（电气工程专业论文）svc无功补偿装置在交交变频调速系统的应用研究.pdf

山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em o v e m e n to fr e a c t i v ep o w e ri n f l u e n c e st h ep o w e rf a c t o ra n dp o w e r s u p p l yq u a l i t y t h es v cr e a c t i v ep o w e rd y l l a l n i cc o m p e n s a t i o nu n i t st h et e x t m e n t i o n e di sas o r to ft y p i c a lc o m p e n s a t i o nu n i t so nt h es p o t , i t sa p p l i c a t i o n sp a s s3 0 s d e v e l o p m e n t , i tb e c o m e sf u l l - b l o w nr e a c t i v ep o w e rd y n a m i cc o m p e n s a t i o nt e c h n o l o g y a n d a p p l i e sf a r - r a n g i n ga l lo v e rt h ew o r l d c y c l o c o n v e r t e rf r e q u e n c yc o n v e r s i o na n ds p e e da d j u s t a b l es y s t e mf o rt h er o l l i n g m i l li sat y p i c a li m p a c t i v el o a d i t so p e r a t i o nb r i n g st h ep o w e rs y s t e mr e a c t i v ep o w e r i m p a c ta n dal o to fh a r m o n i c s a sar e s u l t , t h ef l u c t u a t i o no ft h es y s t e mv o l t a g e , d i s t o r t i o nr a t eo ft h ev o l t a g ew a v ea n do t h e rp a r a m e t e r sa l eo u to ft h el i m i t a t i o no ft h e n a t i o n a ls t a n d a r d t h i ss e r i o u s l yt h r e a t e n st h es a f eo p e r a t i o no ft h ep o w e rs u p p l y s y s t e m i nt h i s a r t i c l e , w em a k e 锄a n a l y s i so ft h eh a r m o n i ci n f l u e n c eo ft h e e y c l o c o n v e r t e rf r e q u e n c yc o n v e r s i o nc o n t r o ls y s t e mt ot h ep o w e rs y s t e m ；s t u d yt h e r e a c t i v ep o w e ra n dt h eh a r m o n i cc h a n g ed u r i n gt h er o l l i n g ；m a k eat h e o r e t i c a l c a l c u l a t i o no nt h ep o w e rf a c t o r , v o l t a g ef l u c t u a t i o n , d i s t o r t i o no ft h ev o l t a g ew a v ea n d o t h e rp a r a m e t e r so ft h ep o w e rs u p p l ys y s t e m ；a n dm a k ead e t a i l e da n a l y s i sf o rt h e c a l c u l a t e dd a t aa n dt h et e s t e dd a t a f i n a l l yt h ec o n c l n s i o ni s ：as e to fr e a c t i v ep o w e r d y n a m i cc o m p e n s a t i o nu n i tm u s tb ei n s t a l l e do nt h eb n s b a ro ft h ep o w e rs y s t e mt o i r e d u c co fe l i m i n a t et h eh a r m f u le f f e c t i nt h i sa r t i c l e ，w ed e e p l ys t u d yt h ep h i l o s o p h yo fa l lk i n d