3、现代通信机房的谐波处理及节能教学提纲.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,上海市电信有限公司,3、现代通信机房的谐波处理及节能,引言,谐波的危害,谐波的特性,谐波的表示方式,谐波的定义与计算,不同类型设备的谐波特征,机房谐波源,整流电路谐波的理论分析,IDC,机房的谐波抑制,电容谐振的案例分析,节能减排数据分析与经验体会,目 录,1,、引 言,近年来谐波所造成的危害日趋严重，对发、输、供、用电设备都造成了严重影响，导致设备运行故障、维修工作量增加及增耗电费，甚至引发火灾事故等。,保证电能质量，以使用户安全、正常用电是电力部门的职责。但电能质量和一般产品质量不同之处在于它不完全取决于电力生产企业，有的质量指标,（例如：谐波、电压波动和闪变，三相电压不平衡度）主要由用户负荷的干扰所致。因此电能质量的保证，需要供用电双方共同努力，共同承担相应的责任。,计算母线谐波电压、支路谐波电流、电压和电流总谐波畸变率（,THD,），以及找出其谐振的条件是谐波研究和处理的基本途径。,随着电子技术的发展，大功率可控硅,SCR,、门极可关断晶闸管,GTO,、电力场效应晶体管,MOSFET,、电力晶体管,GTR,、,IGBT,等技术的发展和广泛应用，大量非线性负荷的增加，使得电力系统波形严重畸变，这便是谐波。谐波最早发现在,20,世纪,20,年代，,50,年代以来，非线性负载引起的谐波问题日益受到关注。,1.1,、谐波的基本定义,所谓的谐波是指供电系统中所含有的频率为,基波的整数倍,的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行,傅立叶级数,分解，除了得到与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。,谐波频率与基波频率的比值（,n=f,n,/f,1,）称为谐波次数。通俗的将分解后的谐波称为,n,次谐波，此处的,n,即是谐波次数。一般指从,2,次到,50,次范围，如,5,次谐波电压（电流）的频率是,250,赫兹，,7,次谐波电压（电流）的频率是,350,赫兹；超过,13,次的谐波称高次谐波。,5,2,、,谐波干扰的危害,对发电设备的危害：,谐波干扰增大发电机的损耗，产生寄生转矩，降低了机械能向电能转换的效率；谐波在线圈绕组和转子阻尼线圈中产生额外的损耗，产生振动和发出异常的噪音。发电机中,THDI,必须小于等于,20%,，否则发电机的功率也必须进行折算；,对输电设备的危害：,损耗增加（趋肤效应）、引发谐振（线路电感、对地电容）、中线电流增大、影响线路的稳定运行（继电保护的误动或拒动）；,对供电设备的危害：,损害电容、变压器,降容,（铜损、涡流损耗与导体外部因漏磁通引起的杂散损耗,）,、降低可靠性、影响电力测量的准确性；,对用电设备的危害：,视在功率,增大,、,干扰敏感性的电子设备；,对人体的危害：,人体细胞在受到刺激兴奋时，细胞膜静息电位会发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场，引起不适，甚至诱发疾病，危害人体健康；,能源的浪费：,谐波的存在可增大视在功率、降低功率因数，大量浪费电能；,6,6,2.1,、谐波危害列表,受影响设备,影响的内容,电动机,主要是引起转子表面局部过热；也能引起定子零件过热，常需降低输出功率；引起振动等,变压器,引起绕组、外层硅钢片、外壳、金属紧固件的发热，降低输出功率；还会引起噪音和振动。,空调设备,控制失常，制冷、加湿失效，控制精度降低等。,电容器,增加介质的局部放电和热老化；还会引起机械振动，串并联谐振，严重时可引起爆炸。,电缆,增加浸渍绝缘局部放电和温升，缩短寿命，增加短路几率，严重时造成断电或火灾。,消弧线圈,延迟或阻碍消弧作用。,断路器,降低遮断能力，延缓甚至阻碍熄弧，有时损坏断路器。,避雷器,涌流延长其放电时间，可能导致损坏。,换流装置,使燃弧间隔不匀，个别不能运行。,电压互感器,可能引发参数谐振而损坏。,电力系统,损耗增大，降低安全。,遥控传输等,引起数据丢失、误显示、误动、误传、元件损坏等。,电能表,增加误差，增大供电线损率。,自动装置、,集成线路板,导致误判断、误动、误控制等。,继电保护,引起误启动、误跳闸、拒动、损坏，引起事故或扩大停电事故。,通信系统,主要引起电话杂音，有时出现过电压。,其他表计,增加误差，造成基波值大于实际的错觉。