（电气工程专业论文）配电网新型电能质量综合治理装置的研究.pdf

an o v e lp o w e rq u a l i t yc o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t o rd e v i c e r e s e a r c hi nd i s t r i b u t i o nn e t w o r k b y c h a n g l i a n g l i a n g b e ( s h a o y a n gc o l l e g e ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a n u n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rt uc h u n m i n g m a y ，2 0 1 1 6川9mil6川09iiiii舢y 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：育者专 日期：力年多月2 e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名：彬 别币签辄e 日期：1 年堂月群e 1 日期：岛1 7 【年j l 月乙户 配电网新型电能质量综合治理装置的研究 摘要 电能对现代社会的经济发展与人民生活水平的提高起着至关重要的作用，同 时也是一个国家的工业发达，科技水平提高和社会文明进步的表现；近年来，许 多以电力电子技术为基础的新型电气设备在电网中出现，引起了电网母线电压波 动、闪变和三相不平衡现象，对供电质量造成了严重污染，影响到电网中电气设 备的经济安全运行。 本文旨在研究一种新型的具有谐波抑制功能的电能质量综合治理装置，它兼 具传统的电压无功控制装置( v q c ) 和有源电力滤波器( a p f ) 的功能，既能实 现电压质量控制，又能实现谐波电流的治理，可以大大改善电网的电能质量，降 低线路损耗，还能在保证电能质量的同时，动态的调节谐波阻抗，避免电网局部 发生谐振。 文章介绍了电力网中出现的电能质量的问题和研究现状，对典型的电能质量 问题负荷进行了相应的分析，分析了不同负荷的谐波和无功问题；阐述了电能质 量参考信号的检测和控制方法，描述了配电网电能质量治理装置的发展。对传统 电压无功控制装置存在的缺点进行了详细分析，针对其缺点进行了改进，提出了 一种具有谐波抑制功能的电能质量综合治理装置( h s v q c ) ，能够在保证电压无 功的同时，对谐波进行动态治理。通过对治理装置的拓扑结构和工作原理的研究， 分析了装置的功能和特性，并提出了几种不同的新型结构，通过补偿效果仿真分 析，验证了该装置的有效性和稳定性。 从配电网电能质量电参量的检测和控制入手，基于瞬时功率理论的无功及谐 波电流检测方法，分别介绍了对电压、无功和谐波参量的检测方法，采用了基于 模糊无功边界的电压无功控制方法，提出了一种带预估的分频检测算法和双滞环 空间矢量控制方法；通过对电压无功谐波的多目标优化，使装置性能最优，补偿 量输出最小。 最后，研究了系统的主电路参数优化设计和控制器上位机和下位机软硬件设 计方案，主要对电压无功设备，串联谐振支路以及逆变器主电路参数优化设计方 法进行研究；并结合某变电站实际运行工况进行仿真和实验装置的调试，验证了 实际的应用效果。 装置不仅能够保证配电网的电压稳定水平，提高系统稳定性；还可以提高功 率因数，降低电网畸变率和线路损耗，带来了显著的经济效益和社会效益。 关键词：电能质量；电压无功控制；谐波抑制；分频检测；双滞环空间矢量控制 i l a b s t r a c t p o w e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n to fm o d e r ns o c i e t y a n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e sl i v i n gs t a n d a r d m e a n w h i l e ，i ti sa l s ot h ep r o g r e s s i v e s v m b 0 1o ft h ed e v e l o p m e n to fa n a t i o n a li n d u s t r y , t h ee n h a n c e m e n to ft e c h n i c a ll e v e l a n ds o c i a lc i v i l i z a t i o n i nr e c e n ty e a r s ，ag r e a td e a lo f n e w p