毕业设计（论文）新型并联型电力滤波器对谐波抑制与无功补偿的研究

题目新型并联型电力滤波器对谐波抑制与无功补偿的研究专业电气工程及其自动化学号08821752姓名周磊指导教师郭蕾学习中心山东纺织学习中心西南交通大学网络教育学院年月日院系西南交通大学网络教育学院专业电气工程及其自动化年级2008学号08821752姓名周磊学习中心山东纺织学习中心指导教师郭蕾题目新型并联型电力滤波器对谐波抑制与无功补偿的研究指导教师评语是否同意答辩过程分满分20指导教师签章评阅人评语评阅人签章成绩答辩组组长签章年月日毕业论文任务书班级电气工程及其自动化200815班专本学生姓名周磊学号08821752开题日期年月日完成日期年月日题目新型并联型电力滤波器对谐波抑制与无功补偿的研究本论文的目的、意义1、并联型电力有源滤波器是由闸式阵列的电力电子元件组成，通过并连到电网上的一种新型电能质量控制产品，在适当的控制策略下，将直流电容电压逆变产生系统所需要的三相交流电压，同时进行无功补偿和消除谐波比率到可接受的范围内，它的出现满足了节能的需求。本章简要介绍了灵活交流输电技术FACTSFLEXIBLEALTERNATIVECURRENTTRANSMISSIONSYSTEM发展的历史、以及在电力电网中设置滤波器的必要性。2、3、学生应完成的任务4、论文各部分内容及时间分配（共周）第一部分熟练课题，收集、整理课题相关资料1周第二部分系统需求分析与总体设计周第三部分周第部分周第部分毕业设计论文文档编写整理周评阅或答辩周5、参考文献1夏向阳张一斌合有源电力滤波器及其在中高压变电站中的应用J电网技术2006年01期2范瑞祥罗安李欣然并联混合型有源电力滤波器的系统参数设计及应用研究J中国电机工程学报2006年02期3王兆安，杨君等谐波抑制和无功率补偿；北京；机械工业出版社，1998。4王兆安、姚为正、王群，滤波器对谐波检测电路检测效果的影响分析，电力系统自动化，1999VOL23NO165常鹏飞，有源电力滤波器中输出滤波器的设计及仿真船舶技术，2005VOL30NO7备注指导教师年月日审批人年月日诚信承诺一、本论文是本人独立完成；二、本论文没有任何抄袭行为；三、若有不实，一经查出，请答辩委员会取消本人答辩（评阅）资格。承诺人（钢笔填写）年月日目录摘要I第1章前言111电力系统无功补偿和谐波抑制概述1111现代社会对供电质量提出的新挑战1112国内外FACTS技术的研究现状212传统的谐波抑制和无功补偿装置的缺陷3121并联型电力滤波器的提出313并联型电力滤波器研制的目的414本论文的主要工作5第2章无功功率简介及其应用521瞬时无功功率理论5211无功功率补偿722三相电路瞬时无功功率理论823谐波和无功电流的实时检测方法简介10231谐波及其研究11232谐波抑制11233无功补偿12234谐波抑制与无功补偿的联系1324无功电流的实时检测方法简介13第3章有电力滤波器1431并联型有源电力滤波器的基本原理1432有源电力滤波器的主电路1533有源电力滤波器的补偿电流发生电路1534新型并联型有源滤波器1635APF的控制系统17351APF的主电路结构1736PWM工作原理19第4章电力源滤波器的仿真和分析1941并联型APF的MATLAB的仿真设计20412补偿电流发生器的模型21413MATLAB仿真模型22414低通滤波器的选取原则2342仿真实验分析23结论31致谢32参考文献32摘要并联型电力有源滤波器是由闸式阵列的电力电子元件组成，通过并连到电网上的一种新型电能质量控制产品，在适当的控制策略下，将直流电容电压逆变产生系统所需要的三相交流电压，同时进行无功补偿和消除谐波比率到可接受的范围内，它的出现满足了节能的需求。本研发课题其主要内容包括有源滤波器的基本原理、瞬时无功功率理论、基本MATLAB的使用、仿真电路的设计等。从滤波的效果看，没有必要对负载电流的所有谐波都滤去，某种程度的电压畸变是允许的。而用于电压控制的晶闸管电抗器能有效地消除瞬态电压波动，但它本身会产生谐波。如何解决自身的谐波，并使之达到规定的范围以内，这是该器件的重要技术关键。由于电力有源滤波器的研制包含多方面的工作，本文只是对电力有源滤波器在消除谐波方面的基本作用，做一个简单的仿真处理。