,3,、电力系统谐波的特性,1,、对称性：,奇对称性：,f,（,-t,）,=-f,（,t,），展开为傅立叶级数式没有余弦项；,偶对称性：,f,（,-t,）,=f,（,t,），展开为傅立叶级数式没有正弦项而只有余弦项；,半对称性：,f(t+T/2)=-f,（,t,），没有直流分量且偶次谐波被抵消，故忽略偶次谐波。,2,、相序性：,在一个平衡的三相系统中，单频谐波分量是完全正序的，或完全负序的，或完全零序的；,3,、独立性：,平衡电力系统中的线性网络对不同谐波的响应是相互独立的，这性质使得我们可以将各次谐波分别处理；即：对各次谐波分别建立等效电路并求解电流和电压。,10,4,、谐波的表示方法,傅立叶级数是研究和分析谐波畸变的有效方法，通过傅立叶分解能够对畸变波形的各种分量进行检查，任何周期波形都可被展开为傅立叶级数，即：,f(t):,频率为,f,0,的周期函数，角频率,0,=2,f,0,，周期,T=1/f,0,=2,/,0,;C,1,sin(,0,t+,1,):,基波分量；,C,k,sin(k,0,t+,k,):,第,k,次谐波。幅值为,C,K,频率为,k,0,初始相位为,k,5,、谐波的参数定义与计算,在电力生产、传输、转换和使用的各个环节中都会产生谐波。只有准确分析了谐波干扰产生的机理，才能有针对性地提出有效的治理方法；,谐波的基本特征参数,：按照傅立叶级数展开时，各次谐波电流都是正弦波，,I,H1,为基波成份,(50 Hz,或,60 Hz),；,I,Hk,为谐波成份，其中,k,为谐波次数,(50 Hz,或,60 Hz,的,k,倍,),。,总电流,(,压）谐波失真度,THDI,（,U),：,h,1,h,3,h,5,h,7,Ie,Icr,Harmonic distortion,5.1,、谐波功率及其公式定义,有功功率：,p(t)=v(t)i(t),无功功率：,视在功率,:,畸变功率：,D,2,=S,2,-(P,2,+Q,2,),功率因数：,P,f,=P/S,5.2,、举例,例：三相整流器输入电流（如图），其谐波频谱为：,Ih,5,=33%,、,Ih,7,=2.7%,、,Ih,11,=7.3%,、,Ih,13,=1.6%,、,Ih,17,=2.6%,、,Ih,19,=1.1%,、,Ih,23,=1.5%,、,Ih,25,=1.3%,，计算,THDI%,：,：,电流的有效值比基波电流的有效值增大了,5.6%,，即比没有谐波时的额定电流增大,5.6%,，这将在导体中造成温度升高,8,5.3,、峰值因数,峰值因数,(Crest Factor),：定义为,峰值,（最大幅值）与,有效值,的比率，用来表示信号,(,电流或电压,),形状的特征：,线性负载的典型峰值因数是,1.414,，六脉冲整流器的典型峰值因数从,1.5,到,2,，小型计算机的典型峰值因数从,2,到,2.5,，微机的典型峰值因数从,2,到,3,。,峰值因数对,UPS,容量有一定影响，举例分析如下：例如：对于,200KVA UPS,，其额定电流,In=303A,，若其峰值因数,Cf=3:1,，则：,UPS,可承受峰值电流为,303A x 3=909A,假设：负载峰值因数为,3.5:1,，则：,UPS,对于该负载所提供的电流有效值为：,909A/3.5=259.7A,即,:UPS,的使用容量为,259.7A x 220V x3=171.4KVA,7,5.4,、谐 振,串联谐振：发生在容性电抗和感性电抗相等的串联,RLC,电路中，发生时，电路的阻抗很小，较小的激励电压就能产生巨大的电流。,并联谐振：发生在具有感性电抗和容性电抗相等的并联,RLC,电路中，发生时，电路的导纳很小，较小的激励电流就能产生巨大的电压。,串并联谐振发生的条件：,X,LC,=,r,*L=X,Cr,=1/,r,*C,谐振的角频率为：,r,*L=1/(LC),谐振的次数为：,h,r,=(X,C,/X,L,),6.1,、,发电机,发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁芯也很难做到绝对均匀一致及其他一些原因，发电机多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。而且，当对发电机的结构和接线采取一些措施后，可以认为发电机供给的是具有基波频率的正弦波形的电压。,6.2,、,输配电系统,输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁芯的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁芯的饱和程度有关。