绿色科技与谐波治理

1、绿色科技与谐波治理第1页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三“绿色科技”与“环境保护”第2页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三“绿色科技”与“环境保护”第3页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三“绿色科技”与“环境保护”谐波成分:线性负载基波+ H5 + H7H5 + H7H3+高次谐波H3+H5+H7第4页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三“节能”与“环保”积极投入电力环境的“污染治理”：开发对电力环境无谐波污染的新产品，包括Galaxy 3000、Galaxy5000（2006年投放市场）对在用设备提供谐波

2、治理的措施，例如各种有源滤波器、各种无源滤波器；对低压电网的公共环境提供谐波综合治理的设备，例如有源谐波调节器。第5页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三 谐波治理是客观的需要：电子设备的增长，谐波成为电磁污染； 谐波治理是标准的需要：IEC、EN、IEEEE等（ IEC 62040-3 = GB/T 7260.3） ：谐波的治理不是3的倍数的奇次谐波3的倍数的奇次谐波偶次谐波谐波次数谐波电压 %谐波次数谐波电压 %谐波次数谐波电压 %5635227591.541113.5150.360.5133210.280.5172210.2100.5191.5120.2231.512

3、0.2251.5250.2+0.5 x 25/n注：假设上述谐波电压不同时达到兼容值；通常限制到40次谐波。a) 输入电压变化：额定标称电压的10%；b) 输入频率变化：额定标称频率的 2%；c) 输入电压总奇变因数D 0.08（THDU 8%），各次谐波电压的最高含量列于下表：第6页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三 谐波治理是标准的需要：国家标准电能质量、公用电网谐波(GB/T 14549-1993)谐波的治理第7页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三 谐波治理是标准的需要：邮电标准(YD/T)；谐波治理是发展的需要：促进生产厂改进产品的性能。通信

4、用不间断电源-UPS标准(YD/T 1095 - 2000):6脉冲SCR+LCIEC 61000-3-46脉冲SCR+PFCIGBT整流器谐波的治理第8页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三目 录一、谐波的基本概念谐波的定义、现象、典型非线性负载二、谐波的基本特征参数三、谐波的危害四、谐波治理的解决方法可控硅整流器、各种无源滤波器、有源滤波器.一般非线性负载的谐波治理五、谐波治理的比较按标准、参数、频谱、负载率六、有源滤波器的优势第9页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三非线性负载举例：整流器、充电器、开关电源、调光器、变频调速器、电子计算机、感应电炉

5、、荧光灯、微波炉、电视机、电话、传真机等等 开关电源变频调速器充电器荧光灯谐波的产生：非线性负载在交流电路中需要消耗谐波电流；电网存在阻抗，提供谐波电流的同时，电压波形也会产生失真。 一、谐波的基本概念谐波的定义 ：基波指频率为F的正弦波；谐波指频率为F正整数倍的正弦波。第10页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三非线性负载举例：调光器、加热器；一、谐波的基本概念三相整流器：充电器三相整流器：UPS开关电源负载：计算机、家用电器等三相整流器：变频调速器第11页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三RCD负载(电阻、电容、二极管) 绝大多数电子设备的电源部分

6、都是这种电路典型的单相负载135791113三相电源为单相负载供电时三次谐波在中性线上迭加I1I2I3I1I2I3U1U2U3Z1, Z2, Z3 : 非线性负载H1=100%, H3=75%., H5=25%, H7=18%, H9=30%, H11=5%, H13=4%THDI=87%!一、谐波的基本概念第12页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三Z1Z2Z3L1L2L3NIh1Ih1Ih1Ih3Ih3Ih33xIh3RCD负载(电阻、电容、二极管) 绝大多数电子设备的电源部分都是这种电路三相电源为单相负载供电: 三次谐波在中性线上迭加090180270360450-2

