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谐波滤波器设计

作者:e胜博官网 发布时间:2021-01-05 08:58 点击:

  第六章 應用諧波 第五章我們已經介紹過諧波如何產生以及它對各種不 同電力系統設備的影響。本章將引導各位去處理諧波 問題,即如何去: ? 評估諧波失真。 ? 適當控制諧波。 ? 執行諧波研究。 ? 設計濾波器組。 6.1 諧波失线. 用電戶方面:對於各別的用電戶而言, IEEE 標準 519-1992 限制了用戶在共同耦合點 (point of common coupling, PCC)的諧波電流注入值。 ? 這是用電者必需控制的諧波量。其建議的限制項目包 含了各級諧波分量及總合需量失真率 (total Demand distortion, TDD)。 ? PCC的觀念如圖6.1所示。其中總需量失真限制是以用 電戶最大的需量電流百分比來表示,而非瞬間基波電 流的百分比。 ? 其目的是想藉由相同的基準電流來作長時間的諧波評 估。 6.1 諧波失线.電力公司方面:因為系統的諧波電壓是由失真負載 電流及電力系統阻抗的交互作用而引起。 ? 所以電力公司是限制 PCC諧波電壓失真的主要負責單 位。 ? 限制的項目包含最大的各級諧波分量及總合諧波失真 率(total harmonic distortion, THD)。 ? 這些值是以基本電壓的百分比來表示。對於69kV以下 的系統而言,THD應小於5%。 6.1.1 共同耦合點的觀念 ? 諧波失真評估通常是在用電戶及電力公司間的某一點 上進行,此點並同時供電給另一位用戶。 ? 此點就是所謂的共同耦合點PCC。 圖6.1 PCC的位置是依據何處是許多用戶共同接電的地方而定。 (a)PCC在變壓器一次側,此處是許多用戶共同接電的地方。 圖6.1 PCC的位置是依據何處是許多用戶共同接電的地方而定。 (b)PCC在變壓器二次側,此處是許多用戶共同接電的地方。 6.1.2 電力公司系統的諧波評估 為限制電力公司系統電壓失真位準,有兩個重要項目需 注意: ? 1.系統中用電戶注入的諧波電流必需被限制。 ? 這些電流經由系統阻抗傳遞到電源端會造成電壓失真。 ? 因此藉由限制注入諧波電流的量,可以同時限制住諧 波電壓。 ? 這就是 IEEE標準 519-1992 所提出可控制總合失真位準 的基本方法。 6.1.2 電力公司系統的諧波評估 ? 2.即使諧波電流注入值在限制之內,總電壓失真位準 也可能相當高。 ? 此種情況主要發生在當某一級諧波電流頻率接近系統 的共振頻率時。 ? 它會造成系統某些地方的電壓失真位準高到無法接受。 ? 而最高的電壓失真通常發生在參與共振的電容器組上。 表6.1 以標稱基波頻率電壓百分比表示的諧波電壓失 线 電力公司系統的諧波評估 ? 電壓限制評估程序 電力公司系統諧波評估的完整程 序在此處被描述。 ? 此程序可應用在目前既有的和未來規劃設置的系統。 ? 圖6.2顯示評估程序的流程圖。 6.1.2 電力公司系統的諧波評估 ? 1.諧波源的特性描述。對於既設的系統來說,諧波源 的特性最好由測量來確認。 ? 這些測量應該在被懷疑有非線性負載的設備點來進行。 測量的期間通常最少要一個禮拜以獲取負載可能的週 期性變動。 ? 對於新設或規劃設置的系統來說,諧波特性由製造商 提供就可以了。 6.1.2 電力公司系統的諧波評估 ? 2.系統模型。用電戶或非線性設備諧波電流注入所引 起的系統響應。 ? 應是藉由發展一套系統的電腦模型來決定。配電及輸 電系統的模型發展在6.4節裡有描述。 ? 3. 系統頻率響應。整個電力系統必需作一次頻率 掃瞄,以決定可能的系統共振點。 ? 因為電容器組配置是影響共振頻率的主要變數, 頻率掃瞄時要考慮到所有各種可能的電容器組配 置方式。 6.1.2 電力公司系統的諧波評估 ? 4.評估預期的失线.評估諧波控制方案。諧波控制的選擇包含了控制從 非線性負載產生的諧波注入量、改變系統的頻率響應 特性、及運用諧波濾波器阻斷諧波電流的流動。 圖6.2 電壓限制評估程序 6.1.3 用電戶設備的諧波評估 ? 大部分的非線性負載都位於用電戶設備端,且最高電 壓失真位準的發生地點也靠近諧波源。 ? 最嚴重的問題發生在非線性負載和功因改善電容造成 共振的時候。 ? IEEE 標準 519-1992 提出在 PCC 評估諧波電流失真限制 的建議。 ? 此限制值,如表6.2,和用戶在PCC的系統短路容量有 關。 表6.2 以IL的百分比表示的諧波電流失线 以IL的百分比表示的諧波電流失真限制(Ih) (續) 6.1.3 用電戶設備的諧波評估 ? ? ? ? 變數和表6.2中限制值的額外說明如下: Ih是各級諧波分量的大小(均方根安培值)。 Isc是在PCC的短路電流。 IL 是在 PCC 的最大需量負載電流基本分量。它可以利 用前12個月最大月需量電流的平均值來計算或以估計 的方式來獲得。 ? 各級諧波電流限制只用於奇數諧波分量。偶數諧波分 量的限制值是奇數諧波的25%。 6.1.3 用電戶設備的諧波評估 ? 在PCC造成直流偏移的電流失真是不被允許的。 ? 總合需量失真率(TDD)是以最大需量負載電流來表示, 即 TDD ? 2 I ? h 2 IL ? 100% (6.1) 6.1.3 用電戶設備的諧波評估 ? 電流限制評估程序 此程序包含評估各別用電戶負載 與IEEE標準519-1992限制值相關的諧波特性。 ? 然而,當考慮功因矯正設備時特殊的考量是必需的。 ? 1. 定義 PCC 。對於工業及商業用戶來說, PCC 通常在 供電變壓器的一次側。 ? 2. 計算 PCC 短路比並找出各級諧波和 TDD 的相關限制 值。 6.1.3 用電戶設備的諧波評估 ? 3.記錄諧波源的特性。各個非線性負載設備的諧波會 結合而產生整體的諧波電流。 ? 對於現有設備,找出諧波源特性最好的方法是在PCC 測量一段時間(至少一週)。 ? 對於規劃設備,總諧波電流可以根據個別非線性負載 的特性及這些非線性負載佔總負載的百分比來估算。 ? 4.評估比較諧波電流位準與表6.2的電流限制值。 ? 如果測量值超過限制值,此設備並不符合 IEEE 標準 519-1992建議限制值,降低諧波的措施是需要的。 6.2 控制諧波的原理 ? 諧波失真或多或少都會出現在所有的電力系統。但基 本上,只有當諧波造成問題時才需要控制它。 諧波問題有三種常見的原因: ? 1.諧波電流源太大。 ? 2.電流流經的路徑太長(有關電力)造成高電壓失线.系統響應放大一組或多組諧波至無法承受的地步。 6.2 控制諧波的原理 當問題發生時,控制諧波的基本選擇是: ? 1.減低負載所產生的諧波電流大小。 ? 2.增設濾波器來吸收系統的諧波電流、阻斷諧波電流 流入系統、或限制諧波電流在一小區域內。 ? 3.利用濾波器、電感器、或電容器來改變系統頻率響 應。 6.2.1 減低負載的諧波電流 ? 不加阻抗直接於線上向 DC匯流排電容器充電的 PWM 驅動器是一個特例。 ? 