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高德变电站谐波形成机理及抑制 摘要 随着我国经济的快速发展，广大用户对电能质量的要求日益提高，与 此同时，电力系统中大量的非线性、冲击性和不平衡负荷不断增加，使得 电能质量变差，尤其是谐波的危害日益严重，影响了电网安全、经济运行。 配网静态同步补偿器d - s t a t c o m ，可以实现无功补偿、谐波治理以及平衡负 荷等功能，研制工业化的d - s t a t c o m 装置可以改善电能质量，达到综合治 理的目的，因而成为d f a c t s 技术发展的重要方向，也为电网安全稳定运行 提供了一条新的途径。本文致力于d - s t a t c o m 的工业化产品研制和降低装 置损耗的优化设计。 本文对谐波形成机理进行了探讨，对高德变电站1o k vi 段母线及各出 线进行了谐波测试和分析，结合现有的工程条件，选择配网静态同步补偿 器d - s t a t c o m 作为谐波抑制措施。 本文建立了针对三相三线制系统的等效系统，推导出了a b c 空间的直接、 脉冲发生算法。首先对负荷电流进行检测，利用瞬时无功理论算出补偿后 的系统侧参考电流，两者之差即为装置输出的期望电流，即可求解装置输 出的期望电压，然后直接在a b c 坐标下求解开关元件的导通时间，得到需 要的p w m 脉冲。 该算法需测量线电压和相电流，不受三相不平衡影晌，易于现场测量的 实现，计算量比s v p w m 方法大大减少，有利于数字控制系统的实现，结果 同时表明d - s t a t c o m 对谐波能有效抑制。 通过对电抗器的优化设计和改进ig b t 开关时序，降低了装置的运行损 耗。 本文对所研制的三桥臂d - s t a t c o m ，分别进行了模拟实验和现场试运行。 在高德变电站的主要谐波源石化厂配电网中投入试运行。实验结果表明， 该装置能有效抑制谐波和补偿无功，符合国家标准规范要求，基本满足工 业化的需要。 关键词：谐波配网静态同步补偿器p w m 瞬时无功 i i t h 戴f o r m t l 0 氍p r i n c i p l ea n dt h 嚣l l m l t a t l o no f t h eh a r m o n i ci nt 珏eg a o d et r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y , t h eh i g hp o w e rq u a l i t yi sn e e d e d a tt h e s a m et i m e ，al o to fl a r g ec a p a c i t yn o n l i n e a r , i m p a c f i v ea n du n b a l a n c e dl o a d sa r eu s e dm o r e a n dm o r ei nt h ep o w e rs y s t e m s ot h eh a r m o n i cw a v e sw h i c hd oh a r m st ot h ep o w e rs y s t e m q u a l i t ya r ei n c r e a s i n g t h ee m p l o y i n gd s t a t c o mi nt h ep o w e rg r i d ，w h i c hc a nc o m p e n s a t e r e a c t i v ep o w e ra n dl i m i tt h ev o l t a g ed i s t o r t i o n ，i sa l le f f e c t i v ew a yt oi m p r o v ep o w e rq u a l i t y s ot h es t u d yo nt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fd - s t a t c o mi sa l li m p o r t a n tt r e n do fd f a c t s n o w a d a y s 翻1 i sp a p e rf o c u s e so nt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no f d s t a t c o ma n do p t i m a ld e s i g nf o r r e d u c i n ge q u i p m e n tp o w e rl o s s f i r s t ，t h ef o r m a t i o np r i n c i p l eo fh a r m o n i ci sa n a l y z e di nd e t a i l ，t h e nt h eh a r m o n i e so fa o p e r a t i n gt r a n s f o r m e rs u b s t a t i o ni ng a o d ed i s t r i c t ，ar e g i o ni nt h ec i t yo fb e i h a i ，a r e m e a s u r e da n