o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t a r eu s e di nt h ep o w e rs y s t e m i tc a u s e st h ev o l t a g ef l u c t u a t i o n s ，f l i c k e ra n d t h r e ep h a s e i m b a l a n c ei np o w e rs y s t e m ，w h i c hb r i n g so u ts e r i o u sp o l l u t i o nt ot h eq u a l i t yo fp o w e r s u p p l y , a f f e c t i n gt h es a f eo p e r a t i o no f e l e c t r i c a le q u i p m e n t t h i sp a p e ra i m st os t u d yan e wt y p ec o m p r e h e n s i v ep o w e rq u a l i t yd e v i c e t o s u p p r e s st h e h a r m o n i c i tc o m b i n e st h ef u n c t i o no fv o l t a g eq u a l i t yc o n t r o l ( v q c ) d e v i c ea n da c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i tb o t hc a nr e a l i z et h ev o l t a g eq u a l i t yc o n t r o l ， a n dc a l lr e a l i z et h eg o v e r n a n c eo fh a r m o n i cc u r r e n tg o v e r n a n c e i t c a ng r e a t l y i m p r o v et h eq u a l i t y o fp o w e rg r i d ，r e d u c el i n el o s s e s b e s i d e s ，i tc a na l s or e a l i z e d y n a m i cr e g u l a t i o no f h a r m o n i ci m p e d a n c e ，t oa v o i dt h el o c a lr e s o n a n ti np o w e rg r i d t h i sp a p e ri n t r o d u c e sp o w e rq u a l i t yp r o b l e m sa n dp r e s e n ts t a t u sa p p e a r r e di nt h e p o w e rg r i d i tm a k e sad e e ps t u d y o nt h et y p i c a ll o a di nt h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e m s i t a n a l v z e st h ep r o b l e m so fh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e ri n d i f f e r e n tc o n d i t i o n t h i s p a p e ri n t r o d u c e st h ed e t e c t i o na n dc o n t r o lm e t h o d so fr e f e r e n c es i g n a li nt h ep o w e r q u a l i t yp r o b l e ma n dt h ed e v e l o p m e n to fp o w e rq u a l i t yc o n t r o l d e v i c e b a s e do nt h e d e e ps t u d yo ft h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lv o l t a g e a n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o l d e v i c e s ，t h i sp a p e rp r o p o s e sac o m p r e h e n s i v eh a r m o n i cs u