（电力系统及其自动化专业论文）配电网的谐波抑制和无功补偿.pdf

a bs t r a c t r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cs u p p r e s s i o no fd i s t r i b u t i o n n e t w o r ki sa q u i t en e wr e s e a r c ha n dp r a c t i c a ld o m a i n ，a n da l o n g w i t h u n c e a s i n ge n h a n c e m e n to fc u s t o m e rd e m a n df o re l e c t r i c a le n e r g yq u a l i t y ，i t h a sc a u s e dm o r ea t t e n t i o n b e c a u s es t a t c o mh a sm o r em e r i t st h a ns v c ， s u c ha sr e s p o n d i n gm u c hf a s t e r 、t h ee f f e c to fr a i s i n gv o l t a g em o m e n t a r y s t a b i l i t yb e t t e ra n dw i t hl e s sh a r m o n y ，i th a sb e e na p p l i e df r o mt r a n s m i s s i o n n e t w o r kt od i s t r i b u t i o n n e t w o r k ( n a m e l yd s t a t c o m ) n o w a tp r e s e n t ， d s t a t c o mh a s r e p r e s e n t e dd e v e l o p m e n t d i r e c t i o no fr e a c t i v e p o w e r c o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cs u p p r e s s i o no fd i s t r i b u t i o nn e t w o r k t h i st h e s i s r e v o l v e s d e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o ft h ed i r e c te l e c t r i cc u r r e n tc o n t r o l d s t a t c o m t h em a i nc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： 1 d e s i g no fd s t a t c o m f i r s t l y ，i no r d e rt o e n h a n c ep r e c i s i o na n dr e l i a b i l i t yo fh i g hp o w e r c o n v e r t ，an o v e lc i r c u i ts t r u c t u r eo fh y b r i d t y p e c o m p o n e n ti se s t a b l i s h e d ，a n d t i m e - s h a r i n gm e t h o di sa d d e dt op a r a l l e l c o n n e c t e dd e v i c e s s e c o n d l y ，i no r d e r t oe n h a n c et h ep r e c i s i o no fr e a l - t i m em e a s u r eo fr e a c t i v ec u r r e n t ，i d - i qm e t h o d i su s e di nt h ep l a c eo fi p - i qm e t h o d b a s e do nt h e s ed e s i g n s ，as e r i e so fs i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e