消除谐波降损节能计算方法

1、消除谐波降损节能计算方法、谐波损耗推导1、前言随着电力电子技术的开展,非线性负载得到广泛的应用,因此非线性负载带来的谐波问题逐步得到人们的重视,人们对谐波的研究逐步深入,研究重点侧重于谐波对电网及电网中设备造成的危害,对谐波产生的各种能源损耗研究不多,该文针对谐波附加损耗的计算是在奥地利GeorgeJ,Wakileh博士的计算根底上由解放军理工大学汪彦良等四位导师补充完成.该文主要针对集肤效应增大导体的阻抗进行研究,根据日本电力公司提供的资料,5次谐波含量为10%时,就能使变压器损耗比不存在谐波时增大10%.2、集肤效应时谐波附加损耗分析各设备的损耗分类较复杂.以变压器为例分析：变压器损耗分为

2、：铜耗、铁耗、介质损耗、杂散损耗等.其铁耗又分为磁滞损耗和涡流损耗.不管分类如何复杂,按性质分只有两类:根本损耗和谐波损耗.谐波环境下,考虑集肤效应时,导体的各次谐波阻抗为rn=q；nri式中,rn为导体中n次谐波电流所对应的电阻,Q;n为谐波次数.（1） 变压器的铜耗考虑集肤效应时,根据1可得变压器铜耗为00Q0PbI：n=IillJI：rnnWn=2=112ri1cO+zI2rnIfO0=I12r11+n=2,2nr1nI12r1nHRIn=2(2)式中,P为变压器铜耗,W;1n各次谐波电流,A；n=1时,I1表示基波电流；口为变压器绕组基波电阻；HRIn为各次谐波含量,是指各次谐波电流与

3、基波电流的比值,即表示为后面公式采用都才HRIn是为了表达方便.In表示谐波电流,I1表示基波电流.由式2可知,变压器的铜损耗由两局部构成.第一局部为根本的铜损耗,是由基波电流产生的；第二局部为谐波损耗,它是基波损耗的K倍QOK=、nHRI：n=2在变压器中,当绕组导线施加畸变电流时,发生第一次集肤效应；绕组磁化变压器铁心后,产生了畸变磁场,又施加在绕组上,在绕组导线上发生第二次集肤效应.当变压器绕组为工接线方式时,3n次零序谐波电流叠加.变压器的谐波损耗通常归类为杂散损耗,及线圈涡流损耗,它是引起变压器铁心额外发热的重要因素.在各类电器设备中,谐波电流的附件损耗占根本铜耗的比例,以变压器为较

4、大.（2） 变压器铁耗铁耗是指发生在铁心中的损耗,铁心被外加励磁磁化,在磁化过程中产生了能量损耗.铁耗包括磁滞损耗和涡流损耗,它导致变压器和电机效率降低,铁心温度升高,从而限制了出力的提升.磁滞损耗是由铁心磁化极性的反转造成的,有磁性材料的尺寸和品质、磁通密度的最大值和交流电流的频率决定的.对于正常范围1.5Wb/m2以下的磁通密度,基波频率下的磁滞损耗为f凤式中,U为常数,其值由铁心材料和尺寸决定:(4)fl为交流电流的基波频率；Bmi为磁通密度n次谐波最大值；v为指数,其值取决于铁心材料,通常为1.6.当考虑谐波时,由式(4)可得PhhnpuPhnBmnVInv酩=F=n彳(5)由(5)推

5、导得QOPh=、Phnn心二V/、(6)Ph/n1=Ph11%nHRIVnT.n-2式中,Phnpu为n次谐波的磁滞损耗标值；Phn为第n次谐波的磁滞损耗；n为谐波次数,n=1表示基波；Bmn为磁通密度n次谐波最大值；In为磁化电流的第n次谐波峰值；Ph为总磁滞损耗.涡流损耗是由涡流电流流动引起的功率损耗,涡流感生于变压器铁心中,由交流励磁引起.根本涡流损耗为七二kfi2B式中,k为常数,取决于铁心材料、尺寸和叠片厚度.考虑谐涉及集肤效应时,由式7可得PeenpuPen2nBmn2In2Bm1ii(8)Pe八Pen二PQn2g二P&式中,Peenp为n次谐波的磁滞损耗标值;表布基波;流损耗.那

6、么总铁耗为1、n2HRI(9)Pen为第n次谐波的磁滞损耗；n为谐波次数,n=1Bm为磁通密度n次谐波最大值；1n为磁化电流的第n次谐波峰值；R为总涡Pe(10)由以上分析可知,铁心的损耗中无论是磁滞损耗还是涡流损耗,它的损耗都具有相同的形式,均是由根本损耗和谐波损耗构成.在磁滞损耗中,谐波造成的附件损耗是根本损耗的K八nHRI：(11)n=2在涡流损耗中,谐波造成的附件损耗是根本损耗的K倍,此时K系数为K=、nHRI：(12)显然,谐波引起的涡流损耗增加值超过有磁滞引起的磁滞损耗增加值.3谐波损耗的附加倍数通过变压器铜耗和铁耗分析可知,考虑谐涉及集肤效应时,无论是铜耗还是铁耗,无论是磁滞损耗

7、还是涡流损耗,谐波造成的附件损耗具有相同的形式R=FTncHRI：2(13)n=2式中,Ph为谐波损耗：R为基波损耗：n为谐波次数；HRIn为第n次谐波含有量：C1,C2为指数,不同设备、不同含义的附加损耗指数不同.实际上,对于电缆、电机、电容器等各类电力设备,以上结论也是成立的.它们的损耗均是由基波损耗和谐波损耗构成,其中谐波损耗都具有式13的形式,只是附加倍数不同而已.主要电力设备的谐波附加损耗倍数如表1所示.表1主要电力设备的谐波附加损耗倍数设备名称谐波附加损耗类别附加倍数K发生集肤效应次数变压器绕组的附加损耗ZnHRI:n=22铁心的磁滞附加损耗Q0工nHRIn.6nzz22铁心的涡流