7、02A相B相C相三次谐波、A相三次谐波、B相三次谐波、C相中线的三次谐波I中性线I中性线 = 3xIh3（各相的3次谐波电流同相位）一、谐波的基本概念第13页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三可控硅整流器的特征三相对称负载6可控硅整流桥产生大量的5次、7次、11次、13次谐波电流.降低整流器的谐波主要是为了避免谐波电流骚扰在上线并联的其它负载，保证供电系统的电压失真度THDU，满足有关谐波骚扰的标准和规定。可控硅整流器负载 UPS、变频调速器等电子设备属于这种电路一、谐波的基本概念第14页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三可控硅整流器负载 UPS、变

8、频调速器等电子设备属于这种电路典型的三相负载H1=100%, H3=5%., H5=40%, H7=20%, H9=1%, H11=7%, H13=5% THDI=45.8%!L1ZCL2L3e1e2e3iIIs一、谐波的基本概念第15页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三1）单次谐波电流的有效值(IHrms)按照傅立叶级数展开时，各次谐波电流都是正弦波，因此可以测量每次谐波的有效值，但这些正弦波的频率各不相同，为基波频率的整数倍： IH1 为基波成分 (50 或 60 Hz)； IHk 为谐波成分，其中k为谐波次数 (50 或60 Hz的k倍)。2）总电流有效值（Irms

9、）它是基波电流有效值IH1与谐波电流IHk的平方和的根值：二、谐波的基本特征参数第16页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三4）电压和电流的谐波失真度非线性负载同时产生电流和电压的失真，这是因为每次谐波电流都会产生对应同频率的电压谐波，正弦波的总失真度用百分数来表示： 3）各次谐波的含量每次谐波的含量都可以用一个百分数来表示，即该次谐波电流的有效值与基波电流有效值之比，这个比率就代表了各次谐波的含量水平：例如：总电流谐波失真度TDHI % ，是基于电流谐波的度量： 或二、谐波的基本特征参数第17页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三4）谐波失真度举例：三

10、相整流器输入电流的谐波频谱为：Ih5 = 33%、Ih7 = 2.7%、Ih11 = 7.3%、Ih13 = 1.6%、Ih17 = 2.6%、Ih19 = 1.1%、Ih23 = 1.5%、Ih25 = 1.3%，计算THDI%：二、谐波的基本特征参数因此，电流的有效值比基波电流的有效值增大了5.6%，即比没有谐波时的额定电流增大5.6%，这将在导体中造成温度升高。 第18页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三5）峰值因数(Crest Factor)峰值因数(Fc)定义为峰值（最大幅值）与有效值的比率，用来表示信号(电流或电压)形状的特征：下面是不同负载的典型峰值因数：

11、线性负载： Fc = 1.414 六脉冲整流器：Fc1.5到2； 小型计算机： Fc = 2 到 2.5 微机： Fc = 2 到 3。H3=80%H5=35%H7=18%H9=9%H11=5%THDI=90%H5=21%H7=16%H9=0%H11=10%H13=9%THDI=30%H5=32%H7=3%H9=0%H11=7%THDI=33%RCD(微机)小型计算机可控硅整流器 二、谐波的基本特征参数第19页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三5）峰值因数举例：峰值因数对UPS容量的影响例如：200KVA UPS的峰值因数Cf=3:1，UPS额定电流In=303A， 则：

12、 UPS峰值电流为303A x 3 = 909A假设：负载峰值因数为3.5:1，则： UPS对于该负载所提供的电流有效值为909A / 3.5 = 259.7A即: UPS的使用容量为259.7A x 660V = 171.4KVA因此：二、谐波的基本特征参数非线性负载Cf = 3,5 In 线性负载2 x InCf = 第20页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三视在功率增大纯电阻负载在一个正弦周期内电压与基波电流的乘积(UI)为正值；三、谐波的危害非线性负载在一个正弦周期内电压与3次谐波电流的乘积为零(UIH3=0)。第21页，共63页，2022年，5月20日，12点1