串聯一個線路電抗器(line reactor)或變壓器(如5.7.1節 所示)將大大減低其諧波,且可提供暫態保護的好處。 ? 三相系統中,變壓器的聯結方式可用來降低諧波電流。 工廠負載中,可偏移一半的 6脈波電力轉換器相位 30o 來組成近似12脈波的電力轉換器,此將可大大減低五 次及七次諧波。 6.2.1 減低負載的諧波電流 ? △接變壓器可阻斷從線路來的零序諧波(通常為三倍 頻)流動。 ? 曲折 (Zigzag) 和接地變壓器也可以排除線上的三倍頻 諧波。 6.2.2 濾 波 ? 並聯濾波器實際上應儘量接近諧波源,且以諧波電流 短路的方式工作。 ? 這是濾波(filtering)應用最常見的型態,因為便宜而且 可同時修正功因及移除諧波電流。 ? 另外一個方法是串聯濾波器來阻斷諧波電流。這是一 種並聯諧振(parallel-tuned)電路,可對諧波電流顯現高 阻抗。 ? 但此法並不常用,因絕緣不易且負載電壓會嚴重失线 濾 波 ? 一種常見的應用是放在Y-接地電容器的中性線,可阻 斷三倍頻諧波且仍保持基本頻率波的良好接地性。 ? 主動式濾波器以電子方式提供諧波分量來抵消非線性 負載之諧波。 6.2.3 改變系統頻率響應 有許多方法可用來改變諧波對系統的有害響應: ? 1.增設並聯濾波器。並聯濾波器不只可將麻煩的諧波 電流消除,而且通常,但不是永遠,可將系統響應改 變得更好。 ? 2.增設電抗器來調整系統。有害的共振通常發生在系 統電感和並聯功因改善電容器間。 ? 電抗器必需被加在電容器和系統電源之間。 ? 一種簡單方法是將電抗器串聯在電容器上,在沒有將 電容器調整成濾波器的情況下移動系統共振點。 ? 另一種方法是將電抗器增設在線路上。 6.2.3 改變系統頻率響應 ? 3.改變電容器大小。這是對電力公司及工業用戶來說 最便宜的選擇。 ? 4.將電容器移到系統的某一處,此處有不同的短路阻 抗或更高的損失。 ? 此法也是電力公司新設電容器組而造成電話干擾時, 可用來改善的方法—將電容器組移至饋線的另一分支, 可很快的解決此問題。 ? 但此法通常不是工業用戶所採用的方法,因為電容器 無法移動得很遠來獲得不同的結果。 ? 5.移除電容器並自然接受更高的損耗、更低的電壓、 和更差的功率因數壞處。 ? 如果技術上可行,這偶而也是最經濟的選擇。 6.3 何處去控制諧波 6.3.1 在電力配電饋線 6.3.2 在用戶端設備 6.3.1 在電力配電饋線 ? 通常電力公司配電饋線的 X/R 比值較低。所以,因饋 線電容器組引起的諧波共振其放大作用比起工廠裡的 設備還輕微。 ? 當問題真的發生時,首要的策略就是移動電容器組的 位置、改變電容器大小、或中性線連接方式。 ? 其它的方法還有,在中性點加一電感器來幫助,這是 更有效益的,它可將電容器組轉變成零序諧波的調諧 共振旁路。 6.3.1 在電力配電饋線 ? 配電饋線的諧波問題常常只發生在輕載時。 ? 當電壓上升,會引起配電變壓器產生更多的諧波電流, 且只有較少量的負載來抑制共振。 ? 此時若能切斷電容器組往往就可解決問題。 ? 在配電饋線上,從各處分散來源產生的諧波電流應該 被濾掉,而通常的想法是將許多濾波器分散在饋線的 末端。 ? 但此法並不常用,因需要的饋線濾波器數量太多了。 圖6.3顯示一組濾波器裝設在架空配電饋線的例子。 圖6.3 濾波器裝設在架空配電饋線。油絕緣、鐵心式電感 器架設在電容器組和開關位置外的另一電桿上。 (Gilbert電力公司提供) 6.3.2 在用戶端設備 ? 當用電端設備發生諧波問題時,首先要判斷主因是否 是設備中的進相電容器產生共振。 ? 如果是的話,值得嘗試且最簡單的方法是採用不同大 小的電容。 ? 對於自動功因改善控制器來說,選擇一種控制機制來 避免結構發生共振問題是可能的。 ? 對於其它的案例來說,必然有非常多的電容會隨著負 載的改變被任意切換,而造成無法避免的共振情況。 此時濾波是有必要的。 6.3.2 在用戶端設備 ? 在用電端低壓系統裝設濾波器通常比在電力公司配電 系統設置更加實用及經濟。 ? 裝設濾波器的規範更容易達成,濾波設備在市場上也 較容易找到。 ? 當負載注入的諧波電流太大時,工業用戶也應該研究 運 用 不 同 的 變 壓 器 連 結 方 式 和 加 裝 抗 流 線 圈 (line choke)等方法來減少諧波。 ? 辦公大樓方面,曲折變壓器(Zigzag Transformers)和三 倍頻諧波濾波器可以減低中性電路上三倍頻諧波電流 的衝擊。 6.3.2 在用戶端設備 ? 工業系統中,主匯流排上的電容器都應好好的研究。 ? 這個地方,線路損耗並不足以抑制共振。 ? 因此,當共振點與電流中較大的諧波分量頻率一致時, 其所造成的諧波電壓常常相當嚴重。 6.4 諧波研究 諧波研究常常在下列狀況發生時提出來執行: ? 1.為已存在的諧波問題找尋解決之道時 ? 2.在電力公司配電系統或工廠電力系統裝置大型電容 器組時 ? 3.裝設大型非線性設備或負載時 ? 4.設計諧波濾波器時 ? 5.將進相電容器改裝成諧波濾波器時 6.4.1 諧波研究程序 執行電力系統諧波研究的理想程序摘要如下: ? 1.決定研究的目的。例如,目的可能是確認既存問題 原因及其解決之道。另一目的可能是去確認新工廠擴 建可能發生的問題,而此工廠包含了可調速驅動器和 電容器等會產生問題的設備 ? 2.如果系統很複雜,在測量前運用所有可能的資訊作 電腦模擬。測量花費相當昂貴,它包含了勞力、設備、 和對工廠運轉可能造成的破壞。在開始測量前先有個 計畫,知道要堪察什麼、要堪察何處,通常會比較經 濟。 6.4.1 諧波研究程序 ? 3.對既存諧波現象作測量,以確定諧波電流源特性及 系統匯流排電壓失线.利用測量值修正電腦模型。 ? 5.研究新的電路情況或既存問題。 ? 6.尋求解決方案(濾波器等)且研究其對系統可能的 副作用。除此之外,要檢查重要變數對結果的靈敏度 反應。 ? 7.依解決方案裝設完成後,監測系統以確認系統是否 正常運作。 6.4.2 發展系統模型 ? 針對諧波模擬研究來發展系統模型時,有兩個基本議 題需要考慮。 ? 第一個議題是模擬時系統模型應用的範圍。 ? 第二個,我們必須決定模型要表示成單相或三相等效 模型。 ? 為諧波研究建立配電系統模型時,通常將變電站變壓 器高壓側上游的輸電系統表示成短路等效電路就已足 夠。 ? 變壓器的漏電抗主導了短路等效電路,並且許多研究 顯示它能有效阻隔輸電及配電系統。 6.4.2 發展系統模型 ? 然而,如果有電容器組靠近變壓器高壓側,部分的輸 電系統模型就必需被加入,以便包含此電容器組。 ? 從變壓器的低壓側來看,變壓器和電容器組結合後的 行為,在某些頻率下會像是濾波器一般。 ? 變電站變壓器下游(或低壓側)的配電系統設備,像 是饋線、電容器組、主供電變壓器、和用電戶電容器 組,都必須在模型中表示出來。 ? 因為饋線電容器組主導了系統的容抗,省略架空饋線 容抗值通常都可以被接受。 6.4.2 發展系統模型 ? 然而,如果有大量的地下電纜,電纜容抗就必須表示 出來,特別是針對高階(higher-order)諧波作研究時。 ? 分析者下一步就要決定模型是要表示成完整的三相模 型或是單相模型等效電路。 ? 單相等效模型比起三相模型通常更加簡單,發展時也 較不複雜。 ? 然而,利用它來分析不平衡現象或有許多單相負載的 系統並不恰當。 6.4.2 發展系統模型 ? 當變壓器的△接線圈與任何地方的諧波源及電力系統 串聯時,要決定系統響應只需正序電路。 ? 零序諧波不可能出現,因為它們被阻斷了。 ? 圖6.4描述了這個原則,其顯示系統不同的部分採用不 同的模型。 圖6.4 分析網路諧波潮流時,變壓器連接方式在模擬 需求上的效果 6.4.3 諧波源模型化 ? 電力系統大部分的諧波潮流分析是運用穩態、線性電 路解答技術來執行。 ? 屬非線性元件的諧波源通常被認為是注入線性網路模 型的注入源。它們可以被表示成電流注入源或電壓源。 ? 對大部分諧波潮流研究來說,將諧波源當成簡單的諧 波電流源是適當的。 ? 圖6.5中有此描述,在等效電路中電力電子元件可以用 電流源來代替。 ? 供電匯流排的電壓失线%。因此,許 多非線性元件的電流失真不太會變動,並且和供電系 統的電壓失线 將非線性負載表示成諧波電流源以作分析 之用 6.4.3 諧波源模型化 ? 注入電流的值應該以測量的方式來決定。 ? 如果沒有測量資料或找不到被發表的模型,通常會假 設諧波的大小和諧波級數成反比。 ? 也就是說, 5 次諧波電流大小是基本波的 1/5 或 20% 等 等。 ? 表6.3顯示許多元件類型的典型值,其可作為分析之用。 表6.3 常見諧波源典型諧波失线 諧波分析的電腦工具 ? 簡單的工業系統常會以某種電路呈現,此的確讓它們 可以以人工的方式被計算(圖6.7)。 ? 基本上就是一個含有電容器的單一匯流排電路。有兩 件事可以很輕易被完成: ? 1.決定共振頻率。如果共振頻率接近某級可能產生危 害的諧波,應該改變電容值或者設計濾波器。 6.4.4 諧波分析的電腦工具 ? 2. 以諧波電流 Ih 決定電壓失真的估算值,此電壓 Vh 顯 示如下: R ? jwL Vh ? ( )I h (6.5) 2 1 ? w LC ? jwRC 其中: w ? 2? (hf 1 ) h=2,3,4,… f1=電力系統基本頻率 圖6.7 可以用人工方式分析的簡單電路 6.4.4 諧波分析的電腦工具 要運用普遍可得的電腦工具,分析者必須提供電路結構、 負載、和諧波源給程式。必須收集的資料包括: ? 線路及變壓器阻抗。 ? 變壓器連接方式。 ? 電容值和設置地點(關鍵的)。 ? 非線性負載之諧波頻譜。 ? 電源電壓。 這些值被輸入程式,程式便自動依頻率調整阻抗並且計 算整個系統的諧波潮流。 6.4.5 以電腦作諧波分析–歷史展望 ? 現今,大部分電力系統諧波分析是運用特別發展的電 腦程式在正弦穩態下執行。 ? 看到許多電力系統分析軟體經銷商在套裝軟體中提供 某些諧波分析能力是相當令人振奮的。 ? 雖然此套裝軟體主要的應用可能是電力潮流分析。 6.5 控制諧波失真的裝置 ? 一個簡單的改善動作,例如增加、改變大小、或重新 放置並聯電容器組,可以有效修正欠佳的系統頻率響 應,並且將諧波失真改善至可接受的程度。 ? 類似地,電感器可以調整系統避開有害共振而達到相 同的功能。 ? 作諧波控制時,這些簡單又有效的策略應該在考慮更 複雜的設備前優先被採用。 6.5.1 同軸電感器或抗流線圈 ? 一個簡單但通常可成功控制可調速驅動器 (adjustablespeed drives, ASD)所產生諧波失真的方法。 ? 就是利用一個很小的電感或者抗流線圈安插在驅動器 輸入端電線上。此法對於PWM型驅動器特別有效。 ? 使用電感可減緩ASD直流匯流排上電容的充電速率, 強迫驅動器以更長的期間來吸收電流。 ? 其淨效應是形成含更低諧波量的較小電流,而同時仍 可傳送同樣能量。 6.5.1 同軸電感器或抗流線圈 ? 一個典型 3% 輸入抗流線圈可以將 PWM 型驅動器諧波 電流失线%。 ? 此令人印象深刻的諧波減量被描述在圖6.8中。 ? 當抗流線圈的大小增加到超過3%時,諧波減量效果的 增加極其有限。 ? 抗流線圈大小的計算是基於驅動器的kVA值。 ? 圖6.9顯示的是應用於480V ASD的典型線抗流線圈。 圖6.8 針對PWM型ASD,以加入抗流線圈大小為函數的諧波 減量 圖6.9 應用於ASD的三相線抗流線圈(MTE公司提供) 6.5.1 同軸電感器或抗流線圈 ? 圖 6.10 針對不同大小的 ASD ( ASD 大小被供電變壓器 kVA值標準化) 。 ? 在加裝3%抗流線圈與沒有加裝抗流線圈的情形下,比 較其減少諧波電流的效果。 ? 從圖 6.10 可以很清楚看出,在 ASD 線路加裝抗流線圈 諧波情況可以獲得很大的改善。 ? 電流 THD 從 80% 至 120% 區間下降到大約 40% 左右。當 ASD的大小遠小於供電變壓器時,其減量的效果更好。 ? 當 ASD 的大小為變壓器的 5% 時,電流 THD 從 125% 掉 到40%。 圖6.10 交流線抗流線圈對ASD電流諧波減量的效果 6.5.1 同軸電感器或抗流線圈 ? 重要且值得注意的是,應用ASD時加裝抗流線圈還有 其它的好處。 ? 減低直流電容器充電速率的效果使得抗流線圈在阻斷 某些高頻暫態時非常有效。 ? 當電力公司電容器切入期間,此舉可幫忙避免出現惱 人的驅動器跳機情況。 ? 隔離變壓器可以提供如同抗流線圈一樣的益處,但成 本可能更高。 ? 然而,搭配多組驅動器與隔離變壓器,可提供相當於 12脈波操作的好處。圖6.11描述了此一觀念。 6.5.1 同軸電感器或抗流線圈 ? 圖6.11顯示兩組分開的6脈波ASD電流波形。 ? 當此兩波形在一次側結合在一起,注入電力公司系統 的合成波形其失真會降低很多。 ? 主要是因為 5 次及 7 次諧波被抵消了。此兩諧波是 6 脈 波驅動器造成波形失线脈波結構,作為控制兩個ASD諧波的方法 6.5.2 曲折變壓器 ? 曲折變壓器(zigzag transformer)經常被應用在商業設備 以控制零序諧波分量。 ? 曲折變壓器是藉由提供一條至中性線的低阻抗路徑, 來扮演如同零序電流濾波器的角色。 ? 此法提供一條更短的路徑給電流,以減少電流從中性 線回流至供電端的流量。 ? 為了有效改善,變壓器必須被安置於被保護電路負載 的附近。 6.5.3 被動式濾波器 ? 被動式濾波器(passive filters)是由電感、電容、及電阻 元件所組成,且被調整為與諧波相同的共振頻率。 ? 它們相當普遍,比起其它消除諧波失真的方法是相對 便宜。 ? 然而,它們有可能與電力系統發生不好的相互作用, 當設計濾波器時,檢查所有可能對系統的影響是很重 要的。 ? 藉由調整元件值使其在某頻率下產生共振,它們運用 的方式不是從線路上引走諧波電流就是阻斷其在各部 位的流動。圖6.12顯示許多常見的濾波器型式。 圖6.12 常見被動式濾波器結構 圖6.13 三相金屬封裝濾波器的一相 (Northeast電力公司提供) 圖6.14 應用在工業電力系統的濾波器 (Gilbert電力公司提供) 圖6.15 組裝一個五次諧波凹陷濾波器和它在系統響應 方面的效應 6.5.3 被動式濾波器 ? 