so fr e a c t i v ep o w e r d y a d i cc o m p e n s a t i o nu n i t sa n dt h ed e s i g np h i l o s o p h yo ff i l t e r s b a s e do nt h a t , w e b r i n gf o r w a r dt h es y s t e m a t i cs o l u t i o no fa d o p t i n gt c rr e a c t i v ep o w e rd y n a m i c c o m p e n s a t i o nu n i t i nt h i sa r t i c l e , w eg i v et h ed e s i g np a r a m e t e r sa n dt h ed e s i g ns o l u t i o n t 0 山ec o n t r o ls y s t e mo ft c rr e a c t i v ep o w e rd y n a m i cc o m p e n s a t i o nu n i t c o n s i d e r i n g t h a tt h ec y c l o c o n v e r t e rc o n v e r t e rg e n e r a t es i d ef r e q u e n c ya n dal o to fo t h e rh a r m o n i e s b e s i d e s5 血，7 t h , 1 1 也a n d1 3 mh a r m o n i c s ，w em a k et h es o l u t i o ns e l e c t i o nf o rt h ef i l t e ru n i t , c o n f i 册t h et y p eo ft h ef i l t e ra n dm a k et h ee n g i n e e r i n gc a l c u l a t i o nt ot h ep a r a m e t e r so f t h ef i l t e r s t c r + f ct y p eo fs v cc a na d j u s tt h ec a p a c i t a n c ei m p e d a n c ea n di n d u c t a n c e i m p e d a n c eo ft h r e ep h a s i cp o w e rs u p p l yt oc o m p e n s a t er o l l i n gm i l ls y s t e m i ci m b a l a n c e t h r o u g ha d o p t i n gs e p a r a t ep h a s i cc o n t r o l ，s oi tr e d u c e st h ew a s t a g eo f3 5 k vp o w e r s u p p l yn e t n 坐奎奎堂堡主堂笪笙奎 t h es o l u t i o ng i v e ni nt h i sa r t i c l ei ss u c c e s s f u u yu s e da n dc a r r i e do u ti nt h e p o w e r s u p p l ys y s t e mo fj i g a n gm e d i u mp l a t ep l a n t i nt h i sa r t i c l e ，w eg i v et h et e s t e dd a t ao f v o l t a g ef l u c t u a t i o n , h a r m o m cc u r r e n t , b u s b a rv o l t a g ed i s t o r t i o nr a t e , p o w e rf a c t o ra n d o t h e rp a r a m e t e r ss m c et h es y s t e mw a s p u ti n t ou 辩a n da n a l y z ei nd e t a i l e dt ot h ee f f e c t o ft h es y s t e ma p p l i c a t i o n i ts h o w s , t h ed e s i g n e ds y s t e me f f e c t i v e l yr e s t r a i n e d t h e i m p a c to ft h er e a c t i v el o a dt ot h ep o w e rs y s t e m ，m e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ed c s i p 皿 a n dg e ta g o o ds o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t k e y w o r d s ：c y c l o c o n v e r t e r f r e q u e n c y c o n v e r s i o n , r