（电机与电器专业论文）钢铁企业配电网谐波抑制与无功补偿研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o t o n g j iu n i v e r s i t yi nc o n f o r m i t yw i t ht h er e q u i r e m e n t sf o r t h ed e g r e eo fm a s t e r r e s e a r c ho nh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n d r e a c t i v ec o m p e n s a t i o nf o ri r o na n ds t e e l e n t e r p r i s ed i s t r i b u t i o ns y s t e m c a n d i d a t e ：l ug a n 砌 s t u d e n tn u m b e r ：0 7 2 0 0 8 0 0 0 3 s c h o o l d e p a r t m e n t ：s c h o o lo f e l e c t r o n i c sa n d i n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g d i s c i p l i n e ：e l e c t r i c a le n g i n e e r i n g 一一一 m a j o r ：e l e c t r i c a lm a c h i n ea n da p p a r a t u s s u p e r v i s o r ：p r o f j i n l i j u n 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：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，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名：隐斤乞 聊。年弓月伊 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：他彳良 伽卜年弓月少日 同济大学硕士学位论文摘要 摘要 钢铁被称为产业界的粮食，是工业生产的重要支柱，也是用电大户。由于钢 铁企业设备供电多采用晶闸管整流装置，使电网中谐波电流增大，功率因数降低， 出现较大的电压波动。因此研究轧钢厂供电系统电能质量的基本内容谐波抑 制与无功补偿，对提高企业供电可靠性、降低损耗、保证产品质量有着重要的意 义。 对电力系统畸变电流的实时检测是解决电网谐波问题的前提。本文探讨了电 力系统谐波检测的多种方法。针对目前难以准确地对动态谐波进行实时检测的问 题，本文综合了傅里叶变换对稳态谐波分析与小波变换对高频动态谐波分析的优 势，将w t 与f f t 相结合，能较好地适应钢铁企业配电网谐波含量大、变化频 繁的特点，并在m a t l a b 平台上对该方法进行了仿真验证。 本文进一步分析了钢铁企业负荷特点及主要谐波源。比较了多类谐波抑制与 无功补偿装置的优缺点，在此基础上设计了一种由可控无源调谐滤波器和t c r 动态无功调节组成的新型s v c 。利用无源调谐滤波器成本较低、结构简单等优 点，同时考虑了无源滤波器容易失谐运行的问题，与t c r 动态无功补偿配合， 对轧钢供电系统进行谐波抑制与无功补偿。采用m a t l a b 软件对所设计的s v c 结构与参数进行仿真验证。 监控系统性能的优劣很大程度上决定了滤波装置的补偿性能，因此设计良好 的控制模块，选用合适的控制策略是提高滤波器性能的关键。为了解决实时谐波 分析算法运算量大的问题，硬件上采用了d s p + a r m 的设计方法，可以充分发 挥d s p 芯片的数字信号处理优势和a r m 的控制功能，以实现系统中的复杂软件 算法，运算速度也能得以提高。 关键词：谐波抑制，无功补偿，检测，控制 t o n g j iu n i v e r s i t ym a s t e ro ft e c h n o l o g ya b s t r a c t a b s t r a c t s t e e l ，a ni m p o r t a n tp i l l a ro fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ，i sk n o w na st h ef o o do f i n d u s t r y , a n dt h es t e e lf a c t o r yi sab i gu s e ro fe l e c t r i c i