（电力系统及其自动化专业论文）电能质量评估与决策功能的研究与实现.pdf

a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m ya n da d v a n c e m e n to ft e c h n o l o g y , v 盯c n e so fn e w e q u i p m e n t sa 豫 b e i n gw i d e l yu s e di ne a c hf i e m s e c u r i t ya n da o c u r a t i o no fe q u i p m e n t sf u n c t i o n i n gr e q u i r e sh i g h e r r e q u i r e m e n t so l lp o w e rq u a l i t y , h o w e v e r , n o n l i n e a rl o a d sb r i n gs e r i o u se l e c t r i c i t yp o l l u t i o n , w h i c h i n f l u c n c e ss y s t e mf u n c t i o na n dh a r m se l e c t r i c i t y - s u p p l y i n ge q u i p m e n t s s oi ti sn e c e s s a r yt oc u r et h e e l e c t r i c i t yp o l l u t i o n s i m u l a t i o n 。e v a l u a t i o n ，c u r eo fp o w e rq u a l i t yp r o b k m sm a k em u c h f o c u s e d0 1 1t h i s s u b j e c t ，p o w e rq u a l i t ys i m u l a t i o na n dd e c i s i o n m a k i n gs y s t e m ( p q s d s ) w a sc o n s u m m a t e d t h i st h e s i sf o c u s e so np o w e r q u a l i t ye v a l u a t i o na n dd e c i s i o n - m a k i n gb a s e d e x p e r ts y s t e m w i t h p r e m i s eo fp r a c t i c a ls p o tr e q u i r e m e n t s ，t h ep a p e rr a i s e st h ef r a m e w o r ko fp o w e rq u a l i t ye v a l u a t i o na n d d e c i s i o n m a k i n g , a n a l y z e sa n dd e s i 印si t sf u n c t i o ni nd e t a i l b a s e do nt h ea n a l y s i so fl o a dc h a r a c t e r i s t i c so f s u c hp o l l u t i o ns o u r c e sa se l e c t r i c & r cf u r n a c e ，e l e c t r i cr a i l w a ya n dp o w e rq u a l i t yc 彻t r o ld e v i c e s , e s t a b l i s h k n o w l e d g eb a s e ，a n dm a k ef u r t h e re x p l a n a t i o n so nd a t ab a s e ，r e a s o n i n gm a c h i n e , e x p o s i t o r , k n o w l e d g e a c q u i s i t i o na n do t h e r 嘲s u 慨f o r m i n gp o w e rq u a l i t ye x p e r te v a l u a t i o na n dd e c i s i o n - m a k i n gb r a n c h s y s t e m a tl a s t , a l le x a m p l eb a s e do ni e e e - 1 4b u ss y s t e mi sg i v e na tt h ee n do ft h i sp a p e r , w h i c hp r o v e st h e t a c t i c a l o f t h i ss y s t e m t h e d e v e l