关键词滤波器；APF控制；谐波抑制；有功补偿ABSTRACTPARALLELTYPEOFACTIVEPOWERFILTERCONSISTSOFBRAKETYPEARRAYOFPOWERELECTRONICCOMPONENTS,ANDEVENTOTHEGRIDTHROUGHANEWKINDOFPOWERQUALITYCONTROLOFPRODUCTS,THEAPPROPRIATECONTROLSTRATEGY,DCVOLTAGEINVERTERSYSTEMCAPACITYNEEDEDTOPRODUCETHETHREEPHASEACVOLTAGEANDREACTIVEPOWERCOMPENSATIONANDHARMONICRATIOANDELIMINATETOACCEPTABLERANGE,ITMEETSTHEDEMANDOFENERGYTHISRESEARCHTOPICSINCLUDETHEBASICPRINCIPLEOFTHEFILTER,THEINSTANTANEOUSREACTIVEPOWERTHEORY,THEUSEOFMATLABSIMULATIONCIRCUITDESIGN,ETCTHERESULTSFROMTHEFILTER,NONEEDTOLOADCURRENTHARMONICFILTER,ALLHAVESOMEDEGREEOFVOLTAGEDISTORTIONISALLOWEDANDFORTHEVOLTAGECONTROLLEDTHYRISTORREACTORCANEFFECTIVELYELIMINATETHETRANSIENTVOLTAGEFLUCTUATION,BUTITWILLPRODUCEHARMONICHOWTOSOLVETHEIRHARMONIC,ANDMEETTHEPRESCRIBEDSCOPE,ITISTHEIMPORTANTTECHNICALKEYDEVICEDUETOTHEDEVELOPMENTOFACTIVEPOWERFILTER,THISPAPERCONTAINSVARIOUSWORKOFACTIVEPOWERFILTERISTOELIMINATEHARMONICASPECTSINTHEBASICFUNCTION,DOASIMPLESIMULATIONPROCESSINGKEYFILTERAPFCONTROLHARMONICSUPPRESSIONMERITORIOUSCOMPENSATION第1章前言并联型电力有源滤波器是由闸式阵列的电力电子元件组成，通过并连到电网上的一种新型电能质量控制产品，在适当的控制策略下，将直流电容电压逆变产生系统所需要的三相交流电压，同时进行无功补偿和消除谐波比率到可接受的范围内，它的出现满足了节能的需求。本章简要介绍了灵活交流输电技术FACTSFLEXIBLEALTERNATIVECURRENTTRANSMISSIONSYSTEM发展的历史、以及在电力电网中设置滤波器的必要性11电力系统无功补偿和谐波抑制概述111现代社会对供电质量提出的新挑战电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量符合规定值的偏差。历史上，电力系统中许多机电设备都能在上述参量相对较大的变化范围内正常地工作。但是在近510年，随着高新技术尤其是信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中大量投入使用，他们对系统干扰比机电设备更加敏感，因此对供电质量的要求也更高。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障停运，重则造成整个系统的损坏，由此带来的损失是难以估量的。另一方面，大量为提高生产效率、节约能源和减小环境污染而采用的基于电力电子技术的现代化设备正成为产生电能质量问题的主要来源。尤其是带感性负载的整流电路所带来的谐波污染和功率因数滞后，更是困扰电力系统正常运行的主要问题。1992年，日本曾经进行一项具有代表性的谐波源用户的调查，结果是89的谐波源来自整流器。解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本思路有两条1装设补偿装置，以补偿其谐波和无功功率2对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且不消耗无功功率。方法2不是本课题所讨论的范围，本文主要通过OF这种新型电力电子补偿装置，进行无功补偿和谐波滤除。面对电力系统发展中的这些问题，需要对系统参数和网络结构进行快速、灵活调整，提高控制装置的响应速度，控制电网潮流的走向及分布。可目前传统的交流输电控制技术很难达到上述要求，20世纪SO年代后期由美国电力科学研究院与西屋公司研究提出的灵活交流输电技术FACTS为解决上述问题提供了新的手段。对它的定义归纳起来可表示为“利用基于大功率电力电子器件和相关技术的控制器及其他静止型控制器，来改善交流输电系统稳定性、提高系统可控性、增加输送容量等的技术”。