电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究

分类号 密 级 U D C 单位代码 1 辽宁工业大学硕 士 学 位 论 文电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究工程领域: 电气工程 研 究 生: + 校内指导教师: + 教授 校外指导教师: + 高级工程师二一+ 年三月电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究 +辽宁工业大学硕士学位论文 电气工程 二一+年宋体四号加粗)辽宁工业大学硕 士 学 位 论 文电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究工程领域: 电气工程研 究 生: +校内指导教师: + 教授校外指导教师: + 高级工程师辽宁工业大学 电气工程学院二一+年三月Masteral DissertationStudy on Harmonic Suppression and Reactive Power Compensation of Power SystemSpeciality: Electrical EngineeringCandidate: +Supervisors: Professor +Engineer +Liaoning University of TechnologyJinzhou, 121001, China+2014摘要 辽宁工业大学硕士学位论文I摘 要随着电力电子技术在电力系统的广泛应用，工业化进程得到飞速发展，由此引发的电能质量问题也备受关注，尤其是阻感性负载的运行过程给电网带来的无功供应和谐波污染问题。为了使电能质量达到安全可靠、优质经济的要求，深入研究无功补偿和谐波抑制技术具有深远的现实意义。首先，针对电力系统的谐波和无功现状，本文论证了谐波抑制和无功综合装置的可行性，并分别对谐波的治理措施和无功补偿原理进行了深入研究，为谐波抑制和无功综合装置的研究提供了理论依据。其次，对谐波和无功电流的综合检测方法的性能进行分析对比，重点研究了基于瞬时无功功率理论的 ip-iq 检测法，并在理论基础上对这种检测方法进行了仿真，验证了此方法的检测速度快、精准性高和实时性好等优势。最后，设计了以有源电力滤波器（APF）为核心与静止无功发生器（SVC）联合运行的综合装置，该装置由结构相同的多组晶闸管投切电容器 TSC 和呈 H 桥型连接的APF 并联在电网上，通过 TSC 和 APF 的互补互利实现综合治理的目的。同时，将此综合装置应用于锦州拓新电力电子有限公司的实验之中，通过对实验数据的处理和分析，验证了此装置在提高系统动态性能及稳定性方面具有更可靠、更速动、更灵敏的优势。关键词：电能质量；动态无功补偿；谐波抑制；综合补偿控制策略；电流检测方法；Abstract 辽宁工业大学硕士学位论文IIAbstractWith the wide application of power electronic technology in power system, the indutr- -ialization process to get rapid development, but much attention has been paid to power quality problems especially the process of inductive load resistance to the power grid to supply reactive power and harmonic pollution problem. In order to make the power quality reach the requirement of safe and reliable, high quality economic, so further study of reactive power compensation and harmonic suppression technology has far-reaching practical sign- -ificance. Firstly, according to current situation of power system harmonic and reactive power, this paper demonstrated the feasibility of harmonic and reactive power integrated compensation device, and the control measures of harmonic and reactive power compensation principle were studied, except that， the paper provided a theoretical basis for the study of harmonic and reactive power compensation device and the comprehensive. Secondly, an analysis comparison between the harmonic and reactive current detection method of performance has been done , and especially we mainly studied ip-iq tests based on the instantaneous reactive power theory, and made a simulation about the detection methods based on the theory, we verified the advantages, the detection precision of the method and the real time. Finally, the design of active power filter (APF) as the core and the static reactive power generator (SVC) joint operation of comprehensive compensation device was made, the device by the structure of the same set of TSC,The thyristor for capacitor and the H bridge connection of APF was on the grid