o p m e n t o f p q s d s i sa l s o m a d e k e yw o r d s ：p o w e rq u a l i t y ；h a r m o n i c ；e x p e r ts y s t e m ；e v a l u a t i o na n dd e c i s i o n - m a k i n gs y s t e m ；f i l t e r i n g 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 签名： 星薹e l 期：磁上， 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 签名： 猎 导师签名：夕气舢 日期：川- 硝 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的工程背景一电能质量问题 电能是人类生活中最重要的能源。一个理想的电力系统应以恒定的频率和正弦的波形。按规定 的电压水平对用户供电。在三相交流电力系统中，各相的电压和电流应处于幅值大小相等、相位互 差1 2 0 。的对称状态。由于系统规划不恰当、调控手段的不完善、负荷变化的随机性以及其他不可 预见的各种故障等原因，这种理想状态在实际当中并不存在，因此就提出了电能质量的概念 传统电能质量概念主要包括两个方面：频率偏移和电压偏移。 但是随着社会的发展，仅用这两个指标来表征电能质量问题是很不完善的。当代电力系统的发 展赋予了它新的内涵和意义。大量基于计算机系统的控制设备和电子设备投入使用，它们的性能对 电压质量非常敏感；同时。大量调速电机和无功补偿装置投入运行。这些设备的大量增加导致了系 统谐波水平的不断上升从而对电力系统的安全运行产生影响t 此外电力用户不断增长的电能质 量意识迫使电力公司提高供电质量，设法解决诸如失去电压、电压跌落和开关暂态等电能质量问题。 基于以上背景人们提出了新的电能质量概念。 目前，对电能质量这一术语尚未形成统一定义。i e e e 给出电能质量问题的一般解释为在供电过 程中导致电气设备出现误动作或故障损坏的任何异常现象，如电压凹陷、过电压、暂态、谐波畸变 和电气噪声等u l 。前一部分描述电能质量= 供电质量；后一部分给出电能质量问题在供电电压上的具 体表现，似乎界定在电能质量= 电压质量上“j 。但从电力系统与电力用户共同关心的内容看，可以认 为：电能质量= 供电质量= 电压质量+ 供电可靠性 电能质量评价参数通常可分为两个范畴。 ( 1 ) 由国际( 或国家) 标准明确定义的电能质量参数，如电压频率、偏差、波动与闪变、三相 电压不平衡度，谐波等。我国已形成的电能质量标准如表1 1 所示： 表1 1 电能质量国家标准摘要 标准编弓 标准名称允许限制说明 1 3 5 k v 及以上为正负偏差绝对值之和不超衡量点为供用电产权分界处或 g b ，r 1 2 3 2 5供电电压过1 0 ；电能计量点 - 2 0 0 3允许偏差 2 1 0 k v 及以下三相供电为士7 ； 32 2 0 v 单相供电为+ 7 ，1 0 。 电压变动d 的限值和变动频度r ( h 1 ) 有关： i 衡量点为电网公共连接点 当1 0 0 0 时对于低压c l v ) 和中压( m v ) d( p c c x 取实测9 5 概率值； = 1 2 5 4 对于高压( h v ) ，d = l ，o 嘶2 给出闪变电压限值和频度的关 3 ；对于随机不规则的变动d = 2 ( l v 、系曲线可以根据电压波动益线 m v ) 希id = 1 5 ( t t v ) ，闪变限值如下表：查得允许值。并给出算倒； g b l 2 3 2 6 电压波动 电压3 对测量方法和铡置仪器作出基 l vm vh v 等缓本规定； 2 0 0 0 和闪变 岛 1 o0 9 ( i o )o 8 嘞 0 8o 7 ( 0 8 )0 5 注： 1 括号中的值仅适用于所有用户为同电压 级的场合。 2 岛为短时间闪变；唯为长时间闪变。 东南大学硕士学位论文 标准编号标准名称允许限制说明 各级电网谐波电压限值( )1 衡量点为p o c ，取实铡9 5 概率值； 电压( k v ) 总畸变事奇次儡次2 对用户允许产生的谐波电流提供计算 0 粥54 02 0 方法； g b ，r 1 4 5 4 9 公用电同 6 、1 043 21 6 3 对测量方法和测量仪器作出基本规定； 9 3 和谐波 3 5 6 632 41 24 对同次谐波随机性合成提供算 i i o 2 i 6 o 8 ( 2 2 0 k v 电网参照1 1 0 k v 执行) i 各级电压要求一样； 2 衡量点为p c c 取实测9 5 概率值或日 g b 厂r 1 5 5 4 3三相电压允i 正常允许2 短时不超过4 累计超标不超过7 2 r a i n , 且每3 0 r a i n 中超 1 9 9 5 许不平衡度2 每个用户一般不得超过1 3 标不超过5 m i n ； 3 对测量方法和测量仪器作出基本规定 4 提供不平衡度算法。 