13、8分，星期三 S = 视在功率 P = 有功功率 Q = 无功功率视在功率增大线性负载：Cos = Pf =P/S 没有谐波 非线性负载 :Cos = P1/S1 (基波有功功率/基波视在功率)功率因数PF= P/S（有功功率/视在功率） S = 视在功率 P = 有功功率 Q = 无功功率 D 失真功率S (VA)S (VA)D:谐波失真功率P2 + Q2S =P12 + Q12 + D2S =P (W)Q (var)三、谐波的危害第22页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三电缆中的温度升高谐波电流在导体中具有趋肤效应；电流在电缆导体中的温升表示为：电缆中的温升 =基波电

14、流与各次谐波电流产生的温升之和三、谐波的危害第23页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三中线电流的增大所有3次及3的整数倍3n次谐波电流在中线上同相位迭加；它们的位移可以计算为3k x (2/3) 或 (4/3)，并且它们之和为零；中线上的电流可以达到相线电流的1.7 倍；后果：在中线上产生很大的附加损耗；r I中线2 = 中线上的温升。必须考虑加粗中线以适应3次及3n次谐波电流三、谐波的危害第24页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三损坏电容电容中的电流值表示为：I = UC对第k次谐波的角频率为：= 2kf，因此第k次谐波电流等于：Ik = 2k f

15、 UC，其中f = 基波频率，k = 谐波次数。由此可见电容中的电流 I 随着谐波次数k的增大而增大。结论：电容中的高次谐波成分越多，则电容运行的环境就越恶劣，通常需要使用增强型电容（h级电抗器）。三、谐波的危害后果：电容过热，受到损坏的威胁；由于电路中存在电感，电容可能受到谐振的威胁。第25页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三变压器降容 (Derating)谐波对变压器的影响为以下几个方面的总和：趋肤效应(skin-effect)，变压器的阻抗随谐波次数的增大而增大；磁滞损耗与谐波频率成正比；涡流损耗与谐波频率的平方成正比。变压器降容使用，折算系数k由下述经验公式确定：

16、法国标准NFC52-114及其它国家标准 (例如 BS7821_part4，IEEE1100-1992) 也推荐使用一个相似的k系数三、谐波的危害第26页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三骚扰发电机的运行与变压器相似，磁滞现象和涡流现象也会由于谐波的作用造成发电机的损耗大增；后果：产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率；在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗；产生振动和发出异常的噪音。事实上，发电机中的电流谐波失真度THDI必须小于等于20%，否则发电机的功率也必须功率折算。三、谐波的危害第27页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三异步电动机损耗

17、增大增大焦耳损耗和铁损耗(定子损耗)；脉动力矩(转子损耗，降低机械效率)。因此异步电动机上的THDU必须限定在10%以下，以避免上述现象的发生。对其它设备的影响谐波还会骚扰下述设备的正常运行：非有效值脱扣装置(non-rms trip unit) ，造成断路器令人烦恼的异常脱扣；自动电话交换机；报警系统；敏感性的电子设备；远程控制系统。三、谐波的危害第28页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三Dynh3h92主电源增大电力系统的供电容量和电缆、开关等变压器以不同的方式联接调谐式滤波器抗谐波电感器Lh5, h7L- 谐波没有消除- 成本昂贵2仅限制3次和3n次谐波 Ddy35

18、4154仅按谐波频率选择衰减次数降低谐波电流THDI 13仅削减5次和7次谐波 (12脉冲整流、移相式滤波器)66无谐波有源滤波器 谐波治理的六种解决方法四、谐波治理的解决方法第29页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三 增大系统容量四、谐波治理的解决方法用一台1,000KVA的变压器为6脉冲整流桥供电，当整流器产生的谐波频谱为：H5 = 25%、H7 = 14%、H11 = 9%、H13 = 8%时，代入下述公式得到：功率折算系数为当负载的非线性越大时，功率折算系数越小；需要增加的系统容量就越大。第30页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三 型/Y型变

19、压器三次谐波和3n次谐波在绕组中形成环流，在输入端消除3n次谐波。四、谐波治理的解决方法第31页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三 12脉冲整流器采用两组6脉冲整流器经30移相后迭加，消除：12K 1次谐波（K为整数），因此有：四、谐波治理的解决方法约为6脉冲整流器THDI（30）的二分之一第32页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三专利号： FR2517489-EP0080925-US449812申请日期：1981 11 30专利描述：Static converter with electric valves comprising a twelve-

