供電系統(tǒng)諧波治理技術(shù)講座供電系統(tǒng)諧波治理技術(shù)講座

1、供電系統(tǒng)諧波治理技術(shù)講座無源電力濾波器的設(shè)計(jì)與調(diào)試華北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院2004.10.20一、無源LC濾波器基本原理和結(jié)構(gòu)LC濾波器仍是應(yīng)用最多、最廣的濾波器。1、常用的兩種濾波器：調(diào)諧濾波器和高通濾波器。J?苓kVXUIT4T-JTjh丁次為亦流謔波歸的裝設(shè)2、濾波器設(shè)計(jì)要求1 ）使注入系統(tǒng)的諧波減小到國(guó)標(biāo)允許的水平；2 ）進(jìn)行基波無功補(bǔ)償，供給負(fù)荷所需的無功功率。3、單調(diào)諧濾波器由圖主電路可求：調(diào)諧頻率:fr 1/2 LC調(diào)諧次數(shù)：hrfr/f1, Xc/Xl212R 處 2fc)R2f1 Xc)在諧振點(diǎn)：l z I = R 特征阻抗：品質(zhì)因數(shù):q=3060。q為設(shè)計(jì)濾波器的重要參數(shù)，

2、典型值4、高通濾波器用于吸收某一次數(shù)及其以上的各次諧波。如圖所示。C" ESI/.-!0f a j復(fù)數(shù)阻抗:j LRR j L32L2RR2 «2L2J R2LR2c/L2截止頻率:fo=2 CRho1Xc2 f1CRRLm= R2C結(jié)構(gòu)參數(shù)：，一般取 m=0.52; q=0.7 1.4依據(jù)以上三式可設(shè)計(jì)高通濾波器的參數(shù)。二、濾波器設(shè)計(jì)內(nèi)容和計(jì)算公式1、濾波器參數(shù)選擇原則原則：最小投資；母線 THDU和進(jìn)入系統(tǒng)的諧波電流最??；滿足無功補(bǔ)償?shù)囊螅槐ＷC安 全、可靠運(yùn)行。參數(shù)設(shè)計(jì)、選擇前必須掌握的資料：1 ）系統(tǒng)主接線和系統(tǒng)設(shè)備（變壓器、電纜等）資料；2 ）系統(tǒng)和負(fù)荷的性質(zhì)、大

3、小、阻抗特性等；3 ）諧波源特性（諧波次數(shù)、含量、波動(dòng)性能等）；4 ）無功補(bǔ)償要求；要達(dá)到的濾波指標(biāo)；5 ）濾波器主設(shè)備參數(shù)誤差、過載能力、溫度等要求。以上資料是濾波器參數(shù)選擇、設(shè)計(jì)必要條件。案例設(shè)計(jì)問題：沒有系統(tǒng)最終規(guī)模的諧波資料riiiUOMVA豪跌£min=98MVA耒自太平喪電站來自丸平變電站紳來自小水電翻砂廠5T10T710T10T宀1DT有時(shí)再加一組高通濾波器。工程接線可靈活多樣，但2、濾波器結(jié)構(gòu)及接線方式選擇 由一組或數(shù)組單調(diào)諧濾波器組成,推薦采用電抗器接電容低壓側(cè)的星形接線，主要優(yōu)點(diǎn)是：1 ）任一電容擊穿短路電流小；2 ）設(shè)備承受的僅為相電壓；3 ）便于分相調(diào)諧。高通

4、濾波器多采用二階減幅型結(jié)構(gòu)（基波損耗小，頻率特性好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單）。經(jīng)濟(jì)原因高通濾波器多用于高壓。交流波器的裝設(shè)1濾波器參數(shù)選擇原則原則：最小投資；母線 THDU和進(jìn)入系統(tǒng)的諧波電流最??；滿足無功補(bǔ)償?shù)囊?；保證安 全、可靠運(yùn)行。參數(shù)設(shè)計(jì)、選擇前必須掌握的資料：1 ）系統(tǒng)主接線和系統(tǒng)設(shè)備（變壓器、電纜等）資料；2 ）系統(tǒng)和負(fù)荷的性質(zhì)、大小、阻抗特性等；3 ）諧波源特性（諧波次數(shù)、含量、波動(dòng)性能等）；4 ）無功補(bǔ)償要求；要達(dá)到的濾波指標(biāo)；5 ）濾波器主設(shè)備參數(shù)誤差、過載能力、溫度等要求以上資料是濾波器參數(shù)選擇、設(shè)計(jì)必要條件。本案例1段母線濾波器接線（圖紙拷貝）。IO-ION13JwsI HR