i 正常允许4 - 0 2 h z ，当系统容量较 小时可以放宽到5 = 0 5 h z ： g b ，r 1 5 9 4 5电力系统频2 用户冲击引起的频率变动一般不 对测量仪器提出了基本要求。 - 1 9 9 5 率允许偏差得超过o 2 h z ，根据冲击负荷性 质和大小及系统条件可适当变动 限值。 以上标准是我国公用电网正常运行应满足的条件，其中公用电网谐波、三相电压允许不 平衡度、电压波动与闪变三项国标指明了扰动负荷接入公用电网应满足的条件。执行电能质 量国家标准是维护公用电网电能质量的基础。否则，未加治理的扰动负荷接入电网可能使其他负荷 的正常用电权益受到损害。 ( 2 ) 暂时尚无国际( 或国家) 标准，仅仅给出一些指标值供参考。这些参数包含了一些电压指 标和供电可靠性指标，如电压凹路( v o l t a g ed i p ) 、短期与中期电压中断。不能形成标准表明仍有大 量工作要做。但并不掩饰其重要性。一些敏感负荷在用电申请与电能质量投诉上已多次涉及该类问 题。 如果从电压的幅值和波形( 指非等幅正弦波) 上划分，所涉及的电压质量问题如下： 幅值j 题，如电压偏差、三相电压不平衡( 负序) 等； 波形问题，如谐波、电压波动与闪变等； 既有幅值问题又有波形问题，如过电压、电压凹陷、电压中断等。 与电能质量问题有关的电磁现象特征( 频率、持续时间、幅值大小) 见表i 2 。 表卜2 与电能质最有关的电磁现象 类别上升时间持续时间 瞬 冲 l5 n s i r e s 象 类别频谱持续时间电压幅值 瞬 振 低频 5 k h z0 3 5 0 m s 0 _ 4 p u 变中频5 5 0 0 k h z 2 0 i t s0 8 p u 现 荡 高频o 5 5 斌z5 p s o - 4 p u 象 2 第一章绪论 类别频谱持续时间电压幅值 瞬中断 o 5 3 0 丁 o 1p u 凸起o 5 3 0 丁o i - 0 9p u 短 间 凹陷 o 5 3 0 丁 1 1 加8p u 期 暂 中断3 0 7 0 3 s l m i n0 8 - 0 9p u 变动 过电压 i m i n 1 1 1 2p u 电压不平衡稳态o 5 一2 波 直流偏移稳态 0 - - 0 t 形 谐波1 0 0 次稳态 0 - - 2 0 畸 间谐波 0 - - 6 l 【i z 稳态o 一2 波形下陷稳态 变 噪声宽带稳态o l 电压波动 ， 。也可能出现l o , l h 。当l s h l h 时，称为系统谐波电流放大，或称为谐波电流放大；当i c p l h 时，称为电容器谐波电流放大；当l s p l h 和i c h l h 。同时发生时，称为谐波电流严重放大。 设电力系统基波等值阻抗为2 # r + j x , ，h 次谐波阻抗为z s a = r s h + ”通常躲憨 故可忽 略r s h ，在供电系统中作为无功补偿用的电容器，对于某次谐波若与呈感性的系统电抗发生并联谐 振，则可能出现过电压而造成危害。 图3 - 5 b 为供电系统、串联电抗器的电容器和谐波源的等效电路。第h 次谐波电流的分流算式如 下： ：厶与 h x ，+ 解l 一睾 解整 3 - 3 乞= 厶二乓 h x ，+ h x l 一睾 其中，溉为串联电抗器的基波阻抗，x c 为电容器的基波阻抗，则它们的谐波电抗分别为h x l 和x d h 。 分析上式，并补电容器组的谐波电流谐振及放大条件可以概括为下： 表3 2 并补电容谐波电流谐振及放大条件 型式电容器叫路阻抗说明 一般条件 电感性( 以。一等) o 加大电容器的串联电抗值，可以避免电容器的过负荷 程度但相应增加电容器组的有功损耗 串联谐振 仅电阻从。= 鲁 谐波电流全部注入电容器，满足此条件的电容器相当 于单调谐的滤波器 谐系统侧谐 培f ) i 此时会扩大变电所母线电压的畸变 波波放大 放 大 h x + 眠一争= 。 此种情况必须绝对避免，否则会出现危险的谐波电压并联谐振 2 i 东南丈学硕士学位论文 电容器侧 l 去i l 会造成电容器过电流，恶化串联电抗器两端的电压波形 谐波放大 4 并联电容器组谐波问题解决 虽然电容器组谐波的表现形式是多样的，治理的对策各不相同，但解决问题的原则是一致的： 一是杜绝谐波的并联谐振；二是限制电容器对谐波的放大程度；三是综合考虑电容器和电抗器对谐 波的承受能力，当超出承受范围时，应考虑采用滤波器。 抑制谐波放大和谐振的方法是多种多样的采用何种方法应视网络情况、负荷性质等因素确定。 在配电刚应主要考虑3 、5 次谐波的抑制；在用户端应针对负荷的特征谐波，例如交流电弧炉的特征 谐波是2 、3 、4 、5 次，脉冲整流设备是5 、7 、i l 、1 3 次等。抑制谐波的手段虽然很多，但每种方 法均有各自的特点和适用范围，按照谐波对电网影响的程度划分，治理措施可遵循以下原则： 当谐波不是十分严重时，应考虑采用偏调谐电容器组。其主要目的是抑制谐振、部分滤除谐波 和降低工程造价。 当负荷谐波较为严重时。应考虑采用调谐滤波器，其目的是滤除谐波，改善电网电压质量，滤 波器应滤除8 0 - 9 0 的谐波。 