谐波严重性的判断及AccuSine治理

2007年PAE应用方案文集电能质量-34-谐波严重性的判断及AccuSine治理陈正峰（电力监控与补偿滤波产品应用工程师/广州/13922204625）摘要：谐波治理是近年的一个新热点,关系到各行各业的用电效率和用电安全,本文详细介绍如何运用相应的标准判断谐波的严重性,并重点介绍全球电气行业领导者施耐德电气公司的AccuSine有源电力滤波器卓越的滤波性能以及优势。0前言现场采集谐波数据，对谐波污染程度作出判断是进行谐波治理项目中的一个极其重要的步骤，许多项目的方案制作以及产品的选型都是在此基础上进行的。为了更好地对现场谐波作出正确的判断并采取有效的谐波治理措施，特将一些经验与大家分享，从而使各用电用户更加关注谐波问题，还用户一个清洁的电网。1通过谐波电压判断谐波的严重性1.1测量数据对于谐波治理来说，对一个低压系统进行整体治理是常见的一种方案，因此，变压器低压进线端成了一个关键的测量点。以下为一家半导体加工企业的滤波项目中在变压器低压进线端的测量数据。测量位置变压器低压进线电压谐波总畸变率（THDu）电流谐波总畸变率（THDi）电压波形电流波形2007年PAE应用方案文集电能质量-35-根据国标GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》相关的要求，在380V的电压等级，电压谐波总畸变率THDu＜5%。以上的测量数据显示，THDu=3.4%，比国标的限值小。也许有些人员会因此认为现场的谐波还不够严重，可以置之不理。其实,国标规定380V电压等级的THDu＜5%，主要是使连接到公共连接点上的设备都可以利用THDu＜5%的电源。为了检验是否车间内的设备都用上了THDu＜5%的电源，我们在车间的配电柜对设备的进线时行了测量，以下为测量数据：测量位置车间YP3馈线柜进线电压谐波总畸变率（THDu）电流谐波总畸变率（THDi）电压波形电流波形以上的数据表明，在同一低压系统中，各个测量点的电压谐波总畸变率并不是相同的,有时甚至有着明显的差别。在这个项目中，变压器输出端母排的THDu＜5%，而在车间测量时，THDu=5.7%，已经超过了国标的限值。2007年PAE应用方案文集电能质量-36-在另外的一些项目当中，也会有类似的情况。以下为在一卷烟厂测量的数据，可以发现，变压器低压输出端母线电压的THDu＜5%，并不能保证实际加到负载电压的THDu＜5%。变压器低压进线制丝车间ZS3馈线柜进线电压谐波总畸变率（THDu）电压谐波总畸变率（THDu）1.2分析为了解释上述的现象,我们可以用以下的示意图作定性的分析。在上图中，Vs------电源电压Zsn------电源的谐波阻抗Zcn------电缆的谐波阻抗Ih------谐波电流2007年PAE应用方案文集电能质量-37-由于分析的关注点在于解释测量点A和测量点B的电压谐波总畸变率为何不相同，尽管这两个测量点都受到背景谐波的影响，但我们可以认为背景谐波对这两个测量点的影响是相同的，为了简化起见，我们认为供电电源Vs是纯正弦波电源。因此，测量点A的谐波电压为：UAh=Ih×Zsn测量点B的谐波电压为：UBh=Ih×（Zsn+Zcn）通过推导，我们发现，UBh＞UAh。在谐波电流严重的现场，变压器的阻抗以及电缆的阻抗将对这两个测量点的谐波电压产生重大的影响。如果电缆的长度比较长，电缆的阻抗将是一个不可忽略的因素。一台容量为1650kVA，阻抗电压Uk=6%的变压器，其短路阻抗为Zs=6%×（4002/1650）=6.79mΩ;截面积为240mm2的1kV交联聚乙烯绝缘电力电缆用于3相380V系统,每km的电阻为0.091Ω,感抗为0.077Ω（数据来自《工业与民用配电设计手册》）。假如现场的此类电缆长度为100m，则电缆的电阻值为9.1mΩ，感抗值为7.7mΩ,电缆的阻抗和变压器的阻抗是同一个数量级，不容忽略。