諧波治理方案

諧波治理方案諧波治理方案諧波治理方案諧波治理方案編制僅供參考審核批準生效日期地址：電話：傳真:郵編:諧波治理方案目錄評估依據：國家標準具體內容………2國家標準對諧波的要求…………2項目概述………………2現(xiàn)場情況描述項目背景…………2現(xiàn)場測試數據……………………5結論………………9諧波治理方案………………………9諧波來源及危害…………………9諧波的防護………………………11數值計算…………12設計選型…………14PQFS有源濾波器介紹………………16工作原理…………16PQFS有源濾波器技術數據……………………19安裝方式…………20控制技術…………20無功補償功能……………………21PQFS典型應用效果……………21PQFS有源濾波器照片………………221.評估依據：國家標準具體內容1．1國家標準對諧波的要求：根據中華人民共和國國家標準《電能質量、公用電網諧波》GB/T14549-93中規(guī)定公用電網諧波電壓（相電壓）、電流限值如下：1）諧波電壓限值公用電網諧波電壓（相電壓）不應超過下表中規(guī)定的允許值。電網標稱電壓KV電壓總諧波畸變率%各次諧波電壓含有率：%奇數偶數102）諧波電流限值a)公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量（方均根值）不應超過下表中規(guī)定的允許值。諧波次數及諧波電流允許值：A1010100b)同一公共連接點的每個用戶向電網注入的諧波電流允許值按此用戶在該點的協(xié)議容量與其公共連接點的供電設備容量之比進行分配。2．項目概述2．1現(xiàn)場情況描述項目背景1）測試現(xiàn)場描述公司車間供電系統(tǒng)進行諧波檢測，本次測試儀器選用FLUKE435電能質量測試儀，測試點分別設置在低壓配電房總進線開關的輸出端（見圖一）、陰極涂布機密母插接箱電源開關的輸出端（見圖二）、化成機密母插接箱電源開關的輸出端（見圖三）、攪拌機控制箱電源開關的輸出端（見圖=4\*CHINESENUM3四）。經現(xiàn)場測試，線路存在較大的諧波電流，主要諧波次數為3次、5次、7次、11次。由于供電系統(tǒng)電能質量惡劣，諧波畸變率高，給設備的正常運行帶來了極大的安全隱患。測試點3#變饋線柜饋線柜饋線柜饋線柜采集點采集點圖一、低壓配電房測試點示意圖圖二、陰極涂布機測試點示意圖圖三、化成機測試點示意圖圖四、攪拌機測試點示意圖2．2現(xiàn)場測試數據2．2．1低壓配電房測試數據1）電壓波形圖2）電流波形圖 3）諧波電流計量屏幕4）諧波電壓計量屏幕 5）諧波頻譜屏幕6）記錄數據附錄一：低壓配電房測試記錄數據；附錄二：低壓配電房測試諧波頻譜全圖。2．2．2陰極涂布機測試數據1）電壓波形圖2）電流波形圖 3）諧波電流計量屏幕4）諧波電壓計量屏幕5）諧波頻譜屏幕6）記錄數據附錄三：陰極涂布機測試記錄數據；附錄=4\*CHINESENUM3四：陰極涂布機測試諧波頻譜全圖。2．2．3化成機測試數據1）電壓波形圖2）電流波形圖 3）諧波電流計量屏幕4）諧波電壓計量屏幕5）諧波頻譜屏幕6）記錄數據附錄=5\*CHINESENUM3五：化成機測試記錄數據；附錄=6\*CHINESENUM3六：化成機測試諧波頻譜全圖。2．2．4攪拌機測試數據1）電壓波形圖2）電流波形圖3）諧波電流計量屏幕4）諧波電壓計量屏幕5）諧波頻譜屏幕6）記錄數據附錄=7\*CHINESENUM3七：攪拌機測試記錄數據；附錄=8\*CHINESENUM3八：攪拌機測試諧波頻譜全圖。2．