当负荷是大功率波动性负荷时，除考虑滤波外，还应考虑无功功率的动态补偿以克服电压的波 动和闪变。 电容器组加装串联电抗器后，基波特性也会发生变化，这一点我们也应该注意。电容器的基波 电压为原来的1 ( 1 一置) 倍，基波电流为原来的1 ( 1 - k ) 倍，无功输出也将增加。 电容器组加装串联电抗器后，串联电抗器越大，则谐波严重放大区域越小；串联电抗器越大， 则合闸涌流越小：串联电抗器将引起电容器组端子电压上升，支路电流增加。因此，还要防止电容 器组的基波过电压和过补偿。 5 并联电容器的参数配置 ( 一) 并联电容器补偿容量的计算 电容器的补偿容量与采用的补偿方式、未补偿时的负载情况，电容器的接法有关。 ( i ) 集中补偿和分组补偿电容器容量的计算 采用集中补偿方式和分组补偿方式时，总的补偿容量由下式决定： q c = 尾，( t g q j i t g 仡) ( 3 - 4 ) 式中：砟一由变配电所供电的月最大有功计算负荷( k w ) ； 以，月平均负载率，一般可取0 7 - 0 8 1 妒厂补偿前的功率园数角； 9 厂补偿后的功率因数角。 ( 2 ) 就地补偿电容器容量的计算 单台异步电动机装有就地补偿电容时，若电动机突然与电源断开，电容器将对电动机放电 而产生自励磁现象。如果补偿电容器容量过大，可能阏电动机惯性转动而产生过电压，导致电 动机损坏。为了防止这种情况，不宜使电容器补偿容量过大，应以电容器( 组) 在此时的放电 电流不大于电动机空载电流易为限，即 ( 毫= 4 3 v n l o x l o - s ( 3 5 ) 式：k 供电系统额定线电压( v ) ； 打一电动机额定空载电流( a ) 。 2 2 第三章电能质量控制设备简述 若电动机空载电流如在产品样本中查不到，可用下式估算： to=2，mm(1一cosqon)(3-6) 式：，一电动机额定电流( a ) ； 旷电动机未经补偿时的功率因数角。 ( 3 ) 当不具备设计计算条件时，电容器安装容量可按变压器容量的1 0 3 0 确定i l “。 ( 二) 串联电抗器的作用和电抗率选择 在并联电容器补偿装置中采用串联电抗器，既进行了无功补偿又避免了高次谐波电流流入系 统，保护了电力设备，提高了供电质量，是一种行之有效的限制高次谐波的好方法；同时，对限制 电容器组的合闸涌流也能起到一定的作用“。 串联电抗器的电抗值常用电抗率，即其基波电抗与电容器基波容抗的比值| 壤示： 七：x lx l o o ( ) x c ( 3 7 ) 改变串联电抗器绕组的匝数或并联电容器的投入容量都可影响k 值。 并联谐振谐波次数和严重放大区的宽度是k 和系统基波电抗与电容器基波容抗之比的二元函数。 如女值给定，则产生并联谐振的并联电容器容量q c 可用下公式近似估算： = ( 砉删九一 ( 3 8 ) 式中，为系统母线短路容量。 在设计或运行中，可根据系统最大和最小运行方式利用上式估算q c ，避免投入该数值附近的电 容器容量，以避开谐振点。 目前，国内并联电容器配置的电抗器的电抗率主要有以下4 种类型：小于0 5 、4 5 、6 和1 2 。 配置小于0 5 电抗率的电抗器的主要目的是限制电容器的合闸涌流：当采用基波感抗为容抗的4 5 或6 的串联电抗器时，可抑制5 次以上的谐波电流；当采用基波感抗为容抗的1 2 的串联电抗器时， 抑制3 次以上的谐波电流“。需要注意的是，当针对某主要谐波串入对应的百分数电抗器后，虽然避 免了该次谐波的谐振和放大，但可能会造成较低次谐波的谐振或放大。要确定合理的电抗百分数， 需要对系统运行方式、谐波源变化和电容器的投切组数进行全面的分析。 ( 三) 并联补偿电容器组运行限制条件 ( 1 ) 电容器的运行限制条件 电容器的过载能力由其内绝缘的耐热能力、热老化程度和能承受的电压水平决定。 允许峰值电压条件u 。1 2 x 4 2 以 允许过电流条件 l 1 3 i 。, v 更严格的允许过电流条件为 j c 1 1 ，州 ( 2 ) 电抗器的运行限制条件 目前还没有明确的电抗器运行限制条件。电容器投入时，电抗器承受的电压为其额定电压 的i k 倍，因此电抗器具有较强的过电压能力，一般在运行上没有明确的规定。其允许过电流条 件可以下式为参照： 1 1 s 1 2 ，l ( 3 ) 接入电网的谐波放大限制条件 2 3 东南大学硕士学位论文 并联电容器的谐波放大效应还受到接入电网的电能质量条件限制，主要参照g b f r l 4 5 9 5 9 3 电能质量公用电罔谐波中的相关规定 3 2 1 4 无源滤波嚣( l c ) 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用l c 无源滤波器。无源滤波器是现阶段在实践中最常见、 最实用的抑制方法。优点是投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便、运行费用低，可同 时起到滤波及无功补偿的作用：缺点是体积大，谐波抑制频率固定、有谐振和过负荷可能，对偏离 谐振点的谐波效果不明显。 