t y a sar e s u l to fu s i n gt h y r i s t o r r e c t i f yd e v i c e s ，t h eh a r m o n i ci nt h ep o w e rs y s t e mo fs t e e lf a c t r o t yi n c r e a s e s ，t h e p o w e rf a c t o rr e d u c e s ，a n ds y s t e m sv o l t a g ef l u c t u a t e sa c u t e l y t h e r e f o r e ，d o i n g r e s e a r c ho nh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nf o ri r o na n ds t e e l e n t e r p r i s e sh a sg r e a tm e a n i n go ni m p r o v i n gp o w e rs u p p l yr e l i a b i l i t y , r e d u c i n gp o w e r l o s s ，b o o s t i n ge q u i p m e n te f f i c i e n c ya n da s s u r i n gp r o d u c tq u a l i t y r e a l t i m eh a r m o n i cd e t e c t i o ni nr e a l - - t i m ei s p r e c o n d i t i o n o fh a r m o n i c s u p p r e s s i o n s e v e r a lm e t h o d sh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di n t h i sp a p e r f o ri ti sh a r dt o a n a l y z ea n dd e t e c td y n a m i ch a r m o n i cq u i c k l ya n de x a c t l yu s i n gt h et r a d i t i o n a l a n a l y s i sm e t h o d s ，an e wm e t h o dt h a tc o m b i n e sf o u r i e rt r a n s f o r mw i t hw a v e l e t t r a n s f o r mh a sb e e np r o p o s e di nt h i sp a p e r , a n di ti sv e r i f i e do nm a t l a b i nt h i sp a p e r , c h a r a c t e r so fp o w e rl o a da n dt h em a i nh a r m o n i cs o u r c e so fi r o n a n ds t e e le n t e r p r i s e sh a v eb e e na n a l y z e di nd e t a i l t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s o fk i n d so fh a r m o n i cs u p p r e s s i o nd e v i c e sa r ec o n t r a s t e da n dw ed e s i g n e dan e wk i n d o fs v cc o m p o s e do fp a s s i v ef i l t e ra n dt c r t h i sk i n do fs v cc a nm a k ef u l lu s eo f t h ea d v a n t a g e so fp a s s i v ef i l t e r , s u c ha sl o w e rc o s t ，s i m p l es t r u c t u r ea n ds oo n c o m b i n e dw i mt c r ，t h ed e s i g nh a ss o l v e dt h ed e t u n e do p e r a t i o np r o b l e mo f p a s s i v e f i l t e r , w h i c hm a k e st h i sn e wk i n do fs v cc a nf i n i s ht a s k so