3結論從現(xiàn)場測試得到的數據可以看出，供電線路中3、5、7、11、13次諧波電流含量較高，其中最高的諧波電流總畸變率達﹪，大大超過國家標準GB/T14549《電能質量公用電網諧波》所規(guī)定的諧波限值，供電系統(tǒng)的電能質量污染程度非常嚴重，存在極大的安全隱患，必須引起有關部門高度重視，應及時治理。3．諧波治理方案3．1諧波來源及危害諧波是對周期性交流量進行付立葉級數分解，得到的基波頻率大于1的整數倍的頻率分量。由于諧波的頻率是基波頻率的整數倍，也常稱它為高次諧波。電力系統(tǒng)本身包含的能產生諧波電流的非線性元件主要是變壓器的空載電流，交直流換流站的可控硅控制元件，可控硅控制的電容器、電抗器組等。但是，電力系統(tǒng)諧波更主要來源是各種非線性負荷用戶，如各種整流設備、調節(jié)設備、電弧爐、軋鋼機以及電氣拖動設備。各種低壓電氣設備和家用電器所產生的諧波電流也能從低壓側饋入高壓側，對于這些設備，即使供給它理想的正弦波電壓，它的電流也是非正弦的，即有諧波電流存在。非線性負載其諧波含量決定于它本身的特性和工況，基本上與電力系統(tǒng)參數無關，因而可看作諧波恒流源。這些用電設備產生的諧波電流注入電力系統(tǒng)，使系統(tǒng)各處電壓含有諧波分量。由諧波引起的設備事故屢見不鮮。諧波已成為污染公用電網和危害其它設備的“公害”。諧波對電力系統(tǒng)或并聯(lián)的負載產生的種種危害，危害的程度決定于諧波量的大小、現(xiàn)場條件等因素。諧波的危害主要表現(xiàn)為：1）對變壓器的危害諧波電流使變壓器的銅耗增加，特別是3次及其倍數次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱；對全星形連接的變壓器，當繞組中性點接地，而該側電網中分布電容較大或者裝有中性點接地的并聯(lián)電容器時，可能形成3次諧波諧振。其次是產生機械震動、噪聲和諧波過電壓。2）對繼電保護裝置的危害繼電保護裝置采用電磁型和感應型繼電器時，基本不受諧波影響。整流型和晶體管型繼電器對諧波較為敏感，有可能引起誤動作。目前在中壓系統(tǒng)大量應用的組合式過流繼電器多為晶體管型，其中有些產品設置涌流等功能，能夠通過對變壓器的投切造成的勵磁電流中特定次數諧波進行檢測，避免涌流造成的誤動作，差動繼電器、零序及負序繼電器由于整定值小，易受諧波電流影響。3）對電容器補償裝置的危害為提高系統(tǒng)功率因數，通常需裝設并聯(lián)電容器組。在工頻頻率下，這些電容器的容抗比系統(tǒng)感抗大的多，不會產生諧振。但對高次諧波，系統(tǒng)感抗大大增加，而容抗減小，就有可能產生并聯(lián)或串聯(lián)諧振。并聯(lián)電容器與供電系統(tǒng)形成并聯(lián)諧振，會使諧波電流放大，以致于電壓及電流的畸變更為嚴重。此外，諧波電流疊加在電容器的基波電流上，會使電容器的電流有效值增大，溫升升高，會降低電容器的使用壽命或使電容器損壞。所以在含有諧波的供電系統(tǒng)中，不能使用單純投切電容器組的無功功率補償裝置。4）對配電系統(tǒng)的危害對配電的影響主要表現(xiàn)在線路損耗增加，增加功率損耗。同時諧波電壓產生的尖峰加速線纜絕緣的老化，引起浸漬絕緣的局部放電，溫升增大，縮短線纜使用壽命。民用建筑常見的三次諧波在N線上的積累，極易造成N線的過載。由于大部分情況下，配電系統(tǒng)在N線上不設置保護裝備，N線的超負荷運行，埋下了火災隱患。5）對低壓開關設備的危害對于配電用斷路器來說，全電磁型斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱。同時，由于對電磁鐵的影響與渦流影響使脫扣困難，且諧波次數越高影響越大；對于熱磁型斷路器，由于導體的集膚效應與鐵耗增加而引起發(fā)熱，使額定電流與脫扣電流降低；對于電子型斷路器，諧波也會降低其額定電流，尤其是檢測峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。由此可知，上述三種配電斷路器都可能因諧波產生誤動作。對于漏電斷路器來說，由于諧波泄漏電流的作用，可使斷路器異常發(fā)熱，出現(xiàn)誤動作或不動作。對于電磁接觸器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響觸點、線圈溫度，使額定電流降低。對于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響，會使額定電流降低。在工作中它們都有可能造成誤動作。6）對電動機危害諧波對旋轉電動機的危害主要是產生附加的損耗和轉矩。由于集膚效應、磁滯、渦流等隨著頻率的增高而使電動機的鐵心和繞組中產生的附加損耗增加。正序諧波嘗試使電動機運行速度比基波更快,而負序諧波則嘗試使電動機運行比基波更慢,在兩種情況下,電動機均失去轉矩并且開始發(fā)熱。諧波電流產生的諧波轉矩對電動機的平均轉矩的影響不大，但諧波會產生顯著的脈沖轉矩，可能出現(xiàn)電動機轉軸扭曲振動、噪聲很大的問題。7）對弱電系統(tǒng)的危害a.當建筑的通訊系統(tǒng)等弱電系統(tǒng)線路采用金屬管、金屬線槽敷設或采用屏蔽線纜時，諧波通過電磁感應耦合、靜電感應偶合方式的干擾基本可以排除.但弱電設備的電源部分如交換機電源、樓控系統(tǒng)DDC現(xiàn)場電源等會受到零線上的諧波干擾，嚴重時可燒毀電源模塊.部分超聲波傳感器等可能受到影響無法正常工作。b.計算機廠家一般規(guī)定其產品允許接受饋電電壓的THDu為3～5%，電壓峰值和有效值之比必須在±范圍內。嚴重的諧波電壓畸變可導致計算機及其UPS工作失常。諧波會使計算機的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動變化，并使機內的元件出現(xiàn)過熱，使計算機及數據處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤。c.各種裝有微電子控制的裝置的辦公電器均會受到諧波影響，嚴重時可造成電子芯片燒毀。電視機、顯示器易受高頻諧波干擾，出現(xiàn)閃爍和異常色帶。另外，間諧波電壓能引起圖象翻滾，對陰極射線管的圖象產生周期性的放大和縮小。d.各類以電源電壓過零點為基準的計時器，在諧波電壓含有量較高時，電壓過零點增多，計時會出現(xiàn)正誤差。8)對測量儀表的危害電工測量儀表通常是按工頻正弦設計。其中常見的感應式電能表頻率響應很差，記錄三次諧波功率時相差20%,記錄五次諧波功率時相差可達40%左右。有些用戶配電系統(tǒng)中含有大量諧波源，可向電網反送諧波有功功率，可能造成實付電費高于它所消耗的基波有功功率的應付電費。而無諧波源的用戶在接受含諧波電壓的電源供電時，會由于負載產生的額外的諧波損耗而多付電費。采用均方根值和平均值測量原理的電流表、電壓表及電量變送器均會受到諧波影響，產生精度偏差，其中奇次諧波引起的偏差遠大于偶次諧波，電壓表誤差大于電流表誤差。采用有效值原理的測量儀表可以獲得較寬的頻率特性。同樣，諧波對相位測量、功率因數測量儀表影響較大。級或更高精度的電磁式CT、PT，對于2000Hz以下的電流或者1000Hz以下的電壓，具有較好的頻率特性。