i 无源滤波器的接线及特点 无源滤波器由电容器、电抗器，有时还包括电阻器等无源元件组成，对某次谐波以上各次谐波 形成低阻抗通路，以达到抑制高次谐波的作用。各种无源滤波器的接线及特点见表3 - 3 。 表3 - 3 无源滤波器的接线及特点 名称单调谐双调谐阶减幅型 c = ； c 二e i - - - _ _ _ _ _ 一 接线方式 斧 墨0 c d = n r 由 锄： 工 工 陶。 j z 】。 衙 l 阻抗频率 v以 。 特性示意 f，f 大容量装置中有时采用，实 常用 际应用少 对于某一次谐波滤波效 同时吸收两个频率的谐波 主要用作抑制甚高 果较好 基波功率损耗较小 频率振荡的阻尼电路， 评价对于等值频率失谐较敏很少用于谐波滤波 感 只有一个电抗器承受全压 简单，但基波功率损 附加电阻并联在电感上 冲击 耗大，一般不采用 则可降低损耗 减少了滤波器支路 结构复杂，调谐较困难 第三章电能质量控制设备简述 名称阶减幅型三阶减幅型c 型 c 二= = ：c爷1 c = = r j ，上1 接线方式 t 冲 芎卜l 一 f l i z | | 研 目 阻抗频率 一一卜 特性示意 u l 一 f ，一 在大容量装置中用 常用 得较多 具有较好的高通滤波特 大容量装置中有时采用，应 基波功率损耗可以 性用不多降到很小( 取决于和电 其特性对等值频率失谐 基波功率损耗比二阶型的阻并联的【c 支路对基 评价 不敏感小波调谐的准确度) 可以减少滤波支路，但须阻抗频率特性比二阶型的阻抗频率特性介于 较大的电容器容量差些二阶和三阶型之间 基波功率损耗仍较大对工频失谐和元件 参数漂移较敏感 2 单调滤波器的参数设计 ( 1 ) 单调谐滤波器的失谐 电力系统在实际运行时，其频率，与其额定值血总有一定的偏差，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，这就是滤波器的失谐。 另外，电容器和电感线嘲的参数，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。 设频率偏差a 6 0 = o ) - - 6 0 l ，其相对偏差元为6 = a o o l o s i 。 设电容与电感的偏差分别有a c = c t - - c ，a l = l i _ - 厶c 、l 为准确值。相对偏差为：8 萨a c c ： 6 l - a u k 于是滤波器在n 次谐波时，将失谐。此时有电抗值为： 赵肛2 峭一高。卅毛蛔( 1 + 五弘面面梳 rl1 ( 3 - 9 ) 。p 屯+ 五卜两责丽j 嗍l 瓦、彘、如值均较小，略去二次项后可得： a x ， l = ( 2 屯4 - 晚+ 如) n c r l = ( 2 毛a t 既4 - 琵) x o = 2 6 月_ i l q ( 3 i o ) 东南大学硕士学位论文 式中x o = ，l q l = l ，嘲c = 厄万； 滤波器的品质因数q 为：q = - x o i r i , , = n c o i l i r , = i n c o i c r $ , ( 3 1 1 ) 括瓦+ d 以+ & ，2 。称为等值频率失谐度，其最大值蠡对应于如，赴、如的同号最大值相加 对应于n 次谐波，滤波器此时的阻抗为 厂1、 = + j a x f 。= ( 1 + j 2 c 5 q ) = x o l 去+ j 2 8l o - 1 2 ) ￥， 并有i z ；l l = r i i l l + 4 艿2 q 2 = x o q _ 2 + 4 占2 ( 3 1 3 ) 如果不考虑滤波器连接处系统阻抗的影响，则谐波电压仅由磊确定显然，q 值越大，i 砀i 越小， 波效果越好。q = 一时，r 归- - o ，翰 嬲砀，在给定的和下，谐波电压最小但实际上，电感线 圈总有一定的电阻，q 必为有限值。如果某一q 值下谐波电压达不到滤波要求，应减小肠，降低q 值，使滤波器阻抗平坦些，以满足失谐情况下的滤波要求图3 - 6 示出了不同参数时滤波器的阻抗 频率特性，具体参数如表3 4 所示。 事实上，滤波器总是与系统相连的，系统阻抗对滤波效果的影响必须考虑，这种情况下滤波的 效果由滤波器与与系统的综合阻抗确定，为获得最优的滤波效果，需要选择最佳q 值。此外，应使 电容器的安装容量为最小。 表3 _ 4 图3 - 6 种四条曲线对应的参数 曲线 勘( n )勘( q ) 口晶( ) li o5 0 0 5 0 l 21 02 5 02 52 352 5 05 01 4o2 5 0 ( 2 ) 最佳品质因数的确定 图3 - 6 所示单调谐滤波器的阻抗轨迹。 由式( 3 1 1 ) 知，x o = 棚i l = l ，删q c = z ? 石为给定值时，滤波器的电抗硒- 2 蜀将为给定值。 而电阻r f = x d q 则随着q 值的不同而改变。在此情况下，磊在阻抗平面上的轨迹将是一条水平线， 如图3 7 所示。 将阻抗轨迹映射到导纳平面上为一半圆，如图3 - 7 所示。半圆的直径为i i ( 2 磊。岛) ，并与g 轴 相切于原点。