5、5; i(f1TA忖伸 11053、濾波器設(shè)計(jì)參數(shù)的分析處理參數(shù)設(shè)計(jì)必須應(yīng)依據(jù)實(shí)測(cè)值或絕對(duì)可靠的諧波計(jì)算值，但根據(jù)具體情況可作一些近似處理：1 ）母線短路容量較小或換算得到的系統(tǒng)電抗（包括變壓器）XS較大時(shí)，可忽略系統(tǒng)等值電阻RS2 ）系統(tǒng)原有諧波水平應(yīng)通過實(shí)測(cè)得到，在濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，新老諧波電流源應(yīng)一起 考慮；3 ）L、C制造、測(cè)量存在誤差，以及 f、T變化可能造成濾波器失諧，誤差分析是參數(shù) 設(shè)計(jì)必須考慮的問題；4 ）參數(shù)設(shè)計(jì)涉及技術(shù)指標(biāo)、安全指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，往往需經(jīng)多個(gè)方案比較后才能確定。4、濾波器方案與參數(shù)的分析計(jì)算1）確定濾波器方案確定用幾組單調(diào)諧濾波器，選高通濾波器截止頻率，以及用

6、什么方式滿足無功補(bǔ)償?shù)囊?求。例如：三相全波整流型諧波源，可設(shè)5、7、11次單調(diào)諧濾波器，高通濾波器截止頻率選12次。無功補(bǔ)償要求從容量需求平衡角度，通過計(jì)算綜合確定。2 ）濾波器基本參數(shù)的分析電容器基本參數(shù)：額定電壓 UCN額定容量 QCN基波容抗 XC而XC=3U2CN/QCN（這 里QCN是三相值）。為保證電容器安全運(yùn)行，電壓應(yīng)限制在一定范圍內(nèi)。3）濾波器參數(shù)的初步計(jì)算（按正常條件）U C1U Ch 1.1U CNh 11.16Ucn2 2l'UC1hUchV h 1設(shè)h次諧波電壓含有率為 HRUh通過推導(dǎo)可得到：X(HRUhUq hQ 3U Cn 3U Cn I hClhCNX

7、c(HRUh)UjhqIc1 Ich 1.3Icn其中，q為濾波器的最佳品質(zhì)因數(shù)。以上是從保證電容器電壓要求初步選擇的參數(shù)。但為保證電容器的安全運(yùn)行還應(yīng)滿足過電流和容量平衡的要求，公式如下：QcnQC1Ch4）濾波器參數(shù)的初步計(jì)算 串聯(lián)電抗器參數(shù)XlL乞IL1 1.3 Qcn13UcnXch2以上為單調(diào)諧濾波器參數(shù)的初步選擇。5）濾波器參數(shù)的最后確定濾波器最終參數(shù)需通過大量、多次頻率特性仿真計(jì)算結(jié)果確定；并根據(jù)要求指標(biāo)進(jìn)行校驗(yàn)。為保證安全運(yùn)行，還要選斷路器、避雷器、保護(hù)等。自動(dòng)調(diào)諧濾波器（改變電感L）能提高濾波效果。但由于技術(shù)經(jīng)濟(jì)的原因，目前應(yīng)用不 普遍。5、濾波器參數(shù)指標(biāo)的校驗(yàn)1）電壓平衡：

8、校驗(yàn)支路濾波電容器的額定電壓h?25UCN 2 U1Uhh 1h 22）電流平衡：校驗(yàn)濾波電容器的過電流水平，IEC 為 1.45 倍。iCi1 Ch 1 -3I C1容量平衡：QCN= QC1（基波容量）+2 Q h （諧波容量）;3）對(duì)濾波支路僅考慮11和Ih通過時(shí)，近似有:Qcn hU；3UChIhJ® )2h 16、其它分析、1）濾波支路等值頻偏計(jì)算工作（總失諧度）的計(jì)算f11 （ L Cf12 （ L2）濾波支路品質(zhì)因數(shù)Cq值的計(jì)算r)q ctg( s/2)q 21 cos s2 sin s其中，3 s為濾波器接點(diǎn)看進(jìn)去的系統(tǒng)等值阻抗角。3）濾波器性能和二次保護(hù)等分析計(jì)算濾

9、波器設(shè)計(jì)的技術(shù)性很強(qiáng)， 需有專門的程序。除參數(shù)計(jì)算外，要能對(duì)濾波器的諧波阻抗、 綜合阻抗、諧波放大、局部諧振（串、并聯(lián)）等濾波性能進(jìn)行分析。三、案例濾波器設(shè)計(jì)方法介紹1案例簡(jiǎn)介乘自太平變電站h,4M=159MVA nirl1OHVA來自太宰變電站m«（=141MVk min=98MVA1rI 1 丨ir車間吏m=l34MVA翻砂廠101eLOT810T5T2*g5TV Mior loi8 ior豐水期諸2、諧波數(shù)據(jù)合成6,特征諧波值為6K± 1次諧波。非對(duì)稱觸發(fā)中頻爐屬交-直-交供電，換流脈動(dòng)數(shù)為 等原因，存在非特征諧波。5、11、13 及福建中試測(cè)試：線 2、線4和中頻爐

