电能质量治理-fengzhenliang

1、电能质量治理电能质量治理fengzhenliang邹平*电安技科2014.11.26 邹平前言n本文引述新材料公司的电能质量质量方案（高压采用SVG、高压FC、高压串抗；低压采用APF、LCL ），旨在引起各相关发电、供电、配电系统各级电气人员对电能质量的重视，本案例可作为各发、输、配电系统电能质量治理的指导文件。n不足之处，还请各位雅正。电能治理调研情况n2014年3月份，15天行程，8个省市，厂家及业绩20家，考察涉及钢铁、铝板带深加工、电解铝、化纤、特种设备制造（太阳能发电）、科研单位。新材料公司电能质量问题n谐波n三相负荷不平衡n厂内功率因数低n电压闪变 电能质量即电力系统中电能的质量

2、。理想的电能应该是完美对称的正弦波。一些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题； 在国际（或国家）标准中，电能质量指标通常以电压特征描述；电能质量国标中，仅谐波用各次谐波电流表示用户注入电网的允许值； 供电电能质量的衡量指标，除供电电压和频率的偏差外，还有电压正弦波形畸变、三相电压不平衡、电压波动和闪变、电压突降和中断以及电网中各种信号电压的干扰等。 IEEE 第22标准协调委员会（Standards Coordinating Committee 22）（电能质量）和其他国际委员会推荐采用11 种专用术语来说明电能质量的主要扰动，其中主要的8 种扰动的波形如图所示： 大量基于计算机

3、系统的控制设备和电子装置广泛应用，这些装置对电能质量非常敏感。一个计算机中心失去电压2s就可能破坏几十个小时的数据处理结果或损失几十万美元的产值。大型的集成芯片生产厂，如果其供电中断超过几个工频周波，就会造成芯片被毁。当今连续精加工的自动化生产线对不合格电力的容许度严格到只有12个工频周期。谐波：指对周期性交流进行傅立叶级数分解后，得到的频率为基波频率大于1 的整数倍的分量。谐波含有率 harmonic ratio（HR） ： n此谐波有效值与基波有效值之比；总谐波畸变率 total harmonic distortion（THD）：周期性交流量中谐波含量的有效值与基波有效值之比。短时谐波、间

4、谐波。谐波负荷产品：变频器、直流电源、UPS、整流器、镇流器、气体放电灯、电焊机、计算机、电视机、电镀和电解等，三相负荷不平衡。分布的行业：造纸、化学、冶金、铁路、公共事业、楼宇、机械制造等。2Hh2Y(Y )hH1Y100%YTHD 对电力设备的影响： 影响设备正常工作，老化、危害绝缘，电机振动、过电压、局部发热、产生谐振； 对继电保护和自动装置的影响： 在谐波和负序共同作用下，许多保护及自动装置会发生误动作。 对通信系统干扰： 谐波通过电磁感应干扰通信，1kHz 以上的谐波导致电话回路信号的误动。 对电度计量及常用仪表指示的影响：感应式电度表对高次谐波有负的频率误差。 对电网损耗的影响：

5、谐波在电力系统和用户电气设备上要造成附加损耗，大量3次谐波还会造成中线过载或事故。 国内外经验表明， 当谐波电压总畸变达10 % 20 %， 可导致电动机在短期内损坏。n#1净水变低压侧电压畸变率0.9% ；#2净水变低压侧电压畸变率2.5%n各冷水泵、热水泵电机振动大，水平、轴向（20s）突出，本体异音（轴承声音正常），负荷侧端盖温度高。n#3冷水泵电机空载，震动大，电压畸变率3.7%，电流畸变率2.8% ；#1冷水泵电机运行（513A、536A、520A），电压畸变率2.4%，电流畸变率1.1% 。n精整#1退火炉低压电缆头爆，变压器异音，低压侧电压畸变率3.6%。n对旋转的发电机、电动机

