諧波的培訓以及有源電力濾波器的應用

1、諧波的培訓以及諧波的培訓以及有源電力濾波器有源電力濾波器的應用的應用有源電力濾波器應用實例有源電力濾波器應用實例 有源電力濾波器工作原理有源電力濾波器工作原理諧波治理方案諧波治理方案 諧波的產生諧波的產生諧波產生的危害諧波產生的危害 HAERBIN WEIHAN ELECTRIC EQUIPMENT CO,. LTD.HAERBIN WEIHAN ELECTRIC EQUIPMENT CO,. LTD. 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”已經成為影響電能質量的主要因素之一，因此進

2、行諧波治理也成為了現(xiàn)代電力生產發(fā)展的迫切要求。 harmonicsdistorted wavefundamental基波疊加5次和7次諧波整流電路整流電路交流調壓電路交流調壓電路交交變頻電路交交變頻電路諧波諧波影響電動機效率和正影響電動機效率和正常運行，壽命縮短常運行，壽命縮短加速電容器老化加速電容器老化繼電保護裝置繼電保護裝置誤動作誤動作容易引起局部諧振容易引起局部諧振影響通信系統(tǒng)影響通信系統(tǒng)的正常工作的正常工作增加變壓器和線路損耗增加變壓器和線路損耗1CZC2f電容器對高次諧波呈現(xiàn)低電容器對高次諧波呈現(xiàn)低阻抗特性阻抗特性諧波電流會更多的流過電諧波電流會更多的流過電容器，使電容器長期工作容器

3、，使電容器長期工作在過載情況，導致電容器在過載情況，導致電容器壽命縮短，甚至燒毀。補壽命縮短，甚至燒毀。補償柜投不上、電容器囂叫。償柜投不上、電容器囂叫。電動機轉矩產生脈動起動和運行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生機械振動和噪聲 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。諧波將導致保護裝置受到干擾而誤動或拒動，可靠性降諧波將導致保護裝

4、置受到干擾而誤動或拒動，可靠性降 低低。當有諧波存在時，將導致產生測量誤差。當有諧波存在時，將導致產生測量誤差。信息化設備無法正常工作。信息化設備無法正常工作。系統(tǒng)系統(tǒng)( (電網電網) )不穩(wěn)定，用電設備無法正常運行。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。精密、精細加工工藝流程無法正常生產。 導致結果：設備發(fā)熱，效率降低，異聲及振動，絕緣老導致結果：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，化及至擊穿，縮短使用壽命，嚴重時嚴重時導致電氣導致電氣火災事故火災事故。 設備設備產品產品費用費用支出支出安全安全諧波導致系統(tǒng)諧波導致系統(tǒng)中中電容器電容器的

5、老的老化、化、電抗器電抗器燒燒毀、損壞毀、損壞電動電動機機、危害、危害變壓變壓器器產生過熱、產生過熱、損壞損壞通信設備通信設備、加速、加速電纜電纜老老化?；?。諧波影響諧波影響生產生產線線的安全穩(wěn)定的安全穩(wěn)定運行，導致產運行，導致產品質量下降，品質量下降，例如：造紙、例如：造紙、紡織、等精密紡織、等精密生產行業(yè)等。生產行業(yè)等。諧波增加線路諧波增加線路損耗、導致用損耗、導致用戶用電費用增戶用電費用增加，設計容量加，設計容量提高。提高。諧波導致繼電諧波導致繼電保護裝置的誤保護裝置的誤動作和據動作動作和據動作，控制柜無法，控制柜無法正常工作，存正常工作，存在諧振危險，在諧振危險，增加電火災的增加電火災

6、的可能等?？赡艿?。 a 、1993 年國家技術監(jiān)督局制定頒布了 GB/T14549-1993 電能質量公用電網諧波標準，作為對電力系統(tǒng)產品電能質量的要求，規(guī)定了公用電網諧波電壓（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，產生的諧波電流符合 GB 17625.11998 低壓電氣及電子設備發(fā)出的諧波電流限制值標準。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

7、遵循電力法規(guī)定，“誰污染、誰治理”的原則。對于新投產的項目，必須根據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)了電網電能質量技術監(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，必要時依據電力法規(guī)定：“用戶

8、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），運用法律手段治理電能污染。 1國家標準對諧波的要求：國家標準對諧波的要求：1）、諧波電壓限值電能質量、公用電網諧波GB/T14549-93 公用電網諧波電壓（相電壓）電網標稱電壓kV電壓總諧波畸變率%各次諧波電壓含有率：%奇數(shù)偶數(shù)0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.81國家標準對諧波的要求：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：諧波電流允許值治理治理諧波諧波無源電力濾波器無源電力濾波器 利用電容器、電抗器和電阻器的適當組合而構成的濾