铁芯的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中,3,次谐波电流可达额定电流的,0.5%,。,6,、不同类型设备的谐波特征,6.3,、用电设备,随着电子技术的发展，电网中非线性负载呈逐渐增加的趋势，非线性负载在工作时向市电反馈高次谐波，导致供电系统的电压、电流波形畸变，进而导致与电网相联的其它负载产生更多的谐波电流，电压畸变的程度取决于谐波电流的频率和幅值。整流器、充电器、开关电源、调光器、变频调速器、计算机、荧光灯等等都是非线性负载，见各典型图,开关电源,变频调速器,充电器,荧光灯,6,、不同类型设备的谐波特征,6,、不同类型设备的谐波特征,6.4,、变流设备,:,整流器、逆变器、变频器等各种电力变流设备采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐波，电网还必须向这类负荷产生的谐波提供额外的电能。,如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中,3,次谐波的含量可达基波的,30%,；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。,如果整流装置为三相全控桥,6,脉整流器，变压器原边及供电线路含有,5,次及以上奇次谐波电流；,如果是,12,脉冲整流器，也还有,11,次及以上奇次谐波电流。附几种典型的整流电路和谐波电流示意图,开关电源负载,整流充电器,变频调速器,UPS,整流器,7,.1 谐波和无功功率分析基础,1.,谐波：,可分解为,傅里叶级数,基波（,fundamental,）,在傅里叶级数中，频率与工频相同的分量,谐波频率为基波频率大于,1,整数倍的分量,7,、整流电路产生谐波的理论分析,I,I,Typical Switch Mode Power Supply,U,h5 40%,谐波量,:,U,I,h7 25%,h9 15%,h11 10%,谐波次数谐波频率和基波频率的整数比,n,次谐波电流含有率以,HRI,n,（,Harmonic Ratio for,I,n,）,表示为：,电流谐波总畸变率,THD,i,（,Total Harmonic distortion,）,定义为：,2.,单相整流的谐波,7,.1 谐波和无功功率分析基础,3,、功率因数,正弦电路中的情况：,电路的有功功率就是其平均功率；,视在功率为电压、电流有效值的乘积，即,S=UI,无功功率定义为：,Q=U I,sin,j,功率因数,l,定义为有功功率,P,和视在功率,S,的比值：,此时无功功率,Q,与有功功率,P,、,视在功率,S,之间有如下关系：,功率因数是由电压和电流的相位差,j,决定的：,l,=,cos,j,7,.1 谐波和无功功率分析基础,3,、功率因数,非正弦电路中的情况,有功功率、视在功率、功率因数的定义均和正弦电路相同，功率因数仍由,l,=,cos,j,定义。,公用电网中，通常电压的波形畸变很小，而电流波形的畸变可能很大。因此，不考虑电压畸变，研究电压波形为正弦波、电流波形为非正弦波（合成波）的情况有很大的实际意义。,设正弦波电压有效值为,U,，,畸变电流有效值为,I,，,基波电流有效值及与电压的相位差分别为,I,1,和,j,1,。,这时有功功率为：,P=U I,1,cos,j,1,功率因数为：,7,.1 谐波和无功功率分析基础,4,、基波因数,n,=,I,1,/I,，,即基波电流有效值和总电流有效值之比,5,、位移因数,（基波功率因数）,cos,j,1,非正弦电路的无功功率定义很多，但尚无被广泛接受的科学而权威的定义，一般情况下的引申公式：，这样定义的无功功率,Q,反映了能量的流动和交换；,6,、谐波功率：,上式目前被较广泛的接受用于定义无功的表达式，但该定义对无功功率的描述很粗糙。,为准确描述，,也可根据相关公式定义的无功功率，其谐波功率采用符号,Q,f,，,忽略电压中的谐波时有：,Q,f,=U I,1,sin,j,1,；,在非正弦情况下,，,S,2,P,2,+D,2,，,因此引入畸变功率,D,，,使得：,S,2,=P,2,+Q,f,2,+D,2,，,Q,2,=Q,f,2,+D,2,7,.2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析,1,-1,.,单相桥式全控整流电路,忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，直流电感,L,为足够大（电流,i,2,的波形见图）,变压器二次侧电流谐波分析,：,电流中仅含奇次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数,（,n,=1,3,5,）,；,7,.2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析,1-2,、,功率因数计算,基波电流有效值：,i,2,的有效值,I,=,I,d,，,则：,电流基波与电压的相位差等于,控制角,，,故位移因数为 ：,功率因数为：,7,.2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析,2-1,.,三相桥式全控整流电路及波形,在阻感负载下，忽略换相过程和电流脉动，直流电感,L,为足够大，以,=30,为例，交流侧电压和电流波形如图,u,a,和,i,a,波形所示。此时，电流为正负半周各120,的方波，其有效值与直流电流的关系为：,7,.2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析,2-2,、,变压器二次侧电流谐波分析：,2-3,、电流基波和各次谐波有效值分别为：,电流中仅含6,k,1（,k,为正整数）次谐波,各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数,9,7,.2 阻感负载下整流电路谐波和功率因数分析,2-4,、,功率因数计算,由相关公式可得基波因数为：,电流基波与电压的相位差为,，,则位移因数为,：,功率因数为,：,7,.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和,功率因数分析,单相桥式不可控整流电路,单相不可控整流电路采用感容滤波，典型的交流侧电流波形如右图所示。,电容滤波的单相不可控整流电路交流侧谐波组成有如下规律：,（,1,）谐波次数为奇次；（,2,）谐波次数越高，谐波幅值越小；,（,3,）与带阻感负载的单相全控桥整流电路相比，谐波与基波的关系是不固定的，,w,RC,越大，则谐波越大，而基波越小。这是因为，,w,RC,越大，意味着负载越轻，二极管的导通角越小，则交流侧电流波形的底部就越窄，波形畸变也越严重。,（,4,）越大，则谐波越小，这是因为串联电感,L,抑制冲击电流从而抑制了交流电流的畸变。,7,.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和,功率因数分析,2,、关于功率因数的结论如下,：,（,1,）通常位移因数是滞后的，并且随负载加重（,w,RC,减小）滞后的角度增大，随滤波电感加大滞后的角度也增大。,（,2,）由于谐波的大小受负载大小（,w,RC,）,的影响，随,w,RC,增大，谐波增大，而基波减小，也就使基波因数减小，使得总的功率因数降低。同时，谐波受滤波电感的影响，滤波电感越大，谐波越小，基波因数越大，总功率因数越大。,3,.,三相桥式不可控整流电路,实际应用的电容滤波三相不可控整流电路中通常有滤波电感。,7,.3 电容滤波的不可控整流电路交流侧谐波和,功率因数分析,交流侧谐波组成有如下规律,：,（,1,）谐波次数为6,k,1,次，,k,=1，2，3；,（,2,）,谐波次数越高，谐波幅值越小；,（,3,）谐波与基波的关系是不固定的，负载越轻（,w,RC,越大），则谐波越大，基波越小；滤波电感越大（,W*(LC),1/2,越大），则谐波越小，而基波越大。,关于功率因数的结论如下,：,（,1,）位移因数通常是滞后的，但与单相时相比，位移因数更接近,1,；,（,2,）随负载加重（,w,RC,的减小），总的功率因数提高；同时，随滤波电感加大，总功率因数也提高。,7,.4 整流输出电压和电流的谐波分析,1,、整流电路的输出电压中主要成分为直流，同时包含各种频率的谐波，这些谐波对于负载的工作是不利的。,右图,a,=0,时，,m,脉波整流电路的电压波形,=0,时，,m,脉波整流电路的整流电压和整流电流的谐波分析,将纵坐标选在整流电压的峰值处，则在,-,p,/m,p,/m,区间，整流电压的表达式为：,Udo=2*U,2,*COSwt,对该整流输出电压进行傅里叶级数分解，得出：,(,式中，,k,=1，2，3)；,且：,7,.4 整流输出电压和电流的谐波分析,2,、为了描述整流电压,u,d0,中所含谐波的总体情况，定义谐波分量有效值,U,R,与整流电压平均值,U,d0,之比为：则,m,2,3,6,12,g,u,（%）,48.2,18.27,4.18,0.994,0,不同脉波数,m,时的电压纹波因数值。