谐波治理方案

1、谐波治理方案目录1. 评估依据：国家标准具体内容21.1 国家标准对谐波的要求22. 项目概述22.1现场情况描述项目背景22.2现场测试数据52.3结论93. 谐波治理方案  93.1谐波来源及危害93.2谐波的防护113.3数值计算123.4设计选型144. PQFS有源滤波器介绍164.1工作原理164.2 PQFS有源滤波器技术数据 194.3安装方式204.4控制技术204.5无功补偿功能214.6 PQFS典型应用效果215. PQFS有源滤波器照片 221. 评估依据：国家标准具体内容11 国家标准对谐波的要求：根据中华人民共和国国家标准电

2、能质量、公用电网谐波GB/T14549-93中规定公用电网谐波电压（相电压）、电流限值如下：1）谐波电压限值公用电网谐波电压（相电压）不应超过下表中规定的允许值。电网标称电压KV电压总谐波畸变率%各次谐波电压含有率：%奇数偶数0.385.04.02.0104.03.21.62）谐波电流限值a)公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量（方均根值）不应超过下表中规定的允许值。标准电压Kv基准短路容量MVA谐波次数及谐波电流允许值：A23456789101112131415161718192021222324250.381078623962264419211628131411129.7188.6

3、167.88.97.1146.51210100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13.24.72.85.42.62.92.34.52.14.1b)同一公共连接点的每个用户向电网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比进行分配。2项目概述21 现场情况描述项目背景1）测试现场描述公司车间供电系统进行谐波检测，本次测试仪器选用FLUKE 435 电能质量测试仪，测试点分别设置在低压配电房总进线开关的输出端（见图一）、阴极涂布机密母插接箱电源开关的输出端（见图二）、化成机密母插接箱电源开关的输出端（见图三）、搅拌机控制箱电源开

4、关的输出端（见图四）。经现场测试，线路存在较大的谐波电流，主要谐波次数为3次、5次、7次、11次。由于供电系统电能质量恶劣，谐波畸变率高，给设备的正常运行带来了极大的安全隐患。2） 测试点 3#变 馈线柜馈线柜采集点 图一、低压配电房测试点示意图 图二、阴极涂布机测试点示意图 图三、化成机测试点示意图 图四、搅拌机测试点示意图 22 现场测试数据221 低压配电房测试数据1）电压波形图 2）电流波形图 3）谐波电流计量屏幕 4）谐波电压计量屏幕 5）谐波频谱屏幕6）记录数据 附录一：低压配电房测试记录数据； 附录二：低压配电房测试谐波频谱全图。222 阴极涂布机测试数据1）电压波形图 2）电流

5、波形图3）谐波电流计量屏幕 4）谐波电压计量屏幕 5）谐波频谱屏幕6）记录数据 附录三：阴极涂布机测试记录数据； 附录四：阴极涂布机测试谐波频谱全图。223 化成机测试数据1）电压波形图 2）电流波形图3）谐波电流计量屏幕 4）谐波电压计量屏幕5）谐波频谱屏幕6）记录数据 附录五：化成机测试记录数据； 附录六：化成机测试谐波频谱全图。224 搅拌机测试数据1）电压波形图 2）电流波形图3）谐波电流计量屏幕 4）谐波电压计量屏幕5）谐波频谱屏幕6）记录数据 附录七：搅拌机测试记录数据； 附录八：搅拌机测试谐波频谱全图。23 结论从现场测试得到的数据可以看出，供电线路中3、5、7、11、13次谐波

6、电流含量较高，其中最高的谐波电流总畸变率达123.9，大大超过国家标准GB/T14549 电能质量 公用电网谐波所规定的谐波限值，供电系统的电能质量污染程度非常严重，存在极大的安全隐患，必须引起有关部门高度重视，应及时治理。3谐波治理方案31 谐波来源及危害谐波是对周期性交流量进行付立叶级数分解，得到的基波频率大于1的整数倍的频率分量。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，也常称它为高次谐波。电力系统本身包含的能产生谐波电流的非线性元件主要是变压器的空载电流，交直流换流站的可控硅控制元件，可控硅控制的电容器、电抗器组等。但是，电力系统谐波更主要来源是各种非线性负荷用户，如各种整流设备、调节设备、电