导纳平面上的各点均可在阻抗平面上找到相应的点。例如z 平面上的s 点，q = i ，2 南， 尸4 5 。，相应的在y 平面上作g y 庐- 4 5 。的导纳相量石i ，其q 值亦为1 1 ( 2 j m ) 。 第三章电能质量控制设备简述 占( ) 图3 - 6 单调谐滤波器阻抗与总失谐度的关系一 0 1 g c i i l f b 图3 - 7 单调谐滤波器阻抗轨迹图3 - 8 单调谐滤波器导纳轨迹及系统导纳平面 g 图3 - 8 中的阴影部分为系统的谐波导纳平面，它由系统谐波阻抗映射而来。在缺乏系统详细参 数时，可用系统最大阻抗角描述系统谐波阻抗，认为全部谐波阻抗都在最大阻抗角的范围内。 单调谐滤波器是与系统并联的，因此从谐波源一侧向系统看，综合谐波导纳为y 乒y 秆y l ( y i 为系统导纳) 。的端点轨迹在图3 - 8 中半圆的圆周上，设对应于图3 - 8 中的o d 。从d 点可以 作出系统导纳e 的变化范围，如图中阴影部分所示若e 对应于图中的d r ，则由与r l 平面相 加所得的综合谐振导纳埒为图中的石蠢，交流母线上的谐波电压，( n ) = j ( n ) 珞，与综合谐波导纳 成反比。因此考虑系统谐披导纳最不利的情况，应使为最小值。这样，在设计时，为了获得最佳 的滤波效果，即使交流母线上的谐波电压最小，选取最佳q 值时应使该q 值下按上述方法决定的 的最小值达到极大。而这相当于要求系统谐波导纳的阴影部分在其顶点d 处与滤波器导纳圆相 切。这样得出的及相应的q 。能使系统在最不利的情况下获得最佳的滤波效果。 此外。由图3 8 可见，若频偏j 小，滤波器导纳轨迹平面半圆的半径将增大，从而增大y 刍使 得u ( n ) 减小因此设计时，d 最大值如才能保证在不同情况下u ( n ) 均不超过极限值。 给定如后，滤波器导纳轨迹半圆的直径随之确定。如已知系统的最大阻抗角，则图3 - 8 中 其它角度就可由图形中的几何关系得出，其中滤波器阻抗角妒m 与妒以互为余角，于是有 堙缈i；i=ctg(识。，2)(3-14) 另由式( 3 1 3 ) 可得 增= 孥= 锈砸q m 比较两式，得出最佳q 值为 东南大学顾士学位论文 2 警2 嚣番 一般最佳q 值约在3 0 - - 6 0 的范围内。 ( 3 ) 最小滤波电容安装容量 调谐在，1 次谐波频率的单调谐滤波器有下列关系： _ | l f 珐l = ( 3 - 1 7 )4 n 0 9 , c 。 由于系统的谐波电压最终要被限制在很小的范围内。可予以忽略，即可认为系统交流母线电压 只含基波分量巩，这样谐波支路除流过次谐波电流外，还流过由引起矾的基波电流抽 ，t 2 嘉- - - w s l 锻正n 2 - 1 ( 3 1 8 ) 由于滤波电容器中既有基波电流流过，又有谐波电流流过，故其安装容量最应为基波无功容量 q 与谐波无功容量凸之和，即 晶2 q l + 蜴2 去，；- + 赤嗉 滤波支路输出的基波无功容量为 q l = 矾o l _ 味c 砻! 三听 ( 3 2 0 ) 利用上式及( 3 - 1 8 ) ，将式( 3 1 9 ) 改写为 品= 丢 g + 矧 ， 取基准容量为j s _ 庐矾骗，上式可写成标么值的形式： = 矗 者+ 剖 c s 袁冉，s ：= s d s pq ；q ds b 由上式可求得当q f = 1 1 元时，品为最小，且为 5 月i l l i n2 f 二n 2 - 1 ( 3 - 2 3 ) 相应地输出基波无功功率为 q l 曲= 忑1 ，- = 鸭c m t 。去u ( 3 i z 4 ) 因此，得出最小电容器安装容量所对应的电容量为 c；百l一nn阿2-1(3-25)rain 。一面丽 第三章电能质置控制设备简述 取交流系统的统一基准值，将上写作标么值的形式，得 盘= 可i ；n 丽n 2 - 1 。咯杀 ( 4 ) 电感和电阻参数 ( 3 - 2 6 ) ( 3 2 7 ) 曰：! t ：n o s l( 3 2 8 ) ， 若电感器内所含电阻r 不够，则需外加电阻器。外加电阻器的阻值为 拈r f n - r = n 坳t 。s l 一等- 【毒一壶卜 3 高通滤波器的参数设计 高通滤波器也称减幅滤波器，主要包括一阶、二阶、三阶和c 型四种。其中由于二阶滤波器性 能好，元件少，采用较多。我们主要讨论二阶滤波器的参数设计问题。 二阶滤波器的阻抗为 乙= 赤+ 阻志 - 1 = 研r + ( n c o s l ) 2 + ，n r 2 t o s l 一面1 ( 3 - s 。， 当尺一一时，高通滤波器将转化为单调谐滤波器，且谐振频率为；0 7 ：1 z 万；当一一时， 鼯足，滤波器的阻抗为足所限制。实际上，在谐振频率高于一定颇率后，滤波器在很宽的频率范围 内具有低阻抗特性，实现了高通滤波。 对于高通滤波器，q 值为q = u x o ，在高通滤波器中，其q 值和在单调谐滤波器中的q 值不同， 在单调谐滤波器中，串联电阻越小，其调谐曲线越尖锐。而在高通滤波器中，电阻是与电感并联的， 因此电阻越大，调谐曲线越尖锐。 在设计高用滤波器时。首先要确定所抑制的谐波次数。