电力电子装置应用中电能质量问题解决方案.ppt

电力电子装置应用中电能质量问题解决方案1电力电子装置应用中的电能质量电力电子装置应用中的电能质量问题与解决方案问题与解决方案Power Quality problems and Sluations to the Application of Power Electronic Equipment电力电子装置应用中电能质量问题解决方案21 1、概述、概述 2 2、电力电子装置应用中的电能质量问题案例、电力电子装置应用中的电能质量问题案例 3 3、基于配电网阻抗匹配的解决方案、基于配电网阻抗匹配的解决方案 主题内容主题内容电力电子装置应用中电能质量问题解决方案3 1 1 概述概述 我国公用电网输出电能的35%以上通过电力电子装置变换后供给负载使用，今后10年内其比例将上升到50%以上 广义负荷三相正弦交流电网发电机整流装置直流负荷电能质量治理装置电能质量治理装置电力电子装置应用中电能质量问题解决方案4广义负荷广义负荷三相正弦三相正弦交流交流电网电网发电机发电机交直交变频装置交流交流负荷负荷电能质量电能质量治理装置治理装置电能质量治理装置电力电子装置应用中电能质量问题解决方案5高压直流输电通过变流装置实现高压直流输电通过变流装置实现交流-直流变换远端交流电源直流输电直流-交流变换负荷密集输配电电网广义负荷电能质量治理装置电能质量治理装置电能质量治理装置电力电子装置应用中电能质量问题解决方案6风电电源经电力电子装置变换后接入电力系统风电电源经电力电子装置变换后接入电力系统交直交变换风电输配电网广义负荷电能质量治理装置电能质量治理装置交交变换风电输配电网广义负荷电能质量治理装置电能质量治理装置电力电子装置应用中电能质量问题解决方案7 电源及用户的电力电子装置总用电功率将占电源总功率的70%以上。

太阳能电源经电力电子装置变换后接入电力系统太阳能电源经电力电子装置变换后接入电力系统直流-交流变换太阳能电源输配电网广义负荷电能质量治理装置电能质量治理装置电力电子装置应用中电能质量问题解决方案8n电力电子装置产生的谐波电流、谐波电压及无功功率危害极大：公用电网电压畸变增大，功率因数降低，输配电线路及负荷的谐波与无功损耗使电力系统的效率降低，谐波电流和谐波电压引起的谐振使电力系统的安全可靠性降低n电力电子装置总容量巨大，电力电子装置应用中的电能质量问题日趋严重，合理的匹配输配电网阻抗是解决这一问题的关键技术之一n本报告的案例只涉及部分低压办公、家用电气及变频装置的电能质量问题，解决方案也只涉及阻抗匹配技术电力电子装置应用中电能质量问题解决方案9 2 2 电力电子装置应用中的电能质量问题（案例）电力电子装置应用中的电能质量问题（案例） 2.1 2.1 低压办公家用电器的电能质量问题低压办公家用电器的电能质量问题2.2 2.2 变频器的电能质量问题变频器的电能质量问题电力电子装置应用中电能质量问题解决方案102.1 部分低压办公家用电器的电能质量问题部分低压办公家用电器的电能质量问题2.1.1 计算机类用电设备谐波和无功特性计算机类用电设备谐波和无功特性2.1.2 空调类用电设备的谐波及无功特性空调类用电设备的谐波及无功特性2.1.3 非线性照明类用电设备的谐波及无功特性非线性照明类用电设备的谐波及无功特性 电力电子装置应用中电能质量问题解决方案112.1.1 计算机类用电设备谐波和无功特性计算机类用电设备谐波和无功特性电力电子装置应用中电能质量问题解决方案12电力电子装置应用中电能质量问题解决方案13便携式计算机电压、电流波形及频谱便携式计算机电压、电流波形及频谱 电力电子装置应用中电能质量问题解决方案14台式机整机电压、电流波形及频谱台式机整机电压、电流波形及频谱电力电子装置应用中电能质量问题解决方案15计算机服务器和存储器系统电压、电流波形及频谱计算机服务器和存储器系统电压、电流波形及频谱 电力电子装置应用中电能质量问题解决方案162.1.2 2.1.2 空调类用电设备的谐波及无功特性空调类用电设备的谐波及无功特性电力电子装置应用中电能质量问题解决方案17电力电子装置应用中电能质量问题解决方案18Hair KFR-25GW电压、电流波形及频谱（制冷）电压、电流波形及频谱（制冷）电力电子装置应用中电能质量问题解决方案19Hair KFR-25GW电压、电流波形及频谱（制热）电压、电流波形及频谱（制热） 电力电子装置应用中电能质量问题解决方案202.1.3 2.1.3 非线性照明类用电设备的谐波及无功特性非线性照明类用电设备的谐波及无功特性 电力电子装置应用中电能质量问题解决方案21电力电子装置应用中电能质量问题解决方案22紧凑型荧光灯电压、电流波形及频谱紧凑型荧光灯电压、电流波形及频谱电力电子装置应用中电能质量问题解决方案23 2.2 变频轧机电能质量问题变频轧机电能质量问题 2.2.1 变频轧机产生的谐波电流与配电电缆电容谐振故障案例变频轧机产生的谐波电流与配电电缆电容谐振故障案例 2.2.2 变频轧机引起电网电压波形缺口和尖刺干扰案例变频轧机引起电网电压波形缺口和尖刺干扰案例 2.2.3 变频器谐波故障案例变频器谐波故障案例 2.2.4 变频器引起的整流变压器严重发热故障案例变频器引起的整流变压器严重发热故障案例 2.2.5 变频器输出引起电机发热故障案例变频器输出引起电机发热故障案例电力电子装置应用中电能质量问题解决方案24 2.2.1变频轧机产生的谐波电流与配电电缆电容谐振故障案例变频轧机产生的谐波电流与配电电缆电容谐振故障案例 （1）故障描述 某冷轧厂年产150万吨中高等级汽车板和冷轧电工钢。

