电力系统中的电力电子技术与无功补偿

课外科技（创新）活动课外科技（创新）活动 设计题目：设计题目： 电力系统中的电力电子技术电力系统中的电力电子技术 与无功补偿、谐波抑制与无功补偿、谐波抑制 班班 级：级： 电气工程及其自动化电气工程及其自动化 2010-3 姓姓 名：名： 管皓管皓 学学 号：号： 201001101206 电力系统中的电力电子技术与无功补偿、谐波抑制电力系统中的电力电子技术与无功补偿、谐波抑制 电力电子技术( Power Electronics Technology )是利用电力电子器件对电能进 行变换及控制的一种现代技术，它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不 同用途的电能，以适应千变万化的用电装置的不同需要。电力电子技术是 20 世 纪后新兴的边缘学科。电力系统是电力电子技术应用的一个重要领域。电力电 子技术在电力系统中的应用涉及到提高输电能力、改善电能质量、提高电网运 行稳定性、可靠性、控制的灵活性及降低损耗等重大问题。但电力电子技术在 推动电力系统发展的同时, 又成为电力系统中最主要的谐波源,并且电力电子装 置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍。它迫使电力电 子领域研究人员对谐波问题进行更为有效的研究,以治理谐波污染，维护电力系 统的“绿色环境” 。 1、谐波的产生、谐波的产生 在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压 器、荧光灯等都是典型的阻感负载。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作， 这是由其本身的性质所决定的。而相控整流器、相控交流功率调整电路和周波 变流器等电力电子装置，其交流侧的电流也常常滞后于电压,它们不但要消耗大 量的无功功率,还要产生大量的谐波电流。 在电工理论中,对纯正弦交流电路定义了 3 种功率：有功功率 P、无功功率 Q 和视在功率 S,它们分别是： = = = 其中， 是电流滞后于电压的相位角。三中功率关系满足： = 2+ 2 有功功率 P 表示瞬时电压与瞬时电流乘积即瞬时功率在一个周波内积分的 平均值,其物理意义是交流平均功率,视在功率 S 表示电气设备的最大可利用容量,它 是电压电流有效值的乘积，工程上作为电气设备功率设计的极限值，其中额定 电流由导线截面积和铜耗决定,额定电压由绝缘性能决定,而无功功率表示含储能 元件的电路或系统的一种功率互换的幅度,单相电路中的功率互换直接发生在电 源与储能设备(电感、电容)之间，三相电路则表现在通过具有储能特性的负载在 三相之间来回流动,任一瞬时三相无功之和恒等于零。 2、无功功率的影响和谐波的危害、无功功率的影响和谐波的危害 无功功率对公用电网的影响主要有以下几个方面： （1） 增加设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从 而使发动机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。 （2） 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及 线路的损耗增加。 （3） 使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电 压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。 谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面： （1） 谐波使公用电网中的元件产生了谐波损耗，降低了发电、输电及用电设 备的效率，大量的 3 次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 （2） 谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗 外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部过热；使电容器、电缆 绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。 （3） 谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大。 （4） 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不 准确。 （5） 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重 者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 3、谐波抑制和无功功率补偿、谐波抑制和无功功率补偿 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染和低功率因数问题，基本思 路有两条:一是装设补偿装置,以补偿其谐波和无功功率；二是对电力电子装置本 身进行改进,使其不产生谐波,且不消耗无功功率，或根据需要对其功率因数进行 控制。 目前，抑制谐波的方法可分为两大类: （1） 补偿的方法。采用无源 LC 滤波器或有源电力滤波器属此类方法。 （2） 改造谐波源的方法。一是设法提高电力系统中主要的谐波源即整流装置 的相数；二是采用高功率因数整流器。 目前工程上应用最多的是无源 LC 滤波 器,它结构简单、投资少、可靠性高、运行费用也比较低。滤除谐波的原理实质 上是为电路中的谐波提供一条释放路径,即保留基波而使谐波短路,使谐波可通过 滤波器直接流回谐波源而不注入系统。 4、电力电子技术在电力系统中的应用、电力电子技术在电力系统中的应用 电力电子技术是一个以功率半导体器件、电路技术、计算机技术、现代控 制技术为支撑的技术平台。经过 50 年的发展历程，它在传统产业设备改造、电 能质量控制、新能源开发和民用产品等方面得到了越来越广泛的应用。最早成 功地应用于电力系统的大功率电力电子技术是直流输电(HVDC)。自 20 世纪 80 年代，柔性交流输电(FACTS)概念被提出后，电力电子技术在电力系统中的应用 研究得到了极大的关注，多种设备相继出现。 在电力系统的发电环节涉及发电机组的多种设备，电力电子技术的应用以 改善这些设备的运行特性为主要目的。如大型发电机的静止励磁采用晶闸管整 流自并励方式、水力、风力发电机的变速恒频励磁技术以及发电厂风机水泵的 变频调速技术，运用的都是电力电子技术。 在输电环节，电力电子器件应用于高压输电系统被称为“硅片引起的第二 次 革命” ，大幅度改善了电力网的稳定运行特性。直流输电具有输电容量大、稳定 性好、控制调节灵活等优点，对于远距离输电、海底电缆输电及不同频率系统 的联网，高压直流输电拥有独特的优势。1970 年世界上第一项晶闸管换流阀试 验工程在瑞典建成，取代了原有的汞弧阀换流器，标志着电力电子技术正式应 用于直流输电。从此以后世界上新建的直流输电工程均采用晶闸管换流阀。 FACTS 技术的概念问世于 20 世纪 80 年代后期，是一项基于电力电子技术 与现代控制技术对交流输电系统的阻抗、电压及相位实施灵活快速调节的输电 技术，可实现对交流输电功率潮流的灵活控制，大幅度提高电力系统的稳定水 平。20 世纪 90 年代以来，国外在研究开发的基础上开始将 FACTS 技术用于实 际电力系统工程。 配电系统迫切需要解决的问题是如何加强供电可靠性和提高电能质量。电 能 质量控制既要满足对电压、频率、谐波和不对称度的要求，还要抑制各种瞬态 的波动和干扰。电力电子技术和现代控制技术在配电系统中的应用，即用户电 力(Custom Power)技术或称 DFACTS 技术，是在 FACTS 各项成熟技术的基础上发 展起来的电能质量控制新技术。可以将 DFACTS 设备理解为 FACTS 设备的缩小 版，其原理、结构均相同，功能也相似。随着电力电子器件价格不断降低， DFACTS 设备产品将进入快速发展期。 5、结束语、结束语 电力电子技术飞速发展，新材料、新结构器件的陆续诞生，计算机技术的 进 步为现代控制技术的实际应用提供了有力的支持。有人预言,电力电子连同运动 控制