港口配电系统MPL全面谐波治理方案.doc

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 第 1 部分 概述及分析 7 1 1 引言 7 1 2 谐波 7 1 2 1 概述 7 1 2 2 分类 8 1 2 2 1 电力侧谐波 8 1 2 2 2 用户侧谐波 8 1 3 谐波对港口配电系统的影响 11 1 3 1 对设备的影响 11 1 3 2 对电网的影响 11 1 4 问题 谐波 分析 11 第 2 部分 治理及结论 15 2 1 谐波治理方案 15 2 1 1 方案的特点如下 15 2 2 MPL7200A 16 2 2 1 概述 16 2 2 2 MPL7200A 工作原理 16 2 2 3 MPL7200A 产品特点 17 2 2 4 MPL7200A 技术指标 18 2 3 MPL7130 20 2 3 1 简介 20 2 3 2 原理 20 2 3 3 MPL7130 的技术参数 20 2 3 4 MPL7130 的优良特性 22 2 3 4 1 应用频段宽 22 2 3 4 2 高可靠性 22 2 3 4 3 保障控制设备运行 22 2 3 4 4 经久耐用 安全可靠 22 2 4 治理后检测 23 表目录 表 1 1 谐波的分类比较与治理 8 表 1 2 谐波对电力系统中的设备和元件的常见影响 10 表 2 1MPL7200A 技术指标 19 图目录 图 1 1 含有 5 次和 7 次谐波的畸变波形 8 图 1 2 电流波形图以及电流 THDi 值 13 图 1 3 电压波形图以及电流 THDi 值 13 图 1 4 港口门机工作时无功需求趋势图 功率和电能 14 图 1 5PF 受 THDi 影响下降曲线 15 图 1 6 存在谐波情况下系统阻抗示意图 15 图 2 1 有源滤波柜 17 图 2 2MPL7200A 工作原理图 17 图 2 3 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 1 台 并联高频滤波单元 MPL7130 15 MPL7130 18 有源滤波装置 15 第 1 部分 概述及分析 1 1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 T 14549 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 1 2 谐波 1 2 1 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 1 1 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 T 14549 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 1 2 2 分类 供电系统中谐波可分为电力侧谐波和用户侧谐波 1 2 2 1 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 1 2 2 2 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 2000Hz 40 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 MPL7200A HPD1000 HPD99 表 1 1 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 使设备 如 PLC 音响 医疗设备 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 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 1 2 谐波对电力系统中的设备和元件的常见影响 1 3谐波对港口配电系统的影响 1 3 1 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 1 3 2 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 1 4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 1 2 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 1 3 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 1 4 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 1 5PF 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 1 6 存在谐波情况下系统阻抗示意图 第 2 部分 治理及结论 2 1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 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 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 2 1 1 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 2 2 MPL7200A 2 2 1 概述 图 2 1 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 2 2 2 MPL7200A 工作原理 如图 在断路器合闸后 MPL7200A 首先通过预充电电阻对 DC 母线的电容器充电 这个过 程会持续几秒钟 是防止上电后对 DC 母线电容器的瞬间冲击 母线电压 Vdc 达到额定值后 预充电接触器闭合 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 2 2 3 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 图 2 2MPL7200A 工作原理图 50 s 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 2 2 4 MPL7200A 技术指标 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 50 s 负荷平衡补偿 有 有功功率损耗 50M 14 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 15 电磁兼容性测试 振荡波抗扰度 IEC60255 22 1 级 静电放电抗扰度 IEC60255 22 2 级 射频电磁场辐射抗扰度 IEC60255 22 3 级 电快速瞬变脉冲群抗扰度 IEC60255 22 4 级 16 端 子 酚醛树脂 耐高温 900 17 接点容量 50A 18 耐 压 2000V 2 3 4 MPL7130 的优良特性 2 3 4 1 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 2 3 4 2 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 2 3 4 3 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 2 3 4 4 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外壳 接线端子进行了专门 设计的耐高温处理 2 4治理后检测 根据 MANPLES 公司的谐波治理方案进行了谐波治理以后 该数据中心存在的问题得到了 明显的好转 生产率得到了很大的提高 以下是进行谐波治理后的数据 低压进线畸变的电流波形 治理前 低压进线的电流波形 治理后 电流谐波频谱图 治理前 电流谐波频谱图 治理后 电流谐波畸变率 治理前 电流谐波畸变率 治理后 FFT 分析图 治理前 FFT 分析图 治理后 图 2 3 治理前后对比 从上面的图中可以看到电流波形在治理后得到了明显的改善 谐波含量符合国家的标准 1 明显滤除电力系统中谐波分量 使波形变得光滑完整 提高了电能质量 保护了用电设 备 2 提高油机的使用效率 达到额定工作功率 3 降低电容器被烧毁的风险 减少经济开支 4 消除了计算机频闪 死机现象 并保障了数据的传输 1 结论 尽管谐波造成危害以各种现象表现出来 但是导致这些危害的根本原因是谐波电流 即非线 性设备工作时 向电网发射的谐波电流 因此 无论谐波治理的最终目的是什么 其本质就是减 小负载 可能是一组负载 向电网注入的谐波电流 也就是使电流波形尽量畸变小 因为谐波电流 是谐波问题的根源 虽然在有些场合谐波治理的目标是保证电网的电压畸变率满足国家标准 但 是最终仍然落实到谐波电流的控制上 谐波治理的最佳位置是在非线性负载的电源入口 这样相当于将非线性负载转变成了线性负 载 谐波导致的一切问题都迎刃而解 由于消除了谐波源 原来的配电系统就像工作在传统的线 性负载条件下 没有任何隐患 对于设计人员来说 由于进行了谐波治理 无论进行配电系统的 设计 还是进行制造系统的设计 都可以按照传统的规范进行设计 而不用考虑谐波带来的种种 风险 大部分发达国家按照这个策略开展谐波治理 达到这个目的的管理措施在采购设备时 提 出满足 GB17625 标准 虽然在非线性负载的电源入线端治理谐波是最佳方案 但是这种方案可能成本较高 根据实 际系统情况 可以采用灵活的方案 通常 可以将就地谐波治理与部分谐波治理结合起来 构成 一个性价比较高的方案 对于功率较大的谐波源负载 例如变频器等 采用有源滤波器或无缘滤 波器进行就地谐波治理 可减小向电网注入的谐波电流 对于功率较小 比较分散的非线性负载 在母线上统一治理 在设计方案时 可以根据配电系统具体情况进行设计 以期达到一个完美的 谐波治理效果