d ，a n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sh a v ep r o v e da l la b o v ef e a s i b l ea n de f f e c t i v e 2 a p p l i c a t i o no fd s t a t c o m p a r a m e t e rs e l e c t i o nm e t h o df o rs t a t c o mp a r a l l e l - c o n n e c t e d b y c a p a c i t o r ( o rc a p a c i t o r s e r i e s - c o n n e c t e d w i t h r e a c t o r ) i sp r o p o s e d w i t h c o r r e s p o n d i n ge x a m p l e k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o nn e t w o r k ，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 e c o m p e n s a t i o n ，d s t a t c o m ，a c c u r a c y ，r e l i a b i l i t y ，p a r a m e t e rs e l e c t i o n 独创性声f i j 本人声明所呈交的学位论文是本人在导! j ；j 指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处钋，沦文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤叠盘堂或其他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l l j f = 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。 学位论文作者签名：j 逸符签字闩期： 娜7 年夕月严日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解：苤盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：王邑符新虢彳皮 导师签名：纠叉 签字日期：豕坶7 年夕月铲日 签字日期：盈唧年夕月竽日 第一章绪论 1 1 课题背景及意义 第一章绪论 1 1 1 课题背景之一国际灵活交流输电系统( f a c t s ) 技术 n h h i n g o r a n i 于19 8 6 年提出了灵活交流输电系统( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o n s y s t e m s ，f a c t s ) 的概念，其意义是“应用电力电子技术的最新发展成就以及现 代控制技术实现对交流输电系统参数，以至网络结构的灵活快速控制，以其实现 输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统稳定性、可靠 性”。因其顺应了电力系统技术的发展方向，一经提出就立即受到广泛重视。 f a c t s 装置在输电系统快速应用的同时，因新的非线性负荷的引入使得配电系 统的电能质量下降，而用户尤其高新技术企业对电能质量的要求逐渐提高；且电 能质量的恶化也降低了配电系统的效率，如谐波产生附加损耗，占用配电系统的 容量。类似地，将f a c t s 技术延伸应用到配电系统，即d f a c t s 。 目前，配电系统逐步屏弃采用单一的电容器、电容器串接电抗器以及无源调 谐滤波器等传统的静态无功补偿的装置，目前主要的f a c t s 和d f a c t s 装置列 举如下： 对负荷动态无功补偿的装置有：静止无功补偿器( s t a t i cv a rc o m p a n s a t o r ， s v c ) ，无功发生器( s t a t c o m ，s v g ) 。 抑制负荷动态谐波的装置主要是有源滤波器。 应对电网故障的装置是动态电压恢复器( d y n a m i cv o l t a g er e c t o r e r ，d v r ) ， 电网故障时不仅电压下降，相电压的相位也会出现很大的相位变化使系统电压不 对称，在保护切断故障部分的零点几秒内，无功发生器难于应付，应设置动态电 压恢复器。 