根据已经采用的单调谐滤波器的配置情 况，并考虑到滤波对象的谐波情况，确定高通滤波器所要抑制的谐波次数。 高通滤波器的特性可以由以下两个参数来描述： 1 f o2 荔-_(3-31) ， m = ( 3 3 2 ) r c 而为截止频率，高通滤波器的截l e 频率一般选为略高于所装设的单调谐滤波器的最高特征频率。 在频率爿矿一的频率范围内，滤波器的阻抗是小于其电阻尺的一个低阻抗。m 是一个与q 值直接 有关的参数，直接影响着滤波器调谐曲线的形状。一般q 值取为0 7 1 4 ，相应的m 值在2 - 0 5 之 间。由于高通滤波器的运行特性对频率失谐度不敏感，而且在相当宽的频率范围内，其阻抗大致相 等，所以不存在最佳q 值。 在高通滤波器尺、l 、c 三个参数中，按照滤波电容器的最小安装容量要求，可确定电容量为： 2 9 东南大学硕士学位论文 c = 矗= 其中，i 为高通滤波器滤除谐波的次数。 c 确定之后，可确定滤波器的r 、l 值。令 以：盘： ! ：j 一 2 ，t f l r cq r c ( 3 3 3 ) 则r = 二( 3 3 4 ) q c 再由式( 3 3 1 ) 和式( 3 3 2 ) 可得 l ：m r 2 c ：旱( 3 3 5 ) c m 值越小( q 值越大) 则滤披器的损耗越小，因此一般取m = 0 5 。 在实际应用滤波器滤除电力系统谐波时，根据电力系统的谐波情况，通常需要安装几组单调谐 滤波器和一组高通滤波器来滤除高次谐波。 3 2 1 5 有源滤波器a p f 由于近些年来电力电子技术的飞速发展，国内外谐波抑制和无功补偿问题的研究有了很大的进 展。为弥补无源滤波方法的不足，人们将研究方向逐步转向有源滤波方法。有源滤波方法就是采用 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r - a p f ) 进行谐波抑制和无功补偿的方法。有源滤波器是一种用 于动态抑制谐波，补偿无功的新型电力电子装置，它能使大小和频率都变化的谐波以及变化的无功 进行补偿，克服了l c 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，因而受到广泛的重视。 有源滤波器按连接方式分为并联型和串联硝。并联型用于对电流源型谐波的补偿，串联型主要 用于对电压源型谐波的补偿。绝大部分的负荷产生的谐波均属于电流源型谐波，因此应用中以并联 型为主，如图3 9 所示。并联型有源电源滤波器克服了补偿的电流与有源电力滤波器实际输出的补偿 电流不属于同一时刻的问题，可以采用只检测出除基数或有功电流之外的总的谐波电流，不分解出 各次谐波分量，以减少这一滞后性，提高补偿的效果，即寅接从负荷电流中分离出谐波电流，检测 速度快，准确度高，而且有利于实现有源电力滤波器控制系统的全数字化刚。 l 一一一j 图3 - 9 有源滤波器的系统构成原理图 有源滤波器具有以下特点： ( 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 第三章电能质量控制设备简述 象的变化有极快的响应； ( 2 ) 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做到连续调节； ( 3 ) 补偿无功功率时不需贮能元件：补偿谐波时所需贮能元件容量也不大： ( 4 ) 即使补偿对象电流过大，有源滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用； ( 5 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振： ( 6 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。 同样，有源滤波器也存在许多不足。比如，它的补偿电流易受直流电容的影响，当直流电容的 电压不稳定时，补偿效果明显下降；另一方面，它的功能也不够全面等。 3 工1 6 静止无功补偿器s v c 快速变化的谐波源( 如电弧炉、电力机车、晶闸管供电的轧机、卷扬机等) 除了产生谐波外， 往往还引起供电电压的波动和闪变，有的( 如电气化铁道的机车，处于融化期的电弧炉等) 还造成 系统电压三相不平衡，严重地影响电能质量。抑制快速变化谐波较全匦的技术措施就是在谐波源处 并联装设静止补偿器。静止补偿器全称为静止无功功率补偿器( s v c ) ，其基本结构是由快速可变的 电抗或电容元件组合而成( 两者均变或其中一个元件可变) 。目前技术上较为成熟，而且应用较多的 四种基本型式见表3 5 。 