fh a r m o n i cs u p p r e s s i o n a n dr e a c t i v ec o m p e n s a t i o nf o ri r o na n ds t e e le n t e r p r i s e s w ea c c o m p l i s h e ds i m u l a t i o n i nt h es v c s i m u l a t i n gs y s t e m ，w h i c hi sd e s i g n e db a s e do nm a t l a b a g o o dc o n t r o l l e ra n daf i t f u ls t r a t e g yc a nd e c i d et h ef i l t e r sp e r f o r m a n c et oa g r e a td e g r e e ，s od e s i g n i n gag o o dc o t r o l l i n gm o d u l ea n dc h o o s i n gt h ep r o p e r c o n t r o l l i n gs t a t e g yb e c o m e st h ek e yp o i n t t os a t i s f yt h en e e do fg r e a to p e r a t i o no ft h e r e a l - t i m eh a r m o n i ca n a l y s i sa l g o r i t h m ，w ea d o p tt h ed e s i g nm e t h o do fd s p + a r mi n h a r d w a r ep a r t i tc a nm a k ef u l lu s eo ft h ed i 西t a lp r o c e s s i n ga d v a n t a g eo fd s pa n dt h e c o n t r o la b i l i t yo fa r mt or e a l i z et h ec o m p l e xs o f t - w a r ea l g o r i t h mi ns y s t e m ，a n dt h e e x e c u t i n gs p e e dw i l lb ei m p r o v e dt o o k e yw o r d s ：h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ，r e a c t i v ec o m p e n s a t i o n ，d e t e c t i o n ，c o n t r o l i i 同济大学硕士学位论文目录 目录 第1 章引言1 1 1 课题研究的背景和意义1 1 2 谐波抑制与无功补偿现状及发展趋势5 1 2 1 谐波抑制研究现状与发展趋势5 1 2 2 无功补偿研究现状与发展趋势7 1 3 加装谐波抑制与无功补偿装置的效益分析1 0 1 4 本文的主要工作1 2 1 5 本章小结13 第2 章钢铁企业配电网负荷特性分析1 4 2 1 整流变压器1 4 2 2 交流电弧炉2 0 2 3 轧钢机2 4 2 4 相控型t c r 阀2 7 2 5 本章小结3 0 第3 章谐波的快速检测方法31 3 1 电力系统谐波检测方法3 1 瓣 3 1 1 基于快速傅里叶变换的谐波检测3 1 3 1 2 基于瞬时无功功率的谐波检测3 3 3 1 3 基于小波变换的谐波检测3 5 3 1 4 基于神经网络的自适应谐波检测3 6 3 2 基于f f t 和小波变换的钢铁企业配电网谐波分析3 9 3 2 1 方案选择3 9 3 2 2 谐波含量的小波包算法4 1 3 2 3 仿真分析4 3 3 3 本章小结4 9 第4 章谐波抑制与无功补偿装置结构与参数设计5 l 4 1 轧钢供电系统s v c 装置设计5l 4 1 1 轧钢供电系统s v c 设计原则5 1 4 1 2s v c 一次系统结构方案5 2 4 2 轧钢供电系统s v c 装置参数设计6 0 4 2 1f c 参数设计6 1 4 2 2t c r 参数设计6 5 4 3 仿真验证6 9 4 3 1 系统模型搭建6 9 i i i ，一 漓 渤 稳 i 稳 同济大学硕士学位论文目录 4 3 2 仿真结果分析7 3 4 4 本章小结7 8 第5 章s v c 监控系统设计7 9 5 1 监控系统总体方案设计简介7 9 5 2 监控系统硬件设计8 0 5 2 1 谐波电流检测模块设计8 0 5 2 2c p l d 输出脉冲模块设计8 4 5 2 3 调谐监控模块设计8 5 5 2 4 晶闸管触发与监测模块设计8 7 5 3 