p p r e s sa n dv o l t a g eq u a l i t y c o n t r o l ( h s v q c ) p o w e rq u a l i t y d e v i c et os u p p r e s st h e h a r m o n i c i tc a nn o to n l y c o m p e n s a t et h er e a c t i v ep o w e r ，b u ta l s os u p p r e s st h eh a r m o n i cd y n a m i c a l l y b y t h e s t u d yo ft o p o l o g y a n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo ft h ep r o p o s e d d e v i c e ，t h ep a p e r p r o p o s e ss e v e r a ln e ws t r u c t u r e s t h es i m u l a t i o n r e s u l t sv e r i f yt h ev a l i d i t ya n d s t a b i l i t yo ft h ed e v i c e i tp r o p o s e das e p a r a t ef r e q u e n c yd e t e c t i o na r i t h m e t i cw i t hf o r e c a s te s t i m a t ea n d ad o u b l eh y s t e r e s i ss p a c ev e c t e rc o n t r o lm e t h o d f i r s t l y t h e ya r es t a r tf o r md e t e c t i o n a n dc o n t r o lo fp o w e rq u a l i t yp a r a m e t e r si n d i s t r i b u t i o nn e t w o r ka n dt h e nt h e v o l t a g e r e a c t i v ep o w e r a n dh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d sb a s e do nt h er e a c t i v e p o w e ra n dh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n m e t h o di ni n s t a n t a n e o u sp o w e rt h e o r ya r e i n t r o d u c e ds e p a r a t e l y f i n a l l y , v o l t a g ea n dr e a c t i v ep o w e rc o n t r o lm e t h o dw h i c hi s i i i b a s e do nf u z z yr e a c t i v ep o w e rb o u n d a r yt h e o r yi su s e dt od e r i v a t et h e m w i t hm u l t i p l e t a r g e to p t i m i z a t i o no fv o l t a g e ，r e a c t i v ep o w e ra n dh a r m o n i cc u r r e n t ，t h ep e r t o r m a n c e o fe q u i p m e n tb e c o m e sb e t t e ra n dt h eo u t p u to fc o m p e n s a t i o nr e d u c e d t om i n i m u m a tl a s t ，o nt h eb a s i so fo p t i m i z a t i o nd e s i g no f t h es y s t e mm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r s w h i c hm a i n l yc o n t a i n sr e s e a r c h e so nr e a c t i v ep o w e re q u i p m e n t 、s e r i e sr e s o n a n c e b r a n c h a n do p t i