此型濾波器一個重要的邊際效應是,它產生了一個低 於凹陷頻率且陡峭的並聯共振頻率(圖6.15c)。 ? 此共振頻率必須安全遠離任何重要的諧波或其它負載 可能產生的諧波分量。 ? 濾波器通常被調整為略低於被濾除諧波的頻率,以便 當某些系統參數改變而提高凹陷頻率時,仍能提供一 個安全的餘裕。 ? 為避免這種共振問題的發生,濾波器被加到系統 時是從系統中最低頻的重要諧波開始。 6.5.3 被動式濾波器 ? 例如,安裝一個7級諧波濾波器通常也需要安裝 5級諧 波濾波器。 ? 單獨安裝 7 級諧波濾波器後,新的並聯共振頻率通常 非常接近5次諧波,此情況往往會造成重大災害。 ? 除此之外,設計濾波器時,容量必須配合匯流排的大 小。 ? 其引人之處在於設計耐受電流能力時,是完全基於產 生諧波的負載。 6.5.3 被動式濾波器 ? 串聯被動式濾波器(series passive filters)。不像凹陷濾 波器與電力系統並聯連接,串聯被動式濾波器與負載 以串聯方式連接。 ? 串聯被動式濾波器的電感及電容是以並聯方式連接, 並調整使其在某諧波頻率下顯現高阻抗。 ? 然後此高阻抗只會阻斷與調諧 (tuned)頻率相同的諧波 電流流動。 ? 在基頻下,濾波器被設計成顯現低阻抗,因此允許基 頻電流流過並只伴隨小增量的阻抗及損失。圖 6.16顯 示一組典型串聯濾波器的佈置。 圖6.16 串聯被動式濾波器 6.5.3 被動式濾波器 ? 低通多頻濾波器是一種理想的設計,可用來阻斷多級 或分佈廣的諧波頻率。 ? 電流的頻率分量低於濾波器切斷(cutoff)頻率者可以通 過,然而,電流的頻率分量高於濾波器切斷頻率者會 被濾除。 ? 因為此類型低通濾波器傳統上被設計來得到一低的切 斷頻率,所以被稱之為低通多頻濾波器。低通多頻濾 波器典型的結構如圖6.17所示。 ? 配電系統的應用中,低通多頻濾波器的效果可藉由安 裝電容器組於變壓器低壓側來達成,如圖6.18a所示。 圖6.17 低通多頻濾波器結構 圖6.18 低通多頻濾波器應用在工業電力系統。濾 波器安置在變電站含有(a)單一和(b)多條饋線 圖6.19 低通多頻濾波器應用在工業系統 6.5.3 被動式濾波器 ? C濾波器(C filters)。 ? C 濾波器是低通多頻濾波器外的另一種選擇,它可同 時為工業及電力公司系統降低多級諧波頻率。 ? 它可以減弱由電子整流器、感應爐、及旋轉整流器所 產生多頻穩態及時變諧波和間級諧波頻率。 圖6.21 典型C濾波器結構和它的阻抗頻率響應 (實線) 6.5.4 主動式濾波器 ? 主動式濾波器(active filters)是消除諧波設備中相對較 新的型態。 ? 它們是基於複雜的電力電子技術來設計,且比被動式 濾波器貴很多。 ? 然而,它們有不與系統產生共振的明顯優點。 ? 主動式濾波器可以獨立於系統阻抗特性來工作。因此, 它們可以在非常困難的環境下被運用。 6.5.4 主動式濾波器 ? 例如當並聯共振問題使得被動式濾波器無法成功運轉 時,它們也可以一次對付超過一種以上的諧波,且同 時克服其它電力品質問題,如電壓閃爍。 ? 它們對於電力系統中由弱勢匯流排所供電的大型失真 負載特別有用。 ? 主動式濾波器基本的概念是補足非線性負載電流正弦 波缺陷的部分。圖6.25描述了此觀念。 ? 電子控制元件監測線電壓/或電流,很精確地切換電力 電子元件來追蹤負載電流或電壓,並強迫它變成正弦 波。 6.5.4 主動式濾波器 ? 如圖所示,有兩個基本方法:一種是利用電感器來儲 存於適當時機要注入系統的電流,另一種是利用電容 器。 ? 因此,當負載電流被非線性負載諧波污染時,由系統 看到的電流將非常接近正弦波。 圖6.25 負載上主動式濾波器的應用 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 設計一個運用於工業設備使用電壓為 480 伏特匯流排 的單調諧陷波濾波器 (notch filter),欲裝置濾波器之 負載其大小為1200kVA,並且有一相當低的功率因數 0.75滯後。 ? 此負載產生的總諧波電流大約是基本波電流的 30% , 而以佔基本波電流的25%的第五級諧波電流最大。 ? 此設備由額定 1500kVA 、阻抗6.0% 的變壓器供電。第 五諧波背景電壓失真在變壓器電源側無載時所量到為 基本波的1.0%。 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 圖6.7所示為前面所述欲裝置濾波器之工業設備,其諧波 設計過程將一步步提列於後: ? 1.選定濾波器欲濾除的頻率 ? 此調諧頻率的選擇是與負載的諧波特性有關,由於單 一調諧濾波器的性質,欲濾除的頻率將由負載產生的 最低諧波頻率開始。 ? 在本例子裡,就是第五諧波頻率。濾波器將調諧在稍 低於所關注的諧波頻率,以允許濾波器元件本身的偏 差及系統阻抗的變化。 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 此為避免濾波器動作時有如直接短路般干擾諧波電流 而降低濾波器的負荷能力。 ? 並且將系統參數改變及調諧頻率移位所導致危害諧波 共振的可能性降至最低。 ? 於本案例中,濾波器將設計在第4.7級的調諧,這是陷 波頻率的一般選擇,因為導致並聯諧振的頻率位於第 四級諧波附近。 ? 而大部分非線性負載並不會產生此頻率,陷波濾波器 (notch filter)顯示於圖6.26中。 圖6.26 低壓濾波器結構 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 2.計算電容器組大小及諧振頻率 ? 如一般法則,濾波器大小是以功率因數修正所需的負 載虛功為基準。 ? 當一個既存功率因數修正電容器被轉換成諧波濾波器 時,電容器的大小就已固定。 ? 電抗器再與電容器調諧至想要的頻率。然而,根據欲 調諧頻率。 ? 電容器組的電壓額定必須比系統電壓要高,以允許經 過電抗器的電壓上升。故,電容器常有因此而被更換。 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 本案例中假設未被設置電容器並且希望功率因數為 96%。 ? 因此濾波器修正功率因數從 75% 到 96% 所需的虛功率 可如下計算而得: ? 對於75%功率因數所需的虛功率量為 1200× sin [arcos(0.75) ] = 794.73 kvar ? 對於75%功率因數所需的虛功率量為 1200× sin [arcos(0.96) ] = 336.0 kvar ? 濾波器所需補償的虛功為 794.73-336.0=457.73 kvar 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 對於一個標稱電壓為 480V系統,其Y等效濾波器電抗 (電容性)Xfilt可由下式求得 X Filt kV 2 (1000 ) 0.482 (1000 ) ? ? ? 