在国内外被一些权威性的专家预测为“未来输电系统新时代的三项支撑技术FACTS技术、先进的控制中心和综合自动化技术之一”，或是“现代电力系统中三项前沿课题柔性输电技术、智能控制、基于全球卫星定位系统的新一代动态安全分析与监测系统之一。通过应用FACTS技术，可在较大范围内控制潮流、保证输电线输送容量接近热稳定极限、使控制区内可以传输更多的功率，减少发电机热备用、使系统进行快速的静态和动态控制调节、滤除谐波、阻尼电力系统振荡。从而起到改善系统静态电压和动态性能等多方面问题的目的。112国内外FACTS技术的研究现状为了保证用户的供电质量，一方面要加强输电系统的输送能力和运行性，保证配电系统供电的可靠性，另一方面应抑制或消除各种包括来自系统侧的和用户侧的干扰对电能质量的污染。基于电力电子技术的FACTS技术通过控制系统的基本参数来灵活控制系统潮流、突破静稳定瓶颈，使输送容量更接近线路的热稳定极限，是提高输电系统输送容量的有效措施。目前主要的FACTS装置有晶闸管控制的串联投切电容器THYRISTORSWITCHEDSERIESCAPACITORS,TSSC、晶闸管控制的串联电容器THYRISTORCONTROLLEDSERIESCAPACITORS,TCSC、静止无功补偿器STATICCOMPENSATOR,STATCOM、统一潮流控制器UNIFIEDPOWERFLOWCONTROLLER,UPFC等。其中串联补偿装置，如TSSC,TCSC等，能使输电线路的阻抗变小，从而相当于缩短了输电线路的长度，它们是提高系统输送容量和保持暂态稳定性的重要手段而STATCOM通过与系统进行无功功率交换，以维持线路电压恒定，它是抑制系统电压波动、闪变、不对称和提高系统稳定性的有力工具UPFC则综合了串联、并联补偿的功能，能对线路电压、阻抗、相位进行控制，从而实现控制潮流、阻尼振荡、提高系统稳定性等多种功能。作为FACTS技术在配电系统应用的延伸配电柔性交流输电系统DFACTSDISTRIBUTIONFLEXIBLEALTERNATIVECURRENTTRANSMISSIONSYSTEM技术己成为改善电能质量的有力工具，该技术的核心器件绝缘门极双极型晶体管IGBT，比门极可关断晶闸管GTO具有更快的开关频率，并且关断容量己达MVA级，因此DFACTS装置具有更快的响应特性，是解决电能质量问题的有效Y具。目前主要的DFACTS装置有有源电力滤波器ACTIVEPOWERFILTER,APF，动态电压恢复器DYNAMICVOLTAGERESTORER,DVR，固态断路器等。其中APF是补偿谐波的有效工具而DVR通过自身的储能单元，能够在毫秒级时间内向系统注入正常电压与故障电压之差，因此是抑制电压跌落的有效装置。我国的电力科研、高等院校、设计生产部门在1994年已开始对FACTS技术进行规划及研究，尤其是清华大学和河南省电力局共同研制出的20MVARSTATCOM工业应用装置，它标志着我国是继美、日、德之后，第四个掌握制造大容量FACTS装置核心技术的国家。该装置具有补偿动态电压、抑制系统不平衡和振荡、提高系统稳定极限等功能，也是迄今为止我国唯一具有自主知识产权的FACTS工业装置2001年2月国家电力公司电力自动化研究院也将士500KVAR的静止无功发生器投入了运行国家电科院已对统一潮流功率控制器UPFC展开了研究哈工大和清华大学联合进行UPFC物理模型研究工作。这些表明，我国在静止无功发生器的研制方面己取得了很大的进步。在国外以美国为先驱，在FACTS的实用化方面走出了第一步。1976年，美国学者LGYUGYI在其论文中提出了用电力半导体变流器进行无功补偿的各种方案，其中使用自换相桥式变流电路的方案最受青睐。限于当时的器件水平，采用强迫换相的晶闸管器件是实现自换相桥式电路的唯一手段。1987年美国西屋公司研制成20MVA的电压和电流等级的SVG，它是采用GTO晶闸管组成，并逐渐成为SVG的自换相桥式电路中的主力。目前限制FACTS技术得到广泛应用的一个主要因素是造价偏高，特别是其中大功串电力电子装置的价格占2530。但随着半导体技术的发展和运用的日益广泛及作为其核心的半导体器件的价格的下降，可以预见在不久的将来FACTS装置将可显示出商业运行价值。在今后的电力系统发展中，FACTS技术必将迎来更加快速发展的新阶段，为未来联网输电技术、电力建设和生产运行做出重要贡献。FACTS在国外己达到了比较成熟的地步。