谐波治理与节能

1、通信电源系统谐波治理与节能一、谐波的产生与危害二、谐波治理方案与工程实践三、谐波治理效果评估四、谐波治理工程的节能降耗效果五、结论与前景展望通信电源系统谐波治理与节能一、谐波的产生与危害1、电压与电流波形分析2、谐波的产生3、谐波的危害基本概念v周期性非正弦波可以利用傅立叶级数分解为基波和谐波两部分。v基波f1指频率为F（中国为50Hz）的正弦波v谐波fn指频率为F正整数倍的正弦波v谐波次数n谐波频率与基波频率的比值（n=fn/f1)基波与谐波基波基波 与与 三次谐波三次谐波基波基波 与与 五次谐波五次谐波谐波的形成 当正弦波电压施加在非线性负载上时，电流就畸变为非正弦波，非正弦波电流在电网阻

2、抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。线性负载的特征v负载吸收的电流是与电压频率相同的正弦波电流，电流与电压之间可能存在着固定的相位差v欧姆定律定义了线性负载的电压与电流的比值为一个常数负载的阻抗v电流和电压之间的关系是线性的。例如：白炽灯泡、电加热器、电阻、电动机、变压器等v这类负载中没有任何有源电子器件，只有电阻(R)、电感 (L) 和电容 (C)。非线性负载的特征v负载吸收的电流为周期性的，但不是正弦波电流，电流中因含有谐波而造成波形失真；v欧姆定律中定义的电压和电流之间的关系不再有效，因为负载的阻抗在一个周期内是变的，电流和电压之间的关系也不再是线性的了。不同负载产生的谐波标准的正

3、弦波形电流波形（变频器）电流波形（日光灯）电流波形（电梯）与谐波相关的电气参数总电流有效值（Irms） 它是基波电流有效值IH1与谐波电流IHk的平方和的根值：.2232221kIHIHIHIHIrms电压和电流的谐波失真度 THD* % = 总失真度 = 100 基波的有效值所有谐波的有效值2、谐波的产生v电源本身谐波电源本身谐波 由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。v由非线性负载所致由非线性负载所致 谐波产生的另一个原因是由于

4、非线性负载。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。v主要的非线性负载主要的非线性负载 （）开关电源的高次谐波，它由五部分组成：一次整流、开关振荡回路、二次整流、负载和控制，这几个部分产生的噪声不完全一样； （）变压器空载合闸涌流产生谐波 ； （）单相电容器组开断时的瞬态过电压干扰； （4）UPS产生的谐波大功率UPS是通信电源系统中主要的谐波源。采用可控硅整流是UPS产生谐波的主要原因。UPS生产厂家提供的谐波指标通常是满载输出时的数据， 而实际情况中UPS不可能运行在满载状态下，特别在11冗余配置时，通常在40以

5、下。根据其整流方式的不同，UPS的谐波指标一般在下列范围： 6脉冲整流： 30 12脉冲整流： 20 IGPT整流： 10 由此可见，大功率UPS是通信电源系统最大的谐波源。3、谐波的危害v1）导致中性线电流过大，造成中性线发热甚至发生火灾； v2）加大线路损耗，使电力电缆过热、绝缘老化，电力电缆产生过负荷或过电压；v3）大大增加电网发生谐振的可能，谐振产生的过电压和过电流会引起更严重的事故；v4）变压器产生发热，损耗增加，同时降低变压器容量，谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。工程中需增大容量配置，增加变损费用和工程投资；v5）损害电网中

6、的敏感用电设备； v6）使电容器过载发生，加速电容器老化和损毁； 谐波的危害v7）对继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动作或拒动，造成区域性停电事故；v 8）畸变电流在旋转电绕组中流通，使电机产生附加功率损耗而过热，降低空调工作效率，增加能耗，产生脉动转矩和噪声；v 9）干扰发电机组的运行，增大机组的配置容量； v10)使计算机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。 。 二、谐波治理方案与工程实践1、配电示意图2、现状测量数据电流电压综合波形 基波有效电流基波有效电流 负荷综合电气数据负荷综合电气数据5次谐波电流次谐波电流 7次谐波电流次谐波电流 11次谐

