电力谐波和滤波器的方案设计

1、华北电力大学电气工程学院 一、谐波定义：谐波是周期性电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。 二、谐波性质： 1、谐波次数 h 必须为正整数； 2、谐波通指稳态、连续谐波； 3、谐波通常包含各次正弦波。 间谐波、次谐波、陷波等不属于高次谐波范畴。 三、评价指标：华北电力大学电气工程学院1100%hhIHRII=1100%hhUHRUU=1、谐波电流、电压含有率： 含有率指某次谐波分量与基波分量比值的百分数。 2、电流、电压总谐波畸变率：总谐波畸变率指畸变波形偏离正弦波形的程度。表达式如下： 2211 0 0 %MhhIIT H DI= 谐波治理即限制谐波含有率和总谐波畸变率不超标。 四、

2、国标限值（允许谐波含有率表见国标）2211 0 0 %MhhUUT H DU=华北电力大学电气工程学院 一、对变压器的影响 1、产生导体附加损耗； 2、产生涡流和铁芯损耗，引起变压器发热或过热； 3、使变压器产生振动和噪声。 二、对旋转电机的影响 1、在绕组上产生附加损耗； 2、在转子上产生谐波涡流，引起附加铁损和发热； 3、引起旋转电机振动和产生高频噪声。 总之，谐波增大变压器、电机功率损耗，产生发热、振动和噪声等，影响运行经济性和使用寿命。222 21h1h 2PI R( II ) RP=+=+ DP华北电力大学电气工程学院 三、对通讯的影响 540Hz1200Hz 的谐波影响通讯系统通话

3、质量；人听觉对8001200Hz 谐波噪声较为敏感。国际电报电话咨询委员会用噪声加权系数Pfh计算各次谐波的干扰： 电话谐波波形系数： 四、对电能计量的影响 1、在感应电能表绕组、圆盘上产生谐波涡流和使总电流增大，增大电能表的计量误差； 2、谐波功率引起较大的电能计量系统误差，电子式电能表这种误差大于感应式电能表。25011100%8001000fhhhhpfVTHFFV=骣琪=创琪桫华北电力大学电气工程学院 谐波功率引起的电能计量误差分析 1、线性用户电能表WhM：P1M+PhM，多计电能，受谐波影响还要多付费；不合理。 2、非线性用户电能表WhR：P1R - PhR，少计电能，即对系统造成

4、干扰还少付费；不合理。 3、对发电厂电能表WhG：P1G - PhG，少计电能。 华北电力大学电气工程学院 五、对电力系统运行的影响（保护误动、设备损坏等） 1、谐振放大现象分析 谐波可能引发电容器与系统感抗的谐振，引起严重谐波电压、电流畸变，影响电网安全运行。实例。 华北电力大学电气工程学院 2、谐波放大计算 设：谐波源电流为 Ih；进入系统为 Ish ；进入电容器为 Ich。 则：IshIh或IchIh称谐波放大；IshIh和IchIh称谐波严重放大。 可求： 母线电压： (/ )/skChhhhskChXhXXhUXIIhXhXXh-=+-C路电流： /hschhkskCUhXIIhXX

5、 hhXhXXh=-+-（1） （2） 系统电流： /hkCshhhskCUhXXhIIhXhXhXXh-=+-（3） 华北电力大学电气工程学院 3、谐波放大结果分析 分析：（1）当 ，且Ih 0时，不论Ih大小，Ich和Ish均为无穷大，此时发生谐波严重放大。0CSKXhhXX=+ （2）当 时，有Ich=Ih ，Ish =0，此时XC与XK支路发生串联谐振，电容支路为滤波器。CKKXhhX= （3）由前 式可知，能影响谐波电流进入系统的参数有h、XS、XC和XK四个量，而可供调节或限制谐波放大的量只有XK。定义K= XK / XC为电抗率。计算可知：采用 K为 4.5% 和6%电抗器，可防

6、止4次以上的谐波放大。 分析结果说明了滤波器原理和需注意的问题华北电力大学电气工程学院 包括铁磁饱和型、电子开关型和电弧型三大类。 一、磁饱和型设备（变压器、电动机、电抗器等） 铁芯设备谐波电流特点： 2、中性点接地变压器含有大量3及3倍次谐波电流； 3、有角形绕组变压器线电流中无三倍次频谐电流。 1、i0 为尖顶波，含有3、5、7等奇次谐波电流； 2、谐 波大小与电压有关，U高、 i0 大，谐波大。 变压器中的谐波电流： 1、配电变谐波问题突出；华北电力大学电气工程学院（影响较大的谐波源，中频炉） 1、单相全控桥式整流 理想单相桥式整流交流侧电流为连续周期方波，只含有2K1次谐波电流，不含直

