识干扰源的特点 谐波干扰 电源 EJP M I U PSB MV LV 线性负载 在电网某一点 谐波畸变依赖于 负载类型电缆或导线变压器接线类型和阻抗电源阻抗 当无载或线性负载时 THD U 小于4 对于非线性负载 畸变主要依赖 采用技术网络情况 不同类型产品有很大不同电源处谐波畸变一般不太突出 谐波干扰 电力生产 发电机和不间断电源 谐波干扰 电力输配 U U i i 变压器产生谐波 奇次 材料的磁滞现象磁饱和偶次通电时饱和励磁变压器对极性负载产生的偶次谐波敏感 0 b 整流型负载产生很宽频谱范围 3 15 的奇次谐波电流越来越多地使用形成了重要的谐波污染源 谐波干扰 电能的消耗 87 64 38 15 1 7 100 50 0 135791113 N i 理想状态 电源侧电感Lligne 0In theo n 6k 1l5 theo 20 l1l11 theo 9 l1l7 theo 14 l1l13 theo 8 l1电源阻抗的影响 谐波干扰 不间断电源供电 用于直流电机的变频驱动器 带阻感负载的三相六脉动整流桥 所有带前部整流的静态转换器都是潜在污染源 功率电源 变频器 UPS 谐波干扰 变频驱动器 频率转换型 带阻容负载的三相六脉动整流桥 Lligne THD l 140 谐波干扰 谐波源 照明放电灯带磁性镇流器的荧光灯 H3可达30 以上 带内置电子镇流器的荧光灯 THD I 可达140 以上 电弧炉电弧是非线性的 不对称和不稳定的电流含有交流或直流分量奇次和偶次连续频谱与整流器类似 FLFLFL 123N ACfurnace 连续频谱 123 资料来源 中压配电网络的谐波污染 J Lachaume EDF DERClamart 第五次谐波 电压 谐波干扰 中压电网的干扰 第五次谐波电压的变化在HV MV主变电站的母线上测量 家用电器负载效应 43 532 521 510 5 48121620 t 时 H5 谐波干扰 波形总谐波畸变 调光灯 萤光灯 感应灯 变频器 开关电源 M THD i 中型负载THD i THD i 电磁镇流器 THD i 电子镇流器 THD i 异步电机THD i 无载 THD i 有负载 THD i 3 标准和规定目的 了解目前谐波的标准 变化 趋势 及共识 电磁骚扰 所有可能会引起设备或系统故障的电磁现象 电磁兼容性 设备或系统可工作在满意的环境中 且不对环境中元件产生不能忍受的电磁骚扰 抗干扰 设备或系统在电磁骚扰出现时能正常工作的能力 标准和规定 定义 各种干扰等级 干扰等级 抗干扰界限 敏感性水平设备或系统可能误动或损坏的干扰水平抗干扰水平设备或系统能承受的正常干扰等级电磁兼容性水平在给定的正常环境中 最大可出现的干扰等级 辐射等级 用户或设备规定的最大辐射等级 0 标准和规定 标准化共存 电能生产输配电 EDF 消耗用户 相互影响 综合考虑 产生和传送电压畸变网络改造 产生畸变电流负载改造 相互影响 ZL ZS ZC ZC G R R 标准和规定 质量等级 兼容性水平 CIGRE 国际大电网委员会 低压供电电网IEC1000 2 2标准CIGRE 推荐 Electra出版 第123期 1989年3月 中压和高压供电电网IEC正起草中压标准CIGRE推荐 Electra出版 第123期 1989年3月 中压和低压工业装置IEC1000 2 4标准 标准和规定 兼容性水平 谐波次数 公共电网ELECTRA表 工业装置IEC1000 2 4表 标准和规定 状况 对每个用户作出必要限制 以避免进行系统性的检查 因为电压畸变依赖于电网阻抗 除非注入电流非常低 一般来说很难靠限制注入谐波电流来控制实际的电压畸变 利用限制谐波电压来约束和惩罚用户 较公平的方法 采用允许的干扰功率 该功率大小正比于用户实际消耗的负载功率 然而对于低压网络 该方法很难用于家庭 故采用对家用电器产品产生的谐波电流进行限制 辐射等级 标准和规定 每相电流小于16A IEC1000 3 2规定对所有设备即功率范围除大于1kW和小于功率75W 1999年降低为50W 的工业设备外 其谐波水平应满足 低压开关柜 每相电流大于16A 目前无标准 但IEC1000 3 4正处于计划中 标准和规定 无国际标准但对不同级别基本存在共识第一级 自动接受根据电压等级和干扰功率 例如EDF 干扰功率 1 正常情况下测量点最小短路功率 作为扩展 如果总干扰功率小于即视为可接受干扰 工业应用 