da n a l y z e dc a r e f u l l y , a n da c c o r d i n gt ot h er e a l i t yc o n d i t i o n ，ad - s t a t c o mw a s u s e dt ol i m i tt h eh a r m o n i cd i s t o r t i o ni nt h i st r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n f i r s t ，a ne q u i v a l e n ts y s t e mf o rt h et h r e el i n e st h r e ep h a s e ss y s t e mw a se s t a b l i s h e d , t h e a - b cd i r e c tg e n e r a t i n gp u l s e sa l g o r i t h mw a sp r e s e n t e d n el o a dc u r r e n t sw e r em e a s u r e d ， t h e na c c o r d i n gt ot h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v et h e o r y , t h es y s t e mr e f e r e n c ec u r r e n tb e i n g c o m p e n s a t e d w a sc a l c u l a t e d ，s o t h ee x p e c t e d e u r r e n t o f d s t a t c o m w a s o b t a i n e d f r o m d i f f e r e n c eo f t h er e f e r e n c ec u r r e n ta n dl o a dc u r r e n t ，a sa c o n s e q u e n c e ，t h ee x p e c t e dv o l t a g eo f d s t a t c o mw a so b t a i n e d , t h ed e s i r e dp u l s es e q u e n c e sw e r ec a l c u l a t e du n d e rt h ea - b ca x i s t h i sa l g o r i t h ms i m p l i f i e st h ec o m p l e x i t yo ft h es v p w m a v o i d i n gt h ei n f l u e n c eo ft h e s y s t e mu n b a l a n c e , s ot h em e a s u r i n gw a sr e a l i z e de a s i l y t h i si sg o o df o rt h ed i g i t a lc o n t r o l s y s t e m t h ee x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a ti tc a nl i m i tt h eh a r m o n i cd i s t o r t i o ne f f e c t i v e l y t h eo p t i m i z a t i o no f d e s i g no f r e a c t o ra n dp u l s es e q u e n c e sw e r ea l s op r e s e n t e dt or e d u c e e q u i p m e n tl o s s e s s o m es i m u l a t i o na n d t e s t i n ge x p e r i m e n t o fd s t a t c o mw a sd o n ei nt h e p e t r o c h e m i c a lf a c t o r y , w h i c hi st h em a i nh a r m o n i cs o u r c ei nt h eg a o d et r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n e x p e r i m e n tr e s u l t ss h o wt h a tp o w e rq u a l i t i e sw e r ei m p r o v e dd u et ot h er e a c t i v e h t c o m p e n s a t i o na n dt h el i m i t a t i o no ft h eh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，a n dt h ed s t a t c o mc o u l db e u s e dp r a c t i c a l l yi nt h ei n d u s t r y , i tm e