其中，酸洗轧机联合机组采用大功率交直交变频传动，其整流环节采用世界最先进的PWM整器， 电力电子器件选用IGBT该机组投产后，供电变压器一直存在高频啸叫声，特别是2004年3至4月，该冷轧厂新增3＃彩涂机组，在现场调试过程中，3＃彩涂机组HB段220V出口控制电源所带负载共有5个1756－PA75的PLC电源模块、5个CPC电源模块、15个温度变送器电源模块的压敏电阻烧坏，严重影响系统的安全经济运行电力电子装置应用中电能质量问题解决方案25（（2）故障测试接线图）故障测试接线图电力电子装置应用中电能质量问题解决方案26（（3））10kV总进线电压电流波形与频谱总进线电压电流波形与频谱电力电子装置应用中电能质量问题解决方案27（（4））10kV总进线谐波电压、谐波电流数据报表总进线谐波电压、谐波电流数据报表电力电子装置应用中电能质量问题解决方案28（（5）变频轧机馈线电压电流波形与频谱）变频轧机馈线电压电流波形与频谱电力电子装置应用中电能质量问题解决方案29（（6）变频轧机馈线谐波电压、谐波电流波形与频谱）变频轧机馈线谐波电压、谐波电流波形与频谱电力电子装置应用中电能质量问题解决方案30（（7）考虑到电缆电容的网络谐波电流系数仿真）考虑到电缆电容的网络谐波电流系数仿真电力电子装置应用中电能质量问题解决方案31（（8）数据分析结论）数据分析结论 I2为谐波电流源负载，为谐波电流源负载，68次高次谐波电流为其特征谐波电流，次高次谐波电流为其特征谐波电流，I1为总进线为总进线电流，由于电缆分布电容与系统阻抗并联谐振，使进入电流，由于电缆分布电容与系统阻抗并联谐振，使进入I1的的68次谐波电流放次谐波电流放大大3倍左右，倍左右，HRU68高达高达8.1%，，THDU高达高达13.5%，严重超过电磁兼容限值，严重超过电磁兼容限值（（8%），并通过变压器传递到其他低压负载，若变压器二次侧为阻容负载时，），并通过变压器传递到其他低压负载，若变压器二次侧为阻容负载时，则会产生串联谐振，使谐波电压放大，这正是原则会产生串联谐振，使谐波电压放大，这正是原3#彩涂出口变配电系统彩涂出口变配电系统220V母线母线68次左右谐波电压放大，烧坏电源模块的原因。