7、弧炉、轧钢机以及电气拖动设备。各种低压电气设备和家用电器所产生的谐波电流也能从低压侧馈入高压侧，对于这些设备，即使供给它理想的正弦波电压，它的电流也是非正弦的，即有谐波电流存在。非线性负载其谐波含量决定于它本身的特性和工况，基本上与电力系统参数无关，因而可看作谐波恒流源。这些用电设备产生的谐波电流注入电力系统，使系统各处电压含有谐波分量。由谐波引起的设备事故屡见不鲜。谐波已成为污染公用电网和危害其它设备的“公害”。谐波对电力系统或并联的负载产生的种种危害，危害的程度决定于谐波量的大小、现场条件等因素。谐波的危害主要表现为：1）对变压器的危害谐波电流使变压器的铜耗增加，特别是3次及其倍数次谐波对

8、三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组过热；对全星形连接的变压器，当绕组中性点接地，而该侧电网中分布电容较大或者装有中性点接地的并联电容器时，可能形成3次谐波谐振。其次是产生机械震动、噪声和谐波过电压。2）对继电保护装置的危害 继电保护装置采用电磁型和感应型继电器时，基本不受谐波影响。整流型和晶体管型继电器对谐波较为敏感，有可能引起误动作。目前在中压系统大量应用的组合式过流继电器多为晶体管型，其中有些产品设置涌流等功能，能够通过对变压器的投切造成的励磁电流中特定次数谐波进行检测，避免涌流造成的误动作，差动继电器、零序及负序继电器由于整定值小，易受谐波电流影响。3）对电容器补偿装置的危

9、害 为提高系统功率因数，通常需装设并联电容器组。在工频频率下，这些电容器的容抗比系统感抗大的多，不会产生谐振。但对高次谐波，系统感抗大大增加，而容抗减小，就有可能产生并联或串联谐振。并联电容器与供电系统形成并联谐振，会使谐波电流放大，以致于电压及电流的畸变更为严重。此外，谐波电流叠加在电容器的基波电流上，会使电容器的电流有效值增大，温升升高，会降低电容器的使用寿命或使电容器损坏。所以在含有谐波的供电系统中，不能使用单纯投切电容器组的无功功率补偿装置。4）对配电系统的危害对配电的影响主要表现在线路损耗增加，增加功率损耗。同时谐波电压产生的尖峰加速线缆绝缘的老化，引起浸渍绝缘的局部放电，温升增大，

10、缩短线缆使用寿命。民用建筑常见的三次谐波在N线上的积累，极易造成N线的过载。由于大部分情况下，配电系统在N线上不设置保护装备，N线的超负荷运行，埋下了火灾隐患。5）对低压开关设备的危害对于配电用断路器来说，全电磁型断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大而发热。同时，由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；对于热磁型断路器，由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热，使额定电流与脱扣电流降低；对于电子型断路器，谐波也会降低其额定电流，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。对于漏电断路器来说，由于谐波泄漏电流的作用，可使

11、断路器异常发热，出现误动作或不动作。对于电磁接触器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响触点、线圈温度，使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响，会使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。6）对电动机危害谐波对旋转电动机的危害主要是产生附加的损耗和转矩。由于集肤效应、磁滞、涡流等随着频率的增高而使电动机的铁心和绕组中产生的附加损耗增加。正序谐波尝试使电动机运行速度比基波更快,而负序谐波则尝试使电动机运行比基波更慢,在两种情况下,电动机均失去转矩并且开始发热。谐波电流产生的谐波转矩对电动机的平均转矩的影响不大，但谐波会产生显著的脉冲转矩，可能出现电动机转轴扭曲振动、噪声很大的

12、问题。7）对弱电系统的危害a.当建筑的通讯系统等弱电系统线路采用金属管、金属线槽敷设或采用屏蔽线缆时，谐波通过电磁感应耦合、静电感应偶合方式的干扰基本可以排除.但弱电设备的电源部分如交换机电源、楼控系统DDC现场电源等会受到零线上的谐波干扰，严重时可烧毁电源模块.部分超声波传感器等可能受到影响无法正常工作。b.计算机厂家一般规定其产品允许接受馈电电压的THDu为35%，电压峰值和有效值之比必须在1.41±0.1范围内。严重的谐波电压畸变可导致计算机及其UPS工作失常。谐波会使计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误。c.各种装有微