e t st h es p e c i f i c a t i o no fn a t i o n a ls t a n d a r d ，i tc a nb e i n d u s t r i a la p p l i e db a s i c a l l y k e y w o r d s ：h a r m o n i c s d s t a t c o mp w mi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r i v 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名 单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人 已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对 本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致 谢。 论文作者签名： 琴缓1 学位论文使用授权说明 岬年月哆日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 凼口时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) ：琴( 跫翩躲a 趾l ；i ) 凳多日 , r - 西大掌工程硬士掌位论文龠饨竞站谐波形成事u t 曩抑制 第一章绪论 本章首先介绍电网谐波现状及限制用电设备谐波的标准，提出高德变电站谐波超标 须采取的抑制措施。简述谐波的概念、谐波源及其危害，探讨几种常见的谐波抑制方式， 引入配网静态同步补偿器d - s t a t c o m ，分析研制d - s t a t c o m 的意义，介绍本文主要 研究内容及主要创新点。最后是本文的组织结构。 1 1 电网谐波现状 随着目前电网规模日益扩大，负荷类型不断增多，以及现代电力电子技术的发展、 铁芯设备的饱和、电弧炼钢炉容量的增大、电气化铁路的应用和家用电器的大量使用等 原因，注入电力系统的高次谐波日益增多，对系统供电的影响也臼益严重，造成系统电 压、电流正弦波的畸变，使电能质量下降，对电力系统包括用户的安全、经济运行产生 危害和影响。因此电力系统谐波问题的研究越来越被人们重视，不断深入对谐波产生的 原因、分析计算的方法、危害影响的机理、测量评估的标准以及综合治理的实施等方面 的研究与探索。 为了避免谐波的危害，不少国家和国际组织制订了限制用电设备谐波的标准，如被 广泛接受的i e e e 5 1 9 标准、i e c 5 5 5 - 2 标准和电能质量 公用电网谐波( g b t 1 4 5 2 9 1 9 9 3 ) 。由于谐波标准的实施，使得电力电子装置的生产厂家不得不采取措施来 降低其产品产生的谐波。可见，研究消除或降低电网中运行的电力电子装置所产生的谐 波不但是贯彻执行国家标准和对相关法规的技术支持，也是改善电网电能质量、提高电 网运行效率，维护电气设备的安全稳定运行的电气环境所迫切要求的。因此，谐波抑制 技术的研究是当前电工学科研究的热点之一洲 2 0 0 4 年北海供电局对北海电网谐波普测发现了1 i o k v 高德变电站存在谐波超标问 题。本文将找出高德变电站谐波产生的原因并选择适当的方案对谐波超标问题进行治 理。通过对i i o k v 高德变电站的谐波实测和分析，我们了解该站的谐波超标情况并查出 谐波源，同时研制一套d - s t a t c o m 作为抑制措施，按“谁污染，谁治理”的原则，在谐 波污染较严重的石化厂投入试运行，从而为改善高德变电站谐波超标的现状提供参考， 为下一步全面治理打下基础。 广西大掌工程硕士掌位论文离德烹电站谐波彤成机理反抑制 1 1 1 谐波 国际上公认的谐波含义为：“谐波是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”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称之为高次谐波。在国 际电工标准中( i e c 5 5 5 2 ，1 9 8 2 ) ，在国际大电网会议( c i g r e ) 的文献中定义：“谐波分量 为周期量的傅里叶级数中大于1 的h 次分量”。i e e e 标准中( 参见i e e e 标准5 1 9 - 1 9 8 1 ) 定义：“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。 习惯上，认为电网稳态的供电电压波形为工频正弦波形，正弦周期函数在进行加、 减、微分和积分等运算时仍保持正弦函数的特点，所以在电网中要求尽可能由正弦波形 的电源供电。但是由于非线性负荷的存在，电网电压的波形往往偏离正弦波形而发生畸 变。畸变波形可以用一系列不同频率的正弦函数之和来近似。s i n o t 项称为基波，谐波 的频率是基波频率的整数倍，所以s i n 3 ) t 项称为3 次谐波，s i n 5 ( ) t 项称为5 次谐 波，。通常将各奇次的谐波统称为奇次谐波，各偶次的谐波统称为偶次谐波“1 。 1 1 2 谐波源 谐波是由非线性负荷产生的，这些使系统正弦波形畸变、产生谐波的负荷称为谐波 源。