谐波的培训以及有源电力滤波器的应用

1、谐波的培训以及谐波的培训以及有源电力滤波器有源电力滤波器的应用的应用有源电力滤波器应用实例有源电力滤波器应用实例 有源电力滤波器工作原理有源电力滤波器工作原理谐波治理方案谐波治理方案 谐波的产生谐波的产生谐波产生的危害谐波产生的危害 HAERBIN WEIHAN ELECTRIC EQUIPMENT CO,. LTD.HAERBIN WEIHAN ELECTRIC EQUIPMENT CO,. LTD. 随着科学技术的发展，各种非线性和时变性电子装置如逆变器、整流器及开关电源等大规模使用，使得电力系统中谐波成份显著增加。其负面效应日益显见。“谐波污染”已经成为影响电能质量的主要因素之一，因此进

2、行谐波治理也成为了现代电力生产发展的迫切要求。 harmonicsdistorted wavefundamental基波叠加5次和7次谐波整流电路整流电路交流调压电路交流调压电路交交变频电路交交变频电路谐波谐波影响电动机效率和正影响电动机效率和正常运行，寿命缩短常运行，寿命缩短加速电容器老化加速电容器老化继电保护装置继电保护装置误动作误动作容易引起局部谐振容易引起局部谐振影响通信系统影响通信系统的正常工作的正常工作增加变压器和线路损耗增加变压器和线路损耗1CZC2f电容器对高次谐波呈现低电容器对高次谐波呈现低阻抗特性阻抗特性谐波电流会更多的流过电谐波电流会更多的流过电容器，使电容器长期工作容器

3、，使电容器长期工作在过载情况，导致电容器在过载情况，导致电容器寿命缩短，甚至烧毁。补寿命缩短，甚至烧毁。补偿柜投不上、电容器嚣叫。偿柜投不上、电容器嚣叫。电动机转矩产生脉动起动和运行性能变坏电动机的损耗增加温升增加，缩短电动机的使用寿命减少电动机的出力产生机械振动和噪声 谐波的集肤效应使谐波电阻比基波电阻增加很大，因此谐 波引起的附加损耗也有所增加。 谐波源发出的谐波有功功率也给接在电网上的其他用电设 备带来危害，并增加功率损耗。 磁吹线圈不能正常工作，导致短路器无法断开以至损坏。 导致中线过载过热、绝缘损坏，发生短路，引起火灾。谐波将导致保护装置受到干扰而误动或拒动，可靠性降谐波将导致保护装

4、置受到干扰而误动或拒动，可靠性降 低低。当有谐波存在时，将导致产生测量误差。当有谐波存在时，将导致产生测量误差。信息化设备无法正常工作。信息化设备无法正常工作。系统系统( (电网电网) )不稳定，用电设备无法正常运行。不稳定，用电设备无法正常运行。精密、精细加工工艺流程无法正常生产。精密、精细加工工艺流程无法正常生产。 导致结果：设备发热，效率降低，异声及振动，绝缘老导致结果：设备发热，效率降低，异声及振动，绝缘老化及至击穿，缩短使用寿命，化及至击穿，缩短使用寿命，严重时严重时导致电气导致电气火灾事故火灾事故。 设备设备产品产品费用费用支出支出安全安全谐波导致系统谐波导致系统中中电容器电容器的

5、老的老化、化、电抗器电抗器烧烧毁、损坏毁、损坏电动电动机机、危害、危害变压变压器器产生过热、产生过热、损坏损坏通信设备通信设备、加速、加速电缆电缆老老化。化。谐波影响谐波影响生产生产线线的安全稳定的安全稳定运行，导致产运行，导致产品质量下降，品质量下降，例如：造纸、例如：造纸、纺织、等精密纺织、等精密生产行业等。生产行业等。谐波增加线路谐波增加线路损耗、导致用损耗、导致用户用电费用增户用电费用增加，设计容量加，设计容量提高。提高。谐波导致继电谐波导致继电保护装置的误保护装置的误动作和据动作动作和据动作，控制柜无法，控制柜无法正常工作，存正常工作，存在谐振危险，在谐振危险，增加电火灾的增加电火灾