监控系统软件设计9 0 5 3 1 软件设计编译环境介绍9 1 5 3 2 软件设计总体流程9 1 5 3 3 数据处理程序模块9 2 5 3 4 通讯程序模块9 4 5 3 5 按键控制程序模块9 5 5 3 6 软件抗干扰设计9 5 5 4 实验验证9 6 5 4 1 零漂检验9 7 5 4 2 电压电流信号采样9 7 5 4 3 触发脉冲实验9 8 5 4 4 串口通讯实验9 9 5 5 本章小结1 0 0 第6 章结论与展望10 1 6 1 结论1 0 1 6 2 进一步工作的方向1 0 1 致谢1 0 3 参考文献1 0 4 个人简历在读期间发表的学术论文与研究成果1 0 7 i v 第1 章引言 第1 章引言 1 1 课题研究的背景和意义 随着我国国民经济的迅速发展，越来越多具有运行功率因数低、非线性和冲 击性等特点的电力设备接入配电网中，引起电网电压波动、闪变和三相不平衡， 功率因数低和高次谐波污染等诸多的电能质量问题，其中最典型的负荷就是冶金 行业的交流电弧炉和连轧机组n 刈。 钢铁企业是用电大户，其用电量在电网中占有相当大的比例。以上海宝山钢 铁集团为例，其年用电量约占上海市电网的1 0 3 。2 0 0 8 年1 月2 4 日，总部位 于比利时首都布鲁塞尔的国际钢铁协会( i i s i ) 公布：2 0 0 7 年中国以4 8 9 亿吨再 次成为全球第一大粗钢生产国。2 0 0 9 年据中国钢铁协会统计，2 0 0 8 年中国钢产 量已达到5 0 1 2 亿吨。 根据行业用电分析的数据订1 ，2 0 0 2 年我国社会工业用电总量为1 0 6 4 ：3 ”h ，其中当年我国各行业用电量所占社会工业用电总量的比例如图1 1 所示。 图1 12 0 0 2 年我国各行业用电比例图 由图1 1 可知，金属加工业2 0 0 2 总耗电量占社会工业用电总量的2 5 ，所 占比重最大，其值为2 4 7 4t w h 。金属加工业各领域的用电量分布如图1 2 所示。 由图1 2 可知，钢铁企业用电量为1 0 7 3t w h ，占金属加工业用电总量的4 3 ， 在社会工业用电量中占有相当大的比例，成为用电大户。 钢铁企业负荷具有容量大、冲击大、起制动频繁等特点b 1 。其中轧机、电焊 设备和炼钢电弧炉等冶金设备的运行会引起电网无功波动、三相不平衡、功率因 数低、损耗增加、谐波含量超标等问题；大型风机、轧钢机主传动等较多应用大 功率变流、变频传动装置，其容量可达上万千瓦，是企业的主要电力负荷。这些 设备在调速运行过程产生的谐波干扰将直接影响配电系统的电能质量，尤其是在 这些传动设备的加、减速阶段，而交一交变频调速系统产生的谐波不仅含有一般 变流装置中的整数次谐波，还含有基频和特征次谐波的分频成分，频率分布较广、 含量较高，不仅会造成电网电压畸变，还可能引起电网在某些频率下的谐振，这 些问题必须加以治理一3 。下面将从谐波污染和功率因数低两方面分析上述电能 质量问题对钢铁企业的影响。 ( 1 ) 谐波污染对钢铁企业的影响 当电力系统处于稳态时，三相交流发电机输出的电压波形基本上是正弦波， 但是伴随着轧钢机、电弧炉和大功率电力电子器件等非线性设备在电力系统中的 广泛应用，由此产生的大量谐波对电网的污染日益严重。非线性负荷向电力系统 中注入大量的谐波电流，使母线电压波形严重畸变，产生很强的电磁干扰，对电 力系统安全、优质和经济运行构成潜在威胁，给周围电气环境带来极大的污染。 钢铁企业配电网中，各种谐波源所产生的谐波对电网、电力设备和其它系统 的危害是非常严重的，归纳起来主要有以下几个方面口h 0 1 ： 对供电变压器的影响 谐波将使变压器铜损和铁损增加，导致变压器温度上升，影响其绝缘能力， 并造成容量裕度减小。谐波还能引起变压器绕组及线间、电容间的谐振，引起铁 心磁道歪斜或饱和而产生噪声，其损耗随频率的增大而增大。与低频成分相比， 谐波的高频成分对变压器的温升影响更为突出。按照传统理论，变压器在基波频 率时损耗最小，但其附加发热受电压、电流畸变影响很大，尤其是电流畸变。负 荷电流含有谐波时，将在上述几个方面导致变压器发热的增加。 2 第1 章引言 对电缆和并联补偿电容器的影响 谐波容易对电力电缆造成过负荷或过电压击穿；谐波会引起电容器局部放 电，加快电容器介质老化速度，缩短使用寿命。在一定条件下，无功补偿电容器 组因谐波的存在，极易引起谐振或谐波放大，从而导致电容器因过负荷或过电压 而损坏；国内外许多电力系统和用户系统内都发生过无功补偿电容器组无法投入 运行，大批电容器损坏的事故阳，。 对旋转电机的影响 谐波对旋转电机的主要影响是产生附加损耗，其次是机械振动、噪声和谐波 过电压，从而影响电机的使用寿命。 对换流装置的影响 交流电网的电压畸变可能引起变流器控制角触发脉冲的间隔不等，并通过正 反馈使系统的电压畸变放大，从而使整流器的工作不稳定；而对逆变器则可能导 致连续的换相失败以致无法正常工作，甚至损坏换相设备。 