冶金、化工等工业企业中的大量电力电子设备，以及电力机车的换流设备和电弧炉 等各种非线性用电设备接入电网后，均向电网注入大量谐波电流，都属于谐波源；发电 机、变压器和电动机等电力设备，如果参数选择不当或设计结构和制造工艺不良，亦向 电网注入大量谐波，所以发电机、变压器等电力设备也可能成为谐波源。 具体来说，电力系统的谐波源可归纳为以下几种类型： ( 1 ) 发电电源质量不高产生谐波。发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对 称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其他一些原因，发电电源多少也会产生一些谐波， 但一般来说很少。 ( 2 ) 输配电系统产生谐波。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器 铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁 化曲线的近饱和段上，这使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。 ( 3 ) 用电设备产生谐波。主要为各种交直流换流装置( 整流器、逆变器) 以及双向晶 闸管可控开关等。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正 弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大量的谐 2 广西大掌工j 自l 习陆掌位崔? 文龠翻l 变毫站谐波彤成栅l | 蔓覆抑目 波。由于晶闸管整流装置在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到 了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。经统计表明：由整流装置产生的谐波 占所有谐波的近4 0 ，这是最大的谐波源变频装置。 北海石化厂生产系统主要有催化裂化车间和常压蒸馏车间组成，主要指标是压力和 温度，用电主要是在供排水系统( 水泵) 和动力系统( 锅炉、风机、油泵) 两大车间使 用了大量的变频器和交流电动机，从而带来大量谐波州。 1 1 3 谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是工频基波电压。谐波电流和谐波电压的出现， 对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电 网以外的设备带来危害。归纳起来其主要危害有： ( 1 ) 使电力设备产生附加损耗，温度升高； ( 2 ) 使设备绝缘降低，寿命缩短； ( 3 ) 引起电机的机械振动，导致电动机效率降低，并影响转矩： ( 4 ) 无功补偿电容器组可能引起谐波电流的放大，甚至造成谐振，使电容器使用寿 命缩短； ( 5 ) 对继电保护、自动控制装置和计算机系统产生干扰和造成误动作； ( 6 ) 电压谐波畸变可导致电压过零点漂移。使控制系统对这两点( 电压过零点与电压 位置点) 的判断错误而导致控制系统失控； ( 7 ) 干扰邻近的通信线路和铁道信号线路的正常工作； ( 8 ) 影响测量仪表的精度，造成电能计量的误差。 为抑制电力系统的谐波，国家颁布了标准( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) ，限制谐波源注入电网 的谐波电流，把系统的谐波电压抑制在允许范围之内，以确保电能质量和电力系统的安 全、经济运行嘲 1 2 几种常见的谐波抑制方式 1 2 1 无源滤波器 电容元件与电感元件按照一定的参数配置，一定的拓扑结构连接，可形成无源滤波 器，能够有效滤除某次或某些次的谐波。理论上讲，当某次谐波滤波器调谐到该次谐波 3 广西大掌工程硪士掌位论文离德变电鱼嘴波形成机理a 脚制 频率时，滤波器所呈现的阻抗为零，因而能够全部吸收该次谐波。 工程上实际应用的无源滤波装置一般由一组或数组单调谐波器组成，每组单调谐波 器调谐于需要滤除的谐波频率上或者谐波频率附近，当需要滤除频率更高而幅值又小的 谐波电流时可再加一组高通滤波器。 单调谐波滤波器为滤波电容器与空芯滤波电抗器直接串联的一阶节能形式，根据r 、 l 、c 串联谐振原理构成( 图1 1 ( a ) ) ，接线形式上可以将电抗器接到母线和电容器之 间；电容器也可以接到母线和电抗器之间；电容器( 或电容器一电抗器组) 可采用星形 接法也可以采用三角形接法等。实际上一般采用( 图1 - 1 ( a ) ) 的接线，即将滤波电抗 器和电阻器均接于电容器的低压侧，整个滤波器采用星形接法，并且在单调谐波器的中 性点加装避雷器接地。这种接线较三角形接线具有一下优点： ( 1 ) 便于分相调谐； ( 2 ) 便于构成连接中性点的电压不平衡保护的开e l - _ - - 角零序电压保护，这种保护 方式设备少，灵敏度高； ( 3 ) 一相中任何一个电容器击穿时，星形连接的短路电流小，不易造成电容器的 事故扩大： ( 4 ) 星形连接比三角形连接可以选择较低额定电压的电容器，是三角形连接电容 器额定电压的l 3 。 双调谐滤波器“”( 图3 1 ( b ) ) 接线形式有点类似一个串联单调谐滤波器和一个并 联单调谐滤波器相串联。