20、phase connection with two Graetz bridges for the suppression of harmonics 5 and 7 of network current 由两个Graetz整流桥组成的、可抑制电网中5、7次谐波电流的12相可控硅静态变换器应用：Alpase4000（83年）、EPS5000（89年），以及后来的Galaxy（93 年）；从1997年推出Galaxy PW机型起取消12脉冲整流器选件。停产原因：1、效率低，损耗大；2、效果差，不满足新的IEC61000-3-4标准3、被新产品取代。四、谐波治理的解决方法_12脉冲整流器梅兰日兰最早将

21、 12脉冲整流器 应用于UPS上第33页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三假设UPS之前采用串联电抗器LF作为谐波抑制，其等效电路如下图所示；四、谐波治理的解决方法 串联电抗器如果电源和线路阻抗为Ls、e为理想电压源，B点的电压失真度THDU为D ，则A点的电压失真度为D：第34页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三 调谐式滤波器当UPS之前采用LC调谐式滤波器作为谐波抑制时，其等效电路如右图所示：四、谐波治理的解决方法阻抗Zpn的等效电抗X和等效阻抗Z 如右图所示；当忽略滤波器电阻r时，可产生如下串联谐振(阻抗最低、电流最大)频率fr：第35页，共6

22、3页，2022年，5月20日，12点18分，星期三如果电源和线路阻抗为Ls、滤波器的串联电抗器为LF、电容为CP、并联电抗器为LP，则输入端的第n次谐波电流为： 调谐式滤波器四、谐波治理的解决方法第36页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三THDI = 5% PF = 0.95THDI = 5% PF = 0.90THDI = 5% PF = 0.95四、谐波治理的解决方法_无源滤波器 调谐式滤波器第37页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三 有源滤波器四、谐波治理的解决方法第38页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三If. (负载基

23、波)=+电 源非线性负载三相整流器I.电源I.负载I.滤波器I. 电源I. 负载IH. (负载谐波)I. 滤波器 SineWave的工作原理四、谐波治理的解决方法第39页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三新型的有源12脉冲整流器复合的12脉冲技术：6 SCR+ 6 IGBT = 有源的12脉冲整流器专门为UPS设计的、最有效的谐波治理设备L1C-2-1,5-1-0,500,511,52L2L3+-UPS 整流器 I1I2I3I1 - I2 - I3电源为正弦波电流I1I2I3电源输入断路器四、谐波治理的解决方法_有源12脉冲整流器第40页，共63页，2022年，5月20日

24、，12点18分，星期三THM有源滤波器: 单线图（复合式 SinewaveLC）串联电抗器内置的带接点的无源滤波器内置的有源谐波调节器SineWave主电源 / 发电机UPS接点随负载量变化，自动断开或闭合电容 电感 接触器断路器互感器四、谐波治理的解决方法第41页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三THM 400 + UPS 400KVA: 输入特性的改善（81%负载率）四、谐波治理的解决方法第42页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三I phase = 519ATHDI = 32.9% Dh5 = 31.7% Dh11 = 6.2% S = 343

25、kVAPower factor= 0.82Cos 1 = 0.88I phase = 417 A（-19.7%）THDI ( 衰减率= 12.6倍 ) = 2.6 % Dh5 = 0.1% Dh11= 0.3%S = 275 kVAPower factor = 0.99Cos 1 = 1.0不使用 THM时的电源电流波形使用 THM 后的电源电流波形THM 400 + UPS 400KVA: 输入特性的改善（81%负载率）四、谐波治理的解决方法第43页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三UPS输入端的谐波治理：IGBT整流器四、谐波治理的解决方法第44页，共63页，2022