0.5034 ? k var 457.73 ? 在基本波頻率時,Xfilt為容抗與感抗之間的差量 Xfilt=XCAp-XL ? 調諧在4.7級諧波時 XL=h2XL = 4.72XL 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 因此,欲求得的容抗可由下求得 X Filt h 2 0.50344.72 X Cap ? 2 ? ? 0.5272 Ω 2 h ?1 4.7 ? 1 ? 在此點,因為不知道電容器要以同系統的480V當額定 亦或以高一級的600V為額定。 ? 現以求額定在480V電壓的容抗,其電容將額定在 kV2 ?1000? 0.482 ?1000? kvar ? ? ? 437 kvar X Cap 0.5272 ? ? 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 同樣地,於600V額定的電容器將是682 kvar額定。 ? 現在,使用於額定 480V 的濾波器設計為 450 kvar ,這 是一般市面上可拿到較接近所求得值的尺寸。 ? 此電容器的額定 Xcap = 0.5120 Ω 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 3.計算濾波器電感器大小 ? 濾波器電感器大小可配合電容器調諧至想要的頻率來 選擇。 ? 從步驟 1,想要調諧的頻率是 4.7 級諧波或 282 Hz ,濾 波器電感器大小由步驟2的Y等效電容抗可求得,計算 如下: XL ? 或 XCap ?wye? h2 0.5120 ? ? 0.02318 ? 2 4.7 L? X L?fund? 2π ? 60 ? 0.06148 mH 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 另外,電感器大小亦可由下式解出L而得到: ? 其中 fh = 4.7 × 60 = 282Hz ? 下 一 步 是 評 估 電 容 器 與 電 感 器 的 負 荷 需 求 duty requirements 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 4. 評估濾波器的負荷需求duty requirements ? 典型地,濾波器負荷需求duty requirements牽涉到電容 器組負荷duty。 ? 這些負荷包括峰值電壓、電流、產生的仟乏(kvar)及均 方根(rms)電壓。 ? 藉由IEEE Standard 18-1992, IEEE Standard for Shunt Power Capacitors當作限制標準去評估這些負荷duty。 計算這些負荷duty是相當地冗長的。 ? 因此把它們分成三步驟,也就是對基本波負荷 duty計 算、諧波負荷duty及均方根(rms) 電流和峰值電壓負荷 duty。 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 5.基本波負荷duty需求的計算 ? 在本步驟裡,將求得於基本波頻率時跨越電容器組的 ? 操作電壓,其計算如下:於基本波頻率下,結合電容 器與電感器的視在電抗apparent reactance為 Xfund=︱XL-XCap(wye)︱=︱0.02318-0.5120︱=0.489 Ω ? 基頻濾波器電流是 kVactual / 3 480/ 3 I fund ? X fund ? 0.489 ? 567 A ? 跨越電容器組之基波操作電壓為 VL?L(fund) ? 3 ? Ifund ? XCap(wye) ? 502.8 V 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 這是跨越電容器的標稱基本波電壓。 ? 對於任何偶發條件(最大系統電壓)它皆可調整,並 且需小於110%的電容器額定電壓。 ? 因為事實上濾波器所吸取的電流比電容器多,故真正 產生的虛功率比電容器額定要大許多: kvar fund ? 3 ? I fund ? kV actual ? 471 kvar 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 6.諧波負荷需求duty requirements的計算 ? 於本步驟,將求出想要的濾波器最大諧波電流,此電 流有兩個成分: ? 由非線性負載產生的諧波電流(由步驟 a 求得)及由 電源側產生的諧波電流(由步驟b求得)。 ? a. 因為非線性負載產生了 25% 基本波電流的第五級諧 波,故由負載產生的諧波電流安培為 I h(amps) ? I h (pu) kVA 3 ? kVA actual ? 0.25 1200 3 ? 0.48 ? 360.8 A 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? b.估測由電源側貢獻到濾波器的諧波電流。 ? 假設出現在電力係統的第五級諧波電壓失线%,且 只由供電變壓器及濾波器阻抗所限制,忽略電源阻抗。 ? 供電變壓器的基本波頻率阻抗: 2 kVactual 0.482 X T(fund) ? Z T (%) ? 0.06 ? 0.0092 ? MVA xfmr 1.5 ? 供電變壓器的第五級諧波阻抗(變壓器為電感性): X T(harm) ? hXT(fund) ? 5 ? 0.0092? 0.0461 Ω 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 電容器組的諧波阻抗是 X Cap(wye),harm ? X Cap(wye) h ? 0.512 ? 0.1024 Ω 5 ? 電感器的諧波阻抗是 X L(harm) ? hXL(fund) ? 5 ? 0.02318? 0.1159 Ω ? 已知在電力系統的電壓失线 標么,估測由電源 側貢獻到濾波器的第五級諧波電流量將是 I h(utility) ? ? 3 ? X T(harm) ? X Cap(wye),harm ? X L(harm) ? Vh(utility) (pu)? kVactual 0.01? 480 ? ? 3 ? ?0.0461? 0.1024? 0.1159 ? 46.498 A 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? c. 最大諧波電流是由供電端貢獻到負載所產生的諧波 電流總和 I h(total) ? 360.8? 46.5 ? 407 A ? d.跨越電容器的諧波電壓可由下式求得: VCap(L ? L, rms? harm) ? 3 I h(total) X Cap(wye) h 0.512 ? 3 ? 407? 5 ? 