次左右谐波电压放大，烧坏电源模块的原因 由于供电变压器及线路发热，每年谐波损耗高达由于供电变压器及线路发热，每年谐波损耗高达48万万kWh，严重影响系统，严重影响系统安全经济运行安全经济运行电力电子装置应用中电能质量问题解决方案32 2.2.2 变频轧机引起电网电压波形缺口和尖刺干扰案例变频轧机引起电网电压波形缺口和尖刺干扰案例（（1）故障测试接线图：）故障测试接线图：电力电子装置应用中电能质量问题解决方案33（（2））110kV侧母线电压和侧母线电压和110kV出线电流波形与频谱出线电流波形与频谱电力电子装置应用中电能质量问题解决方案34（（3））110kV侧母线电压和变频器用户馈线电流波形与频谱侧母线电压和变频器用户馈线电流波形与频谱电力电子装置应用中电能质量问题解决方案35（（4））110kV侧母线电压和变频器用户馈线电流波形与频谱侧母线电压和变频器用户馈线电流波形与频谱电力电子装置应用中电能质量问题解决方案36（（5）电压波形缺口和尖刺的特征数据）电压波形缺口和尖刺的特征数据 ：： 由上图可得到：由上图可得到：B相电压每周波出现一次波形缺口和电压尖刺，波形相电压每周波出现一次波形缺口和电压尖刺，波形缺口宽度为缺口宽度为1.5ms左右，缺口深度为左右，缺口深度为27.6kV（（0.31 p.u.），最大尖刺峰），最大尖刺峰峰值高出峰值高出66kV(0.38 p.u.)，缺口和尖刺持续时间在，缺口和尖刺持续时间在2ms～～7.8ms。

（（6）电压波形缺口和尖刺产生的原因）电压波形缺口和尖刺产生的原因 ：： 由电流频谱可看出，主导谐波电流次数为由电流频谱可看出，主导谐波电流次数为3、、5、、7，说明，说明110kV负负载有可控硅整流装置，当交流侧电源短路容量大于整流器容量载有可控硅整流装置，当交流侧电源短路容量大于整流器容量20倍以倍以上，在可控硅深度控制时，将引起公共连接点的电压波形出现较深的上，在可控硅深度控制时，将引起公共连接点的电压波形出现较深的换相缺口换相缺口 由于受电路中电感和杂散电容的影响，换向缺口波形的两边出现由于受电路中电感和杂散电容的影响，换向缺口波形的两边出现过冲而成的电压尖刺过冲而成的电压尖刺 电力电子装置应用中电能质量问题解决方案37（（7）电压波形换向缺口和尖刺的危害）电压波形换向缺口和尖刺的危害电力电子装置应用中电能质量问题解决方案38电力电子装置应用中电能质量问题解决方案39 2.2.3 2.2.3 变频器谐波故障案例变频器谐波故障案例（（1）概述）概述电力电子装置应用中电能质量问题解决方案40（（2）故障测试系统图：）故障测试系统图：电力电子装置应用中电能质量问题解决方案41（（3）全过程时域分析（以）全过程时域分析（以B相电压和相电压和I1的的B相电流波形）相电流波形） 故故障障前前及及故故障障切切除除后后，，电电压压波波形形正正常常；；故故障障发发生生期期电电流流电电压压波波形形畸畸变变严严重重；；故故障障雪雪崩崩期期，，电电流流过过载载，，电电流流波波形形畸畸变变严严重重，，基基波波电电压压幅幅值值下下降降；；故故障障切切除除后后，，电电压压质质量量正正常常。

由由此此可可见见，，10kV10kV配配电电网网电电压压质质量量正正常常，，故故障障期期间间电电压压质质量量下下降降是是故故障障设设备备干扰造成的干扰造成的电力电子装置应用中电能质量问题解决方案42（（4））故障发展期过程频域分析故障发展期过程频域分析 2 2＃＃轧轧机机左左整整流流单单元元的的故故障障原原因因不不是是10kV10kV供供电电质质量量不不好好，，而而是是左左整整流流单单元元故故障障所所产产生生3636次次谐谐波波电电流流注注入入电电网网和和右右整整流流单单元元，，致致使使10kV10kV母母线线3636次次谐谐波波电电压压含含有有率率高高达达2323％％，，大大大大超超过过电电磁磁兼兼容容标准（标准（0.20.2％）电力电子装置应用中电能质量问题解决方案43 2.2.4 变频器引起的整流变压器严重发热故障案例变频器引起的整流变压器严重发热故障案例（（1）概述）概述 某企业整流变压器（下带某企业整流变压器（下带IGBT变频器）在低负荷运行调试时，变变频器）在低负荷运行调试时，变压器异常发热，其温升高达压器异常发热，其温升高达45ºC本项目从谐波分析出发，计算整。