26、年，5月20日，12点18分，星期三UPS输入端的谐波治理：IGBT整流器具有输入功率因数校正PFC功能的整流器六单元集成的IGBT模块 提高可靠性，减小尺寸。优异的PFC功能输入电流失真度THDI0.99四、谐波治理的解决方法第45页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三Z1Z2Z3L1L2L3NIh1Ih1Ih1Ih3Ih3Ih3Ih3三相UPS为单相RCD负载供电: 三次谐波在中性线上迭加090180270360450-202A相B相C相三次谐波、A相三次谐波、B相三次谐波、C相中线的三次谐波I中性线I中性线 = 3XIh3（各相的3次谐波电流同相位）单相非线性负载的谐

27、波治理:四、谐波治理的解决方法第46页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三电路组成:滤波器无电容器无电力电子装置无电池无微处理器控制无与伦比的可靠性, 与干式变压器相似应用场合：3相 + 中性线N 的系统负载电源PhNLoZo四、谐波治理的解决方法_CleanWaveH3 CleanWave只由两个部件组成：一个串联的三相电抗器L0一个并联的三相电抗器Z0第47页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三H3 CleanWave的设计原理：三次谐波电流在-Y型变压器中四、谐波治理的解决方法_CleanWave三次谐波电流在Y型Zigzag变压器中三次谐波电流在

28、Zigzag电抗器中第48页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三Filtre KSTFiltre KSTFiltre KST 平衡负载 L3相负载电流0 L2 & L3相负载电流0I1 输入In 输入I1 输出In 输出I1输入In 输入I1 输出In 输出I1输入In 输入I1输出In输出I1: 150AI2: 149AI3: 151A In: 21AI1: 126AI2: 126AI3: 127A In: 242AI1: 126AI2: 126AI3: 0A In: 201AI1: 112AI2: 122AI3: 65A In: 25AI1: 107AI2: 46AI3

29、: 46A In: 25AI1: 154AI2: 0AI3: 0A In: 150A中性线输入: In = 21A中性线输出: In = 242A三相不平衡: 1.3% / 0.6%中性线输入: In = 25A中性线输出: In = 201A三相不平衡:37% / 82%中性线输入: In = 25A中性线输出: In = 150A三相不平衡:39.6% / 100%不平衡负载的测试结果：四、谐波治理的解决方法_CleanWave第49页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三一般非线性负载的谐波治理： SineWave_20120A有源谐波调节器用于3相或3相 + 中性线系

30、统SineWave PCS_50/100/300A有源谐波调节器用于3相系统集中式补偿大功率的工业应用适用于不稳定的3相负载，例如变频调速器、电焊机等四、谐波治理的解决方法第50页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三MMMFinal distributionenclosurefeeder S1feeder S2feeder S3SecondaryswitchboardMain LVSwitchboard(MLVS)feeder MS1feeder MS2feeder MSnLV谐波电流引起电流有效值RMS的增大谐波电流在供电系统中流动谐波电流引起电压失真度THDU的增大电源

31、、电缆存在阻抗四、谐波治理的解决方法_有源滤波器第51页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三四、谐波治理的解决方法_有源滤波器有源谐波调节器中间级配电盘有源谐波调节器有源谐波调节器主低压配电盘末级配电盘 C 局部补偿 B 部分补偿 A 总补偿安装位置取决于技术特性和经济特性，并需注意： -正确的测量结果 -需要补偿的程度 SineWave在电力系统中的安装位置第52页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三-1,5-1-0.500.511,5-2,5-2-1,5-1-0.500.511,522,5Irms = 18.1A, THDI = 7.5%, Fc =

32、 1.46Irms = 24.8A, THDI = 104.8%, Fc = 2.92I 中线= 31.6A电源电流负载电流I 中线 = 5.8APC工作站打印机便携机中间低压配电 计算机系统低压配电一个SineWave 的三个电流互感器可以同时补偿三个不同的回路1.单机配置四、谐波治理的解决方法_有源滤波器第53页，共63页，2022年，5月20日，12点18分，星期三中间级低压配电*可以实现同等容量的4台并机*采用一套电流互感器采样 非线性负载公用互感器 扩容备用 扩容备用SW 1SW 2末级低压配电2.并机配置四、谐波治理的解决方法_有源滤波器第54页，共63页，2022年，5月20日，12点1