72.186 V 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 7.估測總均方根(rms)電流及峰值電壓需求 ? 這兩個量的計算如下: ? a.流經濾波器總均方根(rms)電流: 2 2 2 I rms,total ? I fund ? I2 ? 567 ? 407 ? 698 A h(utility) ? 此為濾波器電感所要求的總均方根(rms)電流額定。 ? b.假設諧波及基本波成分加在一起,則跨越電容器的 最大峰值電壓為 VL?L,Cap(max,Peak) ? VL?L,Cap(fund) ? VCap(L?L,rms?harm) ? 502.8? 72.2 ? 575 V 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? c.跨越電容器的均方根(rms)電壓為 2 2 VL ?L,Cap(rms, total) ? VL ? V ? L, Cap(fund) Cap(L ? L, rms? harm) ? 502.82 ? 72.22 ? 508 V ? d.由電容器所看到的總仟乏(kvar)為 kvar Cap(wye),total ? 3 ? I rms,total ? kV L ? L,Cap(rms, total) ? 3 ? 698? 0.508 ? 614 kvar 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 8.估測電容器額定限制 ? 對於所建議之濾波器電容器的負荷是與表 6.4 中各種 IEEE的標準限制作比較。 ? 這是一個非常臨界的運用,因為電容器通常工作在最 大限制的負荷,所以對於任何假設性或供電電壓增加 的誤差都將無餘裕度。 ? 一個 480 伏特電容器在此應用的話很可能會減短其壽 命。 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 當此情況發生時,必須使用較高的電壓當電容器的額 定。 6002 ? 703 kvar ? 在600伏特時,等效電容器額定為 450? 2 480 ? 標稱額定700仟乏(kvar)與在步驟3所計算得到的電感值, 基本上提供了一般製造容許誤差內的相同濾波器。 ? 於本應用裡, 600 伏特電容器將限制在不錯的額定內。 表6.4 估測濾波器負荷限制之比較表 負荷 定義 限制% 實際值 實際值% 峰值電壓 VL ? L,Cap (max, Peak ) kVrated 120 575V 480V 119 電壓有效值 VL?L,Cap ( rms,total ) kVrated 110 508V 480V 698 A 541A 614 kvar 450 kvar 106 電流有效值 I rms,total I Cap ( rated ) 180 129 千乏 k varCap ( wye), totalo k varrated 135 136 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 9.估測濾波器頻率響應 ? 現在估測濾波器頻率響應是為了確保濾波器不會在某 頻率造成新的共振而引起額外的問題。 ? 低於陷波頻率的並聯共振的諧波可計算如下: ho ? X Cap(wye) X T (fund ) ? X L (fund ) ? 0.512 ? 3.976 0.0092? 0.02318 ? 這是假設電源阻抗主要為供載變壓器的電抗,包括電 力系統阻抗將低於此頻率。 ? 本濾波器產生了一個很接近第四級諧波的共振,這是 一個很有趣的例子。 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 正常情況下,於穩態下操作時,只有很少的特殊情形 才會有偶數諧波產生,故此濾波器是可以正常地工作。 ? 但是當變壓器加壓時,時有不可輕忽的四級諧波電流 產生。 ? 假如濾波器工作在加壓的變壓器,並且有非常小的負 載去降低諧振,通常於湧入暫態期間,濾波器會因此 而持續的過電壓。 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 10.估測濾波器參數在容許誤差內變化的影響 ? 濾波器設計者通常假設電容器已被設計有+15%標稱電 容抗值的容限,電感器則假設有± 5%標稱電感抗的容 限。 ? 在所有頻率響應範圍內,這些容限對濾波器的效能將 產生有害的諧振。 ? 因此,最後一個步驟就是檢查各種極端的濾波器設計, 而在一些濾波器設計軟體中,這已是會自動地被完成。 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 步驟 1 到步驟 10 顯示了一個典型的單調濾波器設計, 當單調濾波器設計無法控制諧波至可容許的範圍時, 這時就需要多個單調濾波器。 ? 例如,對於六脈波負載也許就需要五級、七級及十一 級諧波濾波器。 ? 除了虛功率需量需先分配至各級濾波器外,通常設計 過程是相同的。 ? 因為牽涉到多個濾波器,所以估測元件容限所造成的 效應是特別的重要。 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 濾波器的調諧特性是由它的品質因數 Q 所表示, Q 是 調諧陡帩度的量測,對串聯濾波器電阻,Q的定義如 下: nX L Q? R 其中: R=濾波器的串聯電阻 n=調諧頻率 XL=濾波電感器於基波頻率的電感抗 6.6 諧波濾波器設計:一個案例研究 ? 對工業設備而言,具有5%偏差量的電抗器通常是可以 被接受的。 ? 60HZ的X/R比值通常介於50及150之間,如果需要的話, 串聯電阻器可用來減低此一比值,以產生有多一點阻 尼的濾波器。 ? 對於許多高功率的濾波器,例如像靜態乏(var)系統 的三相設備通常包含第五及第七級諧波,這些是由六 脈波橋式電路所產生的。 ? 有時這些會引起靠近第三級的系統諧振,如此則需要 三級諧波濾波器。 6.7 案例研究 6.7.2 由感應電弧爐所引起間級諧波 6.7.2 由感應電弧爐所引起間級諧波 ? 本問題的主要表徵就是一個廣大區域的住宅用戶抱怨 其時鐘在每個上班日的固定時間,他們的時鐘跑得快 了一些。 ? 其它計時儀器的動作也是不正常地。 ? 時鐘所遭遇的是在電壓波形所偵測的零點交越的計時 問題。 ? 於電壓波形中,由於高頻失真所引起在半週期內有很 多的零點交越,因此引起了時鐘變快現象。 6.7.2 由感應電弧爐所引起間級諧波 ? 高頻信號出現有如鋸齒波或弦波加諸在基本波信號上。 ? 圖 6.28 所顯示的是在用戶處所量測而得的一個典型的 電壓波形。 ? 很明顯的,它是在半週期內有多個零點交越的明證。 ? 圖 6.28b 顯示出高頻失线Hz)諧波。 ? 進一步調查得知這些頻率是由煉鋼設備中的感應電弧 爐所產生的。 ? 煉鋼廠與住宅用戶兩個都是由在圖 6.29 中之單線圖的 46-kV配電系統所供電。 