对弱电系统的影响 由于谐波次数高，频率上升后，加之电缆导体截面积越大，集肤效应越明显， 导致导体的交流电阻增大，使得电缆允许通过的电流减小。另外，由于无功功率 补偿用的电容器及线路的容抗与系统并联，而电缆的电阻、系统母线及线路感抗 与系统串联，在一定数值下，电感与电容可能发生谐振。目前采用的电力测量仪 表中，有感应型和磁电型，它们受谐波的影响较大，特别是感应型电能表，当谐 波较大时将产生计量混乱、测量不准、精度降低等问题。 对于有线电视、计算机通信网络、报警与楼宇自动化等弱电系统，电力系统 中的谐波通过静电感应、电磁感应与传导等方式耦合到这些系统中，产生干扰。 其中静电感应与电磁感应的耦合强度与干扰频率成正比。传导则是通过公共接地 耦合，将大量不平衡电流引入接地极，从而对弱电系统造成干扰。 对继电保护和自动装置的影响 谐波会对继电保护和自动控制装置产生干扰，造成拒动或误动。尤其是一些 衰减时间较长的暂态过程，例如变压器合闸涌流中的谐波分量，由于其含量高、 幅值大，容易引起继电保护的误动作。 ( 2 ) 功率因数低对钢铁企业的影响 在电力负荷中，感性负荷投入运行之后除了消耗大量的有功功率之外还要吸 收大量无功功率。如果大量的无功完全由发电厂提供，就会使用户功率因数降低， 造成线路有功损耗增加，用户端电压降低，电力设备无法充分利用。当整个系统 无功严重缺乏时，还可能引起电力系统崩溃，造成事故。在钢铁企业中，由于大 量的电力负荷是感性负荷，企业的自然功率因数比较低，如果不采用人工补偿， 同济大学硕士学位论文钢铁企业配电网谐波抑制与无功补偿研究 提高功率因数，将造成如下不良影响： 降低输变电设备的供电能力。 使网络电力损耗增加。 总电流增加会使设备容量增加。无功功率增加，会使发电机、变压器及其 它电气设备容量和导线的容量增大，同时也要加大电力用户的起动及控制设备、 测量仪表的规格，因而使投资费用增高。 功率因数越低，线路的电压降越大，用电设备的运行条件越恶劣。 降低发电机的输出功率。当发电机低于额定功率因数运行时，需要提高无 功输出，使发电机有功输出降低。 国家经济委员会批准的全国供用电规则规定n2 | ：“用户应在提高用电设 备自然功率因数的基础上，设计和装置无功补偿设备，并做到随负荷和电压变动 及时投入或切除，防止无功电力倒送”。并规定了用户在电网高峰负荷时的功率 因数值：高压供电的工业企业用户为0 9 以上。为了奖励企业提高功率因数，国 家规定的功率因数调整电费如表1 1 所示。 表1 1 以0 9 0 为标准值的功率因数调整电费表 综上，由于轧钢机主传动采用晶闸管整流或变频装置供电，炼钢采用交流或 直流炼钢电弧炉、钢包炉精炼，均产生电压波动、高次谐波等干扰，成为电网“公 害 。晶闸管供电的大容量调速轧钢机及其它非线性负荷的特点是单台设备容量 大、启停频繁、启停时对电网的无功冲击量大、功率因数低，工作时产生较大的 谐波电流。因此，本文针对钢铁企业负荷特点，研究谐波抑制与无功补偿技术， 为减小系统谐波污染、提高负荷功率因数及稳定电网电压，探索切实有效的解决 方案。 4 第1 章引言 1 2 谐波抑制与无功补偿现状及发展趋势 1 2 1 谐波抑制研究现状与发展趋势 近年来，随着电力电子技术的广泛应用和整流器、变频调速器等大量非线性 负载的接入，导致电力系统谐波含量迅速增长，电压和电流波形发生畸变，对电 力系统和用电设备的安全运行产生了严重影响n 3 1 钔。为了抑制电网中的谐波，减 小其危害，主要有两方面的措施：一是减小谐波源的谐波含量；二是安装电力滤 波器。 ( 1 ) 减少谐波源的谐波含量 减少谐波源的谐波含量是主动型的谐波抑制技术，它通过减少非线性负载的 谐波产生来实现，即对接入电网的设备本身进行改进，限制其产生谐波的含量或 不产生谐波。具体方法有：开发新型变流器，使其不产生谐波且功率因数为1 ， 这种变流器被称为单位功率因数变流器( u p f c ) ；在中小功率电力变换装置中， 采用脉宽调制技术的有功功率因数校正( p f c ) 电路，已经在开关电源中获得了 广泛应用：在大功率电力变换装置中，采用多绕组变压器的多脉整流或将多脉整 流与控制移相相结合构成准多脉整流。 虽然减少谐波源的谐波含量是一种有效的谐波抑制技术，但因需要对己投入 使用的设备进行技术改造，费用高，存在很大的局限性。因此，安装电力滤波器 显示出其必要性和重要性。 ( 2 ) 安装无源电力滤波器 谐波抑制的传统方法是采用无源电力滤波器( p p f ) ，即利用电容器和电抗 器组成的串联调谐电路( l c 调谐电路) 吸收谐波。无源电力滤波器主要是改变 在特殊频率下电源的阻抗，适用于稳定系统。其突出优点是既可以抑制谐波，又 可补偿无功功率，且成本较低、结构简单。