13、电子控制的装置的办公电器均会受到谐波影响，严重时可造成电子芯片烧毁。电视机、显示器易受高频谐波干扰，出现闪烁和异常色带。另外，间谐波电压能引起图象翻滚，对阴极射线管的图象产生周期性的放大和缩小。d.各类以电源电压过零点为基准的计时器，在谐波电压含有量较高时，电压过零点增多，计时会出现正误差。8)对测量仪表的危害电工测量仪表通常是按工频正弦设计。其中常见的感应式电能表频率响应很差，记录三次谐波功率时相差20%,记录五次谐波功率时相差可达40%左右。有些用户配电系统中含有大量谐波源，可向电网反送谐波有功功率，可能造成实付电费高于它所消耗的基波有功功率的应付电费。而无谐波源的用户在接受含谐波电压的电

14、源供电时，会由于负载产生的额外的谐波损耗而多付电费。采用均方根值和平均值测量原理的电流表、电压表及电量变送器均会受到谐波影响，产生精度偏差，其中奇次谐波引起的偏差远大于偶次谐波，电压表误差大于电流表误差。采用有效值原理的测量仪表可以获得较宽的频率特性。同样，谐波对相位测量、功率因数测量仪表影响较大。0.5级或更高精度的电磁式CT、PT，对于2000Hz以下的电流或者1000Hz以下的电压，具有较好的频率特性。对于更高频率的谐波分量，CT、PT二次输入值会小于预期值。9)对气体放电灯具的危害气体放电灯具自带的补偿电容，在谐波电流含有率高时，会发热并减少寿命。10)对人体的影响 从人体生理学角度说

15、，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场。32 谐波的防护近几年来许多厂矿企业大量使用可控硅整流和换流、电弧炉、中频炉等谐波干扰源负荷设备，这些设备在吸收大量无功功率，使用户的功率因数减低的同时，也使谐波问题日趋严重。中华人民共和国电力法指出:“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”，供电营业规则中规定：“用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点至正弦波畸变超过标准时，用户必须采取措施予以消除。”所以用户有义务采取必要的措施治理谐

16、波，保证电压畸变不超过限度。目前谐波防治主要是装用无源谐波滤波器和装用有源谐波调节器。 无源谐波滤波器由滤波电容器、电抗器和电阻器组合而成，即所谓LC滤波器。它与谐波源并联，除了起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。这种滤波器最早出现，因其结构简单、投资少、运行可靠性较高以及运行费用较低，应用较为广泛。但也存在一些问题，如当系统结构或参数发生变化或滤波器本身参数变化时，滤波器可能产生谐波放大，而且这种滤波器对电压波动、负序等不能综合治理。随着大功率电力电子器件技术的突破和发展，ABB公司推出了采用脉冲宽度调制（PWM）技术等构成的有源谐波滤波器。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，

17、由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，并且已获得广泛应用。33 数值计算331 低压配电房测试数据计算 供电线路主要次谐波电流值见表1 表1：主要次谐波电流值总电流（A）THDI（）I1（A）I3（A）I5（A）I7（A）I9（A）I11（A）I13（A）I15（A）I17（A）I19（A）1030139308461.4412544.620.59.35.64.7I21（A）I23（A）I25（A）3.72.81.4332 阴极涂布机测试数据计算 供

18、电线路主要次谐波电流值见表2 表2：主要次谐波电流值总电流（A）THDI（）I1（A）I3（A）I5（A）I7（A）I9（A）I11（A）I13（A）I15（A）I17（A）I19（A）95907323.222.515.311.615.313.16.46.95.5I21（A）I23（A）I25（A）2.54.93.6333 化成机测试数据计算 供电线路主要次谐波电流值见表3 表3：主要次谐波电流值总电流（A）THDI（）I1（A）I3（A）I5（A）I7（A）I9（A）I11（A）I13（A）I15（A）I17（A）I19（A）19104136.95.33.52.621.41.00.70.5I