圖6.28 因高頻失真引起的快鐘問題的電壓波形及其斜 波頻譜 圖6.29 煉鋼設備單線圖 6.7.2 由感應電弧爐所引起間級諧波 ? 假設操作頻率是在一特別的操作頻率 950Hz,將產生以 式 (5.34) 計算而得的線電流,其包含下列的電流對: (1840Hz,1960Hz),(3740Hz,3960Hz)等。 ? 這些電流是間級諧波電流,因為它們不是基本波的整數 倍頻率。 ? 於第一對的電壓是最強也是最明顯的間級諧波成分,因 為電弧爐操作頻率於800及100Hz間變化。 ? 導致第一對間級諧波電流變化在1540(第25.67級諧波) 及2060Hz(第34.33級諧波)之間。 ? 此變動的諧波失真使裝設被動並聯濾波器變的不可能。 6.7.2 由感應電弧爐所引起間級諧波 ? 此設備的PCC點乃設於46/12.47 kV變壓器的高壓側。 ? 圖 6.30 顯示 PCC 點的電壓波形,很清楚可看出基波頻 率波形頂端的高頻失真。 ? 為瞭解失线-kV系統上,從PCC點實施 了對系統的頻率掃描所得到的阻抗特性顯示於圖 6.31 。 ? 圖中指出了主要的諧振頻率約在第 34級諧波,當非線 性負載產生的頻率成分達到系統的自然頻率,怎此失 线 由感應電弧爐所引起間級諧波 ? 因為高頻失真是時變的並且因系統頻率響應而加重失 真程度,欲以單調諧並聯濾波器(即使用多級方法) 做為解決方法將是不可行的。 有兩個可能的濾波器解決方法: ? 1.修正在46-kV匯流排的頻率響應,使系統的自然頻率 不會與感應電弧爐間級諧波產生匹配共振; ? 2.於工廠主匯流排裝設多頻濾波器,以避免失线 由感應電弧爐所引起間級諧波 ? 第一個方法是需要小心選擇 46-kV 電容器組,使新的 頻率響應將不會包含任何與非線性負載產生諧波所造 成的任何諧振。 ? 欲將既存系統頻率從 35 級諧波降到第 8 級諧波時,由 模擬估測得知約需3Mvar電容器組。 ? 會選擇第 8 級諧波是因所知非線性負載沒有產生此級 的諧波。 ? 此解決方法具有彈性,但是設置一 3Mvar 電容器組將 會隨時過度補償。 6.7.2 由感應電弧爐所引起間級諧波 ? 此外,若欲調諧的目標因線路故障而降低至第 8 級諧 波,將會弱化此系統,也會增加由五級及七級諧波所 引起問題的風險。 ? 第二個方法是需要機械裝置以避免高頻間級諧波進入 46-kV系統。 ? 正如在第一個方法中所述及,因為間級諧波是時變的, 所以多級的單調諧並聯濾波器組將無法工作的很理想。 ? 主動濾波器可解此種問題,然而它們是昂貴的。 6.7.2 由感應電弧爐所引起間級諧波 ? 較經濟的解決方法如6.5節所述之低通多頻濾波器,而 且,在濾波器位置之短路阻抗也更能夠控制,解決方 法圖示於圖6.32中。 ? 用此一方法很容易達到將 30級以上之諧波頻率衰減, 問題是去找一個不會和電弧爐產生的其他諧波頻率匹 配而造成諧振的電容器大小,特別是5級、7級、11級 及13級。 ? 第 8 級諧波再一次被選為欲調諧目標頻率,下一個最 佳頻率也許是第四級諧波。 ? 由於較大的電容器組導致電壓上升,將需加入電壓調 整器以使電壓降低,這將使此解決方法更增加成本。 圖6.32 在12.47-kV側的解決方法(a)及其等效低通多頻 濾波器效應 6.7.2 由感應電弧爐所引起間級諧波 ? 圖 6.33 顯示的是從 12.47-kV 流入 PCC 之一安培電流的 頻率響應。 ? 30級以上之高頻間級諧波電流已大部分被衰減,以避 免從流經變壓器進入46-kV系統。 ? 圖 6.34 顯示在 PCC 所得到的電壓波形,其中一些較小 的失真繼續存在是可被接受的(大部分是五級及七級 諧波)。 ? 此一問題可用簡單不昂貴的,通常有效的電容器組去 解決。 圖6.33 當一安培電流在不同頻率下,由12.47-kV匯流 排注入PCC之電流潮流 圖6.34 裝設額定電壓13.2-kV之1200-kvar電容器組於 12.47-kV匯流排之PCC電壓波形 6.8 諧波標準 ? 標準管制限制,包括IEEE 519-1992、IEC 610002-2、IEC 61000-3-2、IEC 61000-3-4、IEC 610003-6、NRS 048-213、及EN5016014。 6.8.1 IEEE標準519-1992 ? 此標準將限制諧波的責任劃分成用電端者及系統業者 兩方面。 ? 用電端者需負責限制諧波電流注入,同時電力公司也 需負責在供電系統限制電壓失真。 ? 諧波電壓及電流限制被用在責任分界點上 (PCC) ,此 點為其他用戶同一匯流排供電處或是未來新用電戶可 能的連結處。 ? 諧波標準乃為每一用戶尋找一個公平的諧波配額限制 量。 6.8.1 IEEE標準519-1992 ? 此標準分配電流注入限制乃基於負載尺寸相對於系統 尺寸,也就是由短路容量所定義。 ? 短路容量比定義為在責任分界點的最大短路電流對最 大需量負載電流(基頻成分)之比。 ? 對於從個別用戶限制諧波注入的根本就是去避免電壓 失真達無法接受程度。 ? 因此電流限制發展成由一個用戶的總諧波注入不可超 過表6.6的最大電壓失线 諧波電流限制的基礎 在PCC的短路比 最大個別頻率電壓諧波(%) 相關的假設 10 20 50 100 1000 2.5-3.0 2.0-2.5 1.0-1.5 0.5-1.0 0.05-0.10 電腦專用系統 1至2個大用戶 少許相關的大用戶 5到20個中等用戶 許多小的用戶 來源:由IEEE標準 519-1992 表10.1 6.8.2 IEC在諧波標準的概觀 ? 與諧波有關的 IEC 標準通常在第二 ( 環境 ) 及第三部分 (限制) 。 ? 不像IEEE標準在諧波有單獨出版包含與諧波有關的議 題,IEC在諧波上的標準被分成數個出版處。 ? 許多標準跟環境及限制有關,並且進一步分成電壓及 電流等級。這些主要標準如下: ? IEC 61000-2-2 (1992):電磁相容度(EMC),第二部分: 環境;第二節:在公共低壓電力供應系統中產生擾動 及信號的低頻相容度等級。 6.8.2 IEC在諧波標準的概觀 ? IEC 61000-3-2 (2000):電磁相容度(EMC),第三部分: 限制;第二節:諧波電流散播的限制(設備輸入電流 達每相16安培)。 ? IEC 61000-3-4 (1998):電磁相容度(EMC),第三部分: 限制;第四節:於低壓電力供應系統中對額定電流超 過16安培之設備產生的諧波電流的散播限制。 ? IEC 61000-3-6 (1996):電磁相容度(EMC),第三部分: 限制;第六節:於中壓及高壓電力系統失真的負載散 播限制的評估,EMC出版基礎。 6.8.3 IEC 61000-2-2 ? IEC 61000-2-2定義在公用低壓電力供應系統中(例如 50 或 60Hz ,標稱電壓達 240 及 415V 的單相及三相系統) 引起擾動及信號的低頻相容度。 