港口配电系统MPL全面谐波治理方案

针对港口配电系统MPL全面谐波治理方案港口配电系统MPL全面谐波治理方案第一版编写：成来强审核批准MANPLES（中国）

目录TOC\o"1-4"\u第1部分 概述及分析 71.1 引言 71.2 谐波 71.2.1 概述 71.2.2 分类 电力侧谐波： 用户侧谐波： 81.3 谐波对港口配电系统的影响 111.3.1 对设备的影响 111.3.2 对电网的影响 111.4 问题（谐波）分析 11第2部分 治理及结论 152.1 谐波治理方案 152.1.1 方案的特点如下： 152.2 MPL7200A 162.2.1 概述 162.2.2 MPL7200A工作原理 162.2.3 MPL7200A产品特点 172.2.4 MPL7200A技术指标 182.3 MPL7130 202.3.1 简介 202.3.2 原理 202.3.3 MPL7130的技术参数 202.3.4 MPL7130的优良特性 应用频段宽 高可靠性 保障控制设备运行 经久耐用，安全可靠 222.4 治理后检测 23

表目录TOC\c"表"表11谐波的分类比较与治理 8表12谐波对电力系统中的设备和元件的常见影响 10表21MPL7200A技术指标 19

图目录TOC\c"图"图11含有5次和7次谐波的畸变波形 8图12电流波形图以及电流THDi值 13图13电压波形图以及电流THDi值 13图14港口门机工作时无功需求趋势图、功率和电能 14图15PF受THDi影响下降曲线 15图16存在谐波情况下系统阻抗示意图 15图21有源滤波柜 17图22MPL7200A工作原理图 17图23治理前后对比 25

版本说明版本号编制审核修订章节页码完成日期修订说明1.0.0成来强2016-6-28起草编制

索引INDEX\e" "\o"S"\c"1"\z"2052"1台“并联高频滤波单元”（MPL7130）， 15MPL7130 18有源滤波装置 15

概述及分析引言近年来电力电子技术以其节能、高效、便于操控的特点，在港口的配电系统中已经广泛的被应用，尤其是整流、变频以及能量回馈等技术已经大量应用于门机、集装箱岸桥等机械设备。但是，这些新技术的使用不可避免的对港口的配电系统产生大量干扰，特别是谐波干扰已经成为一个不可避免的问题。其中大部分重型设备都会向配电系统注入5次、7次等谐波。高次谐波对系统会产生各种危害，例如，变压器过热、噪音增大，电容器频繁鼓肚、导致功率因数低，电缆发热严重等。根据国标GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》的相关规定，对有下列情形之一，严重影响电力安全的用户，供电企业可以中断供电：“（一）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或者引起公共连接点电压正弦畸变率超过国家规定标准时，在供电企业通知后，用户不予改正的；（二）用户的冲击负荷、波动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或者对安全运行构成干扰、妨碍，在供电企业通知后，用户不予改正的”谐波无论对电力系统还是对用户的用电设备都造成了很大影响，根据相关规定，建议对该配电系统进行谐波治理。本文根据实际测试的结果，分析港口谐波源的特点，并提出相应的治理措施。谐波概述电力谐波是频率为50Hz整倍数的正弦波电压或电流。发电厂或者发电机发出的电压是频率为50Hz的正弦波波型，称为基波，50Hz称为基波频率。频率为50Hz整倍数的正弦波称为谐波。谐波用基波的倍数表示，例如频率为150Hz的正弦波称为3次谐波，频率为250Hz的正弦波称为5次谐波，频率为350Hz的正弦波称为7次谐波，以此类推。谐波频率的正弦波电压或电流称为谐波电压或谐波电流。当基波和谐波叠加时，形成形状怪异的波形，这称为波形畸变。例如，图1-1是基波与5次、7次谐波叠加的结果，这是工业场合常见的电流波形。在实际工程中，大多数谐波为奇次谐波，也就是3、5、7、11、13•••••。