9、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。有源電力濾波器有源電力濾波器 其基本原理是產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。1()fnZRj n Ln C0f0fZ-XCXLXL=L=2fLXC=1/C=1/2fCLC容易容易諧振諧振容量固定容量固定參數(shù)易參數(shù)易變化變化效果不好！效果不好！消耗大量消耗大量有色金屬有色金屬 LCLC濾波支路是低阻分流原理，支路電阻與變壓器內阻并聯(lián)，反比分流，濾波支路是低

10、阻分流原理，支路電阻與變壓器內阻并聯(lián)，反比分流，濾波效果在濾波效果在5050左右，不高左右，不高 LCLC諧波源7次濾波13次濾波LCLC11次濾波5次濾波I5I7I11I13濾波器分組設計，占地面積大H5H7H11HP13LC1.濾波電抗器一般做成空芯的比較多，不宜放在柜內，2.占地面積大，不宜管理。噪聲也不小。HAERBIN WEIHAN ELECTRIC EQUIPMENT CO, LTD.HAERBIN WEIHAN ELECTRIC EQUIPMENT CO, LTD.諧振點容易變化 1()fnZRj n Ln C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

11、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 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 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

12、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。QPQCQF輕載時高次濾波支路投不上在輕負載情況下，系統(tǒng)內仍有諧波存在，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。LCLC諧波源7次濾波13次濾波LCLC11次濾波5次濾波I5I7I11I13在一個系統(tǒng)內不宜設置多處濾波已經投產，發(fā)現(xiàn)濾波容量做小了，或者用戶要擴產增容，已經投產，發(fā)現(xiàn)濾波容量做小了，或者用戶要擴產增容，增加了非線性負荷的容量，需要增加濾波器的容量

13、。這時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，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。并聯(lián)使用，整套裝置要推倒重來。濾波裝置各支路的投、切原則必須遵循：先低后高投入，先高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)。絲，故障保護等情況出現(xiàn)。濾波裝置各支路的投、切必

14、須遵循原則濾波裝置各支路的投、切必須遵循原則LC濾波器的濾波效果會受到電網頻率波動的影響，還與電網濾波器的濾波效果會受到電網頻率波動的影響，還與電網電壓的波動有關，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正

15、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。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。工作。LC濾波器的濾波效果會受到電網參數(shù)的影響，濾波器的濾波效果會受到電網參數(shù)的影響，無諧振無諧振靈活靈活效果效果好好無過載無過載動態(tài)動態(tài)連續(xù)連續(xù)有源電力濾波有源電力濾波器器優(yōu)優(yōu) 點點與諧波源并聯(lián)，為諧波提供通路，起到“疏”作用，具有投切方便、保護簡單的優(yōu)點。工

16、業(yè)多采用此方案。串聯(lián)于電源與負載之間，阻止負載諧波流入系統(tǒng)，起到“堵”作用。但投切、退出和保護比較復雜。無源濾波器和有源濾波器的組合結構，減少了有源電力濾波器的體積和成本 輸出控制計算計算檢測檢測容量容量接入點接入點電路結構電路結構根據需要根據需要補償負荷補償負荷的諧波次的諧波次數(shù)及容量數(shù)及容量確定有源確定有源電力濾波電力濾波器的容量器的容量根據補償根據補償效果及就效果及就地補償原地補償原則確定有則確定有源電力濾源電力濾波器接入波器接入點點根據接入根據接入點電壓及點電壓及負荷結構負荷結構確定有源確定有源電力濾波電力濾波器電壓等器電壓等級及電路級及電路工作電壓：380V、520V、660V電源頻

17、率：50/60Hz最大諧波電流：50A、100A、150A、200A、300A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 1 50A100A 10008002200 2 120A200A 100010002200 3 220A300A 2（100010002200）注：1、本裝置可以多臺柜并聯(lián)使用，擴大濾波能力。 2、柜體尺寸可根據用戶需求進行特殊設計。任選工任選工作模式作模式長時間安長時間安全運行全運行操作操作簡單簡單應用應用靈活靈活只補諧波、只補無功、諧波無功均補、補償諧波次數(shù)任選只補諧波、只補無功、諧波無功均補、補償諧波次數(shù)任選采用進口高品質采用