,7,.4 整流输出电压和电流的谐波分析,负载电流的傅里叶级数可由整流电压的傅里叶级数求得：,当负载为,R、L,和反电动势,E,串联时，上式中：,n,次谐波电流的幅值,d,n,为：,n,次谐波电流的滞后角为：,7,.4 整流输出电压和电流的谐波分析,=0,时整流电压、电流中的谐波有如下规律：,（1）,m,脉波整流电压,u,d0,的谐波次数为,mk,（,k,=1，2，3.）,次，即,m,的倍数次；整流电流的谐波由整流电压谐波决定，也为,mk,次；,（2）当,m,一定时，随谐波次数增大，谐波幅值迅速减小，表明最低次（,m,次）谐波是最主要的，其它次数的谐波相对较少；当负载中有电感时，负载电流谐波幅值,d,n,的减小更为迅速；,（3）,m,增加时，最低次谐波次数增大，且幅值迅速减小，电压纹波因数迅速下降。,0,时的情况,：波整流电压谐波的一般表达式十分复杂，给出三相桥式整流电路的结果，说明谐波电压与,角的关系式为：,以,n,为参变量，,n,次谐波幅值（取标幺值）对,的关系如图,（,三相全控桥电流连续时，以,n,为参变量的与,的关系）,当,从,0,90,变化时，,u,d,的谐波幅值随,增大而增大，,=90,时谐波幅值最大,从90,180,之间电路工作于有源逆变工作状态，,u,d,的谐波幅值随,增大而减小,电力系统谐波分析计算,谐波分析用于研究谐波的状况，目的在于检测谐振点，计算谐波电流和电压及其畸变水平。常用方法有：,1,、计算机程序谐波分析法：,建立每一次谐波的母线导纳矩阵,(Y),获取每一次谐波的母线阻抗,(Z),在已知谐波电流源频谱,(I),的情况下，求得母线电压,(V),计算线路电流,:,I=VZ,计算电压和电流的畸变因数,2,、电子表格谐波分析法：通过计算系统中不同元件的谐波阻抗来处理问题。从某点上看出去，等效阻抗可以通过将串联元件的阻抗相加或将并联元件的导纳相加来获得，从而得到阻抗扫描图，该图描述了被研母线的驱动阻抗模值与谐波次数或频率的关系曲线，从中可检测系统的谐振点。主要步骤有数据输入和网络分析（过程从略）,8,、,IDC,机房的谐波抑制,8.1,、谐波抑制的意义和要求,谐波问题是关系到供电系统的供电质量的一个重要问题，它不但与供电部门有关，还关系到运营企业的切身利益。,当今社会,倡导“高效”和“节能”，除了提高产品的效率和推广节能型产品外，在设备安装和运行中应注重治理,谐波干扰、消除电磁污染等手段,降低损耗。,随着电力污染问题日益严重，各国纷纷出台治理措施和相关标准，对产生电力污染的设备提出明确的限制。谐波治理就是在谐波源处安装滤波器，就近吸收谐波源产生的谐波电流，从而降低谐波电压。,国标,电能质量、公用电网谐波,(GB/T 14549-1993),规定：,8.2,、抑制谐波的方法,通常电压谐波是由电流谐波产生的，有效地抑制电流谐波就会使电压畸变达到要求的范围,取得了提高电源品质和节能的双重效果。,常用的抑制谐波方式如下：,1,、增大变压器、线缆等电力系统的容量；,2,、改变变压器的联接方式；,3,、增加整流变压器二次侧的相数；,4,、在线路中串入抗谐波电感器；,5,、采用,LC,调谐式滤波器（无源）；,6,、采用,有源谐波处理器；,7,、,IGBT,整流技术的谐波；,8.3,、改变变压器的联接方式,这种方法仅抑制,3,次和,3n,次谐波，例如型,/Y,型变压器，如图所示，三次谐波和,3n,次谐波在绕组中形成环流，在输入端消除,3n,次谐波。,8.4,、增加整流变压器二次侧的相数,整流器在其交流侧与直流侧产生的特征谐波次数分别为,pk1,和,pk(p,为整流相数或脉动数，,k,为正整数,),。当脉动数由,p=6,增加到,p=12,时，可以有效地消除幅值较大的低频项，从而大大地降低了谐波电流的有效值。例如：下图中,12,脉冲整流器，采用两组,6,脉冲整流器经,30,移相后迭加，约为,6,脉冲整流器,THDI,（,30,）的二分之一。,THDi,Sn,1/2 Sn,12P,6P,8.5,、在线路中串入抗谐波电感器（无源）,串电感主要适用于三次谐波的治理；,例如：,UPS,之前采用串联电抗器,LF,作为谐波抑制，其等效电路如下图。电源和线路阻抗为,Ls,，,e,为理想电压源，,B,点的电压失真度,THDU,为,D,，则,A,点的电压失真度为,D,8.6,、采用,LC,调谐式滤波器（无源）,调谐式滤波器仅按谐波频率选择衰减次数，这是用电感元件和电容元件构成的滤波器，对滤除高频脉冲尖刺有一定的效果，但必须保证电感元件在强电流通过时，产生的压降不能影响其它电气设备的正常工作。