e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o n , t c r , s v c i 山东大学硕士学位论文 符号说明： ：n 次谐波电压含有率 ：第n 次谐波电压有效值 ：基波电压有效值 ：n 次谐波电流含有率 ：第n 次谐波电流有效值 ：基波电流有效值 ：谐波电压含量 ：谐波电流含量 ：电压谐波总畸变率 ：电流谐波总畸变率 ：系统电导 ：系统电纳 ：滤波器电导 ：滤波器电纳 ：电流谐振点的谐波次数 ：n 次滤波器分配的无功补偿量 ：系统额定线电压 ：电阻的额定电流 ：电容的额定电压 ：电容的额定容量 ：电感的额定电流 ：通常为电抗器的额定电流，a ： ：电抗器电压电流特性曲线的斜率 ：饱和电压，v ：整流电压系数 ：整流电流系数 ：电机铜耗比 q 一 ：总无功补偿量 q 。：第n 次谐波补偿量 i 。：第n 次谐波电流值 6 。、6 ：等值频率失谐度 卢：电抗器导通角 a：触发角 下标说明： f n 一表示第甩次单调谐滤波器 s n 一表示系统 c n 一表示电容器 u i n d 职u u 职l l u l州州瓯艮“风mkk k k u k e k 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名： 盆益豳日期：塑丝生壁1 2 璺 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或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；本人授权山东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、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：鱼虹导师签名：互垄量莓日 期： 山东大学硕士学位论文 引言 近年来，随着全球工业化进程的不断加快，对地球环境的污染和破坏也空 前加剧。为此，在全世界范围内掀起了环境保护的热潮。电力系统也是一种“环 境”，也面临着污染，仅电网中的谐波电流和谐波电压就是对电网环境最严重的 一种污染。因此，抑制谐波和提高功率因数已成为电力电子技术、电气自动化 技术及电力系统研究领域所面临的一个重大课题，正受到越来越多的关注m 。 无功功率的变化直接影响着用户的功率因数及供电电压质量。电动机无功就 地补偿技术虽然很简单，数十年前人们早已在工厂应用，但真正得到大规模推 广应用，仅不过十多年历史。就地补偿效益虽好，但推广应用电动机无功就地 补偿技术却经过了漫长的时间，在国内如此，在国外工业发达国家亦如此。 电动机无功就地补偿技术的蓬勃发展到今天不过十多年历史，这是由于传统 电力电容器损坏率较高。电动机寿命极长，很少故障损坏，安装在电动机边上 的电容器却常出故障而工人不愿使用；传统的电力电容器能损较大，因为电容 器功率小，相对能损要比由变电所安装的大容量电容器或调相机供给无功功率 的能损要大；而传统的电力电容器造价较高，而又经常损坏，相对就不经济了， 这个因素也影响了无功就地补偿技术的推广应用；同时，传统小功率电力电容 器尺寸较大，在电动机旁安装要占较大空间，增加厂房造价。由于以上原因， 电动机就地无功补偿技术迟迟不能推广。 到2 0 世纪8 0 年代，研制成功低造价、小尺寸、低损耗、高寿命的小功率电 容器之后，2 0 世纪8 0 年代末到9 0 年代，在工业发达国家电动机无功就地补偿 技术推广极快。嘲 我国在2 0 世纪9 0 年代，从国外引进了多条这种新颖的电力电容器生产线， 为电动机无功就地补偿技术的推广应用创造了条件。1 9 9 6 年5 月国家科委、电 力部在上海召开电动机无功就地补偿技术大会，在会上上海宝龙节能电器厂介 绍了推广应用无功就地补偿技术的经验。s v c 静止型动态无功补偿装置是一种 典型的就地补偿装置，它的应用经过了近3 0 年的发展，已成为相当成熟的动态 无功补偿技术，全世界得到了广泛的应用! 随着济南钢铁集团总公司生产规模的扩大，小型准连轧厂、1 7 0 0 热连轧厂、 冷轧厂、中板厂粗轧机三辊改四辊改造工程相继投产，这些设备都是冲击性负 荷，且控制系统大多是交交变频调速系统，自投产以来，在生产过程中产生了 i 山东大学硕：b 学位论文 大量的谐波及电压波动，对为其供电的总降压变电站及其所挂接的负荷带来了相 当的影响，严重影响了正常生产秩序。中板厂粗轧机三改四工程以后，我们对供 电系统进行了全面测试，经过测试，母线电压总畸变率达5 0 6 ，远远超过国标 限值3 ，同时3 次、5 次、7 次、1 0 次至1 3 次谐波电流均远远超过国家限值， 因此增设动态无功功率补偿装置、提高电能质量已成为当务之急。 经过分析论证及工程实践，针对交交变频轧机负荷的固有特性，采用 t c r + f c 型的s v c 装置是对系统进行综合治理的最经济、最有效的方法，自8 0 年代已被广泛用于类似负荷的电能质量综合治理工程中。 本文即是围绕济钢中板厂粗轧机全数字交交循环变频器对电网的危害进行 了深入细致的分析，提出了解决方案，对所选择的动态无功功率补偿方案进行了 严谨深入的理论研究工作。该系统投用以来，减少了系统电压波动，提高了功率 因数，大大改善了电能质量，保证了正常的生产秩序。 