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低压电网的谐波与有源滤波器

发布日期:2012-9-3

作者:蒋麦占 蒋麦占谈低压电网的谐波与有源滤波器下载

提要

* 谐波的特性

* 低压电网谐波主要来源及谐波电流估算

* 谐波电流的合成

* 谐波的危害

* 谐波标准

* 谐波治理措施之一

* 谐波治理措施之二

* 无源滤波器

* 并联型有源滤波器

* 工程现实问题及解决步骤

* 参考资料

谐波特性

谐波的三个特性:

1.半波对称性

2.相序性

零序

正序

负序

3.独立性

平衡电力系统中的线性网络对各次谐波的响应是独立的,可以将各次谐波分别进行处理。

谐波的特点

1.容易和系统发生谐振

串联谐振

并联谐振

2.谐波阻抗=基波阻抗×谐波次数

3.无法计算各谐波源的电势,但其谐波电流有规律可循

电磁兼容性中的各量的关系:

电磁兼容性中的各量的关系

谐波的主要来源及谐波电流估算

移相交流调压控制器:

主要设备:电阻加热调温、白炽灯、软启动器

* 单相设备:

单相设备

特点:1、流过网侧和负载侧是同一个电流

2、 I1 不同时出现

3、纯阻性负载时(R/Z=1)谐波电流最大

*三相设备或三相连接:

三相四线连接:YN

三相负荷对称:Y、D

三相电流型谐波源:

主要设备:直流调速装置、中频/高频感应电炉、电流型变频器

谐波电流

Ih/I1=1/h

h:谐波次数 对于特征谐波 h=6k+-1

电压型谐波源:

单相设备

主要设备:IT设备、电视机、电子镇流器

谐波电流:见参考资料[1]P88

特点:谐波含量大,I3/I1可达0.9左右

电压型谐波源:

三相设备

主要设备:变频器、UPS设备、EPS设备

谐波电流:

电压型谐波源

大小与短路比Rsc成正比例关系

Rsc=输入侧短路功率/装置直流额定功率

电压型谐波源1谐波电流 电压型谐波源2 基波电流

气体放电灯:

主要设备:钠灯…

谐波电流: Ih/I1 20% 典型值约14%

交流弧焊机:

谐波电流的合成

各次谐波电流的合成:

各次谐波电流的合成

Ih: 合成后的第h次的谐波电流

Ihi: 待合成的第I个h次谐波发射水平

〆:合成指数

各次谐波电流的合成1

〆=1:表示相位相同

谐波电流含量:谐波电流含量 全部各次谐波电流平方和之方根

总电流: 总电流等效发热电流

电流谐波畸变率 :电流谐波畸变率

谐波的危害

骚扰效应:

持续时间≥10 min ——长期效应(有效值)

持续时间≤3 s ——短期效应(最大值)

最易受害设备元件:

长期效应(有效值)——并联电容器过载,谐振;中性线过热

短期效应(最大值)——过程自动化仪表,医疗仪器,实验室仪器等

典型受扰单位:

变频器、UPS用量多的车间,IT设备量多的建筑等

谐波标准

公用网:

见《GB/T 14549-93 电能质量 公用电网谐波》

对电网限制——谐波电压

对各用户——谐波电流的分配

工厂网(专用网):

见《GB/T 18039.4-2003 电磁兼容 环境 工厂低频传导 骚扰的兼容水平》

主要限制谐波电压

一类:要求严;二类:同IEC标准中的公用网《IEC61000-2-2:1990或GB/T18089.3-2003》;三类:要求宽

不严格限制各设备的谐波电流,可按工程考虑。

谐波治理措施之一 减少设备的谐波电流发射水平

对移相调压:

——如不采用,则改用调幅调压

对电流型谐波源:

——增加整流相数(脉动数)

对电压型谐波源:

——增加整流相数(脉动数)

——减少Rsc(输入侧串电抗器)

谐波治理措施之二 减少电力电源系统的谐波阻抗

对于配电变压器:

——增大功率或减少短路阻抗 Xk%

——提升变压器原边电压等级,由10KV改为35KV

——绕组接线采用Dyn或Dd或Yd

——分割法 将谐波源和谐波敏感负荷分开由不同变压器供电

增设滤波器(并联型有源或无源滤波器):

——滤波器和配电变压器相比,其谐波阻抗较低,因而使低压系统谐波电压降低。不过滤波器与谐波源之间的谐波电流是仍然有的。

谐波治理措施之三 无源滤波器(并联型——LC串联)

分类及功能:

失谐滤波器

——各并联电容器串同一个电抗率的电抗,按最低次谐波频率偏离要大于10%来选取电抗率。例如有三次谐波时,电抗率选> 14%;其功能主要是补偿,有不大的滤波作用。

调谐滤波器

——不同滤波次数串联电抗的电抗率也不同,偏离调谐频率不大于10%,例如对三次谐波时,电抗率K选 13%;五次谐波电流时可选5%等;其功能主要是滤波,附带有补偿功能。