12传统的谐波抑制和无功补偿装置的缺陷目前我国电力系统中普遍采用由电抗器和电容器串连后组成的分路调谐LC滤波器作为滤波器，但这种“无源型”LC滤波器抑制谐波的效果并不理想，且系统LC也经常变化，当系统阻抗参数运行条件的变化，会发生与系统并联或串联谐振问题，造成电源侧某一频率上谐波电流倍增，严重影响滤波器性能，它一般只适用于静态补偿。其主要存在以下问题1电源阻抗严重影响滤波特性2随着电源侧谐波的增加，滤波器有可能过载3在同一系统内设置很多LC滤波回路情况下，难以取得高次谐波流入的平衡现阶段在电力网中广泛应用静止型无功补偿器SVCSTATICVARCOMPENSATION，其内部的电力电子开关元件多为晶闸管，它有两种基本类型晶闸管可控电抗器TCR和晶闸管投切电容器TSC。晶闸管在导通期间处于失控状态，这使SVC每步补偿时间间隔至少为工频的半个周期。若被补偿的负荷为急剧波动的干扰性负荷时，常用的SVC因固有的时间延迟使其响应不够快。上面所说的两种补偿装置都离不开大容量的储能元件，这是由于电感和电容储存和交换电能的特点向系统提供无功功率的补偿容量决定的，因此，其容量的大小因不少于所补偿的无功功率。另外，这些大容量储能元件存在固有的时滞影响，使它们不可能做到瞬时无功补偿。晶闸管控制投切电容器组虽然已能相对平滑地快速调节容性无功功率的大小，实现动态无功功率补偿作用，但是这种无功功率补偿器地容量明显受到安装点电压变化地制约与安装点电压平方成正比。当电网无功功率不足引起电压下降时，电容器提供的无功功率减少，导致母线电压进一步降低。综上所述，传统无功功率的定义和概念，只限于处理系统运行参数是正弦周期的情况，对功率急剧变化所出现的瞬时或随机变化的非周期现象已不能适应。121并联型电力滤波器的提出有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及无功进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和电容器等无功补偿手段的缺点，是电力系统柔性交流传输系统FACTS中的一个重要的发展方向。并联型电力控制器是采用传统的电能补偿技术与先进的电力电子技术和计算机控制技术相结合的一种新型电能质量控制产品。有源电力滤波器的发展最早可以追溯到上世纪60年代末。1969年BMB工RD和JFMARSH发表的论文中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。在该文中虽然未出现有源电力滤波器一词，但其描述的方法是APF基本思想的萌芽。1971年，HSASAKI和TMACHIDA发表的论文中，首次完整地描述了APF的基本原理。但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室中研究，未能在工业中实用。1976年，LGYUGYI提出了采用PWM控制变流器构成的APF，确立了APF的概念，确立了APF主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，PWM变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水平不高，全控型器件功率小、频率低，因而APF仅限于试验研究。进入80年代，随着电力电子技术以及PWM控制技术的发展，对APF的研究逐渐活跃起来，是电力电子技术领域的热点研究之一。这一时期的一个重大突破是，1983年赤木泰文提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在APF中得到了成功的应用，极大地促进了APF的发展。目前，三相电路瞬时无功功率理论被认为是APF的主要理论基础之一。13并联型电力滤波器研制的目的节能，是国内外各行各业面向二十一世纪的重要研究课题。并联型电力补偿器是集有源滤波、功率因数补偿、动态特性调整等功能于一体的智能型集成化系统。它体现了电力电子在电力系统自动化领域中的应用和研究方向，该装置不但可以起到节能的作用通过功率因数的提高达到减少线路损耗的目的，同时还能达到电能质量控制的目的。事实上，随着电网容量的日益增长，负载类型和品种也各不相同，甚至家用电器的容量也越来越大，电源质量如何得到保证、怎样防止电源污染则是应该是一个很有发展潜力的研究方向。电力系统中存在的主要问题是线电压的静态和动态畸变。它表现的形式有电源或负载所产生的谐波、电源的瞬态波动、负载切换的瞬态过电压、瞬态欠电压以及负载的不对称运行等。为消除这些问题，可以采用不同设备。传统的解决方法有无源滤波器、电容组件、同步电容调节器、调相机、晶闸管控制的电抗器TCR和晶闸管开关电容TSC等。