图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s11含有5次和7次谐波的畸变波形总结：正常的交流电压或者电流是正弦波，当电压波形或电流波形发生畸变时，就说明其中包含了谐波成分，畸变的程度越大，包含的谐波成分越多。国标《电能质量公用电网谐波GB/T14549-93》对谐波（分量）的定义是：对周期性交流分量进行傅立叶级数分解得到频率为基波频率大于1整数倍的分量。总谐波畸变率(THD)作为衡量用电质量的一个重要指标，它的定义是：周期性交流量中的谐波含量的方均根值与其基波分量的方均根值之比（用百分数表示）。电压总谐波畸变率以THDu表示；电流总谐波畸变率以THDi表示。分类供电系统中谐波可分为电力侧谐波和用户侧谐波。电力侧谐波：又称低频谐波，通常是指40次以下的谐波，尤以3、5、7、9等次谐波为代表，其主要的对供电系统产生危害，造成电网供电效率下降，电容发热甚至烧毁等。用户侧谐波：又称高频谐波，通常是指40次以上的谐波，频率通常在2000Hz以上，其主要的对用电设备产生危害，造成工作质量下降、死机、损坏、寿命下降等。电力侧谐波用户侧谐波谐波次数2≤n≤40即100Hz—2000Hz40≤n即2KHz—10MHz能量大小大小危害范围电力变压器，配电设施等计算机、PLC、控制设备等危害特点对设备有明显物理损伤，不干扰控制设备对设备的物理损伤小，干扰控制设备治理方法谐波保护器-有源滤波器谐波保护器-被动方式对应产品MPL7200AHPD1000HPD99表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s11谐波的分类比较与治理设备、元件谐波效应动作反应中线导体在三相四线制系统中，中线导线可能会受220V支路上非线性负载的严重影响。如果负载是单相的，某些谐波（3次谐波的奇数倍：3次，9次，15次）在中线上不是相互抵消，而是相互叠加如果系统中有很多这样的负载，中线电流可能超过其中任何一相的电流——非常危险，因为中线上没有断路器保护。开关柜热磁式断路器使用两种金属机械式断开方式对电流热效应产生反应。峰值感应断路器对电流波形的峰值产生反应，并非总是正确的对谐波电流作出反应。当温度过高断路器会断开，从而可以对谐波电流过载起保护作用。因为谐波电流的峰值通常高于正常值，在较低电流时，断路器可能提前动作。如果峰值低于正常值，断路器可能不会正常动作母线和接线板中线母线和接线板的尺寸应足够承受满负荷额定相电流。当附加的3次奇数倍谐波叠加使中线导线过载时，它们也会过载断路器开关柜是按50Hz的电流而设计的。高频的谐波电流引起的电磁场会导致开关柜产生机械谐振。在谐波频率开关柜会产生机械振动并发出嘶嘶的声音变压器某些商业建筑使用380V/220V，△-Y连接的变压器。这些变压器通常给商业建筑中的插座供电。单相非线性负载连接到这些插座上产生3次基波奇数倍谐波，并在中线上代数叠加。变压器问题也可能发生在芯损和铜损。变压器通常只是在50Hz相电流负载下标定。由于涡流和磁滞的作用，用户侧谐波电流会增加芯损，从而导致在与50Hz相同的电流下产生更多的发热。当中线电流抵达变压器，它会感应在△初级线圈中并进行循环，导致过热和变压器损坏。变压器可能会被烧毁。这些热效应要求变压器降载使用以满足谐波负载或用特殊设计的“K因数”变压器替代。发电机备用发电机和变压器会有同样的问题。因为它们为产生谐波的负载提供备用的能量，而发电机比这些负载更脆弱。除了过热，某些谐波在电流波形的过零点产生失真，它会干扰或引起发电机控制的电路不稳定。控制设备变频器、开关电源及UPS等设备自身产生大量的高次谐波，而高次谐波对控制设备和控制系统的干扰极大。使设备（如PLC、音响、医疗设备、继电保护、测量仪表、电力电子器件、计算机系统、精密仪器等）运转不正常或不能正确操作。