但由于结构原理上的原因，在应用中 存在着一些难以克服的缺点n 5 1 6 1 ：谐波补偿频带较窄，抑制较低次谐波的单调 谐滤波器只对调谐点的谐波抑制效果明显，而对于偏离调谐点的谐波则无明显效 果；滤波效果随系统运行情况变化而变化，当系统阻抗和频率发生波动时，滤 波效果变差；当负载谐波电流过大时，可能会出现过载情况，甚至损坏滤波器， 造成事故；根据高次谐波次数含量的多少，需设置多个滤波支路，并且当滤波 器投入运行之后，如果高次谐波的次数和大小发生变化，因无法实现自动跟踪处 理，会影响滤波效果；当系统阻抗和频率变化时，可能会与电网阻抗之间发生 串并联谐振现象，不仅无法抑制谐波，反而对谐波起放大作用，引起滤波器过 压过流，甚至损坏，严重影响电网运行的稳定性；中线串入滤波器，在一定程 同济大学硕士学位论文钢铁企业配电网谐波抑制与无功补偿研究 度上加大了中线出现故障的概率，一旦中线开路，会威胁到设备及人身安全。 针对上述问题，国内外的设计研究人员均提出了若干解决方法n 7 19 | ，通过优 化设计在一定程度上可以提高无源电力滤波器的滤波性能，但无法根除其结构原 理上带来的缺陷。 ( 3 ) 安装有源电力滤波器 有源电力滤波器( a p f ) 是由大功率可关断电力电子器件构成的高性能谐波 抑制及无功补偿装置，能对频率和大小均变化的谐波进行动态补偿，补偿特性不 受电网阻抗和频率变化的影响，可获得比无源滤波器更好的补偿效果，是一种理 想的谐波补偿装置。 与p p f 相比，a p f 具有高度可控和快速响应的特性，其特点如下乜0 。22 | ：实 现了动态补偿，可对频率和幅值都发生变化的谐波以及无功功率进行补偿，对被 补偿对象的变化有极快的响应；对各次谐波和分数谐波均能有效地抑制；可 同时对谐波和无功功率进行补偿，且补偿无功功率的大小可以做到连续调节； 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振；即使被补偿对象电流过 大，有源电力滤波器也不会发生过载，并且能够正常发挥补偿作用。即使在谐波 电流超过补偿装置容量时，由于装置输出容量可控，仍可在其额定容量内继续运 行。 尽管a p f 与p p f 相比具有很大的技术优势，但因其成本较高，目前在电力 系统中要完全取代p p f 还不具备条件。 考虑到a p f 与p p f 各自在滤波性能上的优势与不足，不少研究学者提出了 将a p f 与p p f 结合起来使用，由此构成的混合型电力滤波器( h p f ) 既克服了 a p f 容量大、成本高的缺点，又可以使整个系统获得良好的动态滤波性能。 目前，对谐波的研究工作主要集中在以下几个方面乜3 嗡3 ： ( 1 ) 功率理论的研究。当电压或电流中含有谐波时，如何定义各种功率， 使定义既科学严谨，又能满足各种工程和管理的需要。 ( 2 ) 各谐波源模型及其精度的研究。主要包括变压器、电机、换流器、电 弧炉、轧钢机、电动机车等大容量的谐波产生装置和电视机、空调、充电机( 器) 等集总负荷的谐波分析。变压器、电机、电容器、输电线路和线性负荷，目前均 已有精确的谐波数学模型。然而，非线性负荷的谐波阻抗目前只有粗略的模型， 对谐波源模型的研究还有许多工作要做。 ( 3 ) 谐波电压和电流的分析计算以及谐波影响和危害的分析。谐波电压和 电流的分析计算大致可分为线性分析、非线性领域分析和非线性时域仿真三种方 法。显然，系统各部分元件数学模型的精度直接影响到计算值的误差。目前对负 荷模型的研究还很不够，背景谐波对远离谐波源线路的影响也不可忽略，由于元 6 第1 章引言 件谐波阻抗的复杂性，加上谐波源的多变性和多样性，给谐波分析工作带来了一 定的困难。 ( 4 ) 谐波测量问题的研究。即如何利用先进的理论和信号分析设备、数字 仪表、智能仪表等，实现谐波信号的快速准确提取。谐波测量装置不同于传统的 数值测量设备，它是一种波形测量设备，对测量数据的实时性和精度要求很高。 提高谐波测量精度的关键在于提高谐波分析方法的精度并放宽对信号采样频率 的限制。 ( 5 ) 谐波抑制的措施。即利用电力电子技术的最新进展，研究治理谐波污 染的实用方案。谐波治理一般通过两种方式进行：抑制和补偿。前者主要通过采 用新型的控制方式，降低电力电子装置的谐波产生效应；后者主要通过在输电线 路上叠加谐波电压或在母线上注入附加的谐波电流而实现，具体措施是装设有 源、无源或混合型的电力滤波器( h p f ) 。 ( 6 ) 其它基本概念的研究，如谐波标准、管理法规等，也属于谐波研究的 范畴。1 9 8 4 年，原水电部颁发了电力系统谐波管理暂行规定，1 9 9 3 年国家技 术监督局批准并颁发了电能质量一公用电网谐波g b t - 1 4 5 4 9 9 3 ( 以下简称 “国标”) ，促使电力部门和电力用户采取措施，把电网的谐波水平控制在允许的 范围内，保证供电质量，防止谐波危害，以获得良好的社会经济效益n 3 1 。 