對于更高頻率的諧波分量，CT、PT二次輸入值會小于預期值。9)對氣體放電燈具的危害氣體放電燈具自帶的補償電容，在諧波電流含有率高時，會發(fā)熱并減少壽命。10)對人體的影響從人體生理學角度說，人體細胞在受到刺激興奮時，會在細胞膜靜息電位基礎上發(fā)生快速電波動或可逆翻轉，其頻率如果與諧波頻率相接近，電網諧波的電磁輻射就會直接影響人的腦磁場與心磁場。3．2諧波的防護近幾年來許多廠礦企業(yè)大量使用可控硅整流和換流、電弧爐、中頻爐等諧波干擾源負荷設備，這些設備在吸收大量無功功率，使用戶的功率因數減低的同時，也使諧波問題日趨嚴重。《中華人民共和國電力法》指出:“用戶用電不得危害供電、用電安全和擾亂供電、用電秩序”，《供電營業(yè)規(guī)則》中規(guī)定：“用戶的非線性阻抗特性的用電設備接入電網運行所注入電網的諧波電流和引起公共連接點至正弦波畸變超過標準時，用戶必須采取措施予以消除。”所以用戶有義務采取必要的措施治理諧波，保證電壓畸變不超過限度。目前諧波防治主要是裝用無源諧波濾波器和裝用有源諧波調節(jié)器。

無源諧波濾波器由濾波電容器、電抗器和電阻器組合而成，即所謂LC濾波器。它與諧波源并聯(lián)，除了起濾波作用外，還兼顧無功補償的需要。這種濾波器最早出現(xiàn)，因其結構簡單、投資少、運行可靠性較高以及運行費用較低，應用較為廣泛。但也存在一些問題，如當系統(tǒng)結構或參數發(fā)生變化或濾波器本身參數變化時，濾波器可能產生諧波放大，而且這種濾波器對電壓波動、負序等不能綜合治理。隨著大功率電力電子器件技術的突破和發(fā)展，ABB公司推出了采用脈沖寬度調制（PWM）技術等構成的有源諧波濾波器。其基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，并且已獲得廣泛應用。3．3數值計算3．3．1低壓配電房測試數據計算供電線路主要次諧波電流值見表1表1：主要次諧波電流值總電流（A）THDI（﹪）I1（A）I3（A）I5（A）I7（A）I9（A）I11（A）I13（A）I15（A）I17（A）I19（A）103013﹪930844125I21（A）I23（A）I25（A）3．3．2陰極涂布機測試數據計算供電線路主要次諧波電流值見表2表2：主要次諧波電流值總電流（A）THDI（﹪）I1（A）I3（A）I5（A）I7（A）I9（A）I11（A）I13（A）I15（A）I17（A）I19（A）9590﹪73I21（A）I23（A）I25（A）3．3．3化成機測試數據計算供電線路主要次諧波電流值見表3表3：主要次諧波電流值總電流（A）THDI（﹪）I1（A）I3（A）I5（A）I7（A）I9（A）I11（A）I13（A）I15（A）I17（A）I19（A）19104﹪132I21（A）I23（A）I25（A）3．3．4攪拌機測試數據計算供電線路主要次諧波電流值見表4表4：主要次諧波電流值總電流（A）THDI（﹪）I1（A）I3（A）I5（A）I7（A）I9（A）I11（A）I13（A）I15（A）I17（A）I19（A）17124﹪12I21（A）I23（A）I25（A）3．4設計選型3．4．1低壓配電房供電線路根據表1數值電流諧波總畸變率THDI為13﹪，可以不在低壓配電房進行諧波治理，采用就地（末端）方式進行治理。3．4．2陰極涂布機負載根據表2數值電流諧波總畸變率THDI為90﹪，單臺陰極涂布機需要選用諧波補償電流為60A的PQFS三相=4\*CHINESENUM3四線有源濾波器，考慮到現(xiàn)場有多臺陰極涂布機，它們都由密集型母線經母線插接箱提供供電電源。