校正电压波形的瞬态畸变，美国已研制新型超导储能装置。 其中的无功补偿的装置有s v c 和s t a t c o m 两种， 因s t a t c o m 的直流侧电容只提供直流电压，它的电压则由三相6 个二极管 充电得到，所以，在系统电压下降时，它仍能供出额定的无功电流。而基于电容 器的无功补偿设备，其输出的电流与电压是成比例减小的，在原理上，s t a t c o m 在故障中有更好地支撑电压的效果。除此之外s v c 与s t a t c o m 还有一些差别， 比较见表1 - 1 第一章绪论 表1 - 1s v c 与s t a t c o m 的特性比较 顽口比筵 s v c s w 汀c o m 谐波含量较高，需大容量尤源滤波器。低，不需专设滤波器。 占地面积较大同容量s v c 所占面积的1 3 倍 响应延时 2 0 m s几个m s 电压暂态特性较差故障中支撑电压效果好 阻尼电压振荡 价格低较高，但下降空问大 1 1 2 课题背景之二我国的谐波抑制和无功补偿技术现状 2 0 世纪8 0 年代，我国的电力工业取得了日新月异的飞速发展，不仅装机容 量空前增加，输变电设备质量以及电力自动化水平也取得了很大发展。但与此同 时，工业负荷的种类与容量发展更快，由此引发许多新新问题。以电力电子技术 为核心的变流器负载大量应用，不可避免的造成了诸如电压和电流谐波、电压闪 变以及其他暂态干扰等恶化电能质量的现象；同时，现代工业的发展对供电可靠 性以及电能质量提出了越来越高的要求。在现代企业中，广泛使用的变频调速驱 动器、机器人、自动生产线、精密加工仪器、可编程逻辑控制器和计算机信息系 统等设备对电源的波动和外界的干扰十分敏感而依赖，任何似乎微小的供电质量 的恶化都可能会造成产品质量的下降，任何停电事故造成的经济损失以及政治影 响都是不可忽视的。 我国的电力事业发展蓬勃而迅速，但总的来说，电力建设滞后于中国经济的 发展，造成目前电力供应十分紧张，全国各大发电厂和输电网都处在满负荷极限 运行状态，安全隐患的风险正在加大。在很多电网机组满负荷零备用的运行条件 下，电能质量问题很可能摧毁供电可靠性的屏障，成为大面积停电事故的导火索。 在s t a t c o m 研制方面，1 9 9 9 年由河南省电力局和清华大学共同研制的 4 - 2 0 m v a rs t a t c o m 在河南洛阳并网投运后，由上海电力公司、清华大学、许继集 团公司等单位联合研制的5 0 m v a r 基于i g c t 链式逆变器的s t a t c o m 于2 0 0 6 年2 月2 8 日在上海西郊变电站并网投入运行。该装置在建模、主电路及参数设计方法、 分布式链节控制与保护、系统控制策略等方面取得重大突破，核心技术达到了国 际领先水平。 1 1 3 该课题的意义 由于应用越来越多的电力电子设备、大吨位冶炼电弧炉及电力机车，这些设 备对电网会产生严重的谐波污染，且多为感性负载，为防止因动态电能质量问题 引起的试验失败、数据丢失、设备损坏、产品报废等重大事故的发生，迫切需要 第章绪论 在配电网中装设先进的谐波抑制和无功补偿装置，为工农业生产和居民生活提供 经济、清洁的能源。 因s t a t c o m 比s v c 具有响应快、提高电压暂态稳定性效果好以及谐波含 量低等优点，同时我国己拥有制造s t a t c o m 的技术，所以研究和推广s t a t c o m 的制造、应用技术，不断改进并延伸应用到配电系统，即d s t a t c o m ，使之产 业化，降低价格，充分发挥其在电网中的积极作用，这具有重大的现实意义，比 如唐山市作为钢铁、煤炭、电力及石油等行业的重工业城市，首钢京唐钢铁联合 公司在曹妃甸打造中国最大的钢铁生产基地，现在，要确保3 0 吨高功率偏心底 出钢电弧炉的安全稳定可靠供电，在专用中压配电网就需安装先进的 d s m 镊c o m 装置。 1 2 国内外在该方面的研究的现状及存在的问题 1 理论基础方面 含有谐波非正弦电路的无功功率至今尚没有被广泛接受的权威性定义，由于 理论、实践的需要，许多学者进行了有益的探索【m 1 。目前，实时电流检测一般 采用较为成熟的i p i q 法，而非实时计量各不同频率无功功率电表的测量精度有待 提高【5 1 。 