諧波講座及治理講解

1、講解內(nèi)容,,,有源電力濾波器應用實例,有源電力濾波器工作原理,諧波治理方案,諧波的產(chǎn)生,諧波產(chǎn)生的危害,HAERBIN WEIHAN ELECTRIC EQUIPMENT CO,. LTD.,引言,隨著科學技術的發(fā)展，各種非線性和時變性電子裝置如逆變器、整流器及開關電源等大規(guī)模使用，使得電力系統(tǒng)中諧波成份顯著增加。其負面效應日益顯見?！爸C波污染”已經(jīng)成為影響電能質量的主要因素之一，因此進行諧波治理也成為了現(xiàn)代電力生產(chǎn)發(fā)展

2、的迫切要求。,諧波的基本概念,目前國際普遍定義諧波為：,諧波定義為：電氣量頻率為基波整數(shù)倍的正弦波分量。對于我國使用的50Hz電源來說基波為50Hz，3次諧波為150Hz,5次諧波為250Hz,以此類推。,基波疊加5次和7次諧波,諧波源種類,,整流電路,交流調壓電路,交－交變頻電路,產(chǎn)生大量的諧波,諧波危害,,,,,,,,,,,諧波,影響電動機效率和正常運行，壽命縮短,加速電容器老化,繼電保護裝置誤動作,容易引

3、起局部諧振,影響通信系統(tǒng)的正常工作,增加變壓器和線路損耗,諧波對電容的影響,電容器對高次諧波呈現(xiàn)低阻抗特性諧波電流會更多的流過電容器，使電容器長期工作在過載情況，導致電容器壽命縮短，甚至燒毀。補償柜投不上、電容器囂叫。,,諧波對電容的影響,1、補償投入時熔斷器燒壞；2、導致電容器擊穿；3、補償柜投不上；4、 使電容器擊穿甚至爆炸；,,在諧波引起的事故中占75％,,諧波對電機的影響,電動機轉矩產(chǎn)生脈動起動和運行

4、性能變壞電動機的損耗增加溫升增加，縮短電動機的使用壽命減少電動機的出力產(chǎn)生機械振動和噪聲,諧波對電網(wǎng)的影響,諧波的集膚效應使諧波電阻比基波電阻增加很大，因此諧 波引起的附加損耗也有所增加。諧波源發(fā)出的諧波有功功率也給接在電網(wǎng)上的其他用電設 備帶來危害，并增加功率損耗。磁吹線圈不能正常工作，導致短路器無法斷開以至損壞。導致中線過載過熱、絕緣損壞，發(fā)生短路，引起火災。,諧波對保護、通訊、測量的影響,諧

5、波將導致保護裝置受到干擾而誤動或拒動，可靠性降 低。當有諧波存在時，將導致產(chǎn)生測量誤差。信息化設備無法正常工作。系統(tǒng)(電網(wǎng))不穩(wěn)定，用電設備無法正常運行。精密、精細加工工藝流程無法正常生產(chǎn)。,導致結果：設備發(fā)熱，效率降低，異聲及振動，絕緣老化及至擊穿，縮短使用壽命，嚴重時導致電氣火災事故。,www.weihanpower.com www.weihanpower.com www.weihanpower.comwww

6、.wehanpower.com,諧波對繼電保護裝置的影響,諧波對用戶的危害,,,,,設備,產(chǎn)品,費用支出,安全,諧波導致系統(tǒng)中電容器的老化、電抗器燒毀、損壞電動機、危害變壓器產(chǎn)生過熱、損壞通信設備、加速電纜老化。,諧波影響生產(chǎn)線的安全穩(wěn)定運行，導致產(chǎn)品質量下降，例如：造紙、紡織、等精密生產(chǎn)行業(yè)等。,諧波增加線路損耗、導致用戶用電費用增加，設計容量提高。,諧波導致繼電保護裝置的誤動作和據(jù)動作，

7、控制柜無法正常工作，存在諧振危險，增加電火災的可能等。,國內(nèi)相關政策法規(guī),a 、1993 年國家技術監(jiān)督局制定頒布了 GB/T14549---1993 《電能質量公用電網(wǎng)諧波》標準，作為對電力系統(tǒng)產(chǎn)品電能質量的要求，規(guī)定了公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值，作為限制用電戶諧波污染的排放。對于用電戶，一則要求購置的用電設備先進合理設計，產(chǎn)生的諧波電流符合 GB 17625.1—1998 《低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限制值標準》。