m i z a t i o no fm a i nc i r c u i tp a r a m e t e r si ni n v e r t e r ，a l o n gw i t ht h es o f t w a r e a n dh a r d w a r ed e s i g ns c h e m eo fc o n t r o l l e ru p p e ra n dl o w e rc o m p u t e r , t h ep a p e r v e r i f i e da c t u a le f f e c ti n t e g r a t e d w i t ha c t u a lo p e r a t ec o n d i t i o n s i m u l a t i o na n d d e b u g g i n go fm o d e lm a c h i n ei na s u b s t a t i o n t h ee q u i p m e n tn o to n l yg u a r a n t e e dt h e l e v e lo fv o l t a g es t a b i l i z a t i o na n d i m p r o v e dt h es y s t e ms t a b i l i t y , i ta sw e l lb r i n g s a b o u ts i g n i f i c a n te c o n o m i cb e n e f i t sa n d s o c i a l ， b e n e f i t sb e c a u s eo ft h ei m p r o v e m e n to fp o w e rf a c t o r a n dt h ed e c r e a s eo f ? ， v o l t a g ea b e r r a t i o nr a t ea n dl i n el o s s k e yw o r d s ：p o w e rq 威锣争jv o l t a g e ，a n d v a rc o n t r o l ；h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ； k ，? ：； s e p a r a t ef r e q u e n e y ：。d e t e c t i o n ；d u a l - h y s t e r e s i sv o l t a g es p a c ev e c t o r c o n t r o l i v 争 硕士学位论文 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘j i i e i i a b s t r a c t i i i 插图索引v i i 附表索引x 第l 章绪论1 1 1 课题研究的背景和意义1 二 1 2 配电网电能质量典型负荷分析“一2 1 2 1 电力电子整流负荷用电特性分析2 1 2 2 电弧炉负荷用电特性分析6 1 2 3 电气化铁路用电特性分析7 1 3 配电网电能质量技术研究现状8 1 3 1 配电网电能质量治理装置研究现状8 1 3 2 配电网电压无功谐波检测与控制技术发展现状。1 0 1 4 论文选题背景及主要内容安排1 2 第2 章配电网新型电能质量综合治理装置研究1 3 2 1 配电网新型h s v q c 装置方案研究1 3 2 1 1 h s v q c 装置的拓扑结构1 3 2 1 2h s v q c 装置的工作原理1 6 2 2 配电网h s v q c 补偿特性研究1 7 2 2 1 h s v q c 电压无功补偿特性分析1 7 2 2 2h s v q c 谐波抑制特性分析2 0 2 2 3 电网参数变化对装置补偿特性的影响2 2 2 3h s v q c 系统稳定性研究2 3 2 4h s v q c 仿真分析2 6 2 5 本章小结2 9 第3 章h s v q c 信号检测与控制方法3 l 3 1h s v q c 电压无功与谐波信号检测方法一3 l 3 1 1 基于瞬时功率理论的无功及谐波电流检测算法3 l 3 1 2 基于参考信号预估的分频检测算法3 4 3 2h s v q c 电压无功与谐波控制方法3 6 v 配电网新型电能质量综合治理装置的研究 3 2 1 基于模糊边界的电压无功控制3 6 3 2 2h s v q c 双滞环空间矢量控制方法3 8 3 3 3h s v q c 的协调控制优化4 1 3 3 仿真分析4 2 3 3 1 电能质量分频检测仿真分析4 2 3 3 2 双滞环空间矢量调制仿真分析4 3 3 3 3h s v q c 多目标优化仿真分析4 4 3 4 本章小结4 6 第4 章配电网h s v q c 装置研制4 7 4 1h s v q c 装置系统组成4 7 4 2h s v q c 装置参数设计4 9 4 2 1 有载调压变压器和电容器组参数设计4 9 4 2 2 串联谐振注入支路参数优化设计4 9 4 2 3 有源滤波器参数优化设计5 4 4 3h s v q c 控制器的软硬件设计及实现5 7 4 3 1 基于d e l p h i 的上位机设计5 7 4 3 2 基于d s p 的数字控制器设计6 0 4 4 实验效果分析6 6 4 5 本章小节“。