山东大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 无功功率的危害及本课题的研究背景 无功功率对电能质量的影响及所造成的危害 电能质量的基本指标有： 供电电压偏差( 3 5 k v 及以上为正负偏差绝对值和不超过1 0 ) 电压波动和闪变 电网谐波及电压总谐波畸变率、各次谐波电压含有率 三相电压不平衡度( 允许值为2 ，短时不得超过4 ) 频率偏差允许值为0 2 h z 暂时过电压和瞬态过电压【3 1 1 、电压波动和闪变的影响 a 、供电电压的波动，引起异步电动机转距的摆动，将影响象造纸、纺织等 装置的有效运转； b 、供电电压的波动会减少电弧炉有功功率的吸收，降低电炉的出力，影响 产量： c 、电压波动和闪变会引起照明灯闪，造成对人眼的刺激； d 、电压波动和闪变会造成电视图象抖动，影响收视效果。 2 、电压不平衡及负序的影响 a 、当电动机承受三相不平衡电压时，负序电压将产生与正序相反的旋转磁 场，引起定转子的附加损耗和附加振动，减少使用寿命； b 、三相电压不平衡和负序电流将引起以负序分量启动的多种继电保护装置 的误动； c 、三相电压不平衡使整流和换流设备产生附加的谐波电流( 非特征谐 波) ： d 、电压不平衡使发电机的容量利用率下降； 3 、谐波的影响 a 、谐波对旋转电机的影响 电动机吸收谐波电流会引起附加损耗，产生机械振动和噪声，引起谐波 过电压； 山东大学硕士学位论文 b 、谐波对变压器的影响 较大的谐波电流穿过变压器形成的谐波磁场会引起变压器附件的发热， 并导致局部过热，谐波会使变压器的噪音增大； c 、谐波对输电电缆的影响 由于电缆的分布电容对谐波有放大作用，在电网低谷、电网电压升高时 使谐波电压升高，造成电缆局部放电、介损和温升增大，易导致电缆故 障； 。 d 、谐波对通讯的干扰和影响 谐波通过电容耦合、电磁感应和电气传导等构成对通信线路的干扰； e 、谐波对电度计量的影响 对于采用感应系机构的电度表，谐波会引起电度计量的误差，其结果将 导致：产生大量谐波的用户少付电费，而线性用户反而多付电费； f 、谐波对继电保护、自动装置等的影响 在谐波和负序的共同作用下，电力系统中以负序滤过器为启动元件的多 种保护和自动装置会产生误动。 现代轧钢机传动装置的机组容量日益增大，有的达数万千瓦，而且其负荷 变动异常剧烈，特点是重复冲击，速度周期变化。有的机组工作时，有功尖峰负 荷可达额定容量的1 8 0 ，周期约为数秒。与激烈的有功功率变动相适应，无功 功率亦以相同程度发生波动，而且这种负荷上升的时问约为0 2 s 左右。如果系 统容量足够大，则有功功率波动对系统频率几乎没有什么影响。但是无功功率波 动就要引起工厂母线电压波动，并且根据工厂供电系统情况，对地区电力系统也 有一定影响【4 j 。 交一交变频传动是一种在大功率低速范围内广泛采用的交流调速方案，正 在轧机传动系统中逐步取代传统的大功率直流调速，取得了良好的技术经济效 益。但由于交流调速基本上都是靠改变触发角a 来实现调压调频的，即所谓的相 控技术，基于这种传统相控技术的电力电子装置存在着网侧功率因数低、投入运 行时向电网注入谐波电流两大问题【列。其对电网影响主要特点是： ( 1 ) 与“电动发电”变流机组不同，冲击负荷无缓冲地直接反映到电网中 去。 ( 2 ) 大幅度调整时，尤其是低电压调速时，无功消耗增大，功率因数降 低，因而无功功率冲击造成的电压波动更大。 ， 2 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) 由于晶闸管调相调压的非线性特点，产生高次谐波分量，造成电网电 压波形畸变，使电压质量下降。 济钢中板厂三辊粗轧机是劳特式粗轧机，轧制力小，最大轧制力仅为 1 5 0 0 k n ，不能满足大压下量的要求，为了全面提高产量，使轧机生产能力达到 1 5 0 万吨年，粗轧机进行了改造，将劳特式粗轧机改为四辊轧机。这次改造， 主传动控制系统选用了交交变频调速系统，调节系统采用了西门子公司生产的 s i m a d y n - d 全数字交交变频控制系统。中板厂2 5 0 0 m m 四辊粗轧机于0 5 年3 月2 0 日投入生产，投产以来，在生产过程中产生的电压波动，严重影响了同在 一个降压变电站供电的小型准连轧厂、制氧厂生产，电压降造成小型厂准连轧多 次产生拉钢、堆钢事故，根本无法正常生产。为此，我们对粗轧机轧制过程中无 功功率、谐波变化情况进行了研究，对为轧机供电电网的功率因数、电压波动和 电压波形畸变等指标进行了详尽分析。最后得出结论：中板厂粗轧机冲击无功负 荷对电网影响较大，各项指标均超过国家标准。为减小乃至消除这些不良影响， 必须在电网母线上装设一套动态无功补偿装置。 1 2 无功补偿的发展及研究现状 1 2 1 谐波抑制 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一 条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波都是适用的；另一条是对电力 电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为1 ，这只适用于 作为主要谐波源的电力电子装置。 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用l c 调谐滤波器。这种方法既可补偿 谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主要缺 点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放 大，使l c 谐波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果 也不甚理想。