8、二則對于不能滿足要求的用電戶，要求安裝電力諧波濾波器。 b 、1995 年國家通過了《電力法》，并于 1996 年 4 月 1 日起實施。《電力法》規(guī)定：“用戶用電不得危害供電、用電安全和擾亂供電、用電秩序”（第三十二條），在電能質量治理上必須遵循《電力法》規(guī)定，“誰污染、誰治理”的原則。對于新投產(chǎn)的項目，必須根據(jù)用戶用電負荷性質給電能污染造成的程度，加裝消除電能污染的設備。,c 、1998 年，電力工業(yè)部頒發(fā)了《電網(wǎng)電能質量技術

9、監(jiān)督管理規(guī)定》（電綜（ 1998 ） 211 號文），該文規(guī)定了國家電力公司是負責全國電網(wǎng)電能質量技術監(jiān)督管理部門，以各級電力調動部門為中心，逐步加強對電能質量指標的全面運行監(jiān)測。 d 、2001 年，國家電力公司下發(fā)了《關于進一步提高用戶電壓質量管理的指導意見》，規(guī)定供電部門應對配電區(qū)的電壓質量進行 24 小時輪測，發(fā)現(xiàn)電能污染超過“標準”的用戶應采取措施，加裝抑制諧波及功率因數(shù)補償設備，必要時依據(jù)《電力法》規(guī)定：“用戶用電不

10、得危害供電、用電安全和擾亂供電、用電秩序”（第三十二條），運用法律手段治理電能污染。,國內(nèi)相關政策法規(guī),,1．國家標準對諧波的要求：,1）、諧波電壓限值《電能質量、公用電網(wǎng)諧波》GB/T14549-93 公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）,,1．國家標準對諧波的要求：,2）、諧波電流允許值注入公用連接點的諧波電流允許值,,注：諧波電流允許值,諧波治理,,,,,,治理諧波,無源電力濾波器 利用電容器、電抗器和電阻器的適當組合而

11、構成的濾波裝置。其具有結構簡單、維護方便等優(yōu)點,但只能抑制固定次諧波、其濾波效果受系統(tǒng)阻抗及頻率變化影響、且體積龐大、易與系統(tǒng)發(fā)生諧振。,有源電力濾波器 其基本原理是產(chǎn)生一個與負載諧波電流具有幅值相同而相位相反的補償電流，與負載諧波電流相抵消以達到消除諧波的目的。是一種積極的諧波消除方式，濾波器效果較無源濾波器好。,LC無源濾波 簡介,LC無源濾波 簡介,,LC無源濾波 簡介,只能部分的濾除諧波！大概50%,LC 缺點,

12、不能完全濾除諧波,LC 缺點一,,,,,,,,,,,LC濾波支路是低阻分流原理，支路電阻與變壓器內(nèi)阻并聯(lián)，反比分流，濾波效果在50％左右，不高,需要多個濾波通道,為達到理想的濾波效果，需要設置多組濾波器！,LC 缺點二,,多組設計，體積較大，濾波效果相互抵消！,濾波器分組設計，占地面積大,LC 缺點三,H5,H7,H11,HP13,L,C,濾波電抗器一般做成空芯的比較多，不宜放在柜內(nèi)，占地面積大，不宜管理。噪聲也不小。,HAERBI

13、N WEIHAN ELECTRIC EQUIPMENT CO, LTD.,諧振點容易變化,LC 缺點四,,諧LC調諧支路采用濾波電容器，有電容器必定會發(fā)生電容器容量衰減，造成諧振點偏移，濾波效果大大降低，這就可以解釋為什么無源濾波裝置在使用二、三年后感覺效果不如剛投入使用時的效果。在衰減嚴重情況下，LC非但不能濾波反而將諧波放大，與系統(tǒng)發(fā)生諧振，引起重大供電事故。,容量固定,LC設計容量固定，當負載容量變大時，易過載并導致濾波器

14、燒毀！,LC 缺點五,,濾波裝置的設計容量和濾波次數(shù)一定要和實際負荷狀態(tài)匹配，如提前設計，對負荷的諧波狀況可能掌握不那么準確，設計容量大了，會出現(xiàn)過補，高次濾波支路投不上；設計容量小了，會出現(xiàn)濾波支路過載，燒毀濾波電容器或電抗器，造成麻煩。,高功率因數(shù)場合濾波困難,LC 缺點六,濾波支路接入的同時，濾波電容器的基波補償容量也送入系統(tǒng)。某些需要濾波的場合，功率因數(shù)就非常高，例如進口變頻器，這類負載本身的功率因數(shù)高達0.95以上，滿載時能達