双调谐滤波器具有两个谐振频率，能同时吸收两种频率的谐波 电流，经过等效变换，一个双调谐滤波器具有两个谐振频率，能同时吸收两种频率的谐 波电流，相当于两个并联的单调谐滤波器。与两个单调谐滤波器相比，减少了回路，基 波损耗较小，只有一个电抗器承受全部冲击电压。双调谐滤波器结构比较复杂，调谐相 对较为困难，但在高压大容量滤波装置中采用具有一定的技术经济优越性。 高通滤波器在高于某个频率之后很宽的频带范围内呈低阻抗特性，用以吸收若干较 高次的谐波高通滤波器有一阶减幅型( 图l l ( c ) ) 、二阶减幅型( 图l 一1 ( d ) ) ，三 阶减幅型( 图1 1 ( e ) ) 和c 型( 图l 一1 ( f ) ) 一阶减幅型由于基波功率损耗太大， 一般不采用；二阶减幅型基波功率损耗较小，而且阻抗频率特性较好，结构也简单，故 工程上使用最多；三阶减幅型的基波损耗更小，但特性不如二阶减幅型的好，使用得也 不太多。 4 广西大掌工稿l 号仕掌位落文，f 饨麦舶谐波形成棚直a 卿制 c 型滤波器是一种新型的高通形式，当r 值增大时c 型滤波器越来越接近于单调谐 滤波器，当r 值减小时则趋近进于高通滤波器。由于滤波器的c d 与l 对基波串联谐振， 故电阻中基波损耗很小，而且c 型滤波器对温度频率偏差及元件参数偏差变化不敏感， 基本不需要现场调谐，缺点是c 型滤波器一般只适用于滤除较低次数的谐波，高次谐波 的场合并不能完全代替高通滤波器咖“”乜1 1 。无源滤波器有多种投切方式和并装方式。 1 2 2 有源滤波器 似瓣鼙瓣敏 c d ) 二簟i 蝌戤渡尊 豢静垮黧 0 羔骑瓣狂撼曩簟 蠢l l麓辣矬麓妨接披鸯式 t _ 一酐蕞疆狂瓣麓簟 协锶i 瓣浚 有源滤波器采用与交流滤波器完全不同的原理，通过产生与补偿谐波形状一致、相 位相反的电流，来抵消非线性负荷产生的谐波电流，以使谐波不会流入公共供电回路。 有源滤波器( a c t i v ep o w e rf il t e r ，简记a p f 啪) 又称有源电力在线调节器( a c t i v e p o w e rl i n ec o n d i t i o n e r s ，简记a p l c ) ，是近年来提出的新型无功、谐波补偿方式，有 源滤波器通过检测补偿对象的电流和电压，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的 指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要 偿的谐波电流大小相等、方向相反而抵消，从而使电力网的电流、电压恢复5 0 h z 的纯 正正弦波形，另外有源滤波器还可以发出基波无功电流，进一步减少负载的无功功 率，提高功率因数。 有源滤波器与无源滤波器相比较各自的优缺点如下所述： 无源滤波器的优缺点： ( 1 ) 结构简单，运行维护经验成熟，一次性投资和运行维护费用低廉 ( 2 ) 谐振频率依赖于元件参数，职能对主要谐波进行滤波，l c 参数的漂移将导致 滤波特性的改变，使滤波性能不稳定； t n v “l t 冉￥细t ￥潍f妨 镊u 舡拉群 一j 礴秘 l 广西大学工程司e 士掌位论文 离德，：t t 站曲r 波形成棚u 蕾及抑制 ( 3 ) 电网的参数与l c 可能产生并联谐振使该次谐波分量放大，使电网供电质量下 降； ( 4 ) 电网中的某次谐波电压可能在l c 网络中产生很大的谐波电流有源滤波器的优 缺点： ( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补 偿，对补偿对象的变化有极快的相应： ( 2 ) 有源滤波器是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗不会产生影响，因此 此类装置适合系列化、规模化生产： ( 3 ) 当电网结构发生变化时，装置受电网阻抗影响不大，不存在与电网阻抗发生 谐振的危险，同时还能抑制串并联谐振； ( 4 ) 补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元件也不大； ( 5 ) 用同一装置可同时补偿多次谐波电流和非整数倍的谐波电流，即可以对一个 谐波和无功源进行单独补偿，也可以对多个谐波和无功源机型集中补偿； ( 6 ) 当线路中的谐波电流突然增大时，有源滤波器不会发生过载，并能正常发挥 补偿作用，无需与系统断开； ( 7 ) 装置可以仅输出所需的谐波电流，不输出基波无功功率，不但减少了无源滤 波器的总量，还避免轻负荷时发生无功倒送现象的发生。 有源滤波器可以按照系统构成、主电路形式控制策略进行分类口订，按系统构成可 分为并联型有源滤波器、串联型有源滤波器、串并联混合型有源滤波器；按p w m 逆变电 路直流侧电源的性质又可分为电压型有源滤波器和电流型有源滤波器。以下就系统构 成的分类对三种有源滤波器进行阐述。 驴川驴邓 删谐波负载掣谐波负载 图l - 2并联型有源滤波嚣 1 1 1 1 - 3 串联型有源施波器 ( 1 ) 并联型有源滤波器主接线方式如图卜2 所示这种装置相当于一个谐波电流 6 广西大掌工程硕士掌位论文龠饨吏毫艚 涮l 彤成审u 重a j 中制 发生器，他能自动跟踪负载电流中的谐波分量，产生与之相反的谐波电流，从而抵消 线路上的谐波电流。通过不同的控制作用，可以对谐波、无功以及负序分量进行补 偿，因此功能很多，联接也方便。