简单的,LC,滤波器难以滤除频率较低、幅值较大的畸变波。,例如：,UPS,之前采用,LC,调谐式滤波器作为谐波抑制时，设电源和线路阻抗为,Ls,、滤波器的串联电抗器为,LF,、电容为,C,P,、并联电抗器为,L,P,，即图所示的等效电路,则输入端的第,n,次谐波电流为,：,6 pulse SCR rectifier,+H5 filter,满载时,THDI:5-7%,12 pulse SCR rectifier,+H11 filter,满载时,THDI:3-5%,8.7,、采用,有源谐波处理器,随着电力电子技术的发展，有源滤波补偿技术日益成熟，并得到了广泛应用。较传统的无源滤波补偿系统，它具有功能多，适应性好及响应速度快等优点，随着价格的不断下降，应用将日益普遍。原理图如下：,目前应用的有源谐波调节器具有友好的用户界面，通过对话窗进行现场设置，真实地将用户现场实际状态反馈至有源谐波调节器中，让其通过采样拾取器实时捕捉谐波，全面有效地抑制电网中的谐波。该调节器还具有标准的,RS232,接口，可方便地将谐波信息与实时计算机通讯,线路连接的系统框图,有源谐波处理器的原理图,8.8,、,IGBT,整流技术的谐波,绝缘栅双极晶体管,（,Insulated-Gate Bipolar Transistor,IGBT,），采用,IGBT,整流技术的,UPS,其,THDI,仅有,3%,，在谐波抑制、可控性方面具有较大优势；,IGBT,的结构和情况,三端器件：栅极,G,、集电极,C,和发射极,E,GTR,（电力晶体管）和,MOSFET,（电力场效应晶体管）复合，结合二者的优点，具有良好的特性，一般应用于小容量系统；,1986,年投入市场后，取代了,GTR,和一部分,MOSFET,的市场,中小功率电力电子设备的主导器件；,继续提高电压和电流容量，以期再取代,GTO（,门极可关断晶体管）的地位；,8.9,、,IGBT,的特性和参数特点,IGBT,的优点：,(1),开关速度高，开关损耗小。在电压,1000V,以上时，开关损耗只有,GTR,的,1/10,，与电力,MOSFET,相当；,(2),相同电压和电流定额时，安全工作区比,GTR,大，且具有耐脉冲电流冲击能力,(3),通态压降比,MOSFET,低，特别是在电流较大的区域；,(4),输入阻抗高，输入特性与,MOSFET,类似；,(5),与,MOSFET,和,GTR,相比，耐压和通流能力还可以进一步提高，同时保持开关频率高的特点；,IGBT,整流相比传统的晶闸管整流缺点：,元件耐压低，传统晶闸管耐电网波动可达,2000V,以上，而,IGBT,耐压超过,1000V,时，稳定性差。对于整流侧的市电来讲远比逆变侧直流品质要差得多；,单元件容量小，对于,400KVA-ups,，需要多组,IGBT,器件并联，而对于传统的晶闸管来讲一个即可，故障率要高于传统型；,IGBT,控制线路复杂，元器件多，相对的故障率要高，稳定性要差；,8.10-1,、不同谐波抑制方式的比较,改变变压器的联接方式、增加整流变压器二次侧的相数、在线路中串入抗谐波电感器等方式都具有一定局限性，仅能滤除或改变部分性能，同时由于需要串入系统主回路，当本身故障时易引起事故，所以机房的,UPS,回路中不建议采用；,无源滤波装置，吸收高次谐波，而所有滤波支路对基波呈现容性，满足无功补偿要求，不必另装并联电容器补偿装置，这种方法经济、简便。实际应用中仍有局限性；,有源滤波器的优点是能做到适时补偿，且不增加电网的容性元件，但造价较高；,1,、第一代有源滤波补偿装置采用模拟和数字逻辑电路进行电流检测和电流注入的工作原理，通过实时检测负载电流波形，滤除波形中的基波,(50/60Hz),成分，将剩余部分的波形反向，通过控制,IGBTs,的触发，将反向电流注入供电系统中，实现滤除谐波、动态补偿系统波动、抑制谐振、提高功率因数等功能；,2,、第二代有源滤波补偿装置采用,DSP,和,IGBTs,电子技术，通过实时检测负载电流谐波，将反向谐波电流注入供电系统中，从而实现滤除谐波、提高功率因数等功能。