表6.7 依據 IEC 61000-2-2在低壓公用網路個別諧波 電壓的相容度等級 非3的倍數 奇數波 h 諧波電壓 % 3的倍數 奇數波 諧波電壓 % h 3 9 15 5 1.5 0.3 偶數波h 2 4 6 諧波電壓 % 2 1 0.5 5 6 7 5 11 3.5 13 6 17 2 19 1.5 21 21 0.2 0.2 8 10 12 0.5 0.2 0.2 23 1.5 25 1.5 25 0.2+1.3×25 /h 12 0.2 *包括至40級諧波內的供電電壓THD需小於百分之8。 6.8.4 IEC 61000-3-2 及IEC 61000-3-4 ? IEC 61000-3-2及IEC 61000-3-4兩個分別定義了對由流 入設備電流達每相16安培及每相大於16安培的諧波電 流散播的限制。 ? 這些標準是以設備連接至低壓公用網路的諧波散播為 限制目標,使其與確保在公用網路限制滿足在 IEC 61000-2-2的相容度限制的一致性。 6.8.4 IEC 61000-3-2 及IEC 61000-3-4 IEC 61000-3-2是由IEC5552 (EN605552)所衍生的,此標 準將設備分成四類: ? A 類:平衡三相設備及其它不屬於 B、C與D類的設備; ? B類:手提式的工具; ? C類:發光設備包括調光裝置; ? D類:有特殊波形的輸入電流設備及小於600瓦的主動 輸入功率。 6.8.4 IEC 61000-3-2 及IEC 61000-3-4 ? A 、B 、C及 D 類的最大允許諧波電流為在設備的輸入 電流所量測的真正電流安培數。 ? 注意,B類設備的諧波電流限制是A類的百分之150。 ? 依據 IEC 61000-3-2 的諧波電流限制顯示在表 6.8 至表 6.10中。 ? 要注意的是,D類設備諧波電流限制規定為絕對值並 且與主動功率大小有關,此限制只適用於輸入功率小 於600瓦的設備操作。 圖6.36 用以定義D類設備特殊波形的輸入電流包絡線 表6.8 A類設備諧波電流限制 奇數級 h 3 5 最大允許諧波電流 (A) 2.3 1.14 偶數級 h 最大允許諧波電流(A) 2 4 1.08 0.43 7 9 11 0.77 0.4 0.33 6 8-40 0.23×8/h 13 15-39 0.21 0.15×15/h 表6.9 C類設備諧波電流限制 諧波級數 h 2 3 最大允許諧波電流* (%) 2 30×線路功因 5 7 10 7 9 11-39 *基本波輸入電流的百分比 5 3 表6.10 D類設備諧波電流限制 最大允許諧波電流 諧波級數 h 3 5 7 9 每瓦(mA/W) 3.4 1.9 1.0 0.5 (A) 2.3 1.14 0.77 0.40 11 13-39 0.35 3.86/h 0.33 見表6.8 表6.11 依據IEC61000-3-4的諧波電流限制 諧波級數 h 3 5 7 9 11 13 15 17 最大允許諧波電流* (%) 21.6 10.7 7.2 3.8 3.1 2 0.7 1.2 諧波級數 最大允許諧波電流* (%) h 19 21 23 25 27 29 31 33 1.1 0.6 0.9 0.8 0.6 0.7 0.7 0.6 *基本波輸入電流的百分比 6.8.5 IEC 61000-3-6 ? IEC 61000-3-6 規定連接至中壓 (MC) 及高壓 (HV) 供電 系統諧波散播的限制。 ? 在標準的背景中,MV及HV電壓參考分別為1與35kV 之間以及35與230kV之間。 ? 超過230kV以上電壓稱做超高壓(EHV),若電壓比1kV 小的即稱為低壓(LV)。 ? 表 6.12 顯示在低壓及中壓系統中以基本波的百分比表 示的諧波電壓相容度等級。 ? 對中壓、高壓及超高壓系統之諧波電壓規劃等級是以 基本波電壓的百分比來表示,這些等級列於表 6.13及 表6.14中。 表6.12 低壓及中壓系統(以基本波的百分比)的諧波電壓相容度等級 奇數諧波 非3的倍數 級數 h 5 7 諧波電壓% 6 5 3的倍數 級數 h 3 9 諧波電壓% 5 1.5 偶數諧波 級數 h 2 4 諧波電壓 % 2 1 11 13 17 19 23 25 25 3.5 3 2 1.5 1.5 1.5 0.2+1.3×25/ h 15 21 21 0.3 0.2 0.2 6 8 10 12 12 0.5 0.5 0.5 0.2 0.2 *包括至40級諧波內的供電電壓THD需小於百分之8。 表6.13 中壓系統(以基本波的百分比)的諧波電壓規劃等級 奇數諧波 非3的倍數 級數 h 5 7 11 諧波電壓 % 5 4 3 3的倍數 級數 h 3 9 15 諧波電壓 % 4 1.2 0.3 偶數諧波 級數 h 2 4 6 諧波電壓 % 1.6 1 0.5 13 17 19 2.5 1.6 1.2 21 21 0.2 0.2 8 10 12 0.4 0.4 0.2 23 25 25 1.2 1.2 0.2+0.5×25/ h 12 0.2 *包括至40級諧波內的供電電壓THD需小於百分之6.5。 表6.14 高壓及超高壓系統(以基本波的百分比)的諧波電壓規劃等級 奇數諧波 非3的倍數 級數 h 5 7 11 13 諧波電壓 % 2 2 1.5 1.5 3的倍數 級數 h 3 9 15 21 諧波電壓 % 2 1 0.3 0.2 偶數諧波 級數 h 2 4 6 8 諧波電壓 % 1.6 1 0.5 0.4 17 19 23 25 25 1 1 0.7 0.7 0.2+0.5×25/ h 21 0.2 10 12 12 0.4 0.2 0.2 *包括至40級諧波內的供電電壓THD需小於百分之6.5。 6.8.7 EN 50160 ? EN 50160是對歐洲電力公司供電品質要求有關的歐洲 標準,電力公司必須滿足此標準所定義電壓特性的規 定等級及估測方法。 ? EN 50160是由歐洲委員會於1994年為電機技術標準化 (European Committee for Electrotechnical Standardization CENELEC)所提出的。 ? 在正常操作條件之下,EN 50160規定了於用戶供電端 或公用低壓及中壓配電系統電壓特性。 ? 換言之,EN 50160只規範在PCC點的電壓特性,並不 規定供電系統內或用戶設備內的電力品質要求。 6.8.7 EN 50160 ? 於EN 50160之諧波電壓限制是以基本波電壓的百分比 表示。 ? 此限制可應用到低壓及中壓等級的供電系統,也就是 標稱電壓從230 V到35 kV。 ? 中壓為介於1與35 kV之間,此諧波電壓限制顯示於表 6.15中。 表6.15 於供電端的諧波電壓限制 奇數諧波 非3的倍數 級數 h 5 諧波電壓 % 6 3的倍數 級數 h 3 諧波電壓 % 5 偶數諧波 級數 h 2 諧波電壓 % 2 7 11 13 5 3.5 6 9 15 21 1.5 0.3 0.2 4 6-24 1 0.5 17 19 23 25 2 1.5 1.5 1.5

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