用电设备变频器、开关电源及UPS等产生的高次谐波通过系统传输，干扰用电设备的电源。使设备（如PLC、音响、医疗设备、计算机显示器等）出现噪音、屏闪、寿命缩短等现象。通讯系统通常通讯系统对电源的要求都比较高，而大量高次谐波的存在对其的干扰将会非常的严重。干扰电话线路及网络线路，使通讯不能正常传输，使通讯出现杂音、误码甚至中断。表STYLEREF1\s1SEQ表\*ARABIC\s12谐波对电力系统中的设备和元件的常见影响谐波对港口配电系统的影响对设备的影响谐波使配电系统遭到污染，这都可能影响继电保护、计算机系统和精密机械或仪器正常的运行、操作，降低这些设备的使用寿命，甚至引起继电保护误动作而形成不必要的事故，造成不同程度的影响和损害，特别是对感应型电能表的影响。相关研究表明，感应型电能表对2次以上的谐波有逐渐增大的衰减特性，达到9次时已衰减掉80％以上。对电网的影响电网无功配置容量中电容器所占比例最大，其中用户电容器约占全部电容器的2/3。这部分电容器的设计大多只考虑无功补偿量，不考虑装设点电能质量的实际污染情况，因此，运行点电能质量指标低时，常造成一些事故，如补偿装置投不上、电容器使用寿命降低、电容器保护熔丝熔断，甚至发生串并联谐振，引发电容器的谐波过电压与过电流，导致电容器爆炸等。用户电容器的管理仍按平均功率因数进行考核，由于存在谐波，还会对功率因数产生影响，一般的，设备的输入功率因数：。从该式可以看出，当电流、电压发生畸变时，其功率因数会随着减小。问题（谐波）分析港口供电系统中的谐波问题已引起业界人士的普遍重视,特别是随着港口建设的迅速发展,港口规模不断扩大,港口用电设备大量采用硅整流设备和可控硅变流设备,以及在堆场照明中普遍采用的放电类电光源设备。这些非线性负载产生的各次的高次谐波,能使变压器、电动机等发热,也能使回路过载发热,造成断路器频繁跳闸,甚至引起火灾。由于谐波的产生会严重降低港口的供电质量,因此,防治谐波,降低损耗,提高供电系统电能质量是非常重要的。下面是对港口配电系统的测试结果分析：图1-2所示为测量点电流波形图以及电流THDi值。该图中由于受负载影响，电流波形畸变很严重，这是电流在正弦波形情况下叠加了各种谐波导致的，从该谐波表格可以详细看到各次谐波含有率，由于港口有大量变频器负载，导致配电系统中5次、7次、11次谐波含量过高。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s12电流波形图以及电流THDi值图1-3所示为电压波形及其谐波表格。电压出现畸变，主要原因是畸变的电流在线路谐波阻抗上产生的，由于电流畸变十分严重，当畸变的电流流经线路阻抗时，会产生畸变的电压降，根据基尔霍夫电压定律可知，在该配电系统上的其他设备也必定是连接到畸变的电压上，从而受到严重影响。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s13电压波形图以及电流THDi值图1-4所示为该港口门机工作时无功需求趋势图以及办公区电能情况。从图4中可以看到，这些设备在空载和负重时所需无功差别大，变化快。下图可以看到，在门机工作时，每隔1分钟左右就会有一次很大的无功需求，传统无功柜采用接触器切投，功率因数控制器(RVC)控制。RVC会设置相应的步进投切时间，一般时间设置会在10s到40s之间，例如ABB低压RVC步进投切时间默认为40s，投切时间太长跟不上负载无功需求，投切时间太短会导致接触器、电容器等元件老化加速。跟据这一特性可知，传统的无功补偿无法跟踪快速变化的负载无功需求，这会导致功率因素数一直很低。功率因数受谐波和快速变化的负载影响，要投入更大的无功补偿或更换新的无功补偿设备，各种成本也会随之上升。如图1-5所示，受谐波影响，功率因数普遍不高，平均仅为0.84。