由于母線插接箱供電開關選用塑殼斷路器或微型斷路器，并且箱體較小，布局緊湊，無法安裝采樣電流互感器（3只），無法接入有源濾波器一次電力電纜，因此采用對該條密集型母線負載進行集中諧波補償，諧波補償容量視陰極涂布機數量（包括容量）而定。3．4．3化成機負載根據表3數值電流諧波總畸變率THDI為104﹪，單臺化成機需要選用諧波補償電流為20A的PQFS三相=4\*CHINESENUM3四線有源濾波器，考慮到現(xiàn)場有多臺化成機，它們都由密集型母線經母線插接箱提供供電電源。由于母線插接箱供電開關選用塑殼斷路器或微型斷路器，并且箱體較小，布局緊湊，無法安裝采樣電流互感器（3只），無法接入有源濾波器一次電力電纜，因此采用對該條密集型母線負載進行集中諧波補償，諧波補償容量視化成機數量（包括容量）而定。3．4．4攪拌機負載根據表4數值電流諧波總畸變率THDI為124﹪，單臺攪拌機需要選用諧波補償電流為30A的PQFS三相三線有源濾波器，考慮到現(xiàn)場有多臺攪拌機，它們分別由各自變頻控制柜提供供電電源，因此采用對攪拌機負載進行單機諧波補償。3．4．5說明受現(xiàn)場測試時間限制，有的設備存在周期性工作制，測試數據或許存在局限性問題，但能基本反映負載諧波狀況。PQFS有源濾波器具有模塊化擴展能力，最多擴展至4個功率模塊。每個模塊最大補償電流為100A,可以選擇1個主模塊(M)加多個從模塊(S)組合方式，不存在過補償問題。具體參數詳見PQFS有源濾波器技術數據，模塊一次接線方式參見圖1和圖2。采用PQFS-M□+S□模塊組合補償方式一次主接線見圖1。圖1兩模塊一次主接線圖采用PQFS-M□模塊補償方式一次主接線見圖2。圖2單模塊一次主接線圖4.PQFS有源濾波器介紹工作原理PQFS有源濾波器工作原理見圖3圖3PQFS有源濾波器工作原理圖有源濾波器可測量諧波電流量，并產生與這些測量到的畸變電流相位相反大小相等的諧波電流，以起到抵消這些諧波污染量的作用。當諧波電流超過了有源濾波器的容量時，有源濾波器將其容量范圍的諧波分量濾去，剩余的諧波電流則存留在電網中。有源濾波器是一個補償電流發(fā)生器。其中補償電流發(fā)生器和控制系統(tǒng)是其最重要的部分。1）補償電流發(fā)生器圖4為PQFS補償電流發(fā)生器原理圖。圖4PQFS補償電流發(fā)生器原理圖圖4PQFS補償電流發(fā)生器原理圖補償電流由絕緣柵雙極晶體管（IGBT）組成的三相逆變器產生，采用脈寬調制技術（PWM），這種逆變器可以生成任意給定的電壓波形。由直流電容器作為IGBT逆變器的直流電壓源。這種逆變器與交流換流器具有相同的原理。逆變器的輸出電壓通過一個電抗器和一個小型濾波電路與網絡耦合，向網絡輸出補償電流。直流電容器是逆變器的電源，無需其他任何外加的電源。顯然，為了將補償電流注入網絡，直流電壓電平必須總是要保持高出網絡電壓峰值電平。在PQF中，直流電容器有一個預制電路，預制電路的功能是抑制電容充電時產生的可能導致?lián)p壞網絡電氣設備的浪涌電流。PWM電抗器的功能是將電壓源轉換成電流源。最后，由輸出濾波器吸收掉PWM產生的高頻分量。2）控制器(1)閉環(huán)控制和開環(huán)控制的控制方式:有源濾波器的控制系統(tǒng),將在閉環(huán)和開環(huán)電流控制之間進行選擇。在開環(huán)控制時,為了計算需要的補償電流量,將測量到的PQFS負荷側的諧波電流作為控制系統(tǒng)的輸入信號。圖5是PQFS閉環(huán)控制系統(tǒng)的信號流圖。圖中,將測量到的PQF負荷側的電流反饋至控制系統(tǒng)的輸入端,以使PQF的補償電流最小。