6、的可能等。可能等。 a 、1993 年国家技术监督局制定颁布了 GB/T14549-1993 电能质量公用电网谐波标准，作为对电力系统产品电能质量的要求，规定了公用电网谐波电压（相电压）限值，作为限制用电户谐波污染的排放。对于用电户，一则要求购置的用电设备先进合理设计，产生的谐波电流符合 GB 17625.11998 低压电气及电子设备发出的谐波电流限制值标准。二则对于不能满足要求的用电户，要求安装电力谐波滤波器。 b 、1995 年国家通过了电力法，并于 1996 年 4 月 1 日起实施。电力法规定：“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”（第三十二条），在电能质量治理上必须

7、遵循电力法规定，“谁污染、谁治理”的原则。对于新投产的项目，必须根据用户用电负荷性质给电能污染造成的程度，加装消除电能污染的设备。 c 、1998 年，电力工业部颁发了电网电能质量技术监督管理规定（电综（ 1998 ） 211 号文），该文规定了国家电力公司是负责全国电网电能质量技术监督管理部门，以各级电力调动部门为中心，逐步加强对电能质量指标的全面运行监测。 d 、2001 年，国家电力公司下发了关于进一步提高用户电压质量管理的指导意见，规定供电部门应对配电区的电压质量进行 24 小时轮测，发现电能污染超过“标准”的用户应采取措施，加装抑制谐波及功率因数补偿设备，必要时依据电力法规定：“用户

8、用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”（第三十二条），运用法律手段治理电能污染。 1国家标准对谐波的要求：国家标准对谐波的要求：1）、谐波电压限值电能质量、公用电网谐波GB/T14549-93 公用电网谐波电压（相电压）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0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.81国家标准对谐波的要求：国家标准对谐波的要求：2）、谐波电流允许值注入公用连接点的谐波电流允许值注：谐波电流允许值治理治理谐波谐波无源电力滤波器无源电力滤波器 利用电容器、电抗器和电阻器的适当组合而构成的滤

9、波装置。其具有结构简单、维护方便等优点,但只能抑制固定次谐波、其滤波效果受系统阻抗及频率变化影响、且体积庞大、易与系统发生谐振。有源电力滤波器有源电力滤波器 其基本原理是产生一个与负载谐波电流具有幅值相同而相位相反的补偿电流，与负载谐波电流相抵消以达到消除谐波的目的。是一种积极的谐波消除方式，滤波器效果较无源滤波器好。1()fnZRj n Ln C0f0fZ-XCXLXL=L=2fLXC=1/C=1/2fCLC容易容易谐振谐振容量固定容量固定参数易参数易变化变化效果不好！效果不好！消耗大量消耗大量有色金属有色金属 LCLC滤波支路是低阻分流原理，支路电阻与变压器内阻并联，反比分流，滤波支路是低

10、阻分流原理，支路电阻与变压器内阻并联，反比分流，滤波效果在滤波效果在5050左右，不高左右，不高 LCLC谐波源7次滤波13次滤波LCLC11次滤波5次滤波I5I7I11I13滤波器分组设计，占地面积大H5H7H11HP13LC1.滤波电抗器一般做成空芯的比较多，不宜放在柜内，2.占地面积大，不宜管理。噪声也不小。HAERBIN WEIHAN ELECTRIC EQUIPMENT CO, LTD.HAERBIN WEIHAN ELECTRIC EQUIPMENT CO, LTD.谐振点容易变化 1()fnZRj n Ln C谐LC调谐支路采用滤波电容器，有电容器必定会发生电容器容量衰减，造成谐

11、振点偏移，滤波效果大大降低，这就可以解释为什么无源滤波装置在使用二、三年后感觉效果不如刚投入使用时的效果。在衰减严重情况下，LC非但不能滤波反而将谐波放大，与系统发生谐振，引起重大供电事故。容量固定 滤波装置的设计容量和滤波次数一定要和实际负荷状态匹配，如提前设计，对负荷的谐波状况可能掌握不那么准确，设计容量大了，会出现过补，高次滤波支路投不上；设计容量小了，会出现滤波支路过载，烧毁滤波电容器或电抗器，造成麻烦。高功率因数场合滤波困难 滤波支路接入的同时，滤波电容器的基波补偿容量也送入系统。某些需要滤波的场合，功率因数就非常高，例如进口变频器，这类负载本身的功率因数高达0.95以上，满载时能达

