谐波治理与节能降耗教学课件

1、 谐波产生的原因 用电设备产生的谐波： l 晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关 电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们 知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而 给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分 缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整 流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波 的30%；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而 增大。如果整流装置为三相全控桥6脉整流器，变压器原边及供电线路含有5 次及以

2、上奇次谐波电流；如果是12脉冲整流器，也还有11次及以上奇次谐波 电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大 的谐波源。 1. 变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位控 制，谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置 的功率一般较大，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。 电 弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的 炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的 三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2 7次的谐波，平均可达基波的8% 20%，最大可达45% 谐波产生

3、的原因 用电设备产生的谐波： 3.气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金 属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类 电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含 有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。 家 用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊 具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。 在洗衣机、电风扇、空调器等有绕组的设备中，因不平 衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率 较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。 谐波的危害 增加电力设施负荷，降低系统功率因数，降低发电、输电及用电 设备的有效容量和效率，造成设备浪费、线路浪费和电能

4、损失； 引起无功补偿电容器谐振和谐波电流放大，导致电容器组因过电 流或过电压而损坏或无法投入运行； 产生脉动转矩致使电动机振动，影响产品质量和电机寿命； 由于涡流和集肤效应，使电机、变压器、输电线路等产生附加功 率损耗而过热，浪费电能并加速绝缘老化； 谐波电压以正比于其峰值电压的形式增强了绝缘介质的电场强度， 降低设备使用寿命； 零序（3的倍数次）谐波电流会导致三相四线系统的中线过载，并 在三角形接法的变压器绕组内产生环流，使绕组电流超过额定值， 严重时甚至引发事故。 谐波会改变保护继电器的动作特性，引起继电保护设施的误动作， 造成继电保护等自动装置工作紊乱； 谐波改变了电压或电流的变化率和峰

5、值，延缓电弧熄灭，影响断 路器的分断容量； 使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差； 干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备和通讯设备，影响设备 的正常运行。 各次谐波的危害 主要谐波频段谐波特征主要危害原理主要危害对象 3次、9次固定频段叠加零线电流零线发热 器件发热 5次、7次固定频段与油机或电容谐振油机谐振带载失败 补偿电容发生爆裂 变压器发热降容 产生噪音 1125次动态分布产生集肤效应，导 体表面发热 开关误跳闸 线损加大、发热 25次以上射频动态分布造成电磁发射，形 成EMC干扰 数据通信干扰，处 理速率下降 谐波治理措施 1.无源滤波器 传统的抑制高次谐波的方法，是使用LC无源电

6、力滤波器，一般是根据谐振原 理来工作。它具有结构简单、一次性投入低、运行费用低，它在很宽的频率 范围内呈现为低阻抗，可以抑制多个频率的谐波。在吸收高次谐波的同时补 偿无功功率，还具有改善负载功率因数的功能。但由于结构原理上的原因， 在应用中存在以下难以克服的缺点。 由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不 可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果，并且还存在滤波器过负荷的 可能性。 只能抑制按设计要求规定的谐波成分。有时由于高次谐波的成分较多，必须 同时加入多个滤波器。这会使整个滤波器的成本和体积增加。 随着电源侧谐波发生源的增加，谐波电流超量时，可能会引起滤波器的过

7、负 荷。 LC滤波器电路会因系统阻抗参数变化而发生与系统并联谐振问题，从而使装 置无法运行。 对于特殊的谐波，当系统阻抗和频率变化时，有可能因与电源阻抗并联谐振 而产生“谐波放大现象”，使电路无法正常工作。 .消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。 谐波治理措施 2.有源滤波器 有源滤波器的基本原理是从被补偿对象中检测出谐波电流，然后由补 偿装置产生一个与该谐波电流大小相等但极性相反的补偿电流（并联 型）或对应的谐波电压（串联型），从而消除电网中的谐波电流，使 电网电流只含有基波分量。 与传统的LC滤波器相比，有源滤波器优点如下： 实现了动态补偿，可对频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功功率