19、21（A）I23（A）I25（A）0.50.50.4334 搅拌机测试数据计算 供电线路主要次谐波电流值见表4 表4：主要次谐波电流值总电流（A）THDI（）I1（A）I3（A）I5（A）I7（A）I9（A）I11（A）I13（A）I15（A）I17（A）I19（A）17124122.46.25.21.73.83.10.92.11.6I21（A）I23（A）I25（A）0.61.01.034 设计选型341 低压配电房供电线路根据表1数值电流谐波总畸变率THDI为13，可以不在低压配电房进行谐波治理，采用就地（末端）方式进行治理。342 阴极涂布机负载根据表2数值电流谐波总畸变率THDI为90

20、，单台阴极涂布机需要选用谐波补偿电流为60A的PQFS三相四线有源滤波器，考虑到现场有多台阴极涂布机，它们都由密集型母线经母线插接箱提供供电电源。由于母线插接箱供电开关选用塑壳断路器或微型断路器，并且箱体较小，布局紧凑，无法安装采样电流互感器（3只），无法接入有源滤波器一次电力电缆，因此采用对该条密集型母线负载进行集中谐波补偿，谐波补偿容量视阴极涂布机数量（包括容量）而定。343 化成机负载根据表3数值电流谐波总畸变率THDI为104，单台化成机需要选用谐波补偿电流为20A的PQFS三相四线有源滤波器，考虑到现场有多台化成机，它们都由密集型母线经母线插接箱提供供电电源。由于母线插接箱供电开关选

21、用塑壳断路器或微型断路器，并且箱体较小，布局紧凑，无法安装采样电流互感器（3只），无法接入有源滤波器一次电力电缆，因此采用对该条密集型母线负载进行集中谐波补偿，谐波补偿容量视化成机数量（包括容量）而定。344 搅拌机负载根据表4数值电流谐波总畸变率THDI为124，单台搅拌机需要选用谐波补偿电流为30A的PQFS三相三线有源滤波器，考虑到现场有多台搅拌机，它们分别由各自变频控制柜提供供电电源，因此采用对搅拌机负载进行单机谐波补偿。345 说明 受现场测试时间限制，有的设备存在周期性工作制，测试数据或许存在局限性问题，但能基本反映负载谐波状况。 PQFS有源滤波器具有模块化扩展能力，最多扩展至4

22、个功率模块。每个模块最大补偿电流为100A,可以选择1个主模块(M)加多个从模块(S)组合方式，不存在过补偿问题。具体参数详见4.2 PQFS有源滤波器技术数据，模块一次接线方式参见图1和图2。采用PQFS-M+S模块组合补偿方式一次主接线见图1。 图1两模块一次主接线图采用PQFS-M模块补偿方式一次主接线见图2。 图2单模块一次主接线图4. PQFS有源滤波器介绍4.1工作原理PQFS有源滤波器工作原理见图3图3 PQFS有源滤波器工作原理图 有源滤波器可测量谐波电流量，并产生与这些测量到的畸变电流相位相反大小相等的谐波电流，以起到抵消这些谐波污染量的作用。当谐波电流超过了有源滤波器的容量

23、时，有源滤波器将其容量范围的谐波分量滤去，剩余的谐波电流则存留在电网中。 有源滤波器是一个补偿电流发生器。其中补偿电流发生器和控制系统是其最重要的部分。 1）补偿电流发生器 图4为PQFS补偿电流发生器原理图。 图4 PQFS补偿电流发生器原理图 图4 PQFS补偿电流发生器原理图补偿电流由绝缘栅双极晶体管（IGBT）组成的三相逆变器产生，采用脉宽调制技术（PWM），这种逆变器可以生成任意给定的电压波形。由直流电容器作为IGBT逆变器的直流电压源。这种逆变器与交流换流器具有相同的原理。逆变器的输出电压通过一个电抗器和一个小型滤波电路与网络耦合，向网络输出补偿电流。 直流电容器是逆变器的电源，无

24、需其他任何外加的电源。显然，为了将补偿电流注入网络，直流电压电平必须总是要保持高出网络电压峰值电平。在PQF中，直流电容器有一个预制电路，预制电路的功能是抑制电容充电时产生的可能导致损坏网络电气设备的浪涌电流。PWM电抗器的功能是将电压源转换成电流源。 最后，由输出滤波器吸收掉PWM产生的高频分量。 2）控制器 (1) 闭环控制和开环控制的控制方式:有源滤波器的控制系统,将在闭环和开环电流控制之间进行选择。在开环控制时,为了计算需要的补偿电流量,将测量到的PQFS 负荷侧的谐波电流作为控制系统的输入信号。图5 是PQFS 闭环控制系统的信号流图。图中,将测量到的PQF 负荷侧的电流反馈至控制系