2 逆变器设计方面 目前，有源滤波器( a p f ) 、静止无功发生器( s t a t c o m ) 等先进的电力电子 装置的核心部件一逆变器一般分别采用i g b t 、i g c t ，由于各类器件的不同特点， 现有逆变器都有容量与开关频率之间的矛盾【6 j ，即由i g b t 组装的逆变器，虽开关 频率高，但容量较小，目前一般用于制作有源滤波器( a p f ) ；而由i g c t 组装的 逆变器，虽容量大，但因开关频率较低，补偿精度不高，目前一般用于制作静止 无功发生器( s t a t c o m ) ；同时各种逆变器工作的可靠性不高，即若有1 个器件 发生故障，事故扩散，逆变器就停止工作。 3 s t a t c o m 的系统设计方面 d s t a t c o m 与运行在高压输电系统中的s t a t c o m 相比，在装置参数方面，电 压较低、容量较小；在主电路拓扑方面，d s t a t c o m 可采用开关速度较快、价格较 7 低的i g b t ：在影响装置性能的主要因素及关键技术方面，有以下三点： ( 1 ) 直流电容电压波动 对一个单元变流器，由于电容储存电能不会突变，而功率开关器件一般每周波 开断几次且开关损耗不同，从能量守恒的角度看，单元变流器的直流电容电压的变 化是无法避免的，只不过电容电压的变化幅度随电容量的增大而减小，但实际装置 中的电容不可能选的很大。 3 第章绪论 对单元变流器，目前采取电压矢量的脉冲转换方法，在保证逆便器输出电压、 电流不变的前提下，减小直流电容电压的变化幅度。 对链式s t a t c o m ，采用循环变换各链节间p w m 调制脉冲的方法，使得在一个 循环周期内各链节等效的基波调制比、开关损耗以及直流电压分配相同，来减小直 流电容电压的变化幅度。 ( 2 ) 动态切换的响应时间 s t a t c o m 的动态切换的响应时间与所用的电力电子器件的开断时间、p i 参数 的选择以及负载状况有关。目前，s t a t c o m 动态响应时间一般约10 m s 。 ( 3 ) 分相瞬时电流的控制 以前的s t a t c o m 不能实施分相瞬时电流的控制，难于应付系统的不对称，而 电力系统中的故障多数是不对称的，通过发出闭锁脉冲将s t a t c o m 切除，这使得 s t a t c o m 能产生额定无功电流的优势不能充分发挥出来。 目前，利用模型的反馈线性化( 准线性化) ，通过控制相位角6 来间接控制输出 电流；或者，将s t a t c o m 三相系统转化为三个单相系统，实施直接电流控制。相 比后者的控制效果较好，但需提高器件的开关频率。 由上述可知，提高s t a t c o m 装置性能的根本措施是提高所用的功率开关器件 的开关频率、减小开关损耗，但在器件的设计、工艺方面，这需要一个逐步改进和 完善的过程，况且，目前我国尚没有生产i g c t 、i e g t 等先进电力电子器件的基地， 这需要在功率开关器件的开关频率、开关损耗等参数一定的前提下，通过改进模型、 优化算法来提高s t a t c o m 装置性能，这是未来工作的重点。 谐波抑制和无功补偿装置的控制策略很多，而且新的控制策略研究很活跃， 产出大量研究成果，日本电气学会的调查结果，三角波调制p w m 控制方法和滞 环比较p w m 控制方法在有源滤波器的实际应用中各占一半【7 j ；静止无功发生器 ( s t a t c o m ) 在美国、德国、日本、中国相继得到成功应用，控制方法多为优化 p w m ( 如特定谐波消除脉宽调制s h e p w m 、单周控制) ，虽然理论上，从s t a t c o m 电气参数【8 】以及控制优化1 9 】等方面对s t a t c o m 抑制系统电压不平衡提出一些方 案，实际上采用反馈线性化( 准线性化) 模型，实施分相瞬时电流控制，但由于 d s t a t c o m 的过电流保护的作用，在系统发生严重不对称时将无功发生器自动切 除，这使得无功发生器能产生额定无功电流的优势不能充分发挥出来。 1 3 本文主要内容 为了确保中压配电网提供经济、清洁的电能，本文以谐波产生及其治理，无 功补偿为中心，本文涉及的主要内容如下： 4 第一章绪论 1 针对判断谐波抑制和无功补偿的效果、程度，概括基于任意周期电压、 电流的无功功率的概念。 2 尽管单独应用机械式投切电容器的场合趋于减少，但为了降低损耗、扩 大容量，s t a t c o m 、a p f 等先进装置与电容混合使用将是一种发展趋势，本文 给出l c 组成装置的类型及其参数的选择方法。 3 变流器的拓扑结构创新，各相桥的两支路分别由不同类型电力电子器件 组合而成，提高了变流器基本单元的输出精度和可靠性。 