1、1,电力电子装置应用中的电能质量问题与解决方案Power Quality problems and Sluations to the Application of Power Electronic Equipment,2,1、概述 2、电力电子装置应用中的电能质量问题案例 3、基于配电网阻抗匹配的解决方案,主题内容,3,1 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。,4,5,高压直流输电通过变流装置实现,6,风电电源经电力电子装置变换后接入电力系统,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
2、源经电力电子装置变换后接入电力系统,8,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。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。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。,9,2 电力电子装置应用中的电能质量问题（案例）,2.1 低压办公家用电器的电能质量问题2.2 变频器的电能质量问题,10,2.1 部分低压办
3、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,2.1.2 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,11,2.1.1 计算机类用电设备谐波和无功特性,12,13,便携式计算机电压、电流波形及频谱,14,台式机整机电压、电流波形及频谱,15,计算机服务器和存储器系统电压、电流波形及频谱,16,2.1.2 空调类用电设备的谐波及无功特性,17,18,Hair KFR-25GW电压、电流波形及频谱（制冷）,19,Hair KFR-25GW电压、电流波形及频谱（制热）,20,2.1.3 非线性照明类用电设备的谐波及无功特性,21,22,紧
4、凑型荧光灯电压、电流波形及频谱,23,2.2 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,2.2.2 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,2.2.4 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,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,（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
5、，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1756PA75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。,25,（2）故障测试接线图,26,（3）10kV总进线电压电流波形与频谱,27,（4）10kV总进线谐波电压、谐波电流数据报表,28,（5）变频轧机馈线电压电流波形与频谱,29,（6）变频轧机馈线谐波电压、谐波电流波形与频谱,30,（7）考虑到电缆电容的网络谐波电流系数仿真,31,（8）数据分析结论,I2为谐波电流源负载，68次高次谐波电流为其特征谐波
6、电流，I1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I1的68次谐波电流放大3倍左右，HRU68高达8.1%，THDU高达13.5%，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，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220V母线68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48万kWh，严重影响系统安全经济运行。,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,（1）故障测试接线图：,33,（2）110kV侧母线电压和110kV出线电流波形与频谱,34,
7、（3）110kV侧母线电压和变频器用户馈线电流波形与频谱,35,（4）110kV侧母线电压和变频器用户馈线电流波形与频谱,36,（5）电压波形缺口和尖刺的特征数据：,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，波形缺口宽度为1.5ms左右，缺口深度为27.6kV（0.31 p.u.），最大尖刺峰峰值高出66kV(0.38 p.u.)，缺口和尖刺持续时间在2ms7.8ms。,（6）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3、5、7，说明110kV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20倍以上，在可控硅深度控制时，将引起公共连接点的电压波
8、形出现较深的换相缺口。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过冲而成的电压尖刺。,37,（7）电压波形换向缺口和尖刺的危害,38,39,2.2.3 变频器谐波故障案例,（1）概述,40,（2）故障测试系统图：,41,（3）全过程时域分析（以B相电压和I1的B相电流波形）,故障前及故障切除后，电压波形正常；故障发生期电流电压波形畸变严重；故障雪崩期，电流过载，电流波形畸变严重，基波电压幅值下降；故障切除后，电压质量正常。由此可见，10kV配电网电压质量正常，故障期间电压质量下降是故障设备干扰造成的。,42,（4）故障发展期过程频域分析,2轧机左整流单元的故障原因不是10kV供电
9、质量不好，而是左整流单元故障所产生36次谐波电流注入电网和右整流单元，致使10kV母线36次谐波电压含有率高达23，大大超过电磁兼容标准（0.2）。,43,2.2.4 变频器引起的整流变压器严重发热故障案例,（1）概述,某企业整流变压器（下带IGBT变频器）在低负荷运行调试时，变压器异常发热，其温升高达45C。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。,44,（2）整流变压器二次侧电压电流的波形与频谱（以B相为例）,45,（3）整流变压器二次侧基波电压、基波电流与基波功率,46,（4）整流变
10、压器二次侧的主导谐波电压（线电压）、谐波电流,47,（5）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流(基本电流的4倍左右)注入电网使二次侧谐波电压严重升高（大于基波电压的20%），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，变压器寿命将大大缩短。,48,2.2.5 变频器输出引起电机发热故障案例,（1）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，但实际测试数据表明，零序谐波电流较大，例如U3=82V、I3=12A，说明电机存在绝缘
11、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。,49,（2）变频器输出侧电压电流波形与频谱,50,（3）变频器输出侧基波电压、基波电流、基波功率,51,（4）变频器输出侧主导谐波电压、谐波电流,52,3 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，可以减小变频器注入电网的谐波电流,3.1.1 交流侧串接电抗器的90kW变频水泵电压电流波形与频谱,53,3.1.2 交流侧串电抗器的变频水泵基波、谐波电流和电压,54,3.1.3 交流侧不串接电抗器的75kW变频水泵电压电流波形与频谱,55,3.1.4
12、 交流侧不串接电抗器的75kW变频水泵基波、谐波电流和电压,56,3.1.5 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率为32.03%，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，大大减小了变频器注入电网的谐波电流。,57,3.2 案例2.1.1中变频器交流输入侧并联的滤波器组应包含RC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特征谐波频率,RC高通滤波器接入前后的谐波电流系数Kh 仿真曲线,RC高通滤波器接入前,RC高通滤波器接入后,58,3.3 变频器输出侧应串联阻波器，以减小加在电动机输入端电压的谐波电压含量，特别是零序的3次等谐波电压含量，从而避免过大的零序电压对电机绝缘的破坏，提高电机的绝缘寿命。3.4 逆变器和电动机端的阻抗与电缆的线路阻抗需要合理的匹配，以减小电动机端电压的变化率（dv/dt），从而避免电动机绕组的局部放电和轴电流，延长电机绝缘寿命和轴承寿命。3.5 变频器输出端和电动机之间应使用带屏蔽层的电机电缆连接，屏蔽层两端应分别通过变频器外壳和电动机外壳接地，以减小变频器对电动机的噪声扰动，从而提高电动机运行的稳定性。,59,谢 谢！,