6、，由于谐波电流或谐波电压在定子绕组、转子回路及铁芯中产生附加损耗，从而降低发输电及用电设备的效率，更为严重的是谐波振荡容易使汽轮发电机产生震荡力矩，可能引起机械共振，造成汽轮机叶片扭曲及产生疲劳循环，导致设备无法正常工作。精整（涂层）电流畸变率很大电能质量治理形势v电能质量治理国内已经研究近20年v发展了多种监测、治理措施,部分技术已成熟v各有关部门逐渐重视v随着产业结构调整、智能电网发展,对电能质量提出更高要求,提供新机遇!v需要优化治理、综合治理电能治理依据-相关国标n电能质量-公用电网谐波 GB/T 1454993；n电能质量-供电电压允许偏差 GB 123252008；n电能质量-电力

7、系统频率允许偏差 GB/T 159452008；n电能质量-电压波动和闪变 GB 123262008；n电能质量-三相电压允许不平衡度 GB/T 155432008；nEN50160：欧洲电网电压质量限值标准；n根据全国供用电规则第4.3条的规定：“高压供电的工业用户和高压供电装有带负荷调整电压装置的电力用户，功率因数为0.9以上。”同时还提出了“防止无功电力倒送”的要求。 电能治理依据-相关国标n电力系统电能质量（第三版）美Roger C.Dugan（罗杰杜根）等著 欧阳森译5.1通常在分析电力系统时，高次谐波（在25此到50次以上，有系统特性决定）是可以忽略不计的。尽管它们可能对低功耗的电

8、子设备产生干扰，但它们一般不会对电力系统造成破坏。由于很难采集到足够多的精确数据，对这些高次谐波进行建模式很困难的。nGB50052-2009供配电系统设计规范n5.0.10 配 电 系 统 中 的 波 动 负 荷 产 生 的电压变动和闪变在电网公共连接点的限值， 应符合现行国家标准电能质量电 压波动和闪变GB 12326 的规定。n5.0.12 配 电 系 统 中 的 谐 波 电 压 和 在 公共连接点注入的谐波电流允许限值宜符合现行国家标准电能质量公 用 电网谐波GB/T14549 的规定。n5.0.13 控 制 各 类 非 线 性 用 电 设 备 所 产生的谐波引起的电网电压正弦波形畸变

9、率， 宜采取下列措施：电能治理依据-相关国标n1 各 类 大 功率非线性用电设备变压器由短路容量较大的电网供电；n2 对 大 功 率静止整流器， 采用增加整流变压器二次侧的相数和整流器的整流脉冲数， 或采用多台相数相同的整流装置， 并使整流变压器的二次侧有适当的相角差， 或按谐波次数装设分流滤波器；n3 选 用 D， yn11 结线组别的三相配电变压器。n5.0.14 供 配 电 系 统 中 在 公 共 连 接 点 的三相电压不平衡度允许限值宜符合现行国家标准电能质量三 相 电压允许不平衡度GB/T15543 的规定。n5.0.15 设 计 低 压配电系统时宜采取下列措施，降低三相低压配电系统

10、的不对称度：n1 220V 或380V 单相用电设备接入220/380V 三相系统时，宜使三相平衡；n2 由 地区公共低压电网供电的220V 负荷， 线路电流小于等于60A 时，可采用220V 单相供电；大于60A 时，宜采用220/380V三相四线制供电。电能治理依据-相关国标n民用建筑电气设计规范JGJ/T16-2008 22.3.3条n22.3.2 供配电系统的谐波限值n1 当设备的输入电流小于16A时，其电流总谐波畸变率THDi应满足国家标准低压电气及电子设备发出的谐波电流限值GB17625.1的要求；n2 当设备的输入电流大于16A且小于75A时，其THDi应满足低压电气及电子设备发

11、出的谐波电流限值的要求；n3 当设备的输入电流大于75A时，其THDi 不得超过40%。n22.3.3 供配电系统的谐波治理n当建筑物中所用电气与电子设备不符合22.3.2 之规定时，应对供配电系统进行谐波治理，并应符合下列规定：电能治理依据-相关国标n1 省级及以上政府机关、银行总行、分行及同等金融机构的办公大楼、省级及以上医院医技楼、大型计算机中心建筑物，应在办公设施、医疗设备、计算机网络电源等电力干线上设置有源滤波装置。n2 其他重要的公共建筑物，宜在其办公设施、计算机网络电源等电力干线上设有源滤波装置。n3 谐波源较多的商业办公建筑，宜在办公设施、计算机网络电源等电力干线上设置有源滤波