璐 x c 图3 1 0 s v c 结构图 表3 - 5 各种型式静止无功补偿装置的比较 晶闸管控制晶闸管控制晶闸管投切 型号自饱电抗器 电抗器 高漏抗变压器电容器 代号 s rt c rt c tt s c 主接线 动态响应时间约l o m s约l o m s约i o m s约l o m s 一2 0 m s 连续，连续，连续， 无功输出级差，容性 感性，容性感性，容性感性容性 自行调节， 分相调节能能能 改善不平衡度 限制过电压能力很好依靠设计依靠设计无 自生谐波量小有有无 吸收谐波能力好好好无 噪声大较小稍大很小 损耗率约( o 7 i ) 约( o 5 - 0 7 ) 约( o 7 i ) 约( o 3 - 0 5 ) 可否真接接于 超高压 不可不可可以不可 控制灵活性差好好好 运行维护简单较复杂较复杂较复杂 3 i 东南大学硕士学位论文 注：i t c r ，t c r 和t s c 结合起来可能取得较好的技术经济效果： 2 吸收谐波的能力主要取决于滤波器的设计： 3 此娃动态响应时问仅指扰动开始到补偿回路开始动作的时间 4 s r 噪声大，可以用隔音f b j 降低； 5 表列损耗率是指大中型装置( 例如2 0 m v a 及以上) 的额定损耗率若容量较小( 例如1 0 m v a 以下) ，则损 耗率将增大。 须指出。静止补偿器除了综合改善电能质量这一直接效果外，在电力系统中已成为控制无功、 电压，提高输电稳定性，限制系统过电压，增加系统阻尼的重要技术措施。静j h * l 偿器的应用还可 以给谐波源用户带来多方面的技术经济效益。例如炼钢电弧炉采用静止补偿器后还可以提高功率因 数，降低损耗，缩短熔炼时间，降低单位电耗，提高钢产量等等。 静止补偿器目前正获得较广泛的应用。其优点是投切速度快( 1 0 毫秒) ，运行成本低；但无法 连续调节，可能于电网产生谐振，而且对电网的冲击大。此外，静j h * l 偿器本身产生谐波。需加装 滤波器，因此其一次性投资较大，在确定工程方案时应经过充分的技术经济论证。 3 工1 7 静态补偿器s t a t c o m ( 又称为a s v g ) 无论何种型式的静止补偿器，它们之所以能作为无功功率电源产生感性无功功率，依靠的仍是 其中的电容器。而电容器所能产生的感性无功功率则与其端电压的平方成正比。因此，当系统电压 水平过于低下，迫切需要补偿器增加其感性无功功率输出时，补偿器往往无法增加，这是作为无源 元件的静止补偿器所无法克服的缺陷。这样，就出现了静态补偿器( s 1 嬲m ) 。 s 1 ：舡o m 是由直流电容、电压型逆变器( 由可关断晶闸管g 1 d 和二极管d 组成) 和变压器 所构成。逆变器输出变压器和连接变压器的漏抗起到s l w r c o m 与系统的连接电抗的作用；逆变器 输出相位与幅值均可调的对称基频三相正弦交流电压，从而可与系统交换有功功率或无功功率。 s 1 j 1 o m 主要通过改变其输出电压的幅值来实现与交流系统交换无功功率。当输出电压幅值 大于系统电压幅值时，输出滞后的无功功率起电容器作用；当输出电压幅值小于系统电压幅值时， 吸收滞后的无功功率，起电抗器作用；当输出电压幅值与系统电压幅值相等时，与交流系统之间没 有无功功率交换。重要的是，由于v l 完全可控，不存在静止补偿器因端电压取决于系统电压而带来 的系统电压低时补偿效果差的缺陷。 g t d 逆变器 连接变压器系统 k 超前运行 u ， 堡垒：掣 a ) 单相等效图b ) 相量图 图3 1 2s 1 糊m 等效电路及工作原理 滞后运行 s t a t c o m 主要用于抑制电压波动和闪变；动态维持输电线路端电压，提高输电线路稳态传输 功率极限；提高电力系统暂态稳定水平；阻尼系统振荡；抑制系统过电压，改善系统电压稳定性。 s t a t c o m 的作用效果等效同于静止的同步调相机，其动态响应速度快( 小于3 0 m s ) ，起动无 冲击，可从额定滞后工况到额定超前工况连续调节工作，输出端一般不需采用滤波器，可减小装置 第三章电能质量控制设备简述 占地面积：装置电流谐波含量小。但是s t a t c o m 造价太高，而且当系统不平衡时补偿器产生的负 序电流要经过直流侧电容器，增大了补偿器承受的容量，扰乱了系统的正常运行。 3 2 1 8 混合型静止无功补偿器i l s 、，g 混合型静止无功补偿器h s v g 主要由s t a t c o m ，t s c ( f c ) 和t s r 组成其装置构成如图 3 1 3 所示： s t a t c o m 图3 1 3h s v g 结构示意圈 容量配置的特点： l 、sm v a a s v g 2 、+ s m v a t s c ( 或f c ) 3 、一s m v a t s r h s v g 调节速度快( 2 0 毫秒。比s v c 更快) ；可实现连续平滑调节；不产生谐波，无需安装滤 波器；无功电流与电压相关性低。电压低时特性好；成本比s t a t c o m 低。 3 2 2 串联型电能质量控制装置 串联型电能质量控制装置的主要设备类型包括： - 串联电抗器 一串联电容器( s c ) 一串联型有源滤波器( a p f ) 一可控串联电容补偿器( 1 s c ) 一动态电压恢复器( d v r ) 3 2 2 1 申联电容器 当系统中无功功率不够充裕时，就要考虑采用各种附加的补偿设备进行调压。这些补偿设备大 体可分两类。即串联补偿和并联补偿。所谓并联补偿是指并联电容器、同步调相机和静止补偿器( 详 细介绍见本章3 2 1 ) ：所谓