优点:

设备简单

——选用标准的电容器和特制的电抗器

价格较低

缺点:

LC参数要求严格

——LC因为老化、温度变化、流过的电流变化、制造参数的容差而使调谐频率偏移要求不>10%(包括电网频率偏移1%),否则易进入谐振而损坏设备。

滤波效率相对较低

——因有10%调谐频率偏移,不适用于电压波形要求严格的场所。

滤波能力和无功补偿能力有时难以兼顾

——如变频器谐波大,但是cos也不低,无功不能过补偿,所以只能降低滤波要求。

谐波量有动态变化时,可以分级跟踪,但又可能妨碍了无功补偿的跟踪。因为比较适合于谐波稳定场合。

要避免在滤波器之间产生谐振

——例如 5次谐波可能引起3次滤波器和7次滤波器之间的谐振。

滤波器一旦装上,以后增加的谐波可能使滤波器过载。

难以和并联有源滤波器直接并联或无实用价值。

由于要考虑的问题较多,工程设计的工作量大。

谐波治理措施之四 并联型有源滤波器 APF

原理:

AccuSine:实时检测电网中由非线性负载产生的电流波形,分离出谐波部分,将其反相,再通过IGBT逆变器的触发,将反相电流注入到电网中,实现滤除谐波功能。

按电路原理解释其工作状态:

按电路原理解释其工作状态

APF理想状态工况解释:

谐波电流Ih不流向系统,则APF理想状态工况解释1

APF理想状态工况解释2 即 

Ih只在APF和谐波源回路内流动,即

由于谐波源是电压型,其谐波内阻抗很小,故为了限制谐波电流,必须在变频器外串电抗器。

设低压系统没有背景谐波,即电源不产生谐波

APF理想状态工况解释:

为使 APF理想状态工况解释5

即Efh的相位必须和Ih相同,希望检测器工作无延时。

APF理想状态工况解释6而等于AB两点间谐波阻抗APF理想状态工况解释7

对谐波电流来说为一”0″阻抗通道,因此无源滤波器PPF和APF直接并联,不会有电流通过PPF,除非在谐波次数上进行滤波的分工,即各分担不同次的谐波滤波。

APF本身是电压源,外特性是输出谐波电压很低,谐波电流很大。

优点:

响应时间快

滤波范围广

兼容性强,不会与系统发生谐振

自限制功能,确保不会发生过载

扩展性强,可实现多台并联

同时对谐波和无功功率进行补偿,且补偿无功功率可以做到连续调节;

体积小,效率高

缺点:

成本相对较高

几个工程现实问题及解决问题的步骤

谐波量如何确定:

工业企业可以在设计中计算,商业办公楼只能实测

决定量是谐波电压还是谐波电流:

对工厂电网:取决于谐波电压(低压网的),各单个设备的谐波发射量由业主来分配大小。

对公用网:谐波允许电压按公用网标准,公用网内各用户允许的合成的谐波电流大小,由电力部门按原则分配大小。

工厂网或私用(专用)网要装设滤波器吗?

谐波的兼容性水平有三类,决定于你的用电设备的性质,如果用电设备有很多变频器或用电设备抗扰水平较高,则可选用第三类即谐波电压含量最高的一类。

如果有个别或少量用电设备是抗扰水平低的,也可为这少量设备改善局部的电磁环境。

如果设备中很多为对电源骚扰很敏感的设备,例如过程自动化仪表、计算机、实验室电气仪器等,则宜选用第一类,即允许谐波电压含量最低的一类。

这种分类是一般性的,有时要分析具体的工程要求。

中性线上的谐波电流和等效发热总电流

最严重情况下

最大值中性线1 注意是中性线2 ,而不是中性线3

中性线4中性线上的总电流

中性线5相线上的总电流

中性线6

最严重情况为同时存在下列条件:

1、三相负荷均衡且都是单相负荷

2、单相负荷全是电压源型谐波源且未遵守GB[5][6]的规定。

参考资料

王兆安等《谐波电压抑制和无功功率补偿》机械工业出版社 1998

IEC 6100-2-6:1995 《工厂电源系统低频传导骚扰发射水平的评估》

IEC/TR3 61000-3-6:1996 《中压和高压电力系统中 畸变负荷发射值的评估》

IEEE C57.110-1986 《IEEE 对于非正弦负载电流供电的变压器确定容量的实用性建议》

GB17625.1-2003(IEC61000-3-2:2001)电磁兼容 限值 谐波电流发射限制(设备每相输入电流16A)

GB/Z 17625.6-2003(IEC61000-3-4:1998) 电磁兼容 限制 对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制

蒋麦占 《工业与建筑物电气系统谐波问题》共7篇 电气工程应用 2005年 1~4期

 

 

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