PQFS的控制系統(tǒng)直接影響其濾波功能。閉環(huán)控制系統(tǒng)能動態(tài)監(jiān)測濾波效果，以CT監(jiān)測點的諧波含量達到用戶設定的要求為濾波最終目標，保證了濾波精度。閉環(huán)控制系統(tǒng)除了具有較高的控制精度外,還可以控制濾波器的階數。此外,閉環(huán)系統(tǒng)同樣保證了測量誤差不致引起大的補償偏差。(2)DSP控制:為了充分提高有源濾波的功能,采用用于實時的數字測量和數字控制技術。為了對系統(tǒng)諧波電流實現(xiàn)實時跟蹤,并按照要求對補償電流進行實時控制,采用數字信號處理(DSP)技術。在所需的信號當中,3個線電流信號顯然是必測的。二次側為5A的CT完全可以滿足我們的測量需要。首先要取到模擬信號,在數字化之前對其分級、反混淆濾波。然后通過快速、高精度的模擬-數字轉換器將模擬信號生成數字信號。這些數字信號被送入DSP中,DSP將控制測量信號和實時計算,并生成逆變器所需的PWM參考信號。而所有數字信號的輸入、輸出(包括對PWM逆變器的指令),則是由另一個微處理器來完成的。這一微處理器更多的是進行控制,而不是計算,它保證了諸如繼電器、觸點的動作。每個PQF系統(tǒng)都需要一個控制,這個控制可以同時處理幾個電源模塊。可對安裝在PQFS有源濾波器面板上多功能控制器進行所要濾去諧波次數和濾除程度目標值設定。PQFS（適用于三相三線/三相四線系統(tǒng)）PQFS同時濾除流過相線和中性線的諧波，包括零序諧波RMS單模塊有效濾除諧波電流能力（50HZ/60HZ）208V≤U≤240V380V＜U≤41530A30A45A45A60A60A70A70A80A80A90A90A100A100A中性線濾波能力3倍相線RMS電流CT的要求需要3個CT或以上精度)5VA，CT二次側電流為5A模塊化擴展能力最多擴展至4個功率模塊安裝組合墻上安裝工作允差+/-10%（電壓），+/-5%（頻率）可濾除諧波數3線：從第2諧波到第50諧波范圍內可同時選擇20種諧波4線：從第2諧波到第50諧波范圍內可同時選擇15種諧波濾波程度設定可對每次諧波進行單獨設定濾波能力可高達97%無功功率補償功率因數設定范圍從感性到容性相平衡補償可編程的相和相或相和中性線之間平衡功能通訊使用ModbusRTU通訊：采用特定的軟件（PQF-Link）通過RS-232接口通訊編程控制通過PQF-Manager、PQF-Link軟件（可選配件）和計算機（不提供）有效反應時間瞬時時間＜，40ms（濾波10-90%）有功功率損耗＜3%額定模塊功率防護等級IP30安裝尺寸（寬×深×高）585×310×700mm重量（一個模塊）120kg顏色RAL7035（淺灰色），可按要求提供其他顏色安裝墻上安裝，電纜下進線環(huán)境室內安裝，潔凈環(huán)境，建議安裝海拔高度不超過1000米（適當降容可至更高海拔）環(huán)境溫度-5℃至+40℃（溫度高于濕度最大95%RH（無凝露）主要選配件PQF-Link軟件電纜接線盒Modbus套件（采用RS485接口）打印機（采用RS232接口）溫度傳感器備注PQFS有源濾波器技術數據安裝方式主接線如圖1和圖2所示。PQFS有源濾波器直接并聯(lián)在系統(tǒng)中,其一次回路通過主開關和熔斷器連接到系統(tǒng)中,CT位置選擇在進線斷路器側。需要特別說明的是,PQFS有源濾波器濾波回路主開關主要起隔離作用，而熔斷器起保護作用。主要安裝特點是：1）并聯(lián)安裝在系統(tǒng)中；2）安裝非常容易，一次回路只需要連接3根