高压4MVA中压500kVA低压40kVA 标准和规定 工业应用 第2级 保留接受当超过前面限制时 供电部门通常在接入点定义总谐波畸变 如果这些等级被超过 供电部门保留要求附加补偿的权利 逐次畸变 总畸变q低压 4 q中压 6 q高压 3 标准和规定 第三阶段 例外但仍有可能接受当超出第二级而没有超过兼容性等级时 由于其它用户不产生谐波 则可以给予例外接受 工业应用 标准和规定 表格 抗干扰水平 目前无正式标准 但对项目 77A 分委会 99有低压装置抗干扰性一般性要求 标准和规定 1 谐波对电气设备的影响目的 掌握谐波对主要电气元件的影响 敏感设备 电容器变压器电动机中性线电缆发电机集中远程控制系统可控整流器UPS系统其它设备 谐波对电气设备的影响 电感 XL XC XL L 2 f L 如f增加 如f增加 基本概念 I 特征阻抗 电容 谐波对电气设备的影响 XL XCXL Xc 1XL Xc LC r2 1 基本概念 II 串联谐振 电感和电容串联 谐波对电气设备的影响 LC r2 1 基本概念 III 并联谐振 电感和电容并联 谐波对电气设备的影响 网络模型的结构 三相网络的单线图 Ssc上级变压器Sn Usc 谐波模型 电子整流设备 电容器 电机 电阻 照明等 Q CA NSscHVSscTr N N N Ih 谐波对电气设备的影响 w 2p50网络角频率SCCTR SCCBT 给定LBTQ Un2Cw给定CP 给定Rl1 频谱 l3 l5 l7 ln 计算模型 谐波对电气设备的影响 放大系数FA 陷波电路阻抗 FA lZl Scc L Q C P R lh Scp B A O A w w R 谐波对电气设备的影响 共振角频率放大因数其它公式 陷波电路的特性 Ssc L Q C P R lh Spl Spl是S污染负载 FA R hR FA wR 1 LC 谐波对电气设备的影响 Q C lh 共振时发生了什么 lh jFalh jFalh 谐振时 存在 负载产生的谐波电流In电容器中流过的谐波电流FAxIh电源 变压器和中压网络的谐波电流FAxIh结论 电容器放大了污染源注入的谐波电流 谐波对电气设备的影响 数值计算 计算谐振次数BBSsc 20MVABBQ 400kVAR计算放大因数BBSsc 20MVABBQ 400kVARBBP 400kW 谐波对电气设备的影响 谐波电压源的激励 图形 谐振结论 电容器放大已经存在于网络中的谐波电压 k w k 50Hzkwrw UHT UBT 变压器 k理论变比 C 电容器 负载 谐波对电气设备的影响 谐波次数 电容器谐波阻抗 12345678910 h 谐波对电气设备的影响 电容器能承受的过载 标准中压 IEC871低压 IEC831和C54 104 电容器可接受 1 1倍额定电压 中压12h 24h低压8h 24h1 3倍连续额定电流两个条件不能同时存在 电容器组 vi vi 谐波对电气设备的影响 谐波对电容器的影响 确定电容器耐受电压必须考虑谐波当总谐波电流畸变超过83 电容器因谐波过载会产生超过允许的温升准则 不要把电容器连接到电压总谐波畸变超过8 的系统上 谐波对电气设备的影响 练习4 计算存在谐波电流时的无功功率补偿 变压器中的损耗 铜损Pcu Rxl2RMS铁损 磁滞损耗 涡流损耗 谐波对电气设备的影响 变压器能承受的过载 标准NFC5214例如 In额定电流50Hz时IiI次的谐波电流那么ti 变压器降容系数为 谐波对电气设备的影响 数值计算 带有多项整流桥的1000kVA变压器产生以下谐波 H5 25 H7 14 H11 9 H13 8 k 1 0 1x 51 6x0 252 71 6x0 142 111 6x0 092 131 6x0 082 0 5计算得k 0 91变压器应被限制在910kVA 谐波对电气设备的影响 三次谐波的特点 V1 V2 V3 谐波对电气设备的影响 三次谐波通路和测量 可在3Ph 中线间流通上级 下级间可通过D Y变压器实现耦合谐波电压可在相与中线间测量 只适用于电压测量 谐波对电气设备的影响 三次谐波和中性线导体 三次谐波电流的出现有必要扩大中性线导体的截面 见NFC15100第五部分 荧光灯l3 0 3l1ln 3x0 3l1lpn l12 0 3l11 2 0 8 电子供电电源l3 0 7l1ln 3x0 7l1lpn l12 0 7l1 2 1 7 谐波对电气设备的影响 IT 1 11IF 39A 