8、 进行迅速的动态跟踪补偿。 滤波器特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危 险。 补偿无功功率时不需储能元件，补偿谐波时所需储能元件容量不大。 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， 既可对一个谐波单独补偿，也可以对多个无功和谐波源集中补偿，性 价比合理。 有源电力滤波器 有源滤波器分类 并联型有源电力滤波器 并联型APF在系统中，相当于一个谐波电流发生器。检测的信号经控 制电路进行参考电流运算，得出补偿电流的参考信号。该参考信号经 主电路放大，得出补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功电流抵 消，即得到所期望的与电网电压同相的基波正弦电流，从而抵消了线 路中

9、的谐波电流，将电流侧电流补偿为正弦波。 串联型有源电力滤波器 补偿装置工作时，APF相当于一个与负载串联且受谐波电流控制的受 控电压源，它产生一个K倍于谐波电流的谐波电压，因此，APF对谐 波来讲可等效为阻值为K的电阻，而对基波来讲，其阻值K为零。 混合型有源电力滤波器 有源电力滤波器（APF）作为一种能动态抑制谐波的电力电子装置广 受关注，并出现了众多电路结构和控制方案，这其中，将传统的无源 滤波器和APF结合起来，互相取长补短，组成混合有源滤波器，也是 当前APF研究领域的一个重要方向。 APF的原理 有源电力滤波器由两大部分组成有源电力滤波器由两大部分组成:即指令电流运算电路和补偿电流发

10、生电路即指令电流运算电路和补偿电流发生电路 (由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成）。由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三部分构成）。 指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量。 补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信 号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用号，产生实际的补偿电流。主电路目前均采用PWM变流器。变流器。 APF的原理 APF原理 APF的特点 各种谐波治理及无功补偿方法比较 人工

11、切换并联 电容补偿 自动切换并联 电容补偿 电感电容补偿串联型有源功 因补偿 并联型有源功 因补偿 有源无源 混合补偿 技术先 进性 最低低中高高高 功率因 数 很难到1接近1接近1接近1接近1接近1 谐波滤 除 不能，有时增 加谐波 不能，有时增 加谐波 能，部分低次 谐波 能，多次谐波能，多次谐波能，多次 谐波 电流 THD 不变，甚至增 强 不变，甚至增 强 降低，但是任 然较高 8%(5%)8%(5%)8%(5%) 补偿方 式 静态静态静态动态动态动态 震荡可 能性 可能可能可能不可能不可能不可能 节能效 果 小小中高高高 扩容性好好不好不好非常好非常好 造价很低较低中高高高 cos

12、谐波治理与节能降耗 谐波造成的电能损耗： 谐波网损的计算方法有两种，一种是采用谐波畸变率的谐波 网损计算方法，另一种方法是采用等值电阻法计算谐波网损 。 采用谐波畸变率的谐波网损计算方法： 在不考虑集肤效应的情况下，线路电阻是一个固定值， 则没有谐波时线路损耗为 ，而有谐波时线路损耗为： 故线损增加率： RI 2 1 2 2 1 2 1 2 I THD RI RIRI )1 ()( 22 1 2 22 1 2 I n n THDRIRIIRI 等值电阻法 考虑高次谐波集肤效应 若考虑集肤效应，发电机的电枢电阻和变压器等值电阻简单的可以用基波 电阻 的模型，即 n为谐波次数， 为基波阻抗， 为谐波阻抗，则谐波损耗可统一表示为： 对于输电线，谐波模型可以采用如下式子： 式中，r为输电线单位长度的电阻（/），l为线路长度，n为谐波此时。 其谐波损耗为： n 1 R n R 滤波补偿经济效益 线路节电 为变压器额定容量 为补偿前功率因数 为补偿后功率因数 k为主变负荷率=(平均负荷/变压器额定容量功率因数） 为线损率 为满负荷全年耗电时间 变压器节电量 为