1 2 2 无功补偿研究现状与发展趋势 伴随着电力设备的发展和各种新型控制方法的提出，无功补偿装置经历了一 个由无源到有源，由分级调节到平滑调节，由单纯补偿无功到无功补偿和滤波相 结合的发展道路，同时设备的体积不断减小，成本也不断降低乜7 | 。 ( 1 ) 早期无功补偿技术 早期的无功补偿装置主要有同步调相机和并联电容器。 同步调相机：同步调相机可理解为专用于产生无功功率的同步电机，可根 据需要控制同步电机的励磁，使其工作在过励磁或欠励磁状态下，从而发出大小 不同的容性或感性无功功率，因此同步调相机可对系统进行动态无功补偿。但因 其带有旋转电机，损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多 情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。 并联电容器：并联电容器可以改善线路参数，减少线路感性无功功率。并 联电容器简单经济、灵活方便，但其功率调节性能较差。与同步调相机相比，并 联电容器维护方便且节省费用，既可分散安装，又可集中补偿，是我国目前主要 的无功补偿方式。其缺点是阻抗大小固定，不能跟随负荷无功需求的变化。 7 同济大学硕士学位论文钢铁企业配电网谐波抑制与无功补偿研究 ( 2 ) 现代无功补偿技术 随着电力电子技术的发展，近几年出现了多种电力系统无功补偿新技术。无 功补偿在其性能和功能上也出现不同的发展阶段，主要是从基于t c r 的静止无 功补偿器、晶闸管控制串联电容补偿器t c s c 发展到基于g t o 的静止无功发生 器s v g 、静止同步串联补偿器s s s c 等。 静止无功补偿器( s v c ) 早期的静止无功补偿装置为饱和电抗器( s r ) 型，它通过控制绕组电流的 大小来改变绕组电感值以及补偿的无功功率从而稳定电网电压。s r 具有运行可 靠、响应快、过载能力强、产生谐波小等优点。但工作时其铁心需磁化至饱和， 因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性问题，所以未能占据静止无功补偿的主 流。 1 9 7 8 年美国西屋公司用晶闸管补偿装置投入实际运行。随后，世界各大电 气公司都竞相推出了各具特色的静止型动态无功补偿装置( s v c ) 产品。s v c 是一种快速跟踪负载变化的动态无功补偿装置，它通过控制晶闸管的导通角来快 速调节并联电抗器的大小或投切电容器组。它对调节负荷功率因数、稳定和平衡 系统电压、消除注入系统的高次谐波电流、平衡三相负荷等有显著作用。 s v c 是目前应用最为广泛的动态无功补偿装置，具有价格适中，技术成熟， 性能可靠的优良特性。更为关键的是装设于电力系统中的s v c 装置可以控制冲 击负荷引起的动态过电压，改善系统的暂态稳定性，抑制系统无功波动及电压振 荡。据不完全统计啪1 ，全世界目前正在使用的s v c 装置已超过一千套，总容量 超过1 0 0 g v a r 。由于s v c 具有优良的性能，所以十多年来占据了静止无功补偿 装置的主导地位。 按控制方式与控制对象的不同，s v c 可分为晶闸管控制电抗器( t c r ) ，晶 闸管投切电容器( t s c ) 以及这两者的混合装置( t c i m s c ) ，t c r 与固定电容 器( f c ) 配合使用的静止无功补偿器( t c r + f c ) 和t c r 与机械投切电容器( m s c ) 配合使用的装置( t c r 卜m s c ) 。 f c + t c r 是最为典型的s v c 装置，此种无功补偿装置的重要特性是它能连续 调节补偿装置的无功功率。它是依靠调节晶闸管的触发角实现动态补偿，具有快 速响应、可频繁动作以及分相补偿的特点，可应用于大型冲击性、快速周期波动 变化、不平衡、非线性负荷( 如电弧炉、轧钢机、城市二级变电站、远距离电力 传输、电力机车供电等) 的动态无功补偿领域。它能有效抑制这些负荷所引起的 电压波动问题，显著地解决电压畸变、波动和闪变问题，起着改善电能质量的作 用。近1 0 年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据了静止无 功补偿器的主导地位m 1 。 第1 章引言 静止无功发生器( s v g ) 静止无功发生器( s v g ) 也称为静止同步补偿器( s t a t c o m ) ，分为电压型 桥式电路和电流型桥式电路两种类型。 电压型桥式电路的直流部分采用电容器作为储能元件，交流部分通过串联电 抗器并入电网；电流型桥式电路，直流部分采用电感作为储能元件，交流部分与 电容器并联后接入电网。目前投入使用的s v g 大都采用电压型桥式电路，因此 s v g 往往专指采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装置。 与s v c 相比，s v g 具有如下几个优点船0 j ：调节速度快，运行范围宽，可以 在感性到容性的整个范围内进行连续的无功调节。