现场测量 IT 8 36IF 33 4A 相线电流总谐波畸变 中性线电流总谐波畸变 谐波对电气设备的影响 二次谐波 3k 1 n 3k 1 次谐波形成反向的三相系统 负序谐波 制动转矩 I2 I3 H2 H1 I1 H1 H2 H1 H2 谐波对电气设备的影响 三次谐波 3k 3k 次谐波形成纯零序系统无转矩 I2 I3 H3 H1 I1 H1 H3 H1 H3 谐波对电气设备的影响 四次谐波 3k 1 3k 1 次谐波形成正向的三相系统 正序谐波 电动机转矩 I2 I3 H4 H1 I1 H1 H4 H1 H4 谐波对电气设备的影响 三相系统的谐波电流 负载1 负载2 负载3 3 Ih3k 3 Ih3 IFIFIh3Ih5 Ih5 IhnIh 3k 1 N123 123 谐波对电气设备的影响 谐波对异步电机的影响 IRMS I1 产生有功转矩 定子绕组附加温升变压器产生附加铁损正向或反向脉动转矩电机效率下降不正常振动转子附加温升过早老化简单规则 异步电机端子处电压畸变不超过10 IEC38导则106 HVF 0 02 IEC34 1 HVF 谐波电压因数 Sn 2 谐波对电气设备的影响 数值计算 计算由电压总谐波畸变为10 的母排供电的异步电机的HVF值 其中各次电压畸变值分别为 7 的Uh55 的Uh75 的Uh11HVF 15 6HVF 4 谐波对电气设备的影响 谐波对发电机的影响 IRMS I1 定子绕组的附加温升附加铁损脉动转矩电子励磁调节器误动不正常振动阻尼绕组的附加温升过早老化简单规则发电机不要超过20 的非线性负载如果非线性负载所占比例为20至30 一些生产厂商声明应降容10 超过这个数值 则应把装置和它们吸收的电流实际频谱进行比较分析各次谐波不应超过 谐波对电气设备的影响 对其它设备的影响 对交换机网络的污染影响 参见标准CCITT 报警装置误动采用非真实有效值测量导致脱扣器误动灵敏电子系统的误动 谐波对电气设备的影响 5 1解决方案目的 掌握电网谐波干扰的治理方案 解决方案 可能的解决方案 降低谐波阻抗对谐波进行失谐处理安装谐波抑制电抗器用滤波器限制谐波并联谐振2次谐波阻尼滤波器其它类型的滤波器有源滤波限制谐波平滑电流 解决方案 谐波抑制电抗器 目的 调整电感Lah的值使注入电容器的高次谐波电流因失谐而减少 方案 与电容器串联安装谐波抑制电抗器典型调谐频率 2 7次谐波 即135Hz 假如首要谐波为3次的话3 8次谐波 即190Hz 假如首要谐波为5或5次以上 低压 4 5次谐波 即225Hz 假如首要谐波为5次或5次以上 中压 谐波电路频率调整为抗失谐频率 最大等效阻抗 调谐谐波抑制电抗器和电容支路的振荡频率为谐振频率 解决方案 谐波抑制电抗器 续 线1 等效谐波电路 图 L C Lah r R lh lZl f Hz 2f 10 最小 far fr R 解决方案 谐波滤波器 目的 谐波滤波器回路发生串联谐振以减小电压畸变方案 抑制电抗器和电容器串联回路调整至对谐波含量丰富的次数发生谐振 典型调整频率250 350 550 650Hz 5 7 11和13次 频率调整至谐振频率 最小阻抗 吸收电网中存在的谐波可能引起电容器的额外温升 次数为抗失谐频率的谐波必须尽可能滤去以免放大该频率的畸变电压 不同类型的滤波器 并联型阻尼型其它无源型有源型 解决方案 并联谐振 等效谐波电路 图 L Lsc电网 Lsc变压器 结论 必须检查以便失谐频率与谐波含量丰富的频率分开滤波频带宽度通常很窄 故需要调整电感的值吸收电网中存在的谐波可能引起电容器的附加温升 lZlW R 线1 线2 r far fr f Hz 0 R lh L Lsr C r 解决方案 并联谐振 已存在谐波的吸收 供电电压质量的恶化可能导致并联滤波器过载 无载谐波电压测量 带载谐波电流测量 频率h时短路 Lscwh IRh Ih URh Lsr C 解决方案 阻尼滤波器 高通 等效滤波电路 l Lsc电网 Lsc变压器 图形 R lh L LFa C r RFa 解决方案 改变电网结构实现低敏感 网络没有进行预先考虑 不敏感网络 MV网络 1 畸变 网络A LV 网络B LV 5 8 畸变 lh lh MV网络 1 畸变 网络A LV 1 畸变 网络B BT 8 10 畸变 lh lh MV电容器 A 对谐波敏感设备 敏感负载 不敏感负载 解决方案 t 电压总谐波畸变A 敏感负载 污染负载 如何给敏感负载供电 