6 7 总结与展望6 9 参考文献7l 致谤 7 5 附录a 攻读学位期间获得的研究成果7 6 v i 硕士学位论文 插图索引 图1 16 脉波可控整流系统原理图3 图1 2 口= 0 0 时6 脉波可控整流电路交流侧电压和电流波形及频谱图3 图1 31 2 脉波可控整流电路原理图4 图1 4 口= 0 0 时1 2 脉波可控整流电路交流侧电压和电流波形及频谱图4 图1 5 高频开关整流电源原理图5 图1 6 高频开关整流交流侧电压和电流波形及频谱图5 图1 7 交流电弧炉供电图6 图1 8 交流电弧炉电网侧电压和电流波形及频谱图6 图1 9 电气铁路a t 供电接线图7 图1 1 0 电气铁路电网电流波形及频谱一8 图1 1 1 电流跟踪控制方法原理图1 l 图2 1 综合n h s v q c 电路原理示意图1 4 图2 2 改进n h s v q c 电路原理示意图1 4 图2 3h s v q c 电路原理示意图1 5 图2 4h s v q c 系统单相等效电路1 6 图2 5h s v q c 电气模型图1 7 图2 6 降压变电站原理电路图1 8 图2 7v q c 谐波电流分布图1 9 图2 8 串抗率为6 和1 2 时的谐波放大波形2 0 图2 9 复合控制策略系统等效电路2 0 图2 1 0 无谐波电压复合控制策略系统等效电路2 0 图2 1 lh s v q c 谐波抑制特性曲线2 l 图2 1 2 不同k 值时谐波源谐波抑制函数幅频特性2 2 图2 1 3 档位和级数变化时的谐波放大波形2 2 图2 1 4 系统阻抗变化时谐波抑制函数幅频特性2 3 图2 1 5 采用复合控制策略时系统闭环控制框图2 4 图2 1 6 考虑系统延时系统的控制框图2 5 图2 1 7 投入h s v q c 变压器高低压侧电压曲线2 7 图2 1 8 投入h s v q c 变压器高压侧功率因数曲线2 7 图2 1 9 变压器3 5 k v 侧补偿前电流波形及频谱2 8 图2 2 0 投入串联谐振支路3 5 k v 侧母线电流波形及频谱2 8 l 配电网新型电能质量综合治理装置的研究 图2 2 1 投入h s v q c 变压器3 5 k v 侧电流波形及频谱2 9 图3 1 口一坐标系的电压电流矢量3 2 图3 2 基波电流运算方式框图。3 3 图3 3 无功电流运算方式框图3 3 图3 4 谐波电流运算方式框图3 3 图3 5 无功谐波电流运算方式框图。3 4 图3 6 三相分频检测原理图3 4 图3 7 单相系统的电流分频检测算法3 5 图3 8 单相预补偿分频检测单元3 6 图3 9 模糊电压无功控制系统结构图3 7 图3 1 0 模糊边界九区图3 7 图3 1 1 逆变器输出简单等效电路3 8 图3 1 2 系统单相电流闭环控制框图。3 9 图3 1 3 电压空间矢量图4 0 图3 1 4 分频检测原理图。4 2 图3 1 5 参考电流信号波形图4 3 图3 1 6 参考电流信号频谱图。4 3 图3 1 7 滞环控制波形。4 4 图3 1 8 双滞环电压矢量控制波形4 4 图3 1 9 综合v q c 设备投入前后的电流波形4 5 图3 2 0 电压无功谐波优化前后的电压波形。4 5 图4 1h s v q c 实验装置主电路结构图4 7 图4 2h s v q c 实验装置图4 8 图4 3 最优隶属函数5 0 图4 4 变电站简单等效电路图。5 l 图4 5 电路等效模型5 2 图4 6 串联谐振注入支路实验装置5 2 图4 75 、1 1 次单调谐支路单独投入和同时投入谐波放大。