諧波治理與節(jié)能

1、通信電源系統(tǒng)諧波治理與節(jié)能一、諧波的產(chǎn)生與危害二、諧波治理方案與工程實(shí)踐三、諧波治理效果評(píng)估四、諧波治理工程的節(jié)能降耗效果五、結(jié)論與前景展望通信電源系統(tǒng)諧波治理與節(jié)能一、諧波的產(chǎn)生與危害1、電壓與電流波形分析2、諧波的產(chǎn)生3、諧波的危害基本概念v周期性非正弦波可以利用傅立葉級(jí)數(shù)分解為基波和諧波兩部分。v基波f1指頻率為F（中國(guó)為50Hz）的正弦波v諧波fn指頻率為F正整數(shù)倍的正弦波v諧波次數(shù)n諧波頻率與基波頻率的比值（n=fn/f1)基波與諧波基波基波 與與 三次諧波三次諧波基波基波 與與 五次諧波五次諧波諧波的形成 當(dāng)正弦波電壓施加在非線性負(fù)載上時(shí)，電流就畸變?yōu)榉钦也?，非正弦波電流在電網(wǎng)阻

2、抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。線性負(fù)載的特征v負(fù)載吸收的電流是與電壓頻率相同的正弦波電流，電流與電壓之間可能存在著固定的相位差v歐姆定律定義了線性負(fù)載的電壓與電流的比值為一個(gè)常數(shù)負(fù)載的阻抗v電流和電壓之間的關(guān)系是線性的。例如：白熾燈泡、電加熱器、電阻、電動(dòng)機(jī)、變壓器等v這類負(fù)載中沒有任何有源電子器件，只有電阻(R)、電感 (L) 和電容 (C)。非線性負(fù)載的特征v負(fù)載吸收的電流為周期性的，但不是正弦波電流，電流中因含有諧波而造成波形失真；v歐姆定律中定義的電壓和電流之間的關(guān)系不再有效，因?yàn)樨?fù)載的阻抗在一個(gè)周期內(nèi)是變的，電流和電壓之間的關(guān)系也不再是線性的了。不同負(fù)載產(chǎn)生的諧波標(biāo)準(zhǔn)的正

3、弦波形電流波形（變頻器）電流波形（日光燈）電流波形（電梯）與諧波相關(guān)的電氣參數(shù)總電流有效值（Irms） 它是基波電流有效值IH1與諧波電流IHk的平方和的根值：.2232221kIHIHIHIHIrms電壓和電流的諧波失真度 THD* % = 總失真度 = 100 基波的有效值所有諧波的有效值2、諧波的產(chǎn)生v電源本身諧波電源本身諧波 由于發(fā)電機(jī)制造工藝的問題，致使電樞表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布稍稍偏離正弦波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)稍稍偏離正弦電動(dòng)勢(shì)，即所產(chǎn)生的電流稍偏離正弦電流。當(dāng)然，幾個(gè)這樣的電源并網(wǎng)時(shí)，總電源的電流也將偏離正弦波。v由非線性負(fù)載所致由非線性負(fù)載所致 諧波產(chǎn)生的另一個(gè)原因是由于

4、非線性負(fù)載。當(dāng)電流流經(jīng)線性負(fù)載時(shí)，負(fù)載上電流與施加電壓呈線性關(guān)系；而電流流經(jīng)非線性負(fù)載時(shí)，則負(fù)載上電流為非正弦電波，即產(chǎn)生了諧波。v主要的非線性負(fù)載主要的非線性負(fù)載 （）開關(guān)電源的高次諧波，它由五部分組成：一次整流、開關(guān)振蕩回路、二次整流、負(fù)載和控制，這幾個(gè)部分產(chǎn)生的噪聲不完全一樣； （）變壓器空載合閘涌流產(chǎn)生諧波 ； （）單相電容器組開斷時(shí)的瞬態(tài)過電壓干擾； （4）UPS產(chǎn)生的諧波大功率UPS是通信電源系統(tǒng)中主要的諧波源。采用可控硅整流是UPS產(chǎn)生諧波的主要原因。UPS生產(chǎn)廠家提供的諧波指標(biāo)通常是滿載輸出時(shí)的數(shù)據(jù)， 而實(shí)際情況中UPS不可能運(yùn)行在滿載狀態(tài)下，特別在11冗余配置時(shí)，通常在40以