15、到0.99以上，但自身沒有采取諧波濾波措施，變頻器工作電流中含有約30％諧波電流。在這種情況下濾波裝置的全部投入會造成系統(tǒng)容性無功過補，這是很危險也是不允許的，這樣往往需要再安裝電抗器，投入感性無功去抵消過補的容性無功。,,輕載時高次濾波支路投不上,LC 缺點七,在輕負載情況下，系統(tǒng)內(nèi)仍有諧波存在，但11次、13次濾波支路就可能投不上，原因是基波無功過補了。,,在一個系統(tǒng)內(nèi)不宜設置多處濾波,LC 缺點八,已經(jīng)投產(chǎn)，發(fā)現(xiàn)濾波容量做小了，或

16、者用戶要擴產(chǎn)增容，增加了非線性負荷的容量，需要增加濾波器的容量。這時單靠增加并聯(lián)濾波電容器的數(shù)量是解決不了濾波增容問題，原因電抗器不匹配了，不推薦同一濾波次數(shù)的多臺濾波器并聯(lián)使用，整套裝置要推倒重來。,,,LC 缺點九,濾波裝置各支路的投、切原則必須遵循：先低后高投入，先高后低切除。不遵循這一原則會造成電容支路過載，燒斷熔絲，故障保護等情況出現(xiàn)。,,濾波裝置各支路的投、切必須遵循原則,,LC 缺點十,LC濾波器的濾波效果會受到電網(wǎng)頻率波

17、動的影響，還與電網(wǎng)電壓的波動有關，系統(tǒng)中大負載的啟用會造成系統(tǒng)電壓跌落，功率因數(shù)偏低，諧波量達到高潮的時候，是最需要電容器滿負荷輸出，但恰恰電容器容量輸出是最小的，原因是：我們知道電容器輸出容量與電容器兩端的電壓平方成正比，由于系統(tǒng)電壓的跌落，電容器輸出容量平方關系下降，指望不上。這段時期的電能質量會非常差。對于特殊的諧波、或當系統(tǒng)阻抗和頻率變化時，與電源阻抗發(fā)生的并聯(lián)諧振會導致諧波電流放大，使電路無法正常工作。,,LC濾波器的濾波效

18、果會受到電網(wǎng)參數(shù)的影響，,APF 優(yōu)點,APF 分類,APF 原 理,APF 原 理,APF 主電路,APF 工作過程,,反向后的諧波電流,,,,,,輸出,,,,,,,計算,,,,,,檢測,APF 技術組成,,,有源電力濾波器,電流跟蹤控制,諧波檢測技術,APF 設計內(nèi)容,APF 產(chǎn)品外觀,工作電壓：380V、520V、660V電源頻率：50/60Hz最大諧波電流：50A、100A、150A、200A、300

19、A可濾除諧波次數(shù)：2次~50次諧波濾波效率：＞90%響應時間：＜10ms開關頻率：20KHz,APF 技術參數(shù),1 50A~100A 1000×800×2200 2 120A~200A 1000×1000×2200 3 220A~300A 2×（1000×1000×220

20、0）注：1、本裝置可以多臺柜并聯(lián)使用，擴大濾波能力。 2、柜體尺寸可根據(jù)用戶需求進行特殊設計。,APF 體 積,APF 技術特點,APF 應用領域,中頻爐負荷特點：中頻爐是將三相工頻（50Hz）交流電經(jīng)整流電路變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)逆變電路輸出單相的中頻（1000-1500Hz）交流電源供給爐子加熱。,APF用在中頻爐負荷,自然功率因數(shù)很高，一般在0.9以上（甚至更高），向系統(tǒng)吸收的無功小。中頻爐是一個復雜的非

21、線性電路，輸入側的電流是非正弦波的，由此產(chǎn)生大量高次諧波注入電網(wǎng)。一般1000KW以下的中頻爐通常采用6脈動整流;1000KW以上的中頻爐采用12或24脈動整流。6脈動整流的中頻爐產(chǎn)生的諧波主要為：5、7、11、13次等諧波。 12脈動整流的中頻爐產(chǎn)生的諧波主要為：11、13、23、25次等諧波。,應用案例一,中頻爐的危害,中頻爐產(chǎn)生的諧波流入電容器，加大了電容器的熱能損耗，加速電容器老化，造成電容器使用壽命降低。諧波與電容器形

22、成諧振嚴重放大諧波，瞬間電流高達數(shù)千安培,造成電容器鼓肚、爆炸，開關跳閘，帶來廠區(qū)大面積停電、人員傷亡事故。詣波在電網(wǎng)中流動，引起的功率損耗都是無效損耗，加大網(wǎng)損。諧波使變壓器損耗加大，變壓器磁密按照基波電流設計，大量諧波流過變壓器容易使變壓器磁通飽和，加大損耗。有資料顯示3%的諧波電壓會產(chǎn)生5%的變壓器損耗。對自動化水平比較高的生產(chǎn)線、電氣設備造成干擾,諧波導致程序紊亂、保護總跳閘,無法順利生產(chǎn)。,諧波有百害而無一利！,采用L