12、到0.99以上，但自身没有采取谐波滤波措施，变频器工作电流中含有约30谐波电流。在这种情况下滤波装置的全部投入会造成系统容性无功过补，这是很危险也是不允许的，这样往往需要再安装电抗器，投入感性无功去抵消过补的容性无功。QPQCQF轻载时高次滤波支路投不上在轻负载情况下，系统内仍有谐波存在，但11次、13次滤波支路就可能投不上，原因是基波无功过补了。LCLC谐波源7次滤波13次滤波LCLC11次滤波5次滤波I5I7I11I13在一个系统内不宜设置多处滤波已经投产，发现滤波容量做小了，或者用户要扩产增容，已经投产，发现滤波容量做小了，或者用户要扩产增容，增加了非线性负荷的容量，需要增加滤波器的容量

13、。这时增加了非线性负荷的容量，需要增加滤波器的容量。这时单靠增加并联滤波电容器的数量是解决不了滤波增容问题，单靠增加并联滤波电容器的数量是解决不了滤波增容问题，原因电抗器不匹配了，不推荐同一滤波次数的多台滤波器原因电抗器不匹配了，不推荐同一滤波次数的多台滤波器并联使用，整套装置要推倒重来。并联使用，整套装置要推倒重来。滤波装置各支路的投、切原则必须遵循：先低后高投入，先高滤波装置各支路的投、切原则必须遵循：先低后高投入，先高后低切除。不遵循这一原则会造成电容支路过载，烧断熔后低切除。不遵循这一原则会造成电容支路过载，烧断熔丝，故障保护等情况出现。丝，故障保护等情况出现。滤波装置各支路的投、切必

14、须遵循原则滤波装置各支路的投、切必须遵循原则LC滤波器的滤波效果会受到电网频率波动的影响，还与电网滤波器的滤波效果会受到电网频率波动的影响，还与电网电压的波动有关，系统中大负载的启用会造成系统电压跌电压的波动有关，系统中大负载的启用会造成系统电压跌落，功率因数偏低，谐波量达到高潮的时候，是最需要电落，功率因数偏低，谐波量达到高潮的时候，是最需要电容器满负荷输出，但恰恰电容器容量输出是最小的，原因容器满负荷输出，但恰恰电容器容量输出是最小的，原因是：我们知道电容器输出容量与电容器两端的电压平方成是：我们知道电容器输出容量与电容器两端的电压平方成正比，由于系统电压的跌落，电容器输出容量平方关系下正

15、比，由于系统电压的跌落，电容器输出容量平方关系下降，指望不上。这段时期的电能质量会非常差。降，指望不上。这段时期的电能质量会非常差。对于特殊的谐波、或当系统阻抗和频率变化时，与电源阻对于特殊的谐波、或当系统阻抗和频率变化时，与电源阻抗发生的并联谐振会导致谐波电流放大，使电路无法正常抗发生的并联谐振会导致谐波电流放大，使电路无法正常工作。工作。LC滤波器的滤波效果会受到电网参数的影响，滤波器的滤波效果会受到电网参数的影响，无谐振无谐振灵活灵活效果效果好好无过载无过载动态动态连续连续有源电力滤波有源电力滤波器器优优 点点与谐波源并联，为谐波提供通路，起到“疏”作用，具有投切方便、保护简单的优点。工

16、业多采用此方案。串联于电源与负载之间，阻止负载谐波流入系统，起到“堵”作用。但投切、退出和保护比较复杂。无源滤波器和有源滤波器的组合结构，减少了有源电力滤波器的体积和成本 输出控制计算计算检测检测容量容量接入点接入点电路结构电路结构根据需要根据需要补偿负荷补偿负荷的谐波次的谐波次数及容量数及容量确定有源确定有源电力滤波电力滤波器的容量器的容量根据补偿根据补偿效果及就效果及就地补偿原地补偿原则确定有则确定有源电力滤源电力滤波器接入波器接入点点根据接入根据接入点电压及点电压及负荷结构负荷结构确定有源确定有源电力滤波电力滤波器电压等器电压等级及电路级及电路工作电压：380V、520V、660V电源频