此外，s v g 不需要大容量的 电容、电感等储能元件，谐波含量小。但因其价格较高，控制系统复杂，还不能 完全取代s v c 在动态补偿领域的作用。 各类无功补偿装置性能对比如表1 2 所示。 表1 2 各类动态无功补偿装置性能比较 其中，调相机补偿是早期的无功补偿装置，其成本高，安装复杂，正逐步被 淘汰。目前，国外的s v c 技术已经相当成熟并取得广泛的工程应用。尤其f c + t c r 型s v c 具有动态补偿性能好，响应速度快的特性，非常适合钢铁企业的冲击负 荷无功补偿。虽然s v g 具有诸多优点，但离广泛的工程应用还有待进一步研发， 目前尚未形成商品化，而且s v g 尚不具有s v c 可在不平衡情况下运行的优良品 质，损耗远大于s v c ，在节能效率上远不如s v c ，所以钢铁企业动态无功补偿 装置首选s v c 。 ( 3 ) 无功补偿国内外研究现状 以a b b 、s i e m e n s 、a l s t o m 为代表的国外企业是s v c 行业的技术领先 者，高电压等级、大容量的s v c 项目领域几乎全部被这些跨国公司垄断。以a b b 为例，从上世纪五十年代以来，共生产f a c t s 六百多套，其中，s v c 设备四百 9 一 硎 。蔷i 一： i ：毒 同济大学硕士学位论文钢铁企业配电网谐波抑制与无功补偿研究 多套，占据全球s v c 市场5 6 的份额口。但是由于国外s v c 产品造价昂贵，极 大地限制了s v c 在国内电力系统的推广应用，导致该领域市场潜力巨大但却处 于需求抑制的状态，目前国内本土企业正在积极开拓该部分市场。 国内对电力参数和无功补偿的研究开发起步较晚，测量仪器整体水平较低， 存在着检测指标少，效率低，实时陛不强，无功补偿往往和电力参数检测设备分 离等问题，但是近年来发展迅速。2 0 0 6 年国内各行业s v c 装机容量己突破5 0 0 万千乏，是前三年的总和；2 0 0 7 年的装机总容量达到1 5 0 0 万千乏，是2 0 0 6 年 的2 4 倍左右，增幅达1 4 0 口引。可见，s v c 的发展前景十分乐观，应用领域十 分广泛，未来成长空间非常巨大。 ( 4 ) 无功补偿发展趋势 随着电力电子技术日新月异的发展以及各门学科的交叉影响，无功补偿的发 展趋势主要有以下几点m 侧： 目前无功补偿技术还主要应用于低压系统。高压系统中由于受到晶闸管耐 压水平的限制，需要变压器降压后再接入电网，如用于电气化铁道牵引变电所等。 研制高压动态无功补偿装置，问题的关键是要解决补偿装置晶闸管和二极管的耐 压，即多个晶闸管元件串联及均压、触发控制的同步性等。 快速准确地检测系统参数，提高动态响应时间，快速投切电容器，以满足 条件较恶劣的工作情况( o n 大型冲击负荷或负荷波动较频繁的场合) 。随着计算 机数字控制技术和智能控制理论的发展，可以在无功补偿中引入一些先进的控制 方法，如模糊控制等。 由单一的无功补偿到滤波与无功补偿相结合。随着电力电子技术的发展和 电力电子产品的推广应用，供电系统或负荷中含有大量谐波。研制开发兼有无功 补偿与电力滤波器双重优点的晶闸管开关滤波器，将成为改善系统功率因数、抑 制谐波、稳定系统电压、改善电能质量的有效手段。 在电网改造中，运行单位往往需要在配电变压器的低压侧同时加装无功补 偿控制器与配电综合测试仪，因此无功补偿控制器与配电综合测试仪一体化也是 无功补偿发展方向之一。 1 3 加装谐波抑制与无功补偿装置的效益分析 由1 1 节分析可知，钢铁企业作为用电大户，轧钢机、电弧炉等冲击性负荷 容量大、谐波含量高、功率因数低，更需要加装谐波抑制与无功补偿装置，消除 影响，避免事故发生。下面以几个例子分析钢铁企业加装谐波抑制与无功补偿装 置的效益： 1 0 第1 章引言 ( 1 ) 南昌钢铁有限责任公司加装滤波装置避免事故 南钢冶炼厂的电弧炉变压器型号为h s s p 7 2 0 0 6 ，分别用1 2 k m 架空线接至 6 k v 母线i i 、i 段运行。由于电弧炉负荷对电力电网呈现非线性，使得大量谐波 注入电网，尤其以2 、3 次谐波最为严重，导致供电电压畸变，劣化电能质量， 容易与总降变电站的电容器组发生谐振，影响电气设备的安全运行。该公司二总 降系统的电气故障统计数据表明：6 k v 系统谐振过电压所引发的事故共有7 起口 。 为抑制电弧炉产生的谐波，避免事故再次发生，该公司在2 撵电弧炉上装设了滤波 器。 电弧炉装设滤波装置后避免了事故发生，保障安全生产有序进行，同时吨钢 电耗明显下降了1 3 5 9 ，取得显著的节能效果，这主要是由于滤波装置提供无 功补偿使变压器及输电线路的有功损耗降低。另外，装设滤波装置后每炉钢平均 冶炼时间由原来的1 2 0 r a i n 缩短到1 0 5 1 1 0 m i n ，提高了电炉的日产量。 ( 2 )