5、下。根據(jù)其整流方式的不同，UPS的諧波指標(biāo)一般在下列范圍： 6脈沖整流： 30 12脈沖整流： 20 IGPT整流： 10 由此可見，大功率UPS是通信電源系統(tǒng)最大的諧波源。3、諧波的危害v1）導(dǎo)致中性線電流過大，造成中性線發(fā)熱甚至發(fā)生火災(zāi)； v2）加大線路損耗，使電力電纜過熱、絕緣老化，電力電纜產(chǎn)生過負(fù)荷或過電壓；v3）大大增加電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能，諧振產(chǎn)生的過電壓和過電流會(huì)引起更嚴(yán)重的事故；v4）變壓器產(chǎn)生發(fā)熱，損耗增加，同時(shí)降低變壓器容量，諧波電壓的存在增加了變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及絕緣的電場(chǎng)強(qiáng)度，諧波電流的存在增加了銅損。工程中需增大容量配置，增加變損費(fèi)用和工程投資；v5）損害電網(wǎng)中

6、的敏感用電設(shè)備； v6）使電容器過載發(fā)生，加速電容器老化和損毀； 諧波的危害v7）對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置產(chǎn)生干擾和造成誤動(dòng)作或拒動(dòng)，造成區(qū)域性停電事故；v 8）畸變電流在旋轉(zhuǎn)電繞組中流通，使電機(jī)產(chǎn)生附加功率損耗而過熱，降低空調(diào)工作效率，增加能耗，產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩和噪聲；v 9）干擾發(fā)電機(jī)組的運(yùn)行，增大機(jī)組的配置容量； v10)使計(jì)算機(jī)內(nèi)的元件溫度出現(xiàn)過熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重甚至損害機(jī)器。 。 二、諧波治理方案與工程實(shí)踐1、配電示意圖2、現(xiàn)狀測(cè)量數(shù)據(jù)電流電壓綜合波形 基波有效電流基波有效電流 負(fù)荷綜合電氣數(shù)據(jù)負(fù)荷綜合電氣數(shù)據(jù)5次諧波電流次諧波電流 7次諧波電流次諧波電流 11次諧

7、波電流次諧波電流 13次諧波電流次諧波電流綜合諧波電流頻譜綜合諧波電流頻譜各次諧波電流統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：諧波電流次數(shù)諧波電流次數(shù)35791113151719212325UPS負(fù)荷側(cè)(A)：0.9841.08.870.2811.835.210.284.365.910.144.362.81各次諧波電壓統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：諧波電壓次數(shù)諧波電壓次數(shù)35791113151719212325UPS負(fù)荷側(cè)(V)：0.097.160.180.186.464.780.8012.2011.320.093.091.06從以上檢測(cè)結(jié)果看，負(fù)荷處產(chǎn)生的主要是以5、7次諧波為主的光譜諧波電流。其中總諧波電流畸變率THDI為30.6；總諧波

8、電流畸變率THDV為5.3； 3、諧波治理 近年來，通信系統(tǒng)中由于非線性負(fù)荷的日漸增多，特別是一些大功率UPS的大量應(yīng)用，導(dǎo)致電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的高次諧波電流，進(jìn)而電壓波形發(fā)生較大的畸變，引起系統(tǒng)的功率因數(shù)降低。低的功率因數(shù)和諧波，會(huì)造成設(shè)備自身和電網(wǎng)相當(dāng)大的附加無功電能，增加電網(wǎng)輸變電以至發(fā)電設(shè)備的負(fù)擔(dān)，影響設(shè)備運(yùn)行及壽命。故須采取必要的措施，以防止諧波電流在電網(wǎng)中傳送及流動(dòng)，從而消除諧波對(duì)供電系統(tǒng)及設(shè)備、通信與控制系統(tǒng)的不良影響。4、諧波治理方案（加裝有源濾波器）諧波治理主要方法比較增大電力系統(tǒng)的供電容量和電纜、開關(guān)等- - 諧波沒有消除- 成本昂貴11主電源Dynh3h92變壓器以不同的方式