尽管如此，l c 滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段。 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器。有源电力谐波器 也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流。由补偿装 置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含 基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性 不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视，并且已在日本等国获得广泛应用。 3 山东大学硕士学位论文 1 2 2 无功补偿 在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无获 得公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿重要 性的认识，却是一致的。无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波无功功 率的补偿。无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元 件的阻抗主要是电感性的。因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求送电端 和受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现；而为了输送无功功 率，则要求两端电压有- 幅值差，这只能在很窄的范围内实现。不仅网络元件消 耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率，网络元件和负载所需要的无功功 率必须从网络中某个地方获得，显然，这些无功功率如果都要由发电并经过长距 离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是在需要消耗无功功率的 地方产生无功功率f 6 j 。 无功补偿的作用主要有以下几点： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电中合适的地 点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 ( 3 ) 在电气化铁道等三相负载不平衡的场合，通过适当无功补偿可以平衡 三相的有功及无功负载 7 1 。 早期无功补偿装置的典型代表是同步调相机。同步调相机不仅能补偿固定 的无功功率，对变化的无功功率也能进行动态补偿。至今在无功功率补偿领域中 这种装置还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。但从总 体上说这种补偿手段已显陈旧。 并联电容器的成本较低。把并联电容器和同步调相机比较，在调节效果相 近的条件下，前者费用要节省得多。因此，电容器的迅速发展几乎取代了输电系 统中的同步调相机。但是和同步调相机相比，电容器只能补偿固定的无功功率， 在系统中有谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大，电容器因此而烧毁的 事故也时有发生【8 】o 静止型无功功率补偿装置( s v c ) 近年来获得了很大发展，已被广泛应用于输 电系统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载无功补偿。其典型 代表是固定电容器+ 晶闸管控制电抗器。晶闸管投切电容器也获得了广泛的应 用。静止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。这种连 4 山东大学硕士学位论文 续调节是依靠t c r 中晶闸管的触发延迟角口得以实现的f 9 l 。t s c 只能分组投 切，不能连续调节无功功率，它只有和t c r 配合使用，才能实现补偿装置整体 无功功率的连续调节。由于具有连续调节的性能且响应迅速，因此s v c 可以对 无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变。因t c r 装置采用相控 原理，在动态调节基波无功功率的同时，也产生大量谐波，所以，固定电容器通 常和电抗器串联构成谐波滤波器，以滤除t c r 中的谐波。 比s v c 更为先进的现代补偿装置是静止无功发生器。s v g 也是一种电力电 子装置。其最基本电路仍是三相桥式电压型或电流型变流电路，目前使用的主要 是电压型。s v g 和s v c 不同，s v c 需要大容量的电抗器、电容器等储能元件， 而s v g 在其直流侧只需要较小容量的电容器维持其电压即可f 1 0 1 。s v g 通过不同 的控制，既可使其发生无功功率，呈电容性，也可使其吸收无功功率，呈电感 性。 