由于功率半导体器件的迅速发展，特别是工GBT,GTO和最近推出的IGCT使新一代的电力质量改善设备的更新得到了突飞猛进的发展，无源滤波器并联或串联的电压源型或电流源型PWM整流器也己出现，采用本研究成果应能解决以上所有问题，这也本研发项目最重要的目的。14本论文的主要工作本研发课题其主要内容包括有源滤波器的基本原理、瞬时无功功率理论、基本MAT有源滤波器的基本原理、瞬时无功功率理论、基本MATLAB的使用、仿真电路的设计等。从滤波的效果看，没有必要对负载电流的所有谐波都滤去，某种程度的电压畸变是允许的。而用于电压控制的晶闸管电抗器能有效地消除瞬态电压波动，但它本身会产生谐波。如何解决自身的谐波，并使之达到规定的范围以内，这是该器件的重要技术关键。由于电力有源滤波器的研制包含多方面的工作，本文只是对电力有源滤波器在消除谐波方面的基本作用，做一个简单的仿真处理。LAB的使用、仿真电路的设计等。从滤波的效果看，没有必要对负载电流的所有谐波都滤去，某种程度的电压畸变是允许的。而用于电压控制的晶闸管电抗器能有效地消除瞬态电压波动，但它本身会产生谐波。如何解决自身的谐波，并使之达到规定的范围以内，这是该器件的重要技术关键。由于电力有源滤波器的研制包含多方面的工作，本文只是对电力有源滤波器在消除谐波方面的基本作用，做一个简单的仿真处理。第2章无功功率简介及其应用有源电力滤波器APF的主电路结构是由可控的电力电子元件组成，如何消除谐波和无功补偿，关键的第一步是快速、实时地检测出系统中基波无功和谐波分量，而要做到这一点，就必须理解瞬时无功功率理论，该理论被认为是APF的基本理论之一。这一章里详细地阐述了该理论，并介绍了谐波和无功电流检测的几种方法。21瞬时无功功率理论有源电力滤波器是基于PWM和瞬时无功功率理论的新型装置,主要有串联型、并联型、串联混合型、并联混合型、统一电能质量调节器和直流输电用有源电力滤波器等几种。目前,大多将并联型作为一种标准形式,主电路多为电压型,串联型或串联混合型很少用。有源电力滤波器近期的发展动向是谐波理论的深入研究,进一步降低补偿装置的容量,使控制系统简化与数字化,研究补偿装置的多功能化等。用有源电力滤波器检测谐波,不仅检测负载电流,也检测电源电流、电源电压。用其控制功能补偿谐波电流,还可补偿基波无功,平衡三相电压,抑制电压闪变。也可与LC无源滤波器混合使用,有源电力滤波器完全可以补偿低次谐波,使用LC滤波器可以使有源部分的容量大大减小。接在电网中的大多数用电设备是利用电磁感应实现能量转换和传递的。如发电机、变压器、电动机等，就是通过磁场来完成机械能与电能之间的转换的。以异步电动机为例，电机从电网吸收的大部分电功率转换成了机械功率从转轴上输出给了机械设备，这部分功率就是有功功率；而电动机还要从电网吸收另外一部分电功率，用来建立交变磁场，这部分功率不是被消耗，而是在电网与电动机之间不断的进行交换（吸收与释放），这就是无功功率。近年来,谐波和无功功率的补偿问题日益受到重视。在要求对变化的谐波或无功功率进行快速的动态跟踪补偿的场合，建立在平均值基础上的传统功率理论已经难以适用。20世纪80年代初，日本学者赤木泰文HAKAGI等人提出了建立在瞬时值基础上的三相电路瞬时无功功率理论，引起了诸多学者的跟踪研究，在许多方面得到了成功的应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波电流和无功电流实时检测方法。在交流电路中任意两端无源网络如右图所示，有下式成立TUTI图21交流电路无源网络FIGURE21THEELECTRICCIRCUITOFNOSOURCENETWORKPUICOS，QUISIN。式中U，I为UT，IT的有效值，为U、I的相角差。其中P反映了无源网络中等效电阻的耗能，它用于不可逆的消耗，定义为有功功率。Q反映了无源网络中电源与电感和电容之间的能量转换，定义为无功功率。虽未被网络消耗，但反映了网络内部与外部交换能量的能力的大小。辞海中无功功率的解释具有电感和电容的交流电路中，电感的磁场或电容的电场在一个周期内的一部分时间内从电源吸收能量，另一部分时间内将能量返回电源。在整个周期内平均功率为零，也就是没有能量消耗。但能量是在电源和电感或电容之间来回交换的。能量交换率的最大值叫做无功功率。许多用电设备均是根据电磁感应原理工作的，如配电变压器、电动机等，它们都是依靠建立交变磁场才能进行能量的转换和传递。为建立交变磁场和感应磁通而需要的电功率称为无功功率，因此，所谓的“无功”并不是“无用”的电功率，只不过它的功率并不转化为机械能、热能而已；因此在供用电系统中除了需要有功电源外，还需要无功电源，两者缺一不可。