图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s14港口门机工作时无功需求趋势图、功率和电能由以上分析可知，功率因数受到谐波的影响，根据公式利用计算机仿真可以看出当PF=0.84，THDu=5%时，THDi高达60%。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s15PF受THDi影响下降曲线如图1-6所示，由于存在谐波，变压器阻抗为，电容器阻抗为当系统谐波较大时，变压器阻抗会变大，而电容器阻抗变小，大量谐波流入无功柜，并且在某一频次时甚至发生谐振，这些现象时刻威胁港口配电系统的稳定运行。图STYLEREF1\s1SEQ图\*ARABIC\s16存在谐波情况下系统阻抗示意图

治理及结论谐波治理方案经过以上分析，该配电系统电能质量基本可以概括了解。港口的机械设备使用大量电力电子器件，产生大量谐波，机械设备在运行时，无功需求差别大，变化快，致使传统无功柜无法及时补偿。当系统存在谐波时，无功柜过补会导致谐波被放大，严重时甚至发生谐振，直接使变压器过载，开关柜跳闸。作为谐波保护领域的专家，MANPLES公司拥有雄厚的技术研发力量和丰富的行业经验，不断在技术上创新，引领着国际谐波保护领域的方向。传统的谐波保护解决方案只是从单一的设备入手，针对狭窄的谐波频段，“头疼医头，脚痛医脚”，这种方法虽然可以达到一定的效果，但是无法从根本上解决问题，电网当中还是存在不稳定因素，可能对设备的安全运行造成影响。MANPLES为解决这一问题，推出了一套行之有效的谐波保护整体解决方案。1、在每台变压器低压进线侧设置1套有源滤波装置XE"有源滤波装置"（MPL7200A），提高功率因数、抑制治理谐波污染，确保功率因数及谐波含量满足国家标准。2、在每台变压器低压侧母线上装设1台“并联高频滤波单元”（MPL7130），XE"1台\“并联高频滤波单元\”（MPL7130），"保护用电设备免受谐波危害，为用电设备提供全面的谐波防护。3、在每台给重要系统或负荷供电的配电箱装设1台“并联高频滤波单元”（MPL7130），保护用电设备免受谐波危害，为重要负荷用电设备提供可靠的谐波防护。方案的特点如下：MPL全面谐波保护从低次到高次的谐波保护无源和有源有机结合分层次、全方位的谐波保护专业的谐波保护系统MPL7200A图STYLEREF1\s2图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s11有源滤波柜MANPLES公司的MPL7200A谐波保护器，针对电力侧谐波，为谐波治理提供了完美的解决方案。其采用MSNPLES公司研发的最新技术，可以快速准确地实时跟踪检测出谐波，并通过优秀的算法，控制IGBT实现对谐波的补偿。MPL7200A工作原理图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s1图STYLEREF1\s2SEQ图\*ARABIC\s12MPL7200A工作原理图直接电容作为储能元件，为通过IGBT逆变器和内部电抗器向外输出补偿电流提供能量。同时，直流电容器通过电源PCB向内部的控制PCB和电子电路提供工作电源。MPL7200A通过外部CT采集电流信号送至控制PCB的谐波分离模块，该模块将基波成分分离，将谐波成分送至调节和检测模块。该模块会将采集到的系统谐波成分和MPL7200A已发出的补偿电流比较，得到差值作为实时补偿信号输出到驱动电路，触发IGBT逆变器将补偿谐波电流注入到电网中，实现滤除谐波的功能。MPL7200A产品特点◆MPL7200A谐波保护器是高级型的有源滤波器，是电力侧谐波治理的优秀解决方案。◆MPL7200A采用目前最先进的DSP+ASIC数字逻辑方式消除电力侧谐波。◆MPL7200A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，实现滤除谐波的功能。◆MPL7200A可以提供超前或滞后的无功电流，用于改善电网的功率因数和实现动态无功补偿。◆MPL7200A可同时滤除2次到65次的谐波电流◆MPL7200A配有内部熔断器保护，达到200KA。◆MPL7200A最大并联运行数量10台，具有自动限流功能，不发生过载。◆用户可自行选择谐波补偿次数，可以只滤波，或同时滤波和补偿无功。◆50μs内响应负荷变化，全部响应时间为5ms(1/2周波)。◆MPL7200A采用独创的有专利的业内先进的多组并行瞬时无功理论。◆MPL7200A采用速度高达20KHz的IGBT,可迅速消除谐波。◆大屏幕显示波形频谱，全彩色，高分辨率。（可选）◆具有先进的电网谐振自动抑制功能。◆提供完善的通信功能，RS485，MODBUS。以太网通信TCP/IP。（可选）◆MPL7200A可提供从单相到三相的系列产品。◆MPL7200A系列单机可消除谐波电流从25-900A，为业内领先水平◆MPL7200A的运行噪音低于50DB，为业内领先水平。◆MPL7200A谐波保护器（高级型有源滤波器）的滤波性能独立于电网阻抗及系统阻抗之外，不受电网阻抗和系统阻抗变化的影响。