25、统的输入端,以使PQF 的补偿电流最小。PQFS的控制系统直接影响其滤波功能。闭环控制系统能动态监测滤波效果，以CT监测点的谐波含量达到用户设定的要求为滤波最终目标，保证了滤波精度。闭环控制系统除了具有较高的控制精度外,还可以控制滤波器的阶数。此外,闭环系统同样保证了测量误差不致引起大的补偿偏差。 (2) DSP 控制:为了充分提高有源滤波的功能,采用用于实时的数字测量和数字控制技术。为了对系统谐波电流实现实时跟踪,并按照要求对补偿电流进行实时控制,采用数字信号处理(DSP) 技术。在所需的信号当中,3 个线电流信号显然是必测的。二次侧为5 A 的CT 完全可以满足我们的测量需要。首先要取到模

26、拟信号,在数字化之前对其分级、反混淆滤波。然后通过快速、高精度的模拟- 数字转换器将模拟信号生成数字信号。这些数字信号被送入DSP 中,DSP 将控制测量信号和实时计算,并生成逆变器所需的PWM 参考信号。而所有数字信号的输入、输出( 包括对PWM 逆变器的指令) , 则是由另一个微处理器来完成的。这一微处理器更多的是进行控制,而不是计算,它保证了诸如继电器、触点的动作。每个PQF 系统都需要一个控制,这个控制可以同时处理几个电源模块。可对安装在PQFS有源滤波器面板上多功能控制器进行所要滤去谐波次数和滤除程度目标值设定。 PQFS（适用于三相三线/三相四线系统）PQFS同时滤除流过相线和中性

27、线的谐波，包括零序谐波RMS单模块有效滤除谐波电流能力（50HZ/60HZ）208VU240V 380VU415 30A 30A45A 45A60A 60A70A 70A80A 80A90A 90A100A 100A中性线滤波能力3倍相线RMS电流CT的要求需要3个CT(Class1.0或以上精度)5VA，CT二次侧电流为5A模块化扩展能力最多扩展至4个功率模块安装组合墙上安装工作允差+/-10%（电压），+/-5%（频率）可滤除谐波数3线：从第2谐波到第50谐波范围内可同时选择20种谐波4线：从第2谐波到第50谐波范围内可同时选择15种谐波滤波程度设定可对每次谐波进行单独设定滤波能力可高达9

28、7%无功功率补偿功率因数设定范围从感性0.6到容性0.6相平衡补偿可编程的相和相或相和中性线之间平衡功能通讯使用Modbus RTU通讯：采用特定的软件（PQF-Link）通过RS-232接口通讯编程控制通过PQF-Manager、PQF-Link软件（可选配件）和计算机（不提供）有效反应时间瞬时时间0.5ms，40ms（滤波10-90%）有功功率损耗3%额定模块功率防护等级IP30安装尺寸（宽×深×高）585×310×700mm重量（一个模块）120kg颜色RAL7035（浅灰色），可按要求提供其他颜色安装墙上安装，电缆下进线环境室内安装，洁净环境，建

29、议安装海拔高度不超过1000米（适当降容可至更高海拔）环境温度-5至+40（温度高于50，便会有相应的降容）湿度最大95%RH（无凝露）主要选配件PQF-Link软件电缆接线盒Modbus套件（采用RS485接口）打印机（采用RS232接口）温度传感器备注4.2 PQFS有源滤波器技术数据 4.3安装方式 主接线如图1和图2所示。PQFS 有源滤波器直接并联在系统中,其一次回路通过主开关和熔断器连接到系统中, CT位置选择在进线断路器侧。需要特别说明的是, PQFS有源滤波器滤波回路主开关主要起隔离作用，而熔断器起保护作用。主要安装特点是：1）并联安装在系统中；2）安装非常容易，一次回路只需要连接3根电缆(三相四线滤波器需4根电缆) ，二次回路3组CT线；3）根据系统滤波的需要，灵活合适地选择CT和