但由于电源电压直接接在逆变桥上，对开关器件的 电压等级要求高：负载谐波电流含量高时，这种a p f 的容量必须很大，同时兼备大的补 偿容量和宽的补偿频带比较困难。若采用多个a p f 并联来降低单台有源滤波器的容量将 导致系统控制复杂、可靠性差。 ( 2 ) 串联型有源滤波器的主接线方式如图卜3 所示。这种装置相当于电压控制电 压源通过加测环节测量电源电压中的谐波电压分量，产生与电源电压谐波分量相反的 附加谐波电压信号，从而实现系统与谐波的隔离使电源电压恢复为正弦波形。 ( 3 ) 串并联混合型有源滤波器其主接 线方式如图1 - 4 所示。装设串并联混合型 有源滤波器的目的是在电网与公共连接之 间提供一个电压电流净化装置，消除用户 对电网的谐波污染。 p f l 将电源和负载隔 离，阻止电源谐波电压串入负载端以及负 载谐波电流流入电网；a p f 2 提供一个低阻 图1 率并联混合型有源滤波嚣 抗的谐波电流支路，把负载中的谐波电流吸收掉，使负载中的谐波电流不会在电源端 产生额外的谐波电压，该方案从拓扑上实现了两种方法的综合。 1 2 3 混合滤波器 综合无源滤波器和有源滤波器的优点，出现了混合滤波器技术，相互间弥补不足， 同时尽可能减少有源滤波器的容量。其经济性和滤波性能都比无源滤波器与有源滤波 器单独使用具有更大的优势。 1 2 4 静止无功补偿器( s t a ticv a rc o m p e n n t o r s v c ) ， 静止补偿器是近年来发展起来的一种动态无功功率补偿装置，电容器、电抗器、调 相机是对电力系统静态无功电力的补偿，而静止补偿器主要是对电力系统中的动态冲击 负荷的补偿。根据负荷变动情况，静止补偿可以迅速改变所输出无功功率的性质或保持 母线电压恒定。 7 广西大掌工程硕士掌位论文龠德，：电站谐波彤成机理夙抑制 静止补偿器实际上是将可控电抗器与电容器并联使用。电容器可发出无功功率，可 控电抗器可吸收无功功率。其控制系统由可控的电子器件来实现，响应速度远远高于调 相机，一般只有2 0 m s 。它主要用于冲击负荷如大型电炉炼钢、大型轧机以及大型整流设 备等。另外，在电力系统的电压枢纽点、支撑点也可以用静止补偿器来提高系统的稳定 性，同时，静止补偿器还可以抑制谐波对电力系统的危害。在我国湖南、湖北、广东、 河南等多个5 0 0 k v 枢纽变电站都采用了这种装置。 在装了静止补偿装置后，供电质量显著改善，电压波动很小，完全在允许范围内， 谐波干扰明显降低。在周围广大用户普遍受益的同时，安装了装置的用户也降低了线损， 减少了电费支出，提高了产品的产量和质量，获得了良好的经济效益。静止补偿器的最 大特点是调节快速。为了充分发挥它在需要无功功率时的快速调节能力，在正常情况下 应经常运行在接近零功率的状态。但因正常负荷变动引起的电压变化过程缓慢。用一般 价格比较便宜的电容器与电抗器等投切配合，完全可以满足要求，没有必要选用这种设 备。 以上几种装置各有利弊，都无法满足配电网低压侧安装和动态连续补偿的要求，为 此有些文献提出了d - s t a t c o m 装置，即配网静态同步补偿器，是实现低压配电网电能质 量大幅度提高的先进电力电子设备。 1 3d - s t m c o m 装置 1 3 1d - s t a t c o m 的发展背景 在电力系统迫切需要先进的输配电技术来提高电能质量和系统稳定性的时候，随着 电力电子技术和现代控制技术的迅猛发展，一种改变输电能力的新技术灵活交流输 电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m f a c t s ) 悄然兴起。f a c t s 技术是基于电 力电子技术改造传统交流输电的系列技术，它可以对交流电的无功( 电压) 、电抗和相 角进行控制，从而能有效提高交流系统的安全稳定性，使交流输电系统具有更高的柔性 和灵活性，使输电线路得到充分利用，以达到电力系统安全、可靠和经济运行的目标【争1 3 l 。 作为f a c t s 的核心装置之一，静止同步补偿器s t a t c o m 的研制和开发在国内外引起 了高度重视。s t a t c o m ( s t a t i cc o m p e n s a t o r - - - s t a t c o m ，即静止补偿器，亦称a d v a n c e d s t a t i cv a rg e n e r a t o r - - a s v g ，即新型静止无功发生器) 在f a c t s 家族中占有重要地位。 其主要原因在于； 广西大掌】灌硕士掌位论文 龠德毫囊j 争暂媲彤成审u 蕾a 卿i ( 1 ) 从资源上讲，燃料价格上涨，必须提高电力系统的运行效率，使得电网中无功 潮流最小，以减少系统的无功损耗。 ( 2 ) 从经济上讲，与具有相近容量的其他装置的成本进行比较，美国e p r i 认为在 容量为1 6 0 m v a r 时，s v c 与s t a t c o m 的成本相同，对我国的电力系统经仿真计算，合适 的单机容量在1 0 0 m v a r 一2 0 0 m v a r 左右，s t a t c o m 具有明显的优势川。 ( 3 ) 从可靠性上讲，s t a t c o m 与同步调相机及发电机相比，维护管理简单，可以实 现无人值班和远方监控。 ( 4 ) 从发展上讲，许多老线路传输的功率将逐渐增加，这就要求通过无功功率控制 来恢复系统的稳定储备，而s t a t c o m 在无功控制领域有诸多优点。 