12、装置或无源滤波装置。n4 一般建筑物应在大功率谐波干扰源所在馈线上设置有源或无源滤波装置，或在其输入端设置隔离变压器，且中性线截面积应为相线截面的两倍。当线路中有四极开关时，须考虑中性线的最大接线截面。n5 无调光装置的照明干线可设置无源三次谐波滤波装置。n6 谐波源较多的建筑物中，功率因数补偿电容器应串接电抗器，以避免发生电网谐振，除非经计算证实不会出现谐振现象。电能治理依据-相关国标n7 当配电系统中设有适当的有源滤波装置时，相应回路的中性线截面不必增大。n8 当配电系统中设有适当的无源滤波装置时，相应回路的中性线宜与相线等截面。n9 为 X 光机、CT机、核磁共振机等设备供电的变压器及馈

13、线，应尽可能降低其电源阻抗。n10 谐波源较多的建筑物供配电系统中，应选用D，ynll结线的配电变压器。n11 对于谐波干扰特别严重的建筑物，供配电系统中涉及主要谐波源设备的配电变压器宜选用K额定值变压器，其K值应根据治理后的谐波水平来确定，且绕组结线型式为D，ynll。n电能质量技术监督规程DL/T1053-2007 谐波治理策略n大部分发达国家按照这个策略开展谐波治理。n按照谐波治理的位置，可以有三个策略。n第一：在高压母线上治理，采用的设备是SVC、SVG等。n第二：在变压器的下端，低压母线上治理谐波。采用无源滤波器、有源滤波器等。无源滤波器往往会发出额外的容性无功，这在有些场合是不允许

14、的。n第三：在设备的电源入口处治理谐波。这称为就地治理。就地治理是最理想的谐波治理策略。因为，这样相当于将非线性负载转变成了线性负载，谐波导致的一切问题都迎刃而解。n谐波治理的位置越靠近谐波源，企业自身获得的利益越大。同时，也能满足电力公司的谐波限制要求。仅在高压母线或者低压母线（变压器下端）进行谐波治理，获得的收益仅仅是保证了电网的治理。企业从中获得的效益很少。特别是，随着自动化设备增加，精密加工设备增加，企业对内部电网的质量同样要求很高。如果花费了谐波治理的成本，而不能保证内部电网的质量，是不符合节约原则的。n先进的谐波治理解决方案 1、在较大功率（例如50kW以上）的谐波源负载处，安装设

15、备级的谐波滤波器，消除谐波电流在内部电网上造成的风险； 2、较小功率的谐波源负载，暂且不进行治理，节省成本； 3、处理完谐波源负载的问题后，再在母线上对未滤除谐波、背景谐波和三相不平衡进行处理。谐波治理装置（高压）nSVG：1999年清华大学与河南电力公司中国第1台STATCOM ，20MVA +FCnSVC：TCRSVC、MCRSVC +FCnFC滤波支路（我公司电解铝）n高压串抗n从资源节约、环境友好和节能考量SVG取代SVC已成必然趋势MSC / MSR52 kV 80050 Mvar 500机械投切式机械投切式电容电容/ /电抗电抗交流电抗器 机械式开关交流电容器组SVC(60年代年代

16、)52 kV 80050 Mvar 800Static Var Compensator交流电抗器晶闸管阀控制和保护变压器交流电容器组 STATCOM/SVG(80年代年代)52 kV 80050 Mvar 800Static GeneratoerStatic Var GeneratorGTO/IGBT/IGCT阀控制与保护变压器直流电容断续投切电容器断续投切电容器无功热备用是负值无功热备用是负值!连续投切电容器连续投切电容器可连续变化的容性阻抗可连续变化的容性阻抗静止无功发电机静止无功发电机这一特性十分重要这一特性十分重要!三代无功补偿装置的变迁各种无功功率动态补偿装置的简要对比类类 型型电容

17、电容补偿补偿有级调有级调压式高压式高压补偿压补偿自动投自动投切并联切并联补偿补偿晶闸管晶闸管投切电投切电容器容器TSCTSC滤波器滤波器FCFC自饱和自饱和电抗器电抗器MCRMCR型型SVCSVC晶闸管晶闸管控制电控制电抗器抗器TCRTCR型型SVCSVCSVG+SVG+并补并补无功功无功功率控制率控制分级分级分级分级分级分级分级分级几乎无几乎无法控制法控制连续连续连续连续连续连续灵活性灵活性差差差差差差差差很差很差好好好好非常好非常好谐波谐波性能性能几乎无几乎无几乎无几乎无几乎无几乎无几乎无几乎无好好加并加并补补的无的无加加FCFC的好的好好好好好三相平三相平衡能力衡能力无无无无无无无无无无