2通过谐波电流判断谐波的严重性在国标GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》中对电网的谐波电流的限值作出了明确的规定。应用此标准对现场的谐波电流作是否超标的判断时，必须先了解公共连接点的短路容量,然后再按比例计算此公共连接点允许的谐波电流值。对此不作赘述。关于谐波电流的限值，除了平常人们所熟悉的国标GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》之外，另外还有一些IEC标准或国标可以在实际项目当中有着很好的指导作用，GB/Z17625-2003《电磁兼容限值对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制》就是其中之一。此标准“给出了一组顺序的评估等级，如果设备满足其中之一，则建议不宜因产生谐波电流而拒绝其接入供电系统。”换句话说，反之，我们可以拒绝将不符合要求的设备接入电力系统，除非先将该设备的谐波发射量限制在可接受的范围之内。这对实际项目当中判断一个设备或一条支路是否要进行谐波治理提供了一条简单明了的判断依据。GB/Z17625-2003《电磁兼容限值对额定电流大于16A的设备在低压供电系统中产生的谐波电流的限制》给出了三条判据。在实际项目，第一条判据用得比较多，在此略作介绍。在设备的额定视在功率（Sequ）等于或小于短路容量（Ssc）的33分之一时，即，Sequ＜＝Ssc/33，第一条判据适用。举个例子，一个低压系统由一台1250kVA，阻抗电压Uk=6%的变压器供电，其短路容量约为1250000÷6%＝20.8MVA,20.8MVA÷33=630kVA,只要系统中视在功率等于或小于630kVA的设备,都可以用GB/Z17625-2003的第一条判据判断其谐波电流是否超标。各次谐波电流的允许值参照下表：谐波次数（n）允许的谐波电流In/I1(%)谐波次数（n）允许的谐波电流In/I1(%)321.621=0.62007年PAE应用方案文集电能质量-38-510.7230.977.2250.893.827=0.6113.1290.7132310.7150.7=33171.2=0.6191.1偶次=8/n或=0.6I1=基波电流额定值，In=谐波电流分量。3AccuSine进行谐波治理谐波治理对现代工业的生产意义重大，这是因为谐波不仅降低了电能的生产、传输和利用的效率，而且给供、用电设备的正常运行带来的严重的危险，这已经引起了世界各国的普遍关注，并制订了一系列的相关标准。相应的标准不但对系统的谐波电压有规定，而且对设备的各次谐波电流发射量也有规定，这也对滤波技术提出了更高的要求。传统的无源滤波技术显然无法高质量地解决谐波问题。凭借着强大的研发实力，国际电气巨头施耐德电气公司推出AccuSine系列有源电力滤波器。AccuSine有源电力滤波器采用目前最先进的模拟逻辑方式消除电网谐波，是谐波治理的完美解决方案。传统的有源电力滤波器采用FFT(快速傅立叶变换)进行谐波分析，这在一定程度上影响了有源电力滤波器的响应速度，因为它需要将检测到的一个周期的信号进行分解，从而得到各次谐波的幅值和相位。这样，采用FFT进行谐波分析的有源电力滤波器必然存在着大于一个周期的迟延性。尽管有的文献提出一些新的方法，比如移动窗口方法，即在采样到一个新的数据的同时剔除一个时间最早的数据，将新的数据和其它数据一起构成新的数据窗。这种方法也有缺点，当系统的谐波发生变化时，由于新的采样点是逐步加进来的，有源电力滤波器必须经过一个周期才能完全跟上系统的谐波变化。AccuSine有源电力滤波器采用基于瞬时无功理论的检测方法分析谐波分量，利用系统的电压和电流的关系直接分析出电流中的谐波成分，因而不需要检测一个周期后再进行谐波的幅值和相角分析。和传统的有源滤波器相比，AccuSine有源电力滤波器可以在40μS之内响应负载的变化，并且可以解决间谐波问题。