8、附加损耗cdnn2HRIn=24电缆电缆导体附加损耗oonVnhri:n41介质附加损耗QOZnHRI:n=22电容器介质附加损耗电机转子附加损耗QOnVnhri:n=2近似值L1近似值H定子附加损耗杂散附加取基波损耗的0.5%1%,近似值通过以上各类设备的损耗分析可知,设备的损耗主要取决于基波损耗和谐波损耗.基波损耗反响了设备的性能差异,而谐波损耗那么反映了供配电系统内电流的畸变情况.谐波损耗是以基波损耗的附加倍数表达的,因此,人们希望通过提升设备性能来降低损耗,即降低基波损耗来提升设备的效率.近年来,节能型变压器、高效电机、零阻抗电缆等相继研发成功,有的设备已投入应用.但是,这些设备研发本

9、钱高,造价昂贵,还没有得到普及应用,也不可能到达“零损耗的状态.所以,除了进一步研究高性能的设备外,还应把降低谐波损耗作为重点,由表1可见,各类设备的谐波损耗,均与系统内谐波电流的含量HRIn密切相关,谐波电流含量HRIn反映了单次谐波的电流的相对大小,而谐波电流总畸变率THDi那么反映了总的畸变情况.谐波电流的含量HRIn和谐波电流总畸变率THDi对谐波附加损耗的大小有相同的决定性影响,它们又取决于供(配)电系统内非线性负载设备的性能参数值.二、根据某联通分站谐波治理实际测试数据计算谐波损耗1、某联通分站谐波治理前后测试数据统计产品名称型号规格安装地点出厂编口各项测试参数状态基波电流(A)有

10、功功率视在功率无功功率功率因数5次电流(A)7次电流(A)11次电流(A)13次电流(A)17次电流(A)补偿前214.846.749.215.40.9530.518.38.68.17.4补偿后202.645.547.311.40.975.45.94.53.93.5下降率5.7%2.6%3.7%25.9%82.3%67.8%47.7%51.9%52.7%3、5次谐波电流比照小zr4HAX电5出HF641DTHxra14817514a0H2由%r15020511555311DflBALKHlCAIIHUIH1、V13IF窗叫“n4yHACKHECAlLK设备投入后PQPQ设备投入前4、7次谐波电

11、流比照PQ设备投入前设备投入后PQ5、11次谐波电流比照PQ设备投入前PQ设备投入后6、13次谐波电流比照PQ设备投入前PQ设备投入后7、17次谐波电流比照HftRMDKICSHornHRPMOKICSHorng11ru798:Ea7sjr己19.9由1BnCKRECALL176B5atHZ15ft16wBACK!RECALLPQ设备投入前PQ设备投入后二、某联通分站实际节电效果计算1、谐波治理前后各种损耗情况下附加倍数K值确实定.1绕组的附加损耗k1值计算谐波治理前00K1q=、nHRI:=514.1%278.5%2114%2133.6%2173.4%2n=2=0.0990.0510.018

12、0.0170.02=0.205谐波治理后qQK1h二nHRI:=52.6%272.8%2112.1%2131.8%2171.6%2n=2=0.00340.00550.00480.00420.0043=0.0222实际节电k1值K1=K1q-K1h=0.205-0.0222=0.18282铁心的磁滞附加损耗K2值计算谐波治理前K2q八nHRIn6=514.1%1.678.5%1.6114%1.6133.6%1.6173.4%1.6n=2=0.21760.13560.06380.06370.076=0.5567谐波治理后qQK：=nHRI16=5(2.6%j6+7(2.8%+11(2.1%j6+1

13、3(1.8%封+17(1.6%f6n2=0.014550.02290.02270.0210.02275=0.1039实际节电k1值K2=K；-K21=0.55670.1039=0.45283)铁心的涡流附加损耗K3值计算谐波治理前K；-：n2HRI2N514.1%278.5%2114%2133.6%2173.4%2n=2=0.1990.3540.19360.2190.334=1.2996谐波治理后cOK；=、nHRI：=52.6%272.8%2112.1%2131.8%2171.6%2n=2=0.01690.03840.053360.054760.074=0.2374实际节电k1值K3=K；-

14、K；=1.2996-0.2374=1.0624)电缆导体附加损耗K4值计算谐波治理前cOs_K：=xnHRl=.514.1%278.5%2,114%2.133.6%2173.4%2n=2=0.04440.01910.00530.00430.00477=0.078谐波治理后0K：=JnHRI；=52.6%2.72.8%2.112.1%2,131.8%2-171.6%2n=2=0.0006760.002070.001460.001170.00105=0.0064实际节电k1值K4=K：-Kh=0.078-0.0064=0.072K=K1K2K3K4.=0.18280.45281.0620.072=1.7696K值没有算入电机损耗、杂散损耗、电容器损耗等数据.2、节电率计算根据谐波损耗总计算公式,通常一个变压器电网平均基波损耗在10%左右,联通公司配电比拟标准,电网基波损耗按5%估算,由于谐波损耗是基波损耗的K倍,因此谐波治理后节电率为：K5%=1.76965%=8.85%3、节电效益分析设联通分站改造局部实际有功为p;基波损耗为p1；电网基波损耗取实际有功的5%;因此