,8.10-2,、不同谐波处理方式的比较,1,、按标准分析：,绿底是,IEC 61000-3-4,谐波标准的要求，红字为不满足,IEC,标准的部分，,THM,有源滤波器是唯一能全面满足,IEC,标准的滤波器,8.10-2,、不同谐波处理方式的比较,输入电流,失真度,谐波,抑制方式,输入,功率因数,电气,隔离,效率降低,6,脉冲整流器,33%,-,0.82,否,12,脉冲整流器,10-12%,部分,0.85,是,2-3%,移相式滤波器,3-10%,部分,0.9,否,1-2%,LC,无源滤波器,5%,部分,0.95,否,1%,LC,补偿式滤波器,5%,部分,0.9,否,1%,THM,有源滤波器,0.99,否,=10,倍；,安全性,:,并联方式可保证对负载供电的连续性和安全性；,节能性：可提高负载的输入功率因数，降低负载从电网中耗用的电流有效值和视在功率，真正实现节能；,净化电源：改善电磁兼容性，减少设备间的传导干扰，增强设备运行的可靠性，消除对电网的污染；,满足标准：最大限度满足,IEC61000-3-4,标准和通信标准（,YD/T 1095-2000,10.,抑制谐波干扰方法及效果对比,方 式,优 缺 点,增大电力系统的供电,容量和电缆、开关等,谐波没有消除，且成本昂贵；,变压器以不同的方式联接,仅能限制,3,次和,3n,次谐波，且目前高低压电网已定，,不可改造；,采用,12,脉冲整流、,移相式滤波器,仅能削减,5,次和,7,次谐波。效率低，损耗大；,效果差，不满足,IEC61000-3-4,标准；,上电时有非常大的浪涌电流；,抗谐波电感器,（,LC,无源滤波）,仅能有限度地降低谐波电流,THDI,，安全性差；,调谐式滤波器,（有源调谐,+LC,滤波）,仅能按谐波频率选择衰减次数，安全性差；,IGBT,型整流和逆变,小功率,60KW,以下较好，大功率时控制系统复杂系统的稳定和安全性待验证；,THM,型有源滤波器,可有效消除谐波，安全系数高，并联于电路回路，,为首选方案；,9,、案例,电容器的并联谐振（原况）,谐波处理设备运行时的无功补偿电气原理示意图,案例,电容器的并联谐振等效原理图,并联谐振的参数分析,在有谐波背景的系统中单独使用电容器进行无功补偿，系统谐波或背景谐波将对补偿电容器造成很大影响，如果满足并联谐振或串联谐振条件，谐波电流将几乎全部流入电容器组中使其过载。,纯电容补偿时系统参数的容阻抗谐振图表,并联谐振的改善方案,在系统中的电容补偿回路中串入电抗器，以抑制并联谐振的发生。,150,Z,Hz,Z,NETWORK,Filter,f(Hz),Z,150,XL,XC,L,C,3rd,Harmonic,Z,(filtern),=,X,(Ln),+(-X,(Cn),),三次諧波,滤波器,(,并联式,),谐波电流引起电容过流击穿的抑制,串电抗器后系统容阻抗曲线图,从相关计算参数及等效电路图可知，串入电抗器后，随着奇次谐波频率的增加，其容抗,XC,（,n,）和感抗,XL,（,n,）的串联回路将逐步增大并趋于恒定，而变压器的阻抗同步上升，所以当大量谐波电流突入时，不会引起电容器及熔丝的烧坏。,串联电抗器后电容器耐压等级的选择,当系统电压为,400V,，串,14.8%,电抗器后，电容器组的耐压等级计算如下：,V,C,=V,S,+V,L,+V,H,=400+40014.8%/,（,1-14.8%,）,+40010.5%=4001.2787=511V,即电容器的耐压等级为,511V,以上才是安全的。,电抗器的容量和耐流问题,输出容量和额定容量的关系,补偿电容器在串接电抗器后，输出容量和安装容量的关系应为：,安装容量,Q,1,、输出容量,Q,2,、,基波电压,U,1,、电容器耐压,U,2,：,例：当系统电压为,400V,，使用,525V,的电容器并加串,14.8%,电抗器，电容器额定容量为,Q,1,，电容器组的输出容量计算如下：,Q,2,=,（,400/525,）,2,Q,1,（,1-14.8%,）,=68%Q,1,电抗器耐流问题,因系统中含有谐波成份，而高频谐波对电抗器绕组而言，会产生集肤效应，造成电抗器温升过载。故在选用电抗器时，若电抗器耐流考虑不足，可能造成电抗器烧毁。因此，在选择调谐电抗电容器组进行无功补偿时应充分考虑电容器及与其匹配的电抗器。,谐波处理实例举析,电流波形比较,谐波处理实例举析,THDI,分量图,电网参数及其关系（如图）,避免电网受谐波损害的方案：,局部重组电网结构以分离或隔离产生电力污染的设备，或增大电力系统的供电容量和电缆、开关等方法并没有消除谐波，且成本昂贵；,该方式不可取,案例：,用一台,1,000kVA,的变压器为,6,脉冲整流桥供电，当整流器产生的谐波频谱为：,H5=25%,、,H7=14%,、,H11=9%,、,H13=8%,时，则得到功率折算系数为：,10.,节能减排数据分析与经验体会,有功、无功、谐波矢量示意图,节能效果分析,参数测试表（,1,）,UPS,系统,电流,THDI,THDU,投入前,投入后,投入前,投入后,投入前,投入后,2+1,系统,1117A,1040A,39%,2%,10.5%,7.3%,3+1,系统,972A,847A,55%,7%,10.7%,6.9%,总电源侧,2090A,1890A,45%,8%,8.6%,6.3%,以某机房,7,台,400KVA,的,UPS,系统为例，介绍谐波处理的节能经验（,2+1,、,3+1,系统各一套）。