10、饋線；各諧波電壓畸變率全部超標(biāo)， 以上諧波電流超標(biāo)。非在電網(wǎng)最小方式、 鋼廠非滿負(fù)荷下的測(cè)試， 測(cè)試結(jié)果偏??；及今后8臺(tái)爐投運(yùn)超標(biāo)肯 定更大。設(shè)計(jì)問題：沒有單臺(tái)電爐諧波測(cè)試數(shù)據(jù)，沒有新供電方案下負(fù)荷同時(shí)運(yùn)行測(cè)試數(shù)據(jù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及現(xiàn)有供電方案諧波測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析獲取設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。按電爐變80 %負(fù)荷率合成各母線諧波電流。3、基波無功容量計(jì)算按母線電爐全部運(yùn)行功率因數(shù)大于0.9 ,單爐運(yùn)行功率因數(shù)應(yīng)小于1 ,治理前平均功率因數(shù)取0.85條件，通過程序計(jì)算各段母線的三相基波補(bǔ)償容量：10KV I 段：Q=3.8MVAR10KV II 段：Q=2.65MVAR605 頻爐線： Q=1.9MVAR4、考核標(biāo)準(zhǔn)

11、計(jì)算和濾波器配置選擇根據(jù)各母線的短路容量，計(jì)算各段母線電爐運(yùn)行過程中的諧波考核標(biāo)準(zhǔn)；以及對(duì)比合成 的諧波電流水平，選擇、配置各段母線的濾波器?？傠妷夯兟蕠?guó)標(biāo)規(guī)定的限值各級(jí)電網(wǎng)諧波電壓限值（%電壓（KV）THD奇次偶次0.385.4.02.06.10.43.21.635.6632.41.211021.60.0允許注入電網(wǎng)的各次諧波電流國(guó)標(biāo)規(guī)定限值（部分）標(biāo)準(zhǔn)電壓區(qū)路容童槪爛翳波電淤淞(KV)(MVA)2 345678910111213叮81078 6239 62 264419 21628 13 2410043 34213414241111 S516 71131010025 2013 20 8.

12、5156.4 6.8 5P.3 4.3 口3525015 127.6 12 5.18.83.8 4.1 3.152.6 4.7短路容量不同時(shí)的換算公式:1 hI hpSq根據(jù)短路容量換算案例的各母線諧波電流允許值。標(biāo)稱電壓(KV基準(zhǔn)短 路容量(MVA234567891011010.0100.00.260020.0013.0020.0008.5015.0006.4006.8005.1009.3(I)010.0116.0025.0016.5012.5016.9008.2013.3006.1006.5004.9008.7(11)010.0116.0019.1010.1009.5010.8006.20

13、09.0004.7005.0003.7006.5(605)010.0080.0011.1005.1005.6005.6003.6004.9002.7002.9002.2003.7標(biāo)稱電壓(KV基準(zhǔn)短路容量(MVA12131415161718192021010.0100.0004.007.003.004.003.006.002.005.002.002.9397120846(I)010.0116.0004.007.003.003.003.005.002.005.002.002.8156918725(II)010.0116.0003.005.002.003.002.004.002.004.001.0

14、02.1277034109(605)010.080.0001.003.001.001.001.002.001.002.001.001.20836846231標(biāo)稱電壓(KV)基準(zhǔn)短路容量(MVA2223232425010.0100.0002.3.004.5.004.5002.1004.1(I)010.0116.0002.2004.3004.3002.0003.9(II)010.0116.0001.7003.3003.3001.5003.0(605)010.0080.0001.0001.9001.9000.9001.8與合成的案例諧波比較： 各母線諧波電流均超標(biāo)， 由于裝置的非同時(shí)觸發(fā)， 存在非特

15、征諧波 超標(biāo)的現(xiàn)象。因此只能對(duì)主要的頻譜進(jìn)行設(shè)置濾波器； 由于電爐運(yùn)行方式大幅度變化， 特別是10KV I段負(fù)荷變化較大，受基波無功補(bǔ)償容量限制，參數(shù)設(shè)計(jì)存在難度及影響其濾波效 果。綜合考慮：各母線配置 5、7、11、13次濾波器。5、濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)（以 10KV I段為例）由于中頻爐諧波為連續(xù)頻譜諧波，以及基波補(bǔ)償電容器的限制，濾波器參數(shù)設(shè)計(jì)很難滿足要求，經(jīng)幾十次分析、比較，確定的案例最終單相參數(shù)如下：H5H7H11H13合計(jì)電容器（卩F）27.5159220.777333522.98421二相電容器安裝容量（kvar）18301350186012696309三相基波輸出容量（kvar ）9