18、進口高品質IGBT、DSP及具有完善的保護功能及具有完善的保護功能采用大屏幕彩色觸摸屏、中文菜采用大屏幕彩色觸摸屏、中文菜單式操作、人機界面良好、可遠程通訊單式操作、人機界面良好、可遠程通訊可多臺并聯(lián)及與可多臺并聯(lián)及與TSC、TSF組合使用組合使用汽車制造汽車制造鋼鐵冶金鋼鐵冶金造紙業(yè)造紙業(yè)電氣化鐵道電氣化鐵道煙草行業(yè)煙草行業(yè)中頻爐負荷特點：中頻爐是將三相工頻（50Hz）交流電經整流電路變?yōu)橹绷麟?，再經逆變電路輸出單相的中頻（1000-1500Hz）交流電源供給爐子加熱。v 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。v 中頻爐是一個復雜的非線性電路，輸入側的電流是非正

19、弦波的，由此產生大量高次諧波注入電網。v 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。v 6脈動整流的中頻爐產生的諧波主要為：5、7、11、13次等諧波。 v 12脈動整流的中頻爐產生的諧波主要為：11、13、23、25次等諧波。中頻爐產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。詣波在電網中流動，引起的功率損耗都是無效損耗，加大網損。諧波使變壓器損耗加大，變壓器磁密按照基波電流設計

20、，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%的諧波電壓會產生5%的變壓器損耗。對自動化水平比較高的生產線、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。vLC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。 vLC濾波的電容器參數(shù)一旦偏移,產生諧振,燒毀電器設備。 vLC濾波靠阻抗分流,濾波效果一般在50%左右,不能有效濾波。v 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。vLC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。vAPF取消了濾波電容、濾波電抗

21、,LC再增容也達不到APF的濾波效果。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生大量諧波，導致同系統(tǒng)內其他數(shù)控設備總出現(xiàn)故障，影響企業(yè)正常生產。 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。 其它負載APF-200中頻爐IfISILAPF投入前ISAPF投入后ISLC濾波器投入后理想效果IS （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

22、系統(tǒng)諧波含量APF投入前后實測數(shù)據投入前后實測數(shù)據（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)據無源濾波器投入前后的實測數(shù)據（b）LC投入后系統(tǒng)諧波分析圖APF有源濾波與LC無源濾波效果對比：內容系統(tǒng)原始數(shù)據APF投入后效果LC投入后效果諧波電流總畸變率(%)24.84.515.25次電流含有率（%）17.80.910.87次電流含有率（%）10.30.86.411次電流含有率（%）7.70.57.513次電流含有率（%）6.00.45.9各次諧波濾除率（%）- 90約40-50僅對設濾波通道的諧波有效果功率因數(shù)0.950.95-0.96經常過補變頻器負荷特點：工業(yè)上常用的變

23、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?，再將直流電變?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。 交流交流- -交流交流交流交流- -直流直流- -交流交流主要有兩種：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)0.7-0.8APF投入后電源側電流投入后電源側電流電電

24、源源變頻器變頻器電機電機M負載側電流負載側電流ISILISAC 50HzAPF輸出電流輸出電流變頻器大量用在各種場合，諸如汽車涂裝線、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。產生諧波污染，導致電網電壓波形畸變，降低了電能質量。諧波干擾自動化生產線、精密精細設備正常工作，導致數(shù)據處理錯誤、程序紊亂，使繼電保護誤動作、拒動，造成安全事故。諧波對自身及電網安全、穩(wěn)定運行構成威脅，影響設備正常工作。對電網沖擊大，影響電壓穩(wěn)定。 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、行走電機，這些電機均采用交直交變頻驅動。如下圖所示：MPGMPGM

25、PGMPGMMPGM主變壓器起升電機1APF-2000.4kV母線旋轉電機變幅電機起升電機2行走電機 為了保證系統(tǒng)投入后安全經濟運行，在1#、2、3港機上加裝了新型的APF有源濾波裝置，產品型號：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。 （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)據一投入前后實測數(shù)據一 （c）APF投入前系統(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)據二投入前后實測數(shù)據二內容系統(tǒng)原始數(shù)據APF投入后效果諧波電流總畸變率（%）28.

26、53.1諧波電壓總畸變率（%）8.935次電流含有率（%）29.31.67次電流含有率（%）13.80.711次電流含有率（%）11.20.613次電流含有率（%）4.80.2各次諧波濾除率（%）-95 -96功率因數(shù)0.970.98 1APF有源濾波效果：有源濾波效果：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周期波動。諧波大，主要是5、7、11、13次諧波，屬于非線性負荷。沖壓線負荷工作時產生的沖擊性無功功率造成電網電壓大幅度波動，影響電能質量。沖壓線負荷產生的大量沖擊性無功，造成網損增加加，變壓器輸出能力不夠，系統(tǒng)不能經濟運行。產生諧波污染，影響系統(tǒng)電能質量。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：沖壓機床在生產過程中產生了大量的高次諧波，主要為5、7、9、11等次諧波，造成電網電能質量下降，影響其它設備的正常運行和工藝質量。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。 （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