23、C濾波的危害,LC濾波的參數(shù)易變,電容容量逐年衰減,諧振點發(fā)生改變,起不到 濾波效果。 LC濾波的電容器參數(shù)一旦偏移,產(chǎn)生諧振,燒毀電器設備。 LC濾波靠阻抗分流,濾波效果一般在50%左右,不能有效濾波。 LC容量一旦確定,是固定不變的,系統(tǒng)容量擴載,LC出現(xiàn)過載。LC屬于分組式濾波,設多組濾波通道,在整體效果上各組互相抵消,在未來發(fā)展趨勢中,電力電子濾波取代 LC 已成為必然。APF取消了濾波電容、濾波電抗,LC

24、再增容也達不到APF的濾波效果。,用戶情況介紹,情況簡介：地 點：橋箱有限公司熱壓軸頭設備電力配套工程主要負荷：一臺200KW中頻爐解決問題：中頻爐在工作的時候產(chǎn)生大量諧波，導致同系統(tǒng)內(nèi)其他數(shù)控設備總出現(xiàn)故障，影響企業(yè)正常生產(chǎn)。解決方案：為了治理諧波污染問題，在中頻爐旁邊進行就地濾波，安裝了一臺200A的 APF電力有源濾波裝置。APF有源濾波裝置占地面積小，采用一臺低壓柜體。,安裝位置示意圖,其它負載,APF

25、-200,中頻爐,If,IS,IL,,APF投入前IS,,APF投入后IS,LC濾波器投入后理想效果IS,,應用效果,,（a）APF投入前系統(tǒng)諧波分析圖 （b）APF投入后系統(tǒng)諧波分析圖,,（c）APF投入前系統(tǒng)諧波含量 （d）APF投入后系統(tǒng)諧波含量,APF投入前后實測數(shù)據(jù),應用效果,（a）LC投入前系統(tǒng)諧波分析圖,,LC無源濾波器投入前后的實測數(shù)據(jù),（b）LC投入后系統(tǒng)諧波分析圖,結論

26、,APF有源濾波與LC無源濾波效果對比：,APF用在變頻器負荷,應用案例二,變頻器負荷特點：工業(yè)上常用的變頻器主要有交直交變頻器和交交變頻2種。交直交變頻器先將工頻交流電變?yōu)橹绷麟姡賹⒅绷麟娮優(yōu)榭刂齐姍C所需的頻率和電壓，這種變頻器大量用在需要各種場合。交交變頻無中間整流環(huán)節(jié)，直接將工頻交流電變?yōu)榭刂齐姍C所需的頻率和電壓。交直交變頻驅動系統(tǒng)自然功率因數(shù)較高，一般在0.9以上（高的時候能達到0.95-0.99）。諧波大（高達25

27、％以上），主要諧波是5、7、11、13次諧波，屬于非線性負荷。負荷波動大，周期性變化。,變頻器是諧波源家族的主要成員!,交流-交流,交流-直流-交流,,,,,主要有兩種：1.交直交變頻，高功率因數(shù)（0.9以上）2.交交變頻，功率因數(shù)0.7-0.8,APF投入后電源側電流,,電 源,,變頻器,電機M,負載側電流,IL,,AC 50Hz,,APF輸出電流,系統(tǒng)示意圖,變頻器負荷對電網(wǎng)的影響,變頻器大量用在各種場合，諸如汽車涂裝線、

28、沖壓線、港口門機、 橋吊、化工場所、紡織線、煙草卷煙機、造紙行業(yè)、水處理系統(tǒng)等等。產(chǎn)生諧波污染，導致電網(wǎng)電壓波形畸變，降低了電能質量。諧波干擾自動化生產(chǎn)線、精密精細設備正常工作，導致數(shù)據(jù)處理錯誤、程序紊亂，使繼電保護誤動作、拒動，造成安全事故。諧波對自身及電網(wǎng)安全、穩(wěn)定運行構成威脅，影響設備正常工作。對電網(wǎng)沖擊大，影響電壓穩(wěn)定。,污染隨處可見！,變頻廣泛使用,某港口16t/35m門機系統(tǒng)主要負荷有起升電機、變幅電機、旋轉電機、行