16、0066611087263400電抗器（毫亨）14.745229.961782.395222.61115考慮的問題：濾波效果，電壓、電流、容量是否能夠平衡，是否存在諧波放大，無功是否過 補(bǔ)等，通過對(duì)參數(shù)進(jìn)行多次仿真，調(diào)整、比較和評(píng)估設(shè)計(jì)效果，。1段母線補(bǔ)償電容器和濾波器同時(shí)運(yùn)行仿真示例:電力親蛭普測(cè)泊豐打卬直毀 逅口笹壯因 左Lift）真-；本商二吋宙昨性攜（曲瞬I點(diǎn)奢攻卻釵蝕韌（1-工吧龍珂的取兀待撤at31區(qū)二:前一；盂行工出捫曙憾性區(qū)純I孚:a特圏和閱電I町福I Sb直卩.|劃申麗'i ©曲0司Q凸卷申既0金 餌僅濾波器投入運(yùn)行的仿真示例。四、設(shè)備定貨、施工和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試1

17、、擬合標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)與產(chǎn)品定貨按設(shè)計(jì)參數(shù)選配、擬合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)格電容器，考慮電抗器調(diào)節(jié)范圍，提出溫升、耐壓、損耗 等指標(biāo)。電容器要求+誤差，電抗器土 5緬調(diào)，電容器質(zhì)量。注意濾波電容器，干式、油侵電容器等問題。2、工程施工需要注意的問題LC 濾波器屬工程，結(jié)合用戶現(xiàn)場(chǎng)條件、情況，設(shè)計(jì)單位應(yīng)提供完善的工程資料，安裝、 施工要求；由于濾波器現(xiàn)場(chǎng)安裝，要求工程單位按設(shè)計(jì)施工、保證質(zhì)量；做詳細(xì)安裝檢查， 保證連接正確，防止相序、設(shè)備接線錯(cuò)誤案例施工中的問題：連接、保護(hù)3、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試主要要求和方法1 ）要求：保證系統(tǒng)可靠運(yùn)行，避免系統(tǒng)與濾波器諧振造成的諧波放大；投切過電壓限制在有效范圍內(nèi)；保證濾波本身安全運(yùn)行， 不會(huì)

18、導(dǎo)致電容、電感、電阻等不發(fā)生穩(wěn)態(tài)過負(fù)荷， 以及投、切時(shí)的過電壓、過電流不損壞本體設(shè)備。其中，多數(shù)與設(shè)計(jì)有關(guān) 。2 ）步驟：測(cè)量各種工況諧波；計(jì)算系統(tǒng)和濾波器頻率特性，研究是否可能出現(xiàn)諧波放 大，決定濾波器是正調(diào)偏還是負(fù)調(diào)偏；計(jì)算調(diào)整后的過電壓、過電流；分析、考慮配置的保護(hù)，避雷器對(duì)投切、 斷路器重燃過電壓有重要作用；編寫濾波器投入方案，測(cè)量考核濾波效果。案例調(diào)試中發(fā)生的問題:3 ）方法：幅頻特性法：諧振時(shí) Z=R濾波器電流最大；電阻上的電壓最大，濾波器總電壓最小； 因此，通過觀測(cè)兩個(gè)電壓與預(yù)估的電壓比較，可確定調(diào)諧回路的諧振。缺點(diǎn)：誤差大，有計(jì)算誤差、試驗(yàn)誤差和觀測(cè)誤差。相頻特性法：把電阻電壓

19、和濾波器總電壓分別送示波器兩個(gè)通道進(jìn)行相角比較，可確 定濾波器是否諧振?？刹捎猛S或不同軸兩種方法。同軸法看到的是點(diǎn)重合或相反，因此誤差大；不同軸法通過橢圓變成直線確定諧振，因此觀察比較容易，準(zhǔn)確，工作量小。放電振蕩法：過程如圖1吞5£攜th放電時(shí)測(cè)量R上電壓，記錄波形； 測(cè)量周波時(shí)間，可計(jì)算諧振頻率。缺點(diǎn)：每測(cè)一次都需充、放 電一次，過程復(fù)雜，也不夠準(zhǔn)確。因此，三種方法中，相頻特性法比較實(shí)用，而且可用頻率計(jì)實(shí)際測(cè)量諧振頻率；改變信 號(hào)發(fā)生器頻率，還可以測(cè)量濾波器的阻抗頻率特性。實(shí)際工程一般采用-5% （負(fù)偏）調(diào)諧濾波器。4、案例工程運(yùn)行測(cè)試結(jié)果（1段母線） 投運(yùn)前：電壓（V）電流（A）功率因數(shù)電壓總畸變率%電流總畸變率%98005400.8810.15.1投運(yùn)后