本项目从谐波分析出发，计算整流变压器测试工况下的实际的损耗计算结果表明，整流变压器异流变压器测试工况下的实际的损耗计算结果表明，整流变压器异常发热的根本原因是高次谐波电流注入系统产生的谐波电压引起的常发热的根本原因是高次谐波电流注入系统产生的谐波电压引起的电力电子装置应用中电能质量问题解决方案44（（2）整流变压器二次侧电压电流的波形与频谱（以）整流变压器二次侧电压电流的波形与频谱（以B相为例）相为例）电力电子装置应用中电能质量问题解决方案45（（3））整流变压器二次侧基波电压、基波电流与基波功率整流变压器二次侧基波电压、基波电流与基波功率电力电子装置应用中电能质量问题解决方案46（（4））整流变压器二次侧的主导谐波电压（线电压）、谐波电流整流变压器二次侧的主导谐波电压（线电压）、谐波电流电力电子装置应用中电能质量问题解决方案47（（5）结论）结论 测试工况下，虽然基波负载电流很小，但大量的高次谐波电测试工况下，虽然基波负载电流很小，但大量的高次谐波电流流(基本电流的基本电流的4倍左右倍左右)注入电网使二次侧谐波电压严重升高注入电网使二次侧谐波电压严重升高（大于基波电压的（大于基波电压的20%），从而使变压器空载损耗和基波损耗），从而使变压器空载损耗和基波损耗大增，致使变压器发热严重，如不采取谐波滤波措施，变压器大增，致使变压器发热严重，如不采取谐波滤波措施，变压器寿命将大大缩短。

寿命将大大缩短 电力电子装置应用中电能质量问题解决方案48 2.2.5 变频器输出引起电机发热故障案例变频器输出引起电机发热故障案例（（1）概述）概述 某低压变频电机发热烧损，测试数据表明，变频器输出的零序谐某低压变频电机发热烧损，测试数据表明，变频器输出的零序谐波电压过高，正常情况下，电机电源进线为三角形接法，无零序波电压过高，正常情况下，电机电源进线为三角形接法，无零序电流通道，零序谐波电压不应引起电机发热，但实际测试数据表电流通道，零序谐波电压不应引起电机发热，但实际测试数据表明，零序谐波电流较大，例如明，零序谐波电流较大，例如U3 =82V、、I3=12A，说明电机存在，说明电机存在绝缘故障，形成零序谐波电流通道，很大的零序电流使电机发热绝缘故障，形成零序谐波电流通道，很大的零序电流使电机发热经检查，确实有绝缘故障，绝缘故障排除后，电机运行温度正常经检查，确实有绝缘故障，绝缘故障排除后，电机运行温度正常电力电子装置应用中电能质量问题解决方案49（（2）变频器输出侧电压电流波形与频谱）变频器输出侧电压电流波形与频谱电力电子装置应用中电能质量问题解决方案50（（3）变频器输出侧基波电压、基波电流、基波功率）变频器输出侧基波电压、基波电流、基波功率 电力电子装置应用中电能质量问题解决方案51（（4）变频器输出侧主导谐波电压、谐波电流）变频器输出侧主导谐波电压、谐波电流 电力电子装置应用中电能质量问题解决方案52 3 3 基于配电网阻抗匹配的解决方案基于配电网阻抗匹配的解决方案 3.1 变频器通过交流电抗器接入变压器电源时，可以减小变频器通过交流电抗器接入变压器电源时，可以减小变频器注入电网的谐波电流变频器注入电网的谐波电流3.1.1 交流侧串接电抗器的交流侧串接电抗器的90kW变频水泵电压电流波形与频谱变频水泵电压电流波形与频谱 电力电子装置应用中电能质量问题解决方案533.1.2 交流侧串电抗器的变频水泵基波、谐波电流和电压交流侧串电抗器的变频水泵基波、谐波电流和电压电力电子装置应用中电能质量问题解决方案543.1.4 3.1.4 交流侧不串接电抗器的交流侧不串接电抗器的75kW75kW变频水泵基波、谐波电流和电压变频水泵基波、谐波电流和电压电力电子装置应用中电能质量问题解决方案553.1.5 3.1.5 结论结论 变频器交流侧串接电抗器的变频水泵谐波总谐波电流畸变变频器交流侧串接电抗器的变频水泵谐波总谐波电流畸变率为率为32.03%，不串接电抗器的变频水泵总谐波电流畸变率为，不串接电抗器的变频水泵总谐波电流畸变率为92.85%。

因此可以看出在交流侧串接电抗器以后，大大减小因此可以看出在交流侧串接电抗器以后，大大减小了变频器注入电网的谐波电流了变频器注入电网的谐波电流电力电子装置应用中电能质量问题解决方案563.2 案例案例2.1.1中变频器交流输入侧并联的滤波器组应包含中变频器交流输入侧并联的滤波器组应包含RC高通滤波高通滤波器，使电缆电容与系统的并联谐振点由高次特征谐波频率移至低次非器，使电缆电容与系统的并联谐振点由高次特征谐波频率移至低次非特征谐波频率特征谐波频率RC高通滤波器接入前后的谐波电流系数高通滤波器接入前后的谐波电流系数Kh 仿真曲线仿真曲线RC高通滤波器接入前高通滤波器接入前 RC高通滤波器接入后高通滤波器接入后。