7、流和偶次谐波分量。华北电力大学电气工程学院 理想三相桥式整流交流侧电流为断续周期方波，只含有6K1次谐波电流。 2、三相全控桥式整流华北电力大学电气工程学院 理想6 相桥式整流交流侧电流为连续周期梯型波，含有12K1次谐波电流。 3、6相桥式整流 右图为用Y/y12和Y/d11接线整流变压器组成的6 相桥式整流 电路单相电路图。 图a谐波电流和图b谐波电流两者结合构成 6 相桥式整流电路 的谐波电流如图c所示。 理想6 相桥式整流直流侧的波头脉动数P=12。华北电力大学电气工程学院特征谐波和非特征谐波 特征谐波整流装置理想情况下产生的谐波。 换流装置交流侧为谐波电流源，特征谐波为h=KP 1；

8、 换流装置直流侧为谐波电压源，特征谐波为h=KP。 例如：单相全波，P=2，产生1、3、5、7次谐波； 三相半波，P=3，产生2、4、6、8次谐波； 三相全波，P=6，产生5、7、11、13次谐波。 可见，整流波形波头脉动数P越大，谐波次数h越高，对应的h次谐波电流值Ih越小。 非特征谐波 指控制角不等，电压、阻抗不对称等因素产生次数不定的谐波。难以进行数值分析。华北电力大学电气工程学院谐波 电力机车为波动性很大的、大功率单相整流负荷，有不对称、非线性、波动性和功率大等的特点，将产生高次谐波和基波负序电流。 1、牵引网的供电方式 两站距离4050Km； 供电距离2025Km； 供电电压110/

9、27.5KV。 2、机车电路与电流波形 电力机车电路和注入电网电流波形如图所示。由于采用单相全波整流，不采取措施将产生很大的谐波。华北电力大学电气工程学院谐波华北电力大学电气工程学院谐波特点 1）在工作状态产生谐波。治理为车载或投切方式； 2）单相全波整流P=2，典型谐波为奇次谐波； 3）电力机车谐波为典型谐波电流源； 4）产生的谐波含量大、次数低（P=2），影响大。 4、谐波分析 1）注入牵引变电站的谐波电流，为多辆机车谐波电流的叠加，运行方式变化大、计算复杂，通常只能实测； 2）注入电网的谐波电流为不平衡谐波，可能包含正序、负序、零序性质的谐波； 治理电力机车谐波的滤波器有特殊要求。华北电

10、力大学电气工程学院谐波特点（影响最大） 1、产生随机性、三相不平衡谐波和基波负序电流； 2、以2、3、4、5、7次谐波为主，含有偶次谐波； 3、引起PCC点电压变动，存在闪变影响问题。谐波次数23457谐波含有率熔化期7.75.82.54.23.1精练期2.02.1 五、家用电器产生的谐波特点 1、主要产生奇次谐波，虽然单个电器产生的谐波数值小，但合成的谐波影响较大； 2、治理难度大，需通过实测选择滤波器安装位置。华北电力大学电气工程学院 常用的限制、治理谐波措施包括： 1、降低谐波源谐波电流含量 增加换流装置波形脉动次数是降低谐波的有效措施。 换流装置网侧特征谐波次数：hKP1 换流装置产生

11、的谐波电流大小：Ih +22111 .1 6CC hC NhUh UU+ 设h次谐波电压含有率为HRUh，通过推导可得到： 1().hChH RUU qXhI22133()CNCNhCNChUUIQXHRUU hq= 其中，q 为滤波器的最佳品质因数。以上是从保证电容器电压要求初步选择的参数。但为保证电容器的安全运行还应满足过电流和容量平衡的要求，公式如下： 1CNCChQQQ+2211.3CChCNIII+=华北电力大学电气工程学院 3、滤波器参数的初步计算 串联电抗器参数： 2CLXXh=11.33C NLC NQIU= 以上为单调谐滤波器参数的初步选择。高通滤波器略。1LXLw= 3）滤

12、波器参数的最后确定 滤波器参数的最终选择，需要根据综合频率特性计算分析结果来确定；并针对不同异常情况进行校验。 为保证安全运行，还要选断路器、避雷器、保护等。 自动调谐滤波器（改变电感 L）能提高滤波效果。但由于技术经济的原因，目前应用不普遍。华北电力大学电气工程学院 1、三山钢厂供电系统最终负荷接线华北电力大学电气工程学院 2、系统谐波分析和设计数据合成 中频炉属交直交供电，换流脉动数为6，特征谐波值为6K1次谐波。非对称触发等原因，存在非特征谐波。 福建中试测试：线2、线4和中频炉馈线；各谐波电压畸变率全部超标，5、11、13及以上谐波电流超标。 非在电网最小方式、钢厂非满负荷下的测试，测