9、聯(lián)接2僅限制3次和3n次諧波 h5, h7Ddy3無源無源濾波器濾波器L44只消除某幾次諧波55最有效消除諧波Accsine有源濾波器有源濾波器3僅削減5次和7次諧波 (增加整流器脈沖612)工作原理充電板塊充電板塊電源板塊電源板塊電流板塊電流板塊補(bǔ)償板塊補(bǔ)償板塊工程實(shí)施實(shí)例四、諧波治理效果評(píng)估v波形對(duì)比頻譜對(duì)比關(guān)鍵數(shù)據(jù)對(duì)比結(jié)論（A母線）結(jié)論（B母線）四、諧波治理工程的節(jié)能效果1、治理諧波是節(jié)能降耗的有效措施2、降低變壓器容量配置的節(jié)能效果3、降低發(fā)電機(jī)組容量配置的節(jié)能效果4、治理諧波后的節(jié)能效果1、治理諧波是節(jié)能降耗的有效措施1）電力變壓器： 轉(zhuǎn)換能量效能較高的設(shè)備，但也存在空載損耗、負(fù)載損

10、耗和熱損耗。其節(jié)能的主要措施是降低上述損耗。而諧波與這些損耗密切相關(guān)：其中渦流損耗、磁滯損耗分別與頻率的平方、頻率成正比，高次諧波的引入將增加額外的渦流損耗和磁滯損耗；鐵心由于急劇變化的磁通導(dǎo)致鐵損急劇增加，進(jìn)而使變壓器局部嚴(yán)重過熱；中性線上由諧波和不平衡引起的過電流會(huì)在三相變壓器線圈中出現(xiàn)環(huán)流從而產(chǎn)生附加損耗。2）電力線路： 供電線路線損是電力損耗的重要原因，低壓線路尤甚。節(jié)能的主要措施是治理電網(wǎng)低功率因數(shù)和諧波，從而減少線路電壓損耗。此外高頻率的諧波因加重導(dǎo)線的集膚效應(yīng)，進(jìn)而銅損急劇增加；嚴(yán)重時(shí)會(huì)使溫度升高，造成導(dǎo)線絕緣損壞 。3）油機(jī)： 在有諧波電網(wǎng)中，高次諧波電流直接返饋給發(fā)電機(jī)，在發(fā)

11、電機(jī)的繞組中引起感應(yīng)電流，使之發(fā)熱產(chǎn)生損耗，導(dǎo)致輸出功率降低。特別是5次和7次諧波電流嚴(yán)重時(shí)，會(huì)與基波磁場(chǎng)相互作用引起振蕩力矩產(chǎn)生機(jī)械振蕩，使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和噪聲。4）電氣設(shè)備： 大的諧波電流和低的功率因數(shù)會(huì)造成設(shè)備自身和電網(wǎng)相當(dāng)大的附加無功電能，影響設(shè)備運(yùn)行及壽命。 2、降低變壓器容量配置的節(jié)能效果諧波治理可降低變壓器容量的配置 UPS總?cè)萘浚?00KVA 容量配置比降低30% 50030150（KVA) 在即節(jié)省工程投資的同時(shí)，每月可節(jié)省變損費(fèi)： 150203000（元） 加上力調(diào)費(fèi)的節(jié)省，每年可節(jié)省電費(fèi)5萬元。3、降低發(fā)電機(jī)組容量配置的節(jié)能效果lIT中心主要的UPS系統(tǒng)有三套，兩套愛克

12、賽9315/130KVA和一套愛默生200KVA系統(tǒng)。其中，兩套9315均未6脈沖整流且未帶濾波裝置，諧波高達(dá)32，愛默生系統(tǒng)為12脈沖整流，諧波在25左右。l僅對(duì)UPS而言，發(fā)電機(jī)組容量配置為: 13022.52002.0933（KVA) 約為750KWl考慮諧波治理因素，則可降低容量配置: （1302200）1.5690（KVA) 約為550KWl由此可見，通過諧波治理，可降低發(fā)電機(jī)組容量200KWl在節(jié)省工程投資的基礎(chǔ)上，同時(shí)節(jié)省油耗。根據(jù)不同機(jī)組的功率油耗曲線， 每小時(shí)可節(jié)省柴油30升。l按每年機(jī)組運(yùn)行200小時(shí)計(jì)算，每年可節(jié)省約4萬元。4、治理諧波后的節(jié)能效果治理諧波后的節(jié)能效果l由工程實(shí)例測(cè)試數(shù)據(jù)可見： 諧波濾波器開機(jī)前總電流為210A+148A=358A 諧波濾波器開機(jī)前總電流為189A+130.3A=