1 9 7 2 年，日本发表了用强迫换向的晶闸管桥式电路作为调相装置的研究论文：1 9 7 6 年，美国学者l g y u g y i 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“”。所谓s t a t c o m 就是指由自换相的电力半导体桥式变流器来进行动态无功补偿的装 置。另一方面，s t a t c o m 不仅可以用于输电系统中，也可用于配电系统中，此时亦称配 网静止同步补偿器d - s t a t c o m ( s t a t c o mi nd i s t r i b u t i o ns y s t e m ) ，其作用是提供或吸 收无功功率，维持母线电压稳定，同时滤除负荷产生的谐波。 与传统的补偿装置相比，s t a t c o m 具有体积小、低电压特性好、响应速度快等特点， 可用于电力系统动态电压调节、增强系统稳定性、提高输配电系统的电能质量等。随着 大功率全控型晶闸管g t o 及i g b t 的出现，特别是相控技术、脉宽调制技术p w m 、四象限 交流技术的提出使得电力电子逆变技术得到快速发展，以此为基础的无功补偿装置 s t a t c o m 能够快速平滑地吸收感性和容性无功功率，调节系统电压、校正功率因数，平 衡负荷，滤除谐波。s t a t c o m 正以其众多的优越性成为研究热点。 1 - 3 2d 。s t a t c o m 的一般综述 电压型s t a t c o m 直流侧以电容为储能元件，主电路采用三相电压源桥式变换电路 v s c ( v o l t a g e - s o u r c ec o n v e r t e r ) ，将直流电压变为交流电压，然后通过串连电抗器接 入电网。其中电抗器起到阻尼过电流、滤除纹波的作用。电流型s t a t c o m 直流侧以电感 为储能元件，主电路采用电流源变换电路c s c ( c u r r e n t s o u r c ec o n v e r t e r ) ，将直流电 流逆变为交流电流送入电网，并联与交流测的电容可以吸收换相产生的过电压。在实际 应用中，由于电流型s t a t c o m 运行效率较低，所以投入运行的绝大部分都是电压型。 9 广西大学工程司e 士掌位论文离德吏“蛐波形成机理及抑制 s t a t c o m 是由三相逆变器和并联电容器构成的，其输出的三相交流电压与所接电网 电压的三相电压同步。连接变压器通过的电流等于零或呈容性或呈感性取决于一、二次 电压的幅值，因此整个装置的无功功率的大小或极性都由通过它的电流来调整，从而调 整输电线路的无功功率，动态地使电压保持在一定范围之内，以利于提高电力系统稳定。 s t a t c o m 不仅可校正稳态运行电压，还可以在故障后恢复期间高速稳定电压，这点对提 高电力系统暂态稳定十分重要，因此，对电网电压的控制能力很强。由于采用门极关断 ( g t o ) 晶闸管( 小容量可选用i g b t ) ，可避免换向失败。理论上讲，直流侧电容器只是用 来维持直流电压，不需要多大容量，而且这些电容由直流电容器构成，体积小、价格低。 s t a t c o m 整体功能类似于同步调相机，但却大为简化。s t a t c o m 的调节范围大，不会发 生响应迟缓，反应速度快，没有转动设备的机械惯性、机械损耗和旋转噪声。并且因为 s t a t c o m 是一种完全的固态装置。所以它既能响应网络中的稳态也能响应暂态变化，它 的控制响应速度要比同步调相机快一个数量级。s t a t c o m 是个电压源，其电流值不受系 统电压的影响，所以s t a t c o m 控制电压的能力要强。 d - s t a t c o m 是面向系统的补偿装置，它通过向电网的公共耦合点( p c c ) 注入电流，对 负荷电流中的谐波分量进行补偿，从而抑制负荷的高次谐波、不对称、无功及闪变等有 害因素对系统的影响，避免因负荷电流畸变引起的系统电压波动或跌落现象。它通常安 装在网络和负荷之间，与负荷相并联。d - s t a t c o m 采用并联电流补偿方式，其输出电流 可以在很大的电压变化范围内恒定，并且可实现从感性到容性全范围内的连续调节，具 有输出感性无功和容性无功的双向调节能力。 1 4 论文的主要内容 本文分析电力谐波的产生机理及危害、阐述各种谐波抑制方式，对高德变电站谐波 进行测试分析，研制一台三桥臂d - s t a t c o m ，在高德变的主要谐波源石化厂配电网中投 入试运行，对谐波抑制及无功补偿的结果进行评估。 本论文共分为六章。 第一章为绪论，主要介绍课题背景及重要性。 第二章为谐波的形成机理及测试分析，分析谐波形成机理，对高德变电站l o k v i 段 母线及各出线谐波进行测试和分析，找出谐波源。 第三章为补偿原理及控制算法，选择高德变电站l o k v 高石线用户北海石化厂的配 1 0 g - 曹大掌工程司l 士掌位论文，f 健，口由谐波形成审u t 覆抑日 网作为谐波污染治理对象，拟设计一台配网静态同步补偿器( 三桥臂d s t a t c o m ) ， 并在北海石化厂的配电网投入试运行，本章介绍d s t a t c o m 的补偿原理和控制算法。 第四章为装置的设计，设计主电路参数及控制软件，并对联接电抗器和i g b t 开关 时序进行了优化。 