13、试结果偏小；及今后8台炉投运超标肯定更大。 设计问题：没有单台电炉谐波测试数据，没有新供电方案下负荷同时运行测试数据，需根据经验及现有供电方案谐波测试数据进行分析获取设计数据。 按电炉变80负荷率合成各母线谐波电流（略）。 华北电力大学电气工程学院 3、基波无功容量计算 按母线电炉全部运行功率因数大于0.9，单炉运行功率因数应小于1的条件，治理前的平均功率因数取0.85，计算各母线的三相基波补偿容量： 10KV I段：Q=3.8MVAR 10KV II段：Q=2.65MVAR 605频炉线： Q=1.9MVAR 华北电力大学电气工程学院 4、考核标准计算和滤波器配置选择 根据各母线的短路容量，

14、计算各段母线电炉运行过程中的谐波考核标准；以及对比合成的谐波电流水平，选择、配置各段母线的滤波器。 标称电压（KV） 基准短路容量（MVA） 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 010.0 100.0 026.0 020.0 013.0 020.0 008.5 015.0 006.4 006.8 005.1 009.3 004.3 007.9（I） 010.0 116.0 025.0 016.5 012.5 016.9 008.2 013.3 006.1 006.5 004.9 008.7 004.1 007.5（II） 010.0 116.0 019.1 010.1 00

15、9.5 010.8 006.2 009.0 004.7 005.0 003.7 006.5 003.2 005.7（605）010.0 080.0 011.1 005.1 005.6 005.6 003.6 004.9 002.7 002.9 002.2 003.7 001.8 003.3 标称电压（KV） 基准短路容量（MVA） 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 010.0 100.0 003.7 004.1 003.2 006.0 002.8 005.4 002.6 002.9 002.3 004.5 002.1 004.1（I） 010.0 116.

16、0 003.6 003.9 003.1 005.8 002.7 005.2 002.5 002.8 002.2 004.3 002.0 003.9（II）010.0 116.0 002.7 003.0 002.3 004.4 002.1 004.0 001.9 002.1 001.7 003.3 001.5 003.0(605)010.0 080.0 001.6 001.8 001.4 002.6 001.2 002.3 001.1 001.2 001.0 001.9 000.9 001.8华北电力大学电气工程学院 按上述标准分析：谐波电流大部分超标，由于装置的非同时触发，存在非特征谐波超标的

17、现象。因此只能对主要的频谱进行设置滤波器；但受电炉运行方式的大幅度变化，特别是10KV I段负荷变化较大，因此基波无功的补偿受到严格限制，将在相当程度上影响其滤波效果。 综合考虑：各母线配置5、7、11、13次滤波器。 5、滤波器参数设计（以10KV I段为例） 由于中频炉谐波为连续频谱谐波，以及基波补偿电容器的限制，滤波器参数设计很难满足要求，经几十种方案的分析、比较，确定单相参数如下：华北电力大学电气工程学院 H5H7H11H13合计电容器(uF)27.5159220.777333522.98421 三相电容器安装容量(kvar)18301350186012696309三相基波输出容量(k

18、var)90066611087263400电抗器（毫亨）14.745229.961782.395222.61115 需要对设计的参数进行多次仿真、调整，比较和评估所设计的滤波器的滤波效果，。 补偿电容器和滤波器同时运行：华北电力大学电气工程学院 仅滤波器投入运行：华北电力大学电气工程学院 6、拟合标准指标与产品定货华北电力大学电气工程学院 7、滤波器的户外安装与现场调试华北电力大学电气工程学院 现场调试目的： 保证安全运行，实现设计指标要求，防止谐波放大、限制过负荷和过电压等。调试至关重要。 调试内容和方法： 1）谐波测量：超过设计时提供的数据，及时修改调整。 2）找谐振点频率，决定滤波器正偏

19、调还是负偏调。 3）计算投入时的过电流、过电压，考虑保护或避雷器。 4）滤波器设备自身的安装与调试：安装前调试包括设备的例行试验和检验试验；安装后调试包括接线检查、相序检查、冷态调谐试验等。 5）编写投切方案，投滤波器进行投入测量、试验。华北电力大学电气工程学院 9、投运试验和运行测试华北电力大学电气工程学院电压（V）电流（A）功率因数电压总畸变率%电流总畸变率%98005400.8810.15.1投运前：投运后：电压（V）电流（A）功率因数电压总畸变率%电流总畸变率%102005600.991.54.2次数 2345678910111213 1.484.982.82.540.871.220.781.221.48.480.266.38次数 141516171819202122232425 0.172.361.5382.282.442.282.881.661.754.120.084.38投运后各次谐波电流的95%最大值 10、滤波器主接线及保护华北电力大学电气工程