5 3 图4 8 串联谐振支路和1 0 k v 侧电容器投入谐波放大5 3 图4 9 有源部分整流逆变器结构图5 4 图4 1 0 输出滤波器o f 类型5 5 图4 1 l 输出电抗器单相等效电路图5 6 图4 1 2 控制系统框图5 7 图4 1 3 上位机软件结构图5 8 图4 1 4 监控系统界面5 8 v i u 硕七学位论文 图4 15 主程序流程图6 0 图4 1 6v q c 判断区域子程序流程图6 0 图4 17d s p 控制板实物图k 6 0 图4 1 8 控制器结构框图6 1 图4 1 9 控制器外围电路图6 2 图4 2 0 采样电路原理图6 2 图4 2 1i p m 模块驱动电路结构图6 3 图4 2 2 死区生成电路6 3 图4 2 3 驱动电路原理图6 4 图4 2 4 谐波抑制软件结构框图6 4 图4 2 5s r i a p f 主程序流程图一6 5 图4 2 6 定时器中断程序流程图6 5 图4 2 7 谐波电流检测算法6 5 图4 2 8 闭环控制流程图6 5 图4 2 9 上位机实验波形一6 6 图4 3 0h s v q c 系统治理效果图6 7 配电网新型电能质量综合治理装置的研究 附表索引 表1 1 口= 0 0 6 脉波可控整流谐波电流含有率3 表1 2 口= 2 0 0 6 脉波可控整流谐波电流含有率：3 表1 3t ；t = 0 01 2 脉波可控整流谐波电流含有率4 表1 4 口= 2 0 01 2 脉波可控整流谐波电流含有率5 表i 5 高频开关整流电源谐波含有率6 表1 6 电弧炉变压器负载谐波情况7 表2 16 和1 2 串抗各次谐波电流放大倍数2 0 表2 23 5 k v 母线主导谐波电流含量表2 9 表3 1 空间矢量双滞环控制开关表4 0 表3 2 优化前后各目标值比较4 5 表4 1 谐波治理及无功补偿系统仿真参数表5 4 硕士学位论文 第1 章绪论 电能不仅与社会经济发展和人民生活息息相关，还是一个国家工业发达，科 技提高和社会文明的表现；近年来，许多以电力电子技术为基础的新型电气设备 出现在供配电系统中，这些非线性负荷具有非线性和冲击性的特性，不仅引起了 系统中母线电压和电流波形的畸变，还导致了电网母线电压出现闪变、波动和三 相不平衡现象，对供电质量造成了严重污染，影响到电网中电气设备的经济安全 运行。 在国内外由电能质量问题引发的电网大面积停电事故屡见不鲜，造成了重大 的经济损失和恶劣的社会影响。在2 0 0 3 年沈阳电力系统发生的“1 1 1 5 大面积 停电是由谐波畸变引起的；郑州电网由电气化铁路产生的负序电流和谐波电流引 起的继电保护误动，致使京广线中断数小时造成巨大经济损失和社会不良影响。 所以提高系统稳定性，改善系统的电能质量已成为电力系统的重要的研究方向。 本章从高压配电网电能质量研究的背景出发，探讨了电能质量电压无功调节 和谐波治理的背景意义，分析了配电网典型用电负载的电能质量问题，阐述了电 能质量综合补偿技术研究现状，最后介绍了论文的选题背景及各章节安排。 1 1 课题研究的背景和意义 电能是2 1 世纪不可或缺的重要能源，是实现社会经济发展和科技进步的基 础。电能质量通常可以理解为供电、用电、电压、电流质量四个方面，可以通过 公用电网谐波、三相电压不平衡度、电压波动和闪变等指标来表示【1 2 】。电能质量 的定义可以理解为：导致电力用户设备不能正常工作或发生故障的电压、电流偏 差和频率偏差。 目前电力系统配电网的电压和电流都存在着比较严重的问题，主要是由于电 网的供电设备和用电设备的复杂性造成的。电能质量问题主要体现在电压的波动 和闪变，谐波的超标，以及负序电流的影响，这些电能质量问题不仅增加了输配 电系统的负担，也影响了供电系统电压的质量，给电力用户带来很大的经济损失。 近年来，在供配电系统中出现了很多以电力电子技术为基础的新型电气设备， 如低压大电流整流器、工频电弧炉、中频炉和电气化铁路等负荷，这些非线性负 荷具有非线性和冲击性的特性，引起了电网中母线电压和电流波形发生了畸变， 导致了系统中母线电压出现闪变、波动以及三相的不平衡现象，对供电质量造成 了严重污染。在冶金、矿山等工矿企业广泛采用整流装置来获得稳定的直流电源， 导致配电网出现谐波畸变率高、功率因数低和电能损失严重的问题，并严重影响 配电网新型电能质量综合治理装置的研究 企业的配电网稳定经济运行。电弧炉是通过变压器高压侧分接头的切换和电极 升降来完成对温度的控制，由于电弧炉所消耗的无功很大且无功变化剧烈，额 运行时功率因数可以达到o 7 0 8 5 ，而在电极短路时低至0 i 0 2 ，因此造成了 电网严重的电压波动和闪变。电气化高速铁路采用a t 单相供电方式，在牵引 高压侧不可避免地产生三相电流不平衡，对上级高压电力网注入大量负序电流， 所产生的负序电流大小跟牵引变类型和机车运行情况相关。高速电力牵引机车一 般采用交直交四象限脉冲整流方式给机车交流电机供电，功率因数接近于l ，低 次谐波含量减少但高频谐波范围扩大。电力机车具有冲击性的特性，电网的电压 波动与闪变也会随之产生。 此外，在电网侧发生的雷击过压、短路、开路、调节变压器接头和投切电容 器组等，都会给供电质量造成干扰。现代工业技术的精密用电设备对电能质量要 求更加严格，供电质量的不合格将会导致不合格产品成批的出现，带来巨大的经 济损失。电能质量的优劣程度已成为电网运行与管理水平的标志，保证电力系统 自身的可持续发展的途径是控制和改善电能质量。电能质量问题已不仅仅是电力 系统中的基本技术问题，而且关系到国民经济的总体效益和发展战略方向。 