18、无无好好好好 限制电限制电压波动压波动无无无无无无无无无无一般一般好好非常好非常好闪变改闪变改善状况善状况无无无无无无无无无无无无一般一般很好很好设备的设备的损耗损耗很小很小大大很小很小不带变压不带变压器的较小器的较小带变压带变压器的大器的大很小很小很大很大较大较大较小较小设备设备占地占地小小一般一般小小小小一般一般较大较大大大大大小小SVG的占地仅为同容量SVC的1/3左右；20MVAR TCRSVC的正常运行有功损耗= 2万*1.5%*24*365=262.8万kwh*0.5元=131.4万元而SVG运行损耗接近零。按0.8%计算，年损耗70.08万元SVC新材料SVC、SVG选型损耗对比

19、SVG发展史-世界上已投运的代表性的STATCOM研制者地点(MVA)时间1三菱电机、关西电力日本 201980年2三菱电机、关西电力日本801991年3东芝、日立、东京电力日本5021992年4西屋公司、EPRI、田纳西电力美国1001996年5西屋、EPRI、美国电力美国1601997年6清华大学、河南省电力公司中国201999年7ALSTOM、英国国家电网（NGC）英国751999年8三菱美国133/-412001年9三菱，圣迭戈天然气和电力公司美国1002002年10KEPRI、KEPCO韩国802003年11ALSTOM，美国东北电力美国1502003年12ABB，奥斯汀能源美国10

20、02004年13清华大学、上海电力公司、许继中国502006年14清华大学 、广东省电力公司、荣信中国2002011年清华-南方电网等合作2009-2010年东莞500KV变电站200M-直挂35KV-STATCOM科技部十一五重大科技支撑项目2011年8.19在东莞正式投入运行,将为广东省网安全稳定作出贡献,是自主研发最大的逆变装置,也是迄今国内外最大的STATCOM!SVG与FC配合使用 对感性负荷而言，只需要补偿容性无功： 0.5SSVG0.5SFC 。 SVG滤除低次谐波（13次以下），FC滤除高次谐波。为 什 么 ？ 降低成本 谐波治理装置（低压）nAPFnSVGnNTSCnLCLn

21、LCnNBF零线谐波电流阻断器APF- DSTATCOM的基本原理是利用电力电子技术动态地产生一个与无功和谐波源相反的电流，从而有效地消除其影响。 负载电流 APF-DSTATCOM输出电流 电力系统电流APF投入运行前APF投入运行后n熔车间n热车间n冷车间n精车间n动车间工程概况工程概况新材料主要进口设备及厂家单位单位设备名称设备名称中文名称中文名称车间 布里科蒙公司（美国）扁锭 瓦格斯塔夫公司（美国）在线 设备派罗特克公司（美国） 德国格拉玛有限公司 艾尔特克 TC工程公司（美国） 派罗特克（亚洲）有限公司 罗伊热工工程公司（德国）车间 德国西马克股份公司和东芝三菱公司（日本） 艾伯纳工

22、业炉公司（奥地利） 德国摩森纳公司 神钢商事株会社（日本）snk 布诺恩（波米尼）有限公司（意大利）车间 西马克股份公司和ABB（香港）有限公司 西马克物流系统有限公司（德国）车间 佛罗林达涅利有限公司（德国） 德国博格德舒密特B+S公司（德国） 法塔公司法塔亨特部（意大利） 信诺香港有限公司 德国博格德舒密特B+S公司（德国） 恩格勒机械设备制造公司（德国）减小谐波影响的技术措施n1）增加换流装置的相数或脉动数；n2）加装交流滤波装置；n3）改变谐波源的配置或工作方式；n4）加装静止无功补偿装置；n5）增加系统承受谐波能力；n6）避免电容器对谐波的放大；n7）提高设备抗谐波干扰能力，改善谐波保护性能；n8）采用有源滤波器