,月均值,有功功率,（,KW),无功功率,(Kvar),力率调整,月均视在电量,(KVA.h),电费单价,(,元,/KW.h),处理前,12,个月,2076,1207,0.15%,1744317,0.75,处理后,12,个月,2368,683,-0.64%,1876526,0.73,增长比,12.3%,-76.9%,124.1%,7.0%,-3.0%,谐波处理节能效果及效益分析,节能效果：,综合比较谐波设备运行前后各,12,个月的数据发现：在收入、机架数、带宽流量等业务量综合增加了,25%,的情况下，月均有功功率提高了,12.3%,，无功功率降低了,76.9%,，总视在用电量仅提升了,7%,，而电费单价却降低了,3%,；,企业效益：,据统计，,07,年电费支出约,1500,万元、用电,22.5MKVAh,、,20.4MKWh,，同比处理前后的用电特性推算，其年节约电能达,148,万,KW.h,，节约电费支出可达约,110,万元，则,16,个月即可收回设备的硬件投资成本；,社会效益：,从该表数据可知，谐波处理设备有效提高了所在的国家电网电能利用率，,起到了节能减排作用。谐波设备的应用使电网线损大幅降低，电网综合节能约可达到,10%20%,（甚至更高，不同的用电环境和不同处理方式产生的效果不同），推算该项目可为国家电网年节约电能达,225,万,KVA.h,以上；,重大意义：,长期以来，国内供电系统和用户较少注意到电网中谐波的危害，但电力供应和供电质量是不可分割的。电力谐波是一种污染，逐步被业界认知，基于其可能造成负面影响，各国纷纷出台治理措施。目前，我国将节能减排作为国家的一项基本国策在推行，制定了相关标准，我们在谐波应用方面的任何举措和创新，无论对国家或企业来说都具有重大意义！,某通信机房无源滤波装置补偿前后的测试对比,补偿前电流频谱图,补偿后电流频谱图,补偿前功率频谱图,补偿后功率频谱图,补偿前电压、电流频谱图,补偿后电压、电流频谱图,1,、谐波处理措施的节能：,从上表可知，,有功电能节约,13.2,万,KWh/,年，节约电费,11.22,万元,/,年，视在电量节约,62.2,万,KVAh/,年,;,2,、提升效率，可大幅节能：,该机房系统为,6,脉,150kva,（,2+1,）系统，目前负载率,42%,，输入,380A,，输出,288A,，效率,75%,，若按,UPS,的,90%,效率，节约电能,35,万,KWh/,年，节约电费,29.75,万元,/,年；,内,容,补偿前,补偿后,总电流,585A,473.3A,基波电流,575A,471.9A,THDI,18.1%,7.6%,THDU,8.6%,2.6%,有功功率,314KW,299KW,无功功率,216KVAR(,感性）,82.8KVAR,（感性）,视在功率,381KVA,310KVA,功率因数,0.83,0.96,图形及节能效果解读（,12.25),附、各机房运行数据分析,张江机房,UPS,改造前后的系统参数比较：,空调能耗功率,UPS输入,UPS输出,Ups效率,空调能效比,视在,功率,有功,功率,THDU,THDI,COS,视在,功率,有功,功率,THDU,THDI,COS,260KW,580kva,430kw,3.4%,7.4%,0.75,440kva,340kw,0.6%,17.1%,0.78,76%,0.76,230KW,446kva,420kw,3%,5%,0.94,432kva,403kw,0.6%,18%,0.93,96%,0.57,备注：,下走线尚未拆除，空调能耗的变化是由于天气原因引起，待三线改造全部完成后，空调能耗占比将可达到,0.5,左右。保守估算此项措施全年可节电,110,万度，可节约电费约,11,万元；,改造前后,UPS,效率提升,24%,，保守综合估算仅此项全年可节电,102,万度，可节约电费,100,万元以上；,详细参数和,UPS,系统测试图见下页,某机房,UPS,系统改造谐波处理及监控示意图,改造后的,UPS,系统参数测试表,1#UPS,2#UPS,3#UPS,点位,类别,A,相,B,相,C,相,A,相,B,相,C,相,A,相,B,相,C,相,A,点,电压,V,395,398,398,395,398,396,395,396,395,电流,A,212,216,211,216,219,218,21