辐射型电网优于串联型 电气计算图 A A A lh t1 Lw1 t2 Lw2 t3 T1 t4 network Lw1 Lw2 t1 t3 t2 t2 t5 T1 t4 t4 T2 t5 t4 t3 t2 t1 A 解决方案 谐波抑制 原边 副边 L1 l1A l1B 1 2 3 1 2 3 ln ln ln ln n ln ln ln 1 2 3 B 解决方案 谐波抑制 安装功率变换器 安装自耦功率变换器 a1 0 a2 an 解决方案 LF谐波小结 解决方案 多种谐波源 代表h次谐波电流的矢量 谐波电流的重构是由于污染类型的复杂性 变压器额定值和导体特性决定的 Ih总 Vh总 1 2 3 解决方案 5 2有源滤波器目的 了解各种类型的有源滤波器及其原理 原理 定义 有源滤波器是一种静态转换器 即向网络注入与谐波幅值相同但相位相反的谐波 从而得到标准的正弦波 并联型有源滤波器 原理 有源滤波器注入构成负载谐波的电流 同样幅值和相反相位 有源滤波器 电源 负载 If Ic Ih 测量结果 条件 与 3PhUPS 型负载成 并联 结构 三相 20KVAUPS 负载电流 电源电流 补偿 有源滤波器电流 结构 至电源 变换器 滤波 监测Vc 设定点 控制和监测 测量I1 I2 I3 Vc 至负载 串联有源滤波器 并联无源滤波器的组合 无源滤波 有源滤波器像一个阻抗 对基频电流呈现很低的阻抗对谐波分量呈现很高的阻抗 原理 电源 负载 有源滤波 主要结构类型及其组合 只有有源滤波 并联无源和串联有源滤波器 有源和无源滤波器串联 有源和无源滤波器并联 A F A F A F A F 5 3正弦波采样目的 了解正弦波采样原理 单相整流器 CVs 连续电压校正器CiL iL电流校正器M 调制器X 乘法器 图 常用典型图型 iL L i D il el v u us G Ref iLfixed RefVs CVs X CiL M Vs el 0 P 2P wt il 0 P 2P wt v iL P 2P wt u P 2P wt P 2P wt V Vs 6 1变频器 变频器供电 线性负载 由用户考虑安装方式 敏感负载 180kW 180kW M M 2000kVAUsc6 THDU 3 52 1 6 20KVPsc 120MVA400VTHDU 16 8 EDF 建议用户采用方式 180kW 180kW M M 630kVAUsc6 20KVPsc 120MVATHDU 0 8 1 EDF 线性负载和敏感负载 变频器供电 630kVAUsc6 630kVAUsc6 Dyn11THDI 79 THDU 12 DD0THDI 79 THDU 12 THDU 4 6 2UPS 存在装置 研究目的 符合标准规定的8 频谱 高层建筑物上安装的UPS系统 传统UPS200kVA400V50mm260米TNCS中线 S相线60kVA 传统UPS200kVA400VTHDU 9 4 THDV 12 26 50mm260米S中线 S相线THDU 10 44 THDV 15 84 THDI 79 60kVA 高层建筑物上安装的UPS系统 结果分析 带波形补偿的UPS200kVA400V50mm260米TNCS中线 S相线60kVA 高层建筑物上安装的UPS系统 建议的解决方案 采用MLIUPS升级 THDU 4 22 THDV 6 3 THDU 5 6 THDV 10 7 UPS100kVA 高层建筑物上安装的UPS系统 THDU 2 6 THDV 6 5 Dyn100kVAUsc6 THDU 5 3 THDV 6 50mm260米TNCS中线 S相线 30kVA 30kVA THDU 2 1 THDV 4 4 THDI 33 7 UPS100kVA 高层建筑物上安装的UPS系统 有源补偿装置的另一种解决方案 Thdu和v 4 50mm260米TNCS中线 S相线Thdu和v 4 60kVA AC30A 6 4功率补偿目的 通过施耐德开发的 谐波 软件对实例进行研究 无功功率补偿 电路图 荧光灯100kA 3x120mm250m半中线 3x150mm2Cu60m 20kV90MVA400kVA Usc 4 EdF M 400V Ih5 55 Ih7 30 Ih11 4 5 Ih13 1 3 无功功率补偿 电路图 荧光灯100kVA 3x120mm250m半中线 THDU 6 3x150mm2Cu60mTHDU 7 6 20kV90