7、波电流次谐波电流 13次谐波电流次谐波电流综合谐波电流频谱综合谐波电流频谱各次谐波电流统计数据：谐波电流次数谐波电流次数35791113151719212325UPS负荷侧(A)：0.9841.08.870.2811.835.210.284.365.910.144.362.81各次谐波电压统计数据：谐波电压次数谐波电压次数35791113151719212325UPS负荷侧(V)：0.097.160.180.186.464.780.8012.2011.320.093.091.06从以上检测结果看，负荷处产生的主要是以5、7次谐波为主的光谱谐波电流。其中总谐波电流畸变率THDI为30.6；总谐波

8、电流畸变率THDV为5.3； 3、谐波治理 近年来，通信系统中由于非线性负荷的日渐增多，特别是一些大功率UPS的大量应用，导致电网中产生大量的高次谐波电流，进而电压波形发生较大的畸变，引起系统的功率因数降低。低的功率因数和谐波，会造成设备自身和电网相当大的附加无功电能，增加电网输变电以至发电设备的负担，影响设备运行及寿命。故须采取必要的措施，以防止谐波电流在电网中传送及流动，从而消除谐波对供电系统及设备、通信与控制系统的不良影响。4、谐波治理方案（加装有源滤波器）谐波治理主要方法比较增大电力系统的供电容量和电缆、开关等- - 谐波没有消除- 成本昂贵11主电源Dynh3h92变压器以不同的方式

9、联接2仅限制3次和3n次谐波 h5, h7Ddy3无源无源滤波器滤波器L44只消除某几次谐波55最有效消除谐波Accsine有源滤波器有源滤波器3仅削减5次和7次谐波 (增加整流器脉冲612)工作原理充电板块充电板块电源板块电源板块电流板块电流板块补偿板块补偿板块工程实施实例四、谐波治理效果评估v波形对比频谱对比关键数据对比结论（A母线）结论（B母线）四、谐波治理工程的节能效果1、治理谐波是节能降耗的有效措施2、降低变压器容量配置的节能效果3、降低发电机组容量配置的节能效果4、治理谐波后的节能效果1、治理谐波是节能降耗的有效措施1）电力变压器： 转换能量效能较高的设备，但也存在空载损耗、负载损

10、耗和热损耗。其节能的主要措施是降低上述损耗。而谐波与这些损耗密切相关：其中涡流损耗、磁滞损耗分別与频率的平方、频率成正比，高次谐波的引入将增加额外的涡流损耗和磁滞损耗；铁心由于急剧变化的磁通导致铁损急剧增加，进而使变压器局部严重过热；中性线上由谐波和不平衡引起的过电流会在三相变压器线圈中出现环流从而产生附加损耗。2）电力线路： 供电线路线损是电力损耗的重要原因，低压线路尤甚。节能的主要措施是治理电网低功率因数和谐波，从而减少线路电压损耗。此外高频率的谐波因加重导线的集肤效应，进而铜损急剧增加；严重时会使温度升高，造成导线绝缘损坏 。3）油机： 在有谐波电网中，高次谐波电流直接返馈给发电机，在发

11、电机的绕组中引起感应电流，使之发热产生损耗，导致输出功率降低。特别是5次和7次谐波电流严重时，会与基波磁场相互作用引起振荡力矩产生机械振荡，使电机产生机械振动和噪声。4）电气设备： 大的谐波电流和低的功率因数会造成设备自身和电网相当大的附加无功电能，影响设备运行及寿命。 2、降低变压器容量配置的节能效果谐波治理可降低变压器容量的配置 UPS总容量：500KVA 容量配置比降低30% 50030150（KVA) 在即节省工程投资的同时，每月可节省变损费： 150203000（元） 加上力调费的节省，每年可节省电费5万元。3、降低发电机组容量配置的节能效果lIT中心主要的UPS系统有三套，两套爱克

12、赛9315/130KVA和一套爱默生200KVA系统。其中，两套9315均未6脉冲整流且未带滤波装置，谐波高达32，爱默生系统为12脉冲整流，谐波在25左右。l仅对UPS而言，发电机组容量配置为: 13022.52002.0933（KVA) 约为750KWl考虑谐波治理因素，则可降低容量配置: （1302200）1.5690（KVA) 约为550KWl由此可见，通过谐波治理，可降低发电机组容量200KWl在节省工程投资的基础上，同时节省油耗。根据不同机组的功率油耗曲线， 每小时可节省柴油30升。l按每年机组运行200小时计算，每年可节省约4万元。4、治理谐波后的节能效果治理谐波后的节能效果l由工程实例测试数据可见： 谐波滤波器开机前总电流为210A+148A=358A 谐波滤波器开机前总电流为189A+130.3A=