在功率三角形中，有功功率P与视在功率S的比值，称为功率因数COS，其计算公式为COSSP2QP1在电力网的运行中，功率因数反映了电源输出的视在功率被有效利用的程度，我们希望的是功率因数越大越好。这样电路中的无功功率可以降到最小，视在功率将大部分用来供给有功功率，从而提高电能输送的功率。1大量的电感性设备，如异步电动机、感应电炉、交流电焊机等设备是无功功率的主要消耗者。据有关的统计，在工矿企业所消耗的全部无功功率中，异步电动机的无功消耗占了6070；而在异步电动机空载时所消耗的无功又占到电动机总无功消耗的6070。所以要改善异步电动机的功率因数就要防止电动机的空载运行并尽可能提高负载率。2变压器消耗的无功功率一般约为其额定容量的1015，它的空载无功功率约为满载时的1/3。因而，为了改善电力系统和企业的功率因数，变压器不应空载运行或长期处于低负载运行状态。3供电电压超出规定范围也会对功率因数造成很大的影响。当供电电压高于额定值的10时，由于磁路饱和的影响，无功功率将增长得很快，据有关资料统计，当供电电压为额定值的110时，一般无功将增加35左右。当供电电压低于额定值时，无功功率也相应减少而使它们的功率因数有所提高。但供电电压降低会影响电气设备的正常工作。所以，应当采取措施使电力系统的供电电压尽可能保持稳定。211无功功率补偿无功补偿通常采用的方法主要有3种低压个别补偿、低压集中补偿、高压集中补偿。下面简单介绍这3种补偿方式的适用范围及使用该种补偿方式的优缺点。1低压个别补偿低压个别补偿就是根据个别用电设备对无功的需要量将单台或多台低压电容器组分散地与用电设备并接，它与用电设备共用一套断路器。通过控制、保护装置与电机同时投切。随机补偿适用于补偿个别大容量且连续运行如大中型异步电动机的无功消耗，以补励磁无功为主。低压个别补偿的优点是用电设备运行时，无功补偿投入，用电设备停运时，补偿设备也退出，因此不会造成无功倒送。具有投资少、占位小、安装容易、配置方便灵活、维护简单、事故率低等优点。2低压集中补偿低压集中补偿是指将低压电容器通过低压开关接在配电变压器低压母线侧，以无功补偿投切装置作为控制保护装置，根据低压母线上的无功负荷而直接控制电容器的投切。电容器的投切是整组进行，做不到平滑的调节。低压补偿的优点接线简单、运行维护工作量小，使无功就地平衡，从而提高配变利用率，降低网损，具有较高的经济性，是目前无功补偿中常用的手段之一。3高压集中补偿高压集中补偿是指将并联电容器组直接装在变电所的610KV高压母线上的补偿方式。适用于用户远离变电所或在供电线路的末端，用户本身又有一定的高压负荷时，可以减少对电力系统无功的消耗并可以起到一定的补偿作用；补偿装置根据负荷的大小自动投切，从而合理地提高了用户的功率因数，避免功率因数降低导致电费的增加。同时便于运行维护，补偿效益高。3采取适当措施，设法提高系统自然功率因数提高自然功率因数是不需要任何补偿设备投资，仅采取各种管理上或技术上的手段来减少各种用电设备所消耗的无功功率，这是一种最经济的提高功率因数的方法。1合理使用电动机；2提高异步电动机的检修质量；3采用同步电动机同步电动机消耗的有功功率取决于电动机上所带机械负荷的大小，而无功功率取决于转子中的励磁电流大小，在欠励状态时，定子绕组向电网“吸取”无功，在过励状态时，定子绕组向电网“送出”无功。因此，对于恒速长期运行的大型机构设备可以采用同步电动机作为动力。22三相电路瞬时无功功率理论EIPIEPIAIAQIQIAPIOQII图22瞬时无功功率理论中电压、电流关系FIGURE22THEMOMENTHAVETHEUNPOWERTHEORIESINTHEELECTRICVOLTAGERELATETOELECTRICCURRENT近年来,谐波和无功功率的补偿问题日益受到重视。在要求对变化的谐波或无功功率进行快速的动态跟踪补偿的场合，建立在平均值基础上的传统功率理论已经难以适用。20世纪80年代初，日本学者赤木泰文HAKAGI等人提出了建立在瞬时值基础上的三相电路瞬时无功功率理论，引起了诸多学者的跟踪研究，在许多方面得到了成功的应用。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础，可以得出用于有源电力滤波器的谐波电流和无功电流实时检测方法。设三相电路瞬时电压、瞬时电流,将三相电路瞬AEBCEAIBCI时电压、瞬时电流变换到两相正交的坐标系中,如图22所示。两相瞬时电压122301132CBAEE两相瞬时电流22301132CBAIII由此可得出二坐标时的瞬时有功电流、,及瞬时无功电流、再由二坐标时的瞬IPI时有功电流及瞬时无功电流来表示三相时的瞬时有功电流、,及瞬时无功电流APBCP、,经过推算,可得到用三相有功功率P表示的各相瞬时有功功率,以及用三相APIBCPI无功功率Q表示的各相瞬时无功功率。