1 3 本课题的主要工作 经过分析论证及工程实践，针对交交变频轧机负荷的固有特性，采用 t c r + f c 型的s v c 装置是对轧机系统进行综合治理的最经济、最有效的方法， 自8 0 年代已被广泛用于类似负荷的电能质量综合治理工程中。 本文即是围绕济钢中板厂粗轧机全数字交交循环变频器对电网的危害进行 了深入细致的分析，提出了解决方案，对所选择的动态无功功率补偿方案进行了 严谨深入的理论研究工作。具体工作有以下几个方面： ( 1 ) 深入分析研究了动态无功补偿装置的原理、滤波器设计原理，在综合 分析的基础上，进行了方案的优选与设计，提出了实际应用中采用的补偿方法。 ( 2 ) 分析了交交变频控制系统对电网功率因数、谐波的影响。 ( 3 ) 对轧机正常运行过程产生的无功冲击、电压波动进行了理论计算及分 析。 ( 4 ) 对中板2 5 0 0 r a m 轧机投入运行后的供电系统进行了参数测试，在测试 的基础上对系统谐波含量、电压波形畸变率等参数进行了分析，对电能质量进行 了综合评估。 ( 5 ) 进行了滤波器系统方案选择、参数设计。 ( 6 ) 进行了t c r 型动态无功补偿装置的补偿容量设计计算、电抗器回路 参数设计、控制系统设计说明。 ( 7 ) 利用仿真软件对系统设计进行仿真。 5 山东大学硕士学位论文 ( 8 ) 本课题的研究设计是基于工程实际应用，因此课题最后对设计装置投 入运行的实际应用效果进行了现场测试、分析。 2 滤波器及无功功率补偿装置设计的基本原理 2 1 交一交变频器谐波分析 交一交变频电路又称为周波变流电路，是将交流电能从一种频率变为另一 种频率的电力电子装置，被广泛应用于低速、大容量的交流调速场合。目前，常 用的周波变流装置一般均采用普通晶闸管构成的三相桥式电路或1 2 相电路，利 用电网电压进行换相，通过相位控制的方法来得到所需要的正弦电压输出波形。 由于采用相位控制，周波变流电路的输入端需要提供滞后的无功电流，致使系统 的输入功率因数较低【1 1 1 。另外，由于输入电流受到输出波形的调制，使输入电 流中不仅含有一般整流电路中的特征谐波，而且含有与输出频率有关的谐波，使 得整个输入电流的频谱非常复杂，更何况周波交流装置的容量一般都很大，因此 其谐波和无功功率对电网的影响不容忽视【1 2 】。 周波变流电路输入电流中的谐波可以分为两部分：一部分仅与输入频率、 输出频率及相数有关，与变流器的结构无关，即特征谐波；另一部分则不仅与输 入频率、输出频率及相数有关，而且与变流器结构有关，这一部分实际上包括相 同结构整流器的特征谐波以及其触发延迟角受至d 调制所产生的旁频成分f 明。 三相输出交交变频器的输入电流波形在幅值及相位两方面受到调制，用解 析方法计算这种调制波形的频谱是很困难的，即使算出结果，由于计算中的简化 也使解析偏离实际值较远，通常采用仿真方法分析频谱，先通过仿真得到输入电 流波形。然后用快速傅里叶变换求频谱。 三相输出变频器的输出是角频率为的三相对称电流。每经过l 为周期 、 一 w o t ，竺，第二个变流器的输入及输出就重复原来第一个变流器的波形，第三 3 个重复第二个，第一个重复第三个。 “训吨( 咿等) 吒( 咿等) 6 ( 2 1 ) 山东大学硕士学位论文 三相输出变频器的总输入电流是这三个分输入电流之和，它的波形在一个 输出周期2 卅嘞中将重复三次，因此三相输出变频器的总输入电流的调制角频 率是6 ，旁频率应为6 ，各次谐波的频率为 = f ( ”i k 6 l + l f 6 碥 ( 2 2 ) 上述讨论是基于理想情况，在实际运行时，由于触发脉冲不对称、无环流 时等因素影响，还会引入一些z 厶、4 ，o 的旁频【1 4 1 。 2 2 滤波器设计 2 2 1l c 滤波器的结构和基本原理 i c 滤波器是传统的谐波补偿装置。就目前情况而言，抑制谐波的方法可分 为两大类【1 5 】： ( 1 ) 补偿的方法：设置l c 滤波器、有源电力滤波器属于此类方法。 ( 2 ) 改造谐波源方法：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。 在各种方法中，i c 滤波器出现最早，且存在一些较难克服的缺点，但因其 具有结构简单、设备投资较少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此至 今仍是应用最多的方法。 l c 滤波器也称为无源滤波器，是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合 而成的滤波装置，与滤波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。 l c 滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等几种。 滤波器大致可分为如图2 1 所示六种类型。 单调谐滤波器通频带窄，滤波效果好，损耗小，调谐容易，是使用最多的 一种类型，如图2 1 a 示。 双调谐滤波器可代替两个单调谐滤波器，只有一个电抗器伍，) 承受全部冲 击电压，但接线复杂，调谐困难，仅在超高压系统中使用，如图2 1 b 示。 一阶高通滤波器因电容太大，基波损耗也太大，一般不采用，如图2 1 c 示。 二阶高通滤波器通频带宽，滤波效果好，但损耗比单调谐大，通常用于较 高次谐波，如图2 1 d 示。 7 山东大学硕士学位论文 三阶高通滤波器提高了滤波器对基波频率的阻抗，从而大大减少基波损 耗，但滤波效果不如二阶高通滤波器，一般用于电弧炉滤波，如图2 1 e 示。 “c ”式高通滤波器滤波性能处于二阶和三阶高通滤波器之间，r 的基波损 耗最小，用于电弧炉滤波，对二次谐波特别有效，如图2 1 f 示。 盲 l j l f f r a ) b 、 l 2 r 2 ll d )e )f ) 图2 1各种类型滤波器接线 2 2 2 滤波器的设计准则 ( 1 ) p c c 点谐波电压、电流含有率计算【1 6 j 矗次谐波电压含有率以艘以( h a r m o n i c r a t i o u n ) 表示。 h r u - 瓦w n j o o ( ) ( 2 3 ) 式中：配一第, 次谐波电压有效值( 方均根值) u 一基波电压有效值。 n 次谐波电流含有率以h r 表示。 h r 。= 每m ，( ) c 2 m 式中：厶一第一次谐波电流有效值( 方均根值) n 一基波电流有效值。 8 l c 2 卫斟 山东丈学硕士学位论文 谐波电压含量u h 和谐波电流含量i h 分别定义为 吣画 小耵 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 电压谐波总畸变率t h d u ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和电流谐波总畸变率 t h d i 分别定义为 弧一瓷，o o ( ) ( 2 7 ) 1 3 - i 即昔，o o ( ) c ( 2 ) p c c 点谐波电流限值【1 7 】： 设置l c 滤波器的主要目的是为了抑制电网中的谐波。为保证电能质量，我 国也相继制订和颁发了“电力系统谐波管理暂行规定”和“电能质量公用电网谐 波 等标准。 表2 1 公用电网谐波限值( 相电压) 各次谐波电压含有率( ) 电网标称电压( k v ) 电压畸变率( ) 奇次偶次 3 53 o2 1 41 2 表2 2 谐波电流允许值( 按最小短路3 0 5 m v a 换算) 谐波 3 4567891 01 11 21 3 次数 允许 1 4 6 49 3 91 4 6 46 2 21 0 7 44 6 45 0 03 7 86 8 33 1 75 7 3 值 9 山东大学硕士学位论文 在设计i j c 滤波器时，首先应满足各种负载水平下对谐波限制的技术要求， 然后在此前提下，使滤波器在经济上最为合理。根据国家标准，各项电能质量指 标和功率因数应满足规定标准。 2 - 2 3 单调谐滤波器设计原理 ( 1 ) 单调谐滤波器工作原理f 1 8 l 图2 2 为单调谐滤波器的电路原理图，滤波器对彪次谐波( 吐- j l 虬) 的阻抗 为 z m 以一j l ( 删, l - - n 2 q - - 1l ) ( 2 9 ) 式中：加表示第珂次单调谐滤波器。 皑工频角频率 由上式画出滤波器阻抗随频率变化的关系曲线，如图2 2b 所示 1 0 a ) 电路原理图 r 1 2 1 1 ( 9 s b ) 阻抗频率特性曲线 图2 2 单调谐滤波器原理及阻抗频率特性 山东大学硕士学位论文 单调谐滤波器是利用串联、c 谐振原理构成的，谐振次数 为q i c 在谐振点处，z i r 自，因rj i l 很小，玎次谐波电流主要由r 自分流，很少流入 电网中。而对于其他次数的谐波，z 。”r 。，谐波器分流很少。因此简单地说， 只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将大部 分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。 ( 2 ) 单调谐滤波器的失谐度 在进行单调谐滤波器设计时，首先需考试滤波器失谐问题。 电力系统在实际运行时的频率正与其额定值，j ，总有一定偏差，这将使各 次谐波频率发生相应的偏移。这样，当取滤波器的谐振频率与系统额定频率下的 某次谐波频率相等时，在系统频率发生偏移时两者不再相等。这时，滤波器阻抗 偏离其极小值，使滤波效果变差，这种情况称为滤波器的失谐【1 9 1 。另外，电容 器和电感线圈的参数，在运行过程中会因周围温度的变化、自身发热和电容器绝 缘老化等影响而发生变化，在安装和调试过程中也会存在误差，从而使实际参数 和相应的谐振频率偏离设计值，导致滤波器失谐。 实际的工频角频率埘对q 有一定偏差，其差值为= q q ，其相对偏 差6 为6 一h q m 于是 r，1 z 向以向叫n o 椰址一面蒜i q 1 0 ) 定义滤波器的调谐锐度( 品质因数) 为谐振频率q 下或c 的电抗x 。与 r 。的比值日： a 。坐。! 。4 l c ( 2 1 1 ) a 互置i t 一 ， 1 r 自n o j l c r mr 自 通常6 j ，62 0 ，由式2 1 0 、2 1 1 可得 z 扣5 月 ( - + 口国) = 彳。( 孝+ 口6 ) ( 2 1 2 ) 山东大学硕士学位论文 i z 加卜r 向厢。厢 ( 2 1 3 ) 实际上，造成滤波器失谐的原因不仅是角频率的偏差a t o ，而且有电感值的 偏差三、电容值的偏差a c ，因此进一步考虑由电感线圈、电容器引起的失 谐，上两式中的引立由6 。替换【2 0 l 。6 。为等值频率失谐度，其最大值为6 。，设 计时，必须考虑可能的最大正偏差+ 6 。和最大负偏差6 。 考虑失谐因素时，滤波器的性能不是简单的由谐振频率下的阻抗来决定 的，还取决于谐振频率附近的阻抗特性。为此引出通频带p b 的概念。滤波器的 通频带p b 规定为在等效频率偏差6 。