17、率：50/60Hz最大谐波电流：50A、100A、150A、200A、300A可滤除谐波次数：2次50次谐波滤波效率：90%响应时间：10ms开关频率：20KHz 1 50A100A 10008002200 2 120A200A 100010002200 3 220A300A 2（100010002200）注：1、本装置可以多台柜并联使用，扩大滤波能力。 2、柜体尺寸可根据用户需求进行特殊设计。任选工任选工作模式作模式长时间安长时间安全运行全运行操作操作简单简单应用应用灵活灵活只补谐波、只补无功、谐波无功均补、补偿谐波次数任选只补谐波、只补无功、谐波无功均补、补偿谐波次数任选采用进口高品质采用

18、进口高品质IGBT、DSP及具有完善的保护功能及具有完善的保护功能采用大屏幕彩色触摸屏、中文菜采用大屏幕彩色触摸屏、中文菜单式操作、人机界面良好、可远程通讯单式操作、人机界面良好、可远程通讯可多台并联及与可多台并联及与TSC、TSF组合使用组合使用汽车制造汽车制造钢铁冶金钢铁冶金造纸业造纸业电气化铁道电气化铁道烟草行业烟草行业中频炉负荷特点：中频炉是将三相工频（50Hz）交流电经整流电路变为直流电，再经逆变电路输出单相的中频（1000-1500Hz）交流电源供给炉子加热。v 自然功率因数很高，一般在0.9以上（甚至更高），向系统吸收的无功小。v 中频炉是一个复杂的非线性电路，输入侧的电流是非正

19、弦波的，由此产生大量高次谐波注入电网。v 一般1000KW以下的中频炉通常采用6脉动整流;1000KW以上的中频炉采用12或24脉动整流。v 6脉动整流的中频炉产生的谐波主要为：5、7、11、13次等谐波。 v 12脉动整流的中频炉产生的谐波主要为：11、13、23、25次等谐波。中频炉产生的谐波流入电容器，加大了电容器的热能损耗，加速电容器老化，造成电容器使用寿命降低。谐波与电容器形成谐振严重放大谐波，瞬间电流高达数千安培,造成电容器鼓肚、爆炸，开关跳闸，带来厂区大面积停电、人员伤亡事故。诣波在电网中流动，引起的功率损耗都是无效损耗，加大网损。谐波使变压器损耗加大，变压器磁密按照基波电流设计

20、，大量谐波流过变压器容易使变压器磁通饱和，加大损耗。有资料显示3%的谐波电压会产生5%的变压器损耗。对自动化水平比较高的生产线、电气设备造成干扰,谐波导致程序紊乱、保护总跳闸,无法顺利生产。vLC滤波的参数易变,电容容量逐年衰减,谐振点发生改变,起不到 滤波效果。 vLC滤波的电容器参数一旦偏移,产生谐振,烧毁电器设备。 vLC滤波靠阻抗分流,滤波效果一般在50%左右,不能有效滤波。v LC容量一旦确定,是固定不变的,系统容量扩载,LC出现过载。vLC属于分组式滤波,设多组滤波通道,在整体效果上各组互相抵消,在未来发展趋势中,电力电子滤波取代 LC 已成为必然。vAPF取消了滤波电容、滤波电抗

21、,LC再增容也达不到APF的滤波效果。情况简介： 地 点：桥箱有限公司热压轴头设备电力配套工程 主要负荷：一台200KW中频炉 解决问题：中频炉在工作的时候产生大量谐波，导致同系统内其他数控设备总出现故障，影响企业正常生产。 解决方案：为了治理谐波污染问题，在中频炉旁边进行就地滤波，安装了一台200A的 APF电力有源滤波装置。APF有源滤波装置占地面积小，采用一台低压柜体。 其它负载APF-200中频炉IfISILAPF投入前ISAPF投入后ISLC滤波器投入后理想效果IS （a）APF投入前系统谐波分析图 （b）APF投入后系统谐波分析图 （c）APF投入前系统谐波含量 （d）APF投入后