in parallel, achieving the goal of comprehensive compensation by TSC and APFs complementary and mutual benefit. At the same time, the comprehensive compensation device was applying to jinzhou new power electronics Company.This device was verified in improving system dynamic performance and stability is more reliable, more quick, more sensitive, based on the experimental data processing and analysis.Key words: Power System; reactive power compensation; harmonic suppression comprehensive; compensation control strategy; the instruction current detection method目录 辽宁工业大学硕士学位论文III目 录摘 要 .IAbstract .II1 绪论 .11.1 课题研究的背景和意义 .11.2 影响电能质量的因素 .11.3 谐波抑制和无功补偿国内外研究现状 .21.3.1 谐波抑制和无功补偿的国内外的研究现状 .21.3.2 综合装置的国内外研究现状 .31.4 本论文的主要研究工作 .42 电网谐波分析及其抑制 .52.1 谐波产生的危害及谐波标准 .52.2 谐波治理的措施 .72.2.1 电网谐波治理措施和抑制方法 .72.2.2 有源电力滤波器的工作原理分析 .92.3 谐波电流的分析与检测方法 .102.3.1 谐波电流的检测方法 .102.3.2 基于瞬时无功 ip-iq 算法的仿真 .152.4 谐波抑制系统的控制方法 .162.5 本章小结 .173 谐波抑制和无功补偿 .193.1 无功功率及其影响 .193.1.1 无功功率及无功电流的危害 .193.1.2 无功补偿原理和补偿技术的发展 .203.1.3 SVC 补偿的原理和特点 .223.2 谐波和无功存在的主要问题 .263.3 谐波无功综合装置分类 .263.4 本章小结 .294 谐波无功综合系统设计 .304.1 综合装置系统构成和工作原理 .304.2 APF 与 TSC 综合系统的稳定运行的控制策略 .314.3 APF 与 TSC 综合系统的无功和谐波电流检测方法 .324.4 本章小结 .335 谐波抑制和无功补偿综合装置的实验 .34目录 辽宁工业大学硕士学位论文IV5.1 系统主电路结构 .345.2 计算 APF 的补偿容量和输出参数 .345.3 APF 与 TSC 综合装置的控制方法 .375.4 APF 与 TSC 综合装置的实验与结果分析 .386 结论与展望 .44参考文献 .45致 谢 .471 绪论 辽宁工业大学硕士学位论文11 绪论1.1 课题研究的背景和意义21 世纪以来，全球工业化进程飞速发展，人们开始越来越关注保护环境和节约能源的课题，电力系统可以说也是一种“环境”，也同样面临着污染方面的问题 1。因此如何能令人类使用安全可靠、质量优良、经济实惠的电能成为近年来的研究重点。国家早在十一五规划纲要中就明确提出，要通过开发推广新技术，实现节能目标的战略决策。目前全球基本上将节能的重点领域放在工业、交通这两个与人们生活息息相关的方面，其中工业是侧重点。工业用电的特点是：不论是用电还是配电系统中均存在着大量的问题，这些问题均与无功和谐波息息相关。现代电力系统中，电力电子技术的飞速发展，使得电力系统中电力电子器件的应用呈现越来越普遍的现象。很多电力电子设备工作时均会对电力系统造成谐波污染，功率因数降低等电能质量问题。再加上科技如此发达的现代社会中，人们在电网中大量使用各种具有不对称、冲击性、波动性和非线性的负载，长此以往电力系统中的谐波污染、电压波动及电压跌落等问题越发不可收拾，从而大大降低电能质量 2。电网电压与无功密切相关，大量谐波注入电网很大程度的影响电力系统正常运行。由于我国特殊的经济模式、辽阔的地理环境和资源分布不均等客观因素更加剧影响了电力系统的发展，形成了发电厂和负荷分布不均的结果，因此大范围的远距离输电更能符合我国对电网的需求。面对上述问题就需要我国电力系统具备良好的传输能力和暂态稳定性能，这些全是跟无功供应密切相关的，故无功装置必不可少。非线性负载的增加导致公用网络中的谐波源数量也随之增多，以至于电网电能质量问题日益严重。因此，对电网进行谐波抑制和无功补偿的研究完全符合科学发展观和可持续发展战略。1.2 影响电能质量的因素从字面上直译，电能质量就是系统中电能的质量，和发电、供电、配电、用电四大系统及电力系统设备正常工作时的电流、电压偏离规定的指标差值密切相关。电网中具体将其定义为导致用电系统无法再正常工作或发生故障时的电流、频率或电压与正常工作时的差值，通常用这三个差值、电压波动、闪变和三相不平衡等这些标准来衡量电能质量的高低 3。目前工业上涉及最多的电能质量问题是电压问题和谐波问题，频率问题不太常见。影响电能质量问题的因素有以下几个方面：（1）电力系统出现的运行故障会造成电能质量问题，比如常见的雷击就会使发电励磁系统工作状态发生严重改变。（2）非线性负载，现在人们无论在工业用电上，还是在生活用电过程中，都使用1 绪论 辽宁工业大学硕士学位论文2着大量的非线性负载。例如变流器，整流器等电力电子器件运行时吸收大量无功的同时会发出大量的谐波。（3）电力系统的非线性，例如同步发电机在实际运行时，它的感应电动势会因为受谐波影响发生振荡，所以电动势波形就不再是理想的正弦波，从而影响系统稳定运行。长期以来对于电力系统来说电能质量问题多源于系统侧，如当系统运行状态处于非正常运行状态时，往往采取的治理措施有投入电源，投入补偿电容器，启动大电动机等。另外就是像由于天气原因、人为操作或器件损坏等客观因素也会影响电能质量。近年来负载侧对电能质量的影响呈增长趋势，从一些低压小容量的家用电器到高压大容量的工业装置，都能引发电网电流和电压波形的畸变 4。例如煤矿中的电机车，在运行时会发生谐波浪涌及无功冲击现象，还有许多电弧设备往往会产生大量谐波。针对这些问题，就要求各个生产单位在生产使用设备的同时也要努力对原来的设备进行升级改造，但是由于技术受限往往改进措施达不到治标的目的。近年来，电能质量问题日益明朗化，现在可以说电能质量问题的内涵就是谐波和无功问题。随着大功率可关断器件和 PWM 技术的发展，再加上数控技术（DSP）在电力系统中的广泛应用，电能质量的控制和管理得到了