范围内z 。的最小值( r 。) 与最大值之比 为2 一o 7 0 7 。由式2 1 3 ，可得q - 1 1 6 。，因为6 。一( - t o t ) t 0 1 。则 q 一p b ( = n t o j 滤波器的谐振频率) a 则：p b - 2 “n k n t 0 1 ) 。可见， 滤波器的4 值与通频带宽度p b 成反比关系，q 值越大，通频带越窄【2 l 】。图2 3 为单调谐滤波器阻抗与等值失谐度的关系。图中曲线a 、b 的r 。相同，曲线 b 、c 的x 。相同，它们有同一条渐近线d ( 对应于r 。t 0 ) ，渐近线的方程式 为l z 。l 一x 。1 6 i ，图中a 、b 、c 、d 的参数如表2 3 所示。 表2 3 图2 3 中四条曲线对应的参数 曲线r 。( q )局一( q )q 6 。 a1 0 5 0 05 0j b1 02 5 0 2 52 c52 5 05 01 do2 5 0 1 2 山东大学硕士学位论文 图2 3 单调谐滤波器阻抗与总失谐度的关系 由图2 3 和表2 3 可以得出，比较曲线a 和b ，谐振阻抗z 向。r 一l o f 2 ， 也就是说对于某系统来说滤波效果相同，目值越大则通频带越窄，失谐频率对滤 波效果影响越大，即口值越小越好；比较曲线a 和c ，品质因数q 相同，也就是 通频带相同，w - j v 4 的失谐度对滤波效果影响相同，但谐振阻抗zm 。r m 越小，总 的滤波效果较好。 考虑到各滤波回路之间的影响，及系统阻抗的影响，一般设计滤波器的谐 振频率选择偏左阎。根据工程设计经验，通常取谐振点；( 口9 5 一o 9 8 ) n 。品 质因数越小通频带越宽，同时品质因数口与滤波器损耗有密切关系，单调谐滤波 器口值一般取3 0 - 6 0 。 ( 3 ) 单调谐滤波器的损耗倒 单调谐滤波器的损耗主要是基波电阻的损耗，基波电阻的损耗功率为： p i r 1 ( 2 1 4 ) 山东大学硕士学位论文 式中：u ，一基波电压 r f 一基波电阻 设瓯- k ( n ) r ；，把q n c o l l r 。一n w 。l k ( n ) r ：- i n , o , c k ( n ) r ，代入式 2 1 4 得 u j 2 p 。 墨 ： 撕2 玎2 ( z 一言) + ( 2 1 5 ) 因为甩，k ( n b l ，所以由式2 1 4 可看出，对于1 1 , 次滤波器来说，保持r ，不 变。口值越大，基波损耗越小。 ( 4 ) 单调谐滤波器电流谐振1 2 4 j 滤波器与电力系统对于谐波源来说，可视为并联运行，其中滤波器阻抗 ( z 。) 低于特征频率时呈容抗，而电力系统阻抗( zm ) 般呈感抗，在一定条件下 会发生电流谐振。为说明方便，用导纳表示。系统谐波导纳： 瓦一丢一丽1 。纯+ 藏3 “z nr 。，+ j xs ，、h j “ 瓯一丽r s n 圯。丽- x s n 滤波器谐波导纳： i 1 。两1 _ g h , + j b 向 1 4 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) 山东大学硕士学位论文 印南 驴焘 ( 2 2 1 ) 总导纳为：k = l + 、g 一瓯+ g ，b 。- 比+ b 自， ( 式中 g 曲、民为系统电导、电纳；g 、口j l 为滤波器电导、电纳) 。故 u 。一l l 一，。阢+ j ，在曰。- 圯+ 口角- 0 时，发生电流谐振，km q 时导纳最小。谐波电压最大。忽略尺向和r 。时，+ 口自一0 。则 月，一x 。( x 。+ x ，。) ，( 式中行，：电流谐振点的谐波次数，其值小于滤波器 特征谐波次数) ，即：一，t - 如x 。，对于独立电容器组来说， x 。，0 ，则，l ，缸。，x ，。，利用该式可校验单组滤波器，带串联电抗器的电 容器组或独立电容器组与电力系统发生谐振次数以是否接近特征谐波次数或非 特征谐波次数嘲。n ，计算值最好偏离谐波次数整数值( 如3 次谐波的即，值应在 2 8 - 3 ，2 范围以外1 ( 5 ) 参数确定陋】 单调谐滤波器所要确定的参数有：电阻r 、电容c 、电感l ，电阻的额定 电流k f ，电感的额定电压u c n ，额定容量o c n ，电感的额定电流h 。 调谐在第h 次谐波频率的单调谐滤波器有关系： 以础。三 靠， ( 2 2 2 ) 由于系统的谐波电压最终要被限制在很小的数值内，可予以忽略，即可认 为系统交流母线电压只含基波分量u ( 扩这样，滤波支路除流过咒次谐波电流 i ( 。) 外，还流过由u ( ”引起的基波电流j 巾) 。 1 5 山东大学硕士学位论文 ，4 兰哪静 c o ，c 则滤波器的基波无功容量即补偿容量为： q 。“，。q j u c ，。，- 叻c ；乌u ( j 】2 则可确定电容器参数c 式中：q c ( 。) 一n 次滤波器分配的无功补偿量 尢一谐振次数 u o ) 一系统额定线电压 q 一基波角频率 根据式2 2 2 可求电感l ， ， 1 扣丽 根据式2 1 1 可求出滤波电阻值： r 自。型 ( 2 2 7 ) 窜 若电感内部所含电阻r 不够，则需外加串联电阻器。电感器本身的品质因数 用吼表示，则外加电阻器的阻值为： 1 6 上舻坐叫 艮 山东大学硕士学位论文 n r $ - r = v 芸 电容器的额定电压： j j u 。a 雨n 2 + 。巾儿 则电容器的安装容量： 如一譬 ( 2 2 8 ) 参数校核：容量平