在进行傅立叶分析时，分析的谐波频率越高，运算的复杂程度和耗时都会随之升高，因而传统的有源滤波器一般只对频率比较低的谐波进行分析和处理，而AccuSine有源电力滤波器在滤波频谱上远比传统的有源滤波器宽广，可以同时消除2~50次谐波。2007年PAE应用方案文集电能质量-39-附录为AccuSine有源电力滤波器验收报告节选，实测数据显示，AccuSine投入使用后，不但总谐波有效值降低了，而且各次谐波中，无论是主要频谱谐波，还是次要频谱的谐波，数值都明显减少，可以确保各次谐波都符合相关的标准除了采用先进的检测方法进行谐波分析之处，和其它的有源电力滤波器相比较，AccuSine有源电力滤波器还有许多令人称道的优点，比如：不同容量的滤波器可以相互扩展、每台AccuSine有源电力滤波器都有独立的控制单元、适用电压范围广（208V~480V）、不受系统不平衡的影响、即可以滤波又可以进行无功补偿、可以瞬间高于额定容量进行涌流补偿，从而消除闪变和电压波动等等。实际项目当中的具体情况千差万别，针对不同的应用现场,可以选择不同系列的AccuSine有源电力滤波器进行处理。如果现场没有中性线，或中性线上没有谐波电流，我们可以选择AccuSine/3L系列有源电力滤波器进行谐波消除。许多工业场合的负载都是三相负载，电流并没有通过中性线形成回路，因此，在工业场合，AccuSine/3L系列有源电力滤波器有着广泛的应用。如果现场的中性线的谐波电流不容忽略，我们可以应用AccuSine/4L系列有源电力滤波器进行谐波消除。同时，在超出任何系列的AccuSine的额定电压时，我们也可以通过加装变压器来实现AccuSine的应用，很好的突破了一些特殊场合的电压瓶颈。近年来，施耐德电气公司在持续不断地关注着中国企业的谐波治理问题，通过和中国企业紧密配合，目前已有大量的项目应用了施耐德电气公司的AccuSine有源电力滤波器，AccuSine有源电力滤波器也以它一贯的优良性能赢得广大用户的青睐。4总结谐波治理是一项对用电方和供电方都有着重大意义的工程，是响应“节能降耗”号召的一项具体措施。在谐波治理时，我们应该从终端用户的角度从发，确保用户能够真正使用上优质的电源。同时，为了使公用电网保持一个良好的环境，我们应该对各设备的谐波发射量进行限制。无论从用电方出发还是从供电方出发，都应该根据工程实际量身订做，选择性能优良、技术成熟的滤波器。2007年PAE应用方案文集电能质量-40-附录:AccuSine有源电力滤波器滤波效果测试谐波次数电流谐波滤波器投入前滤波器投入后谐波是否降低有效值（A）有效值（A）THD（%）88.746.9●20.400.29●30.410.40●40.470.36●583.714.00●60.370.24●79.671.36●80.140.12●90.170.16●100.230.18●1122.652.95●120.290.22●135.202.18●140.110.11150.110.05●160.160.11●1711.482.46●180.250.13●195.431.38●200.120.12210.120.09●220.150.14●237.451.60●240.220.07●254.411.17●260.130.08●2007年PAE应用方案文集电能质量-41-270.160.10●280.160.08●295.891.43●300.210.05●313.321.31●320.120.09●330.120.10●340.140.09●354.491.58●360.200.08●372.911.01●380.120.08●390.100.07●400.130.08●413.581.59●420.180.05●432.481.18●440.110.11450.090.08●460.120.08●472.941.68●480.180.07●492.201.03●500.090.07●