因此研究一种新型的具有电压电压调节，无功补偿和谐波抑制功能的综合电 能质量治理装置已成为必须，在配电网变电站传统的电压无功控制的基础上，研 究具有谐波抑制功能的新型电能质量综合治理装置，不仅能够调节电压、补偿无 功提高电压质量水平，降低线路损耗，还能够消除谐波，动态的调节谐波阻抗， 避免电网局部发生谐振。可以大大改善电网的电能质量，具有重要的现实意义。 1 2 配电网电能质量典型负荷分析 电力系统配电网中的大型工矿企业用电客户中的整流器、变频调速装置、非 线性负载大量增加，引起电网电流、电压波形发生畸变，造成电网的谐波污染， 使得电力网络中的电压、电流波形发生畸变【3 巧】；同时，电弧炉、轧机、感应加热 炉、电气化铁路等冲击性负载常引起电网电压跌落和闪变，导致电网的三相不平 衡，严重影响了企业的正常生产和人民的日常生活，并导致线路损耗大大增加， 使电能损失严重，大大降低了配电网的电能质量。 1 2 1 电力电子整流负荷用电特性分析 整流装置是一种非线性负荷，会引起电网功率因数降低和谐波污染严重，并 给企业带来了很大的电能损耗，增加了经济损失和运行风险【6 】。整流装置一般分 为6 、1 2 、2 4 、4 8 不可控、可控整流和高频开关整流。 1 6 脉波全控整流电路特性分析 如图1 1 所示：在6 脉波全桥可控整流系统中，整流装置首先通过整流变压 l f2f j ： =一j_ - 睡莲f2 f 一f - z 图1 16 脉波可控整流系统原理图 当触发延迟角a = 0 0 时，整流电路交流侧电压和电流波形及频谱图如下图1 2 所示。 弋扒松：扒：松： i 图1 2a = 0 0 时6 脉波可控整流电路交流侧电压和电流波形及频谱图 表1 1a = 0 0 6 脉波可控整流谐波电流含有率 从图中可得出，6 脉波可控整流中特征次谐波电流为6 k 1 次，在导通角为零 时，各次谐波电流有效值跟谐波次数成反比，由表1 1 和1 2 可知，负荷电网侧 电流总畸变率高达3 0 以上，随着晶闸管触发角的增大电网总畸变率也随着增加。 2 1 2 脉波可控硅整流电路特性分析 工程实际应用的1 2 脉波整流电源原理图如图1 3 所示【_ 7 1 ，首先通过曲折调压 变压器降压，再经整流变压器进行1 2 脉波整流，采用双反星形不可控整流方式， 其整流变压器的二次绕组分别采用了星形与三角形联结，形成幅值相等，有3 0 0 度 配电网新型电能质量综合治理装置的研究 相位差的两组电压，构成1 2 脉波整流电压，由于绕组联结方式不同，变压器一次 与二次绕组的匝数比为l ：1 ：4 3 。 在电解电镀等工业需要低电压大电流的可调直流电源的场合中，一般都要用 到带平衡电抗器的1 2 脉波双反星形的不可控整流电路。该结构不仅可以减低母线 阀侧的输入谐波含量，同时还能降低直流侧电压的波动范围，同时减低了器件损 耗提高了功率因数和效率，减少对电网的污染。 图1 31 2 脉波可控整流电路原理图 带电抗器的双反星型1 2 脉波整流电路的特征次谐波主要是1 l 、l3 次等1 2 k 1 次谐波，功率因数的高低则取决于负荷的特性。 弋：众：摭：松：众：7 蚓七一 i 0 0 0 0 5 0 1 f 暇i _ i c y ( k 均 图1 4 口= 0 0 时1 2 脉波可控整流电路交流侧电压和电流波形及频谱图 表1 3a = 0 0 1 2 脉波可控整流谐波电流含有率 硕士学位论文 由表1 3 和1 4 ，对于1 2 脉波双反星形整流电路，变压器阀侧母线电流的特 征次谐波是1 1 次、1 3 次、2 3 次和2 5 次等。随着触发角的增大，电流谐波畸变率 也随着增大，还会出现5 、7 、1 9 、2 1 等非特征次谐波。由于实际工程应用系统设 计a 角取值在2 0 0 左右，因此1 2 脉波双反星形整流电路的谐波电流主要包含6 七1 次和1 2 k 1 次谐波，功率因数一般在0 9 以上。 3 高频开关整流电源特性分析 高频开关整流电路包括整流逆变整流过程，交流输入电压经过整流电路滤 波后，得到较高直流电压。变频转换将高压直流逆变成约1 8 k h z 的高频交流，经 高频变压器变换到次级，再经高频整流滤波得到需要的输出电压。控制电路对输 出电压和输出电流取样，闭环反馈后产生脉宽调制( p w m ) 信号控制功率转换电 路，使输出电压或电流保持稳定。 整流方式：全波整流逆变频率：1 8 砒 输 入 电 源 一r 一 输入电抗器 ，y ”- 珞器 - q 娼剖苫一 ij j 一 j | i i 锱季五 ；l l ?越幸| c i = l i i 千。 i 上m - 1 y r 4 _ 1 一t 学一z i i 【 坩瞄滤波罂 7一 一 i t 可控硅整流器 全桥逆变全波整流 图1 5 高频开关整流电源原理图 厂八八八八， vl | v lv ； c 】 nhhhh 州州圳圳叶 46l|、 h豫fl嘲u帅cy o o 1 z ) 图1 6 高频开关整