第五章为在石化厂应用效果的评估，介绍装置在石化厂低压配电网的运行情况，并 对效果进行评估。 第六章为结论，得出主要研究成果和结论。 广西大掌工程硕士掌位论文离德变电 晰波形成私嚏反抑制 第二章谐波的形成机理及测试分析 本章将就谐波的形成机理及谐波源的特点进行探讨，并对高德变电站进行谐波测试 及分析，从而找出谐波源，为确定治理对象提供依据。 2 1 谐波的产生 谐波产生的根本原因是系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加电压与产生电 流不成线性正比关系而造成的波形畸变。当系统的正弦波形电压加在非线性负载上时， 产生的电流为非正弦波形，波形的畸变即产生了谐波。向公用电网注入谐波电流或在公 用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波源。 系统中的主要谐波源可分为两大类：一是含半导体非线性元件的谐波源，二是含电 弧和铁磁非线性设备的谐波源。前者如各种整流设备、交直流环流设备、变流器、p 哪 变频器、相控制变频器以及现代工业设施为节能和控制用的电力电子设备等，后者如交 流电弧炉、交流电焊机、日光灯和发电机、变压器及铁磁谐波设备等。电气铁道机车采 用的大容量单项整流供电设施，除了产生大量谐波电流外，还对三相交流供电系统产生 不平衡负荷和负序电流电压。电弧炉等含电弧的冶炼设备和电焊设备，除产生谐波外还 产生间谐波和造成电压闪变。这些负荷都使电力系统的电流和电压产生畸变，对电力设 备、通信线路及电子设备产生危害或干扰。 2 2 谐波源分析 2 2 1 变压器产生的谐波 2 2 1 变压器产生谐波的原理 变压器的励磁回路实质上就是具有铁芯绕组的电路。在不计磁滞及铁芯未饱和时， 它基本上是线性电路。铁芯饱和后，它就是非线性的，即使外加电压是纯正弦波，电流 也要发生畸变。饱和程度愈深，电流波形的畸变愈严重。 忽略磁滞并不计漏磁的空载变压器，当外加电压为正弦波“= 2 u s i i l 耐时，它被励 磁回路反电动势所平衡，即： 甜：形丝( 2 一1 ) 1 2 j - 西大掌工覆硬士掌位靛演，r 翻l ，：毫j 占谐波，b 成审u 重a 抑_ 式中w 为绕组匝数，由为交变的主磁通。从而 卢等c o s w t = f b ms i n ( w t 一争 ( 2 - 2 ) e p 夕l , 加电压为正弦时，磁通也是正弦的，只是相位滞后电压。若铁芯是线性的，其 电流也是正弦的，当铁芯饱和变为非线性后，电流就会发生畸变。若将铁芯磁化曲线近 似表示为： f = 口+ 6 3 ( 2 - 3 ) 则可得电流为： 州。 + 拟) 咖一纠4 b i t _ m n 3 ( 埘一 i 蜥。争4 - 吨螂埘一 ( 2 4 ) 从( 2 q ) 式即可以看出电流发生畸变含有三次谐波。着在式( 2 - 3 ) 中计入更多的；= 高次项以便较好拟合铁芯的磁化曲线，则电流中将会有更多的谐波项。此时电流波形正、 负半波相同，半波对称，即电流只含有奇次谐波，其中主要是三次谐波。 2 2 1 2 变压嚣谐波产生的特征 ( 1 ) 单相变压器产生的谐波 变压器的励磁回路实质上就是具有铁芯绕组的电路。在不计磁滞及铁芯未饱和时， 它基本上是线性电路。铁芯饱和后，它就是非线性的，即使外加电压是实际正弦波，电流 也要发生畸变。饱和愈深，电流波形畸变愈严重。 ( 2 ) 三相交压器产生的谐波 对于三相变压器，铁芯的结构和变压器绕组的接线方式都对励磁电流的畸变有很大 影响。对三相三柱式变压器，其3 的倍数次谐波及零序性谐波分量的磁通经由空气( 油及 外壳) 构成回路。磁阻很大，因此这种变压器的零序励磁电抗视为有限值( 远大于漏抗) ，3 次谐波电流将在此零序励磁电抗上产生较大的压降，即为3 次谐波电压，很容易造成电压 严重畸变。一艨变压器往往有侧接成三角形接线，零序性电流将在其中流通而不进入 供电系统。一些大型变压器由于三相磁路不对称，零序性谐波电流将进入供电系统。 变压器励磁电流的谐波含有率和它的铁芯饱和程度有直接联系。正常运行时，电压 接近额定值，铁芯工作在轻度饱和范围，谐波不大。但在一些特殊运行方式，如在夜间轻 e - 西大掌工程硕士掌位论文j r 德，e 嚏瀚韵r 波形成机理及抑制 负荷期间，尤其是在一些供电的边缘地区，运行电压偏高，导致铁芯饱和程度较严重，谐 波增大。此时励磁电流占总负荷电流的比重变大，谐波也就严重些。通常，此时的系统谐 波阻抗也较大，致使谐波电压也有所增大，对系统的影响较大特别是近代为提高经济性 和材料利用率，变压器铁芯常工作在磁通密度较高的区段，磁化曲线也较陡更容易产生 谐波。 2 2 2 其他谐波电源 2 2 2 i 开关模式电源( s _ p s ) 现代大多数的电子设备都使用开关模式电源，其特点是它不能从电网中汲取连续的 电流，而只能汲取脉冲电流，此脉冲电流含有大量的3 次及高次谐波分量。 2 2 2 2 直流调速传动装置 直流电动机的调速控制器通常采用6 脉冲桥式整流电路。直流电动机的电感是有限 的，故在直流电流中有3 0 0 h z 的脉动波( 即为基波频率的6 倍) ，这就改变了供电电流的波 形，产生大量高次谐波电流。 2 2 2 3 不间断电源( u p s ) 由u p s 供电的负荷总是电子通讯类设备，这些设备开关电源本身是非线性的，且含有 大量的低次谐波。同时，u p s 本