22、系统谐波含量APF投入前后实测数据投入前后实测数据（a）LC投入前系统谐波分析图 LC无源滤波器投入前后的实测数据无源滤波器投入前后的实测数据（b）LC投入后系统谐波分析图APF有源滤波与LC无源滤波效果对比：内容系统原始数据APF投入后效果LC投入后效果谐波电流总畸变率(%)24.84.515.25次电流含有率（%）17.80.910.87次电流含有率（%）10.30.86.411次电流含有率（%）7.70.57.513次电流含有率（%）6.00.45.9各次谐波滤除率（%）- 90约40-50仅对设滤波通道的谐波有效果功率因数0.950.95-0.96经常过补变频器负荷特点：工业上常用的变

23、频器主要有交直交变频器和交交变频2种。交直交变频器先将工频交流电变为直流电，再将直流电变为控制电机所需的频率和电压，这种变频器大量用在需要各种场合。交交变频无中间整流环节，直接将工频交流电变为控制电机所需的频率和电压。交直交变频驱动系统自然功率因数较高，一般在0.9以上（高的时候能达到0.95-0.99）。谐波大（高达25以上），主要谐波是5、7、11、13次谐波，属于非线性负荷。负荷波动大，周期性变化。 交流交流- -交流交流交流交流- -直流直流- -交流交流主要有两种：1.交直交变频，高功率因数（0.9以上）2.交交变频，功率因数0.7-0.8APF投入后电源侧电流投入后电源侧电流电电

24、源源变频器变频器电机电机M负载侧电流负载侧电流ISILISAC 50HzAPF输出电流输出电流变频器大量用在各种场合，诸如汽车涂装线、冲压线、港口门机、 桥吊、化工场所、纺织线、烟草卷烟机、造纸行业、水处理系统等等。产生谐波污染，导致电网电压波形畸变，降低了电能质量。谐波干扰自动化生产线、精密精细设备正常工作，导致数据处理错误、程序紊乱，使继电保护误动作、拒动，造成安全事故。谐波对自身及电网安全、稳定运行构成威胁，影响设备正常工作。对电网冲击大，影响电压稳定。 某港口16t/35m门机系统主要负荷有起升电机、变幅电机、旋转电机、行走电机，这些电机均采用交直交变频驱动。如下图所示：MPGMPGM

25、PGMPGMMPGM主变压器起升电机1APF-2000.4kV母线旋转电机变幅电机起升电机2行走电机 为了保证系统投入后安全经济运行，在1#、2、3港机上加装了新型的APF有源滤波装置，产品型号：APF-0.4/200A共计三套。APF运行后，调试人员对港机进行满载考核，测量和录下滤波器投入前后的系统电能情况。 （a）APF投入前系统电压电流波形 （b）APF投入后系统电压电流波形 APF投入前后实测数据一投入前后实测数据一 （c）APF投入前系统谐波分析图 （d）APF投入后系统谐波分析图 APF投入前后实测数据二投入前后实测数据二内容系统原始数据APF投入后效果谐波电流总畸变率（%）28.

26、53.1谐波电压总畸变率（%）8.935次电流含有率（%）29.31.67次电流含有率（%）13.80.711次电流含有率（%）11.20.613次电流含有率（%）4.80.2各次谐波滤除率（%）-95 -96功率因数0.970.98 1APF有源滤波效果：有源滤波效果：冲压线负荷特点：冲击电流大（瞬间冲击电流达到了数百安培），给电力系统带来大量的冲击性无功功率，造成电压波动，功率因数低。变化快，冲压机工作时负荷在短时间内周期波动。谐波大，主要是5、7、11、13次谐波，属于非线性负荷。冲压线负荷工作时产生的冲击性无功功率造成电网电压大幅度波动，影响电能质量。冲压线负荷产生的大量冲击性无功，造成网损增加加，变压器输出能力不够，系统不能经济运行。产生谐波污染，影响系统电能质量。情况简介：地点：冲压线4#变电所1600KVA变压器主要负荷：冲压机床和一些其他用电设备问题描述：冲压机床在生产过程中产生了大量的高次谐波，主要为5、7、9、11等次谐波，造成电网电能质量下降，影响其它设备的正常运行和工艺质量。最终解决方案：为滤除谐波，改善电能质量，变压器低压母线安装了一台APF有源滤波装置。 （a）APF投入前系统谐波分析图 （b）APF投入后系统谐波分析