各相瞬时有功功率23APEPAAP2324BBPB225APEEPCCPC23各相瞬时无功功率26PEEIEQBAAQA27AIACBBQB28其中,29ACBACBACBEEEA2222由此,可得到各相瞬时有功功率和各相瞬时无功功率的性质,它们满足210PPCBA2110QQ可以看出,这种变换并没有改变电路中各种电量的关系,但是,它对人们认识问题却发生了本质的变化,瞬时有功功率和瞬时无功功率是一个划时代的全新概念,它将借助计算机和新型电子器件,带来电力系统谐波抑制与无功补偿的一场重大变革,最终真正解决谐波抑制与无功补偿的问题。传统的功率理论是建立在平均值基础上的,它只适用于正弦波,瞬时无功功率理论研究的是瞬时值,它不仅适用于正弦波,而且适用于非正弦波,为解决电力系统中谐波抑制与无功补偿问题奠定了理论基础,研究它和将其运用于实际,有着重大的意义和美好的前途。23谐波和无功电流的实时检测方法简介电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。国际上对电力谐波问题的研究大约起源于20世纪五、六十年代,当时的研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。进入70年代后,随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用,谐波问题日重,从而引PEEIEQBACCQC起世界各国的高度重视。各种国际学术组织如国际电气与电子工程师协会IEEE、国际电工委员会IEC和国际大电网会议CIGRE相继各自制定了包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准。我国国家技术监督局于1993年颁布了国家标准GB/T1454993电能质量公用电网谐波,标准给出了公用电网谐波电压、谐波电流的限制值。谐波问题涉及的学科范围很广,主要有电力电子技术、电力系统、电气自动化技术和理论电工,各学科知识交叉融会凸现出谐波问题研究的复杂性和难度。231谐波及其研究“谐波”一词源于声学,电力系统的谐波是指一个周期电气量的正弦波分量,其频率为基波频率的整数倍。应该注意,电力系统所指的谐波是稳态工频整倍数的波形,电网暂态变化诸如涌流、各种干扰或故障引起的过压、欠压均不属谐波范畴谐波与不是工频整倍数的次谐波频率低于工频基波频率的分量和分数谐波频率为非基波频率整倍数的分数有定义上的区别。傅里叶等人早就提出谐波分析。谐波研究有着十分重要的意义。因为谐波危害严重,谐波损耗使电能生产、传输的效率降低。谐波使设备过热、引起震动、出现燥声、绝缘老化、寿命缩短、发生故障或烧毁。谐波使系统局部并联谐振或串联谐振而导致谐波放大,致使设备烧毁。谐波使继电保护和自动装置误动作,电能计量混乱。谐波对通信设备和电子设备严重干扰,谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍。要治理环境污染,维护绿色环境,必须治理谐波。谐波研究的主要内容是,研究与谐波有关的功率定义和功率理论,研究谐波分析、谐波的危害,研究谐波的补偿和抑制,研究谐波的测量和限制的标准。232谐波抑制谐波主要由谐波电流源产生当正弦基波电压施加于非线性设备时,设备吸收的电流与施加的电压波形不同,电流因而发生了畸变,由于负荷与电网相连,故谐波电流注入到电网中,这些设备就成了电力系统的谐波源。主要的谐波源有变压器、励磁电流、电力电子装置、相控整流器、相控交流功率调整电器、周波变流器、逆变器、直流斩波器、开关电源、不间断电源、电压型变频器、彩电、办公设备、家用电器、计算机等。如电弧炉,电极处于短路状态,电弧不稳定发电机励磁电流,感应电动势不是理想的正弧波,都会产生严重非线性,出现谐波。抑制谐波的途径有两条,一是采用谐波补偿装置,二是采用不产生谐波的电力电子装置,使功率因数为1。谐波补偿装置LC谐波滤波器特性受电网阻抗和运行状态影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使抑制谐波与补偿无功,由几组单调谐滤波器和高通滤波器组成。它的缺点在于补偿LC滤波器过载,甚至烧毁。它只能补偿固定频率的谐波,补偿效果也不理想。有源电力滤波器APF它检测谐波电流,并产生一个与其大小相等、极性相反的补偿电流,使电网电流只含基波。