29、走電機，這些電機均采用交直交變頻驅動。如下圖所示：,用戶情況,為了保證系統(tǒng)投入后安全經(jīng)濟運行，在1#、2＃、3＃港機上加裝了新型的APF有源濾波裝置，產(chǎn)品型號：APF-0.4/200A共計三套。APF運行后，調試人員對港機進行滿載考核，測量和錄下濾波器投入前后的系統(tǒng)電能情況。,用戶情況,波形沒有毛刺了！,（a）APF投入前系統(tǒng)電壓電流波形 （b）APF投入后系統(tǒng)電壓電流波形,,APF投入前后實測數(shù)據(jù)一,應用效果,（c）APF投入前

30、系統(tǒng)諧波分析圖 （d）APF投入后系統(tǒng)諧波分析圖,,APF投入前后實測數(shù)據(jù)二,有了APF,諧波濾除了！,應用效果,APF有源濾波效果：,結論,沖壓線負荷特點：沖擊電流大（瞬間沖擊電流達到了數(shù)百安培），給電力系統(tǒng)帶來大量的沖擊性無功功率，造成電壓波動，功率因數(shù)低。變化快，沖壓機工作時負荷在短時間內(nèi)周期波動。諧波大，主要是5、7、11、13次諧波，屬于非線性負荷。,APF用在沖壓線負荷,應用案例二,沖壓線負荷

31、工作時產(chǎn)生的沖擊性無功功率造成電網(wǎng)電壓大幅度波動，影響電能質量。沖壓線負荷產(chǎn)生的大量沖擊性無功，造成網(wǎng)損增加加，變壓器輸出能力不夠，系統(tǒng)不能經(jīng)濟運行。產(chǎn)生諧波污染，影響系統(tǒng)電能質量。,沖壓線負荷對電網(wǎng)的影響,情況簡介：地點：沖壓線4#變電所1600KVA變壓器主要負荷：沖壓機床和一些其他用電設備問題描述：沖壓機床在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生了大量的高次諧波，主要為5、7、9、11等次諧波，造成電網(wǎng)電能質量下降，影響其它設備的正

32、常運行和工藝質量。最終解決方案：為濾除諧波，改善電能質量，變壓器低壓母線安裝了一臺APF有源濾波裝置。,用戶情況介紹,（a）APF投入前系統(tǒng)諧波分析圖 （b）APF投入后系統(tǒng)諧波分析圖,APF投入前后實測數(shù)據(jù),,有了APF,諧波濾除了！,應用效果,APF有源濾波效果：,結論,直流電機負荷特點：沖擊大，功率因數(shù)低，屬于動態(tài)負荷，從 電機啟動、穩(wěn)定到制動一個工作周期一般 在幾分鐘之內(nèi)，而且在這

33、一過程中無功變 化大，功率因數(shù)在啟動加速階段最低 （0.4～0.7），制動階段則較高。產(chǎn)生大量諧波，6脈動典型諧波5、7次為主，12脈動主要諧波是11、13次。,APF用在直流電機負荷,應用案例四,直流電機工作時的沖擊電流大，啟動時需要大量無功，造成電壓跌落。電機頻繁動作，造成電壓反復波動。,大量高次諧波對電網(wǎng)產(chǎn)生諧波污染，影響到控制系統(tǒng)正常工作。無功消耗大，功率因數(shù)低，網(wǎng)損嚴重。,直流電機對電網(wǎng)的影響,

34、情況簡介：地點：三號煉膠中心主要負荷：密煉機 問題描述：密煉機工作起來不僅沖擊大，而且產(chǎn)生大量高次諧波。而根據(jù)原低壓變電所LC式濾波使用現(xiàn)狀來看，普遍存在不能正常投運現(xiàn)象，濾波效果不很理想。而經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)， LC式濾波在使用一段時間后，電容容量衰減，出現(xiàn)諧波放大，瞬間電流達到數(shù)百安培，是造成濾波頻繁故障的主要原因。解決方案：采用新型APF有源濾波裝置,用戶情況介紹,系統(tǒng)示意圖,APF投入前電源側電流,,電 源,,整流器,直

35、流電機M,AC 50Hz,,常見的有以下幾種：1.6脈動整流,諧波：5、7、11、13次等2. 12脈動整流,諧波：11、13、23、25次等,APF投入后電源側電流,系統(tǒng)示意圖,（a）APF投入前系統(tǒng)諧波分析圖 （b）APF投入后系統(tǒng)諧波分析圖,,APF投入前后實測數(shù)據(jù),有了APF,諧波濾除了！,應用效果,APF有源濾波效果：,結論,Thank You !,人有了知識，就會具備各種分析能力，明辨是非的能力