◆过电流限制：采用可靠的限流控制环节，当系统中的谐波电流大于MPL7200A谐波保护器的治理能力时，滤波器能在自己的额定容量范围内最大限度的对谐波进行补偿，维持正常工作，不会出现过载烧毁等故障。◆三相四线制MPL7200A中中性线滤波能力为相滤波能力的3倍。◆具有缓冲启动控制回路，能够避免自启动瞬间过大的投入电流，并限制该电流在额定范围之内。MPL7200A技术指标电气特征额定电压（V）AC380±15%（可提供AC660±15%）工作频率（Hz）50±5%电气接线三相四线CT的要求自带3个专用精密互感器滤波范围2~65次谐波滤波程度选定每次谐波可进行幅值补偿设定滤波能力高达97.5%无功补偿模式可选，自动容量控制功率因数校正有，且可设定响应时间50μs负荷平衡补偿有有功功率损耗<3%额定模块功率下过载能力120%多台运行方式并联运行平均无故障时间≥10万小时控制特征开关频率平均20kHz控制算法具有自适应能力的领域筛选矢量补偿算法控制器数字式DSP通信功能采用通信接口RS485/232，MODBUS（可选工业以太网总线）控制连接光纤，或电气连接结构特征防护等级IP30（可提供IP54）颜色RAL7035（浅灰色），可按要求提供其他颜色冷却方式强迫风冷整体结构和尺寸落地式/壁挂式柜体深度600mm内，宽高按客户要求安装方式室内安装，固定方式可选，电缆进线方式可选噪音1m距离额定工况下≤50dB一次进线方式上进线或下进线环境条件环境温度-25℃~+存储温度-40℃~+相对湿度最大95%，无凝露海拔高度安装海拔小于1000米污秽等级重污区雷害等级中雷区电磁兼容符合GB/T.7251-2005（GB/T7261-2000）包括衰减震荡脉冲群干扰、静电放电干扰、辐射电磁场干扰、快速暖变干扰、浪涌（冲击）干扰度、电压中断抗扰度、电磁发射试验等表STYLEREF1\s2SEQ表\*ARABIC\s11MPL7200A技术指标MPL7130XE"MPL7130"简介理想的供电应是单一恒定频率与规定幅值的稳定电压。但随着各种新型、高效、多功能用电设备的不断更新,这些非线性电气设备使电网电压、电流波形实际上是不同程度畸变的非正弦波。非正弦波含有会直接对用户设备及人体产生危害的高次谐波。由于电子计算机、微处理器以及其它电子仪器设备普遍存在对供电电源的谐波质量要求很高的特点，由于用户侧高次谐波的存在，使得这些高灵敏的电子系统在运行时，经常出现程序运行错误、数据错误、时间错误、死机、无故重新启动甚至造成用电设备的永久性损坏，给人们的工作和日常生活造成了巨大损失。一般设备在“瞬变”发生频次20万次/小时状态下工作，电子设备寿命会缩短40%，电机设备寿命会缩短30%，照明设备寿命会缩短35%~45%。据统计，电子设备的故障有75%是由于用户侧高次谐波造成的。基本上每当一个电感性负荷被切断时,就会有比正常电压的峰值高很多倍的用户侧高次谐波产生。MPL7130谐波保护器正是针对用户侧高次谐波（2kHz-10MHz）的污染，为精密控制设备提供谐波保护，改善越来越恶劣的电能质量。MPL7130谐波保护器采用了超微晶合金材料与创新科技的特别电路,对用电设备产生的用户侧高次谐波具有抑制和吸收作用；保证了仪器设备的正常运行。原理“并联高频滤波单元”（MPL7130）由电容器、电抗器,有时还包括电阻器等无源元件组成,以对某次谐波或其以上次谐波形成低阻抗通路,以达到抑制高次谐波的作用。MPL7130的技术参数电路连接方式：三相星形，三相三角形额定电压：额定相电压250V最大脉冲电流值：12000A钳位电压值：对2500V(1.2μs/50μs)的浪涌电压,可限制在1000V以下。抗浪涌电流：对2500V(1.2μs/50μs)的浪涌电压，浪涌电流不超过1000A（80μs/20μs）保护频率：1KHZ~20MHZ滤波效能：100KHZ附近40DB衰减,对网电源中的尖峰瞬变和1KHZ~20MHZ杂波有明显的滤波效果。泄露电流：1.527mA环境范围：温度范围：-30℃～70℃存贮温度：-40℃～85℃相对湿度：＜85%（20±5℃条件）大气压力：86～108Kpa电源：交流250V，50HZ/60HZ功耗：小于3W工作环境：无爆炸,无腐蚀性气体及导电尘埃,无严重霉菌存在，无剧烈振动,无冲击源；如果需要在此类环境下工作，请采取相应的防护措施。绝缘电阻：>50MΩ耐压：MPL导电部分与外壳间承受2000V（AC），历时1min，无击穿和闪络现象。电磁兼容性测试：振荡波抗扰度：IEC60255-22-1Ш级静电放电抗扰度：IEC60255-22-2Ш级射频电磁场辐射抗扰度：IEC60255-22-3Ш级电快速瞬变脉冲群抗扰度：IEC60255-22-4Ш级端子：酚醛树脂,耐高温900℃接点容量：50A耐压：2000VMPL7130的优良特性应用频段宽MPL能吸收各种频率各种能量的谐波干扰。自动消除对用电设备产生的用户侧随机高次谐波和高频噪声、脉冲尖峰等干扰。高可靠性MPL无源并联在电路中，导轨安装，将谐波消除在发生源。保障控制设备运行MPL本身不耗电，而且采用谐波保护减少了仪器设备的故障率和机器误操作，全面克服了由于谐波污染导致用电装置电能利用效率降低，故障率高的问题，保障了设备的安全运行。经久耐用，安全可靠MPL采用超微晶合金材料，采用航空铝材与工程塑料一体化的