它基于PWM和瞬时无功功率理论,采用全控型开关器件,可关断晶闸管GTO构成。现在已经有较好使用。2无谐波电力电子装置PWM变流器采用PWM方式构成整流器和逆变器,装置不产生谐波,使输出电压电流为正弦波,输入电流也为正弦波,装置的功率因数为1。小容量整流器采用“二极管PWM斩波”方式构成,有功率因数校正电路PFC,是一种低谐波、高功率因数装置,常用于办公设备和家用电器中。矩阵式变频器采用全控型双向可控开关器件,按矩阵方式排列,控制方式采用斩控方式。这种电路可使输入电流控制为正弦波且和电压同相,功率因数为1,也可控制为需要的功率因数其输出电压也为正弦波,输出频率不受电网频率的限制能量双向流动,适用于交流电动机四象限运行。233无功补偿人们对有功功率概念的理解是容易的,但对无功功率概念的认识和解却并不容易,在正弦电路中无功功率概念是清楚的,而在含有谐波时,至今尚未获得公认的无功功率定义。由于无功功率的存在,它对电力系统的影响很大,会因此增加供电设备的容量,使设备及线路损耗增加,设备及变压器的电压降增大,使能耗增加,经济效益降低。无功补偿问题始终受到人们的重视,无功补偿的原则是就近补偿,包括波无功补偿和谐波无功补偿谐波补偿两部分,这就把谐波抑制与无功补偿联系在一起了。通过无功补偿可以提高系统及负载的功率因数,降低设备容量,减少功率损耗,稳定用户端及电网电压,提高供电质量,在三相负载不平衡时,可平衡三相的有功及无功负载。无功补偿装置有以下几种1同步调相机它补偿固定无功,也可动态补偿。2并联电容器只补偿固定无功,系统中有谐波时,可能发生并联谐振,使谐波放大,电容烧毁。3静止无功补偿装置SVC一种采用“固定电容器晶闸管控制电抗器FCTCR”结构形式,可进行动态补偿。另一种采用“晶闸管投切电容器TSC方式”,进行分组投切,这种补偿功率不连续。第三种是混合型,即“TCRTSC”形式,效果更好。4静止无功发生器SVG它是比SVC更为先进的现代电力电子补偿装置,其基本电路仍是三相桥式变流电路,直流侧只需较小电抗,采用PWM控制方式,可发出无功容性,也可吸收无功容性。美国西屋电气公司与电力研究院联合为美国田纳西峡谷电力系统研制的100MVARSVG,已得到成功应用。234谐波抑制与无功补偿的联系谐波抑制与无功补偿的联系主要有三个方面。系统无谐波时,无功功率有固定概念和定义。有谐波时,无功功率的定义和谐波密切相关,谐波除本身的问题外,还影响无功功率和功率因数。产生谐波的装置也消耗基波无功功率,如电力电子装置、电弧炉、变压器等。补偿谐波的装置也补偿基波无功功率,如LC谐波滤波器、有源电力滤波器、高功率因数整流器等。24无功电流的实时检测方法简介在赤木泰文瞬时无功功率理论的基础上，首先在三相电路谐波实时检测方面得到了成功的应用，目前在有源电力滤波器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多。最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器来实现，即采用陷波器将基波电流滤除，得到谐波分量。或采用带通滤波器得出基波分量，再与被检测电流相减得到谐波分量。这种方法存在许多缺点，如难设计、误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感等，因而己极少采用。随着计算机和微电子技术的发展，开始采用傅立叶分析的方法来检测谐波和无功电流。这种方法是根据采集到的一个电源周期的电流值进行计算，最终得出所需的谐波和无功电流。其缺点是需要一定时间的电流值，且需进行两次变换，计算量大，从而使得具有较长的时间延迟，检测的结果实际上是较长时间前的谐波和无功电流，实时性不好。也可根据FRYZE的传统功率定义来构造检测方法。但这种方法积分一个周期才能得出检测结果。80年代以来CZARNECKI等人对非正弦情况下的电流进行了新的分解。这些电流的定义虽然十分严格，但据此构造的检测方法，仍然需积分一个周期才能得出检测结果，同样存在实时性不好的缺点。基于瞬时无功功率理论的方法，在只检测无功电流时，可以完全无延时地得出检测结果。检测谐波电流时，因被检测对象中谐波的构成和采用滤波器的不同，会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。对于电网中最典型的三相桥整流桥谐波源，其检测的延时约为1TS周期。可见，该方法具有很好的实时性，且这三种运算方式都适用于检测是三相三线制接线的电压对称电路。基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方