4 为了提高无功电流的实时检测精度，用基于p a r k 变换的电压电流综合检 测法( 即i d i q ) 取代需用锁相环的i p i q 。 第二章谐波、无功的概念及其产生 2 1 引言 第二章谐波、无功的概念及其产生 无功功率：电源能量与感性负载线圈中磁场能量或容性负载电容中的电场能 量之间进行着可逆的能量转换而占有电网容量，包括：感性无功和容性无功。 q = u 1 s i n 正弦条件，无功功率q 表达为下式： 谐波是指电网中非基波( 我国5 0 h z ) 的其他频率的电流或电压，包括高次谐 波和间谐波。其来源是非线性负载， 功率因数是有功功率与视在功率之比，即：功率因数= 位移因数x 畸变因数， 其中位移因数是负载电流与电源电压的相位差角( 负载阻抗角) 的余弦，畸变因数 是基波有效值与总有效值之比。 理解上，无功功率是一个很抽象的概念，对于发电、用电来说，无功功率是 有功功率的必备条件，有关人士把无功功率比作杯子，而把有功功率比作杯子里 面的水，有多高的杯子就能装多深的水，所以要获得更多的有功功率，必然要有 更多的无功功率。 但对于输电来说，无功功率对输电网络危害很大，主要表现在以下几方面： 1 无功功率降低输电网络的传输能力，因为输电网络的输电能力是一定的， 若增加无功传输必然要减少有功传输。 2 ，引起用户端电压变化，感性无功使电压下降，容性无功可使电压升高， 简单推导如下： 以最简单的输配电网络模型为例，如图2 - 1 所示，图中系统电源e 通过线路 阻抗z 连接到阻抗z l 的负荷。 l j 图2 - 1 简单输配电网络模型 传输线路上的电压损失au = i z 6 第二章谐波、无功的概念及其产生 7 = 最= 吉躲。怒) = 等 削= 铲僻+ 闪= 竽+ 歹竽 实际上，线路两端电压的夹角非常小，即u 的幅值主要由掣决定。因 为用户端电压u 是标准的；不能减小用户端需要的有功功率；一旦输电线路完 工，线路阻抗r + x 很难改变，且高压输电线的电抗x 比电阻大得多；由式可知， 为了减小损失在线路上面的电压降，只能减小无功传输。 3 产生无功电流分量，使视在电流增加线路和变压器等损耗增大，变压器 利用率降低。 谐波的危害： 1 对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流放大，导致电容器因过电流或 过电压而损坏；对电力电缆造成过负荷或过电压击穿。 2 增加变压器和电网的损耗。当发生谐振或放大现象时，损耗可达到相当 大的程度。导致系统不能满容量运行，降低系统设备的运行效率或者缩短设备寿 命。 3 对继电保护及自动控制装置产生干扰和造成误动作。 4 造成电能计量的误差。不仅增加电度表本身的误差，而且谐波源负荷从 系统中吸收基波功率而向系统送出谐波功率使用户多付电费。 5 电机产生附加功率损耗和发热，从而降低电机运行效率，缩短电机寿命。 6 谐波电流在高压架空线路上的流动除增加线损外，还将对相邻通讯线路 产生干扰影响。 在我国电力系统中，谐波使设备( 如电容器、线路、变压器等) 过流，增大 附加损耗，引起电网振荡，另外，谐波引起电力计量误差、干扰通讯，甚至引起 电力系统继电保护误动作，这些现象都时有发生，而且谐波和负序电流引起的综 合危害还引发过大容量发电机的跳闸。因此，无论从保证电力系统还是用户设备 的安全经济运行，对谐波污染造成的危害影响加以限制都是极为迫切需要的。 为了稳定电网电压，改善供电质量，降低线损，提高变压器利用率，对中压 配电网进行谐波抑制和无功补偿。本章主要介绍中压配电网中变频器、电弧炉两 种主要典型谐波源特点及明确谐波下无功功率这一电力计量难题的定义。 2 2 谐波的产生 谐波对供电、用电产生的危害，日益引起人们的广泛重视，很多文献 1 0 - 1 2 1 对 谐波产生及引发的有关问题都进行了论述。产生谐波的根本原因是电力系统中器 7 第一章谐波、无功的概念及其产生 件、设备的非线性，即使供给这些器件、设备的电源是理想的正弦波形电压，电 网供给它们的电流也是非正弦波形，即产生了谐波电流，当谐波电流流过线路后， 产生谐波压降，使电网电压失真。 2 2 1 变频器输入侧静态谐波的分析与仿真结果 1 变频器输入侧静态谐波产生的机理 变频器的基本组成如图2 - 2 。依直流环节的储能方式的不同，变频器分为电 压型和电流型。 5 0 h z a c 整储逆 流能变 图2 2 间接变频器结构框图 变频器作为先进电力电子装置，应用日益广泛。在工业方面的典型应用是用 变频器调节交流电动机的速度，是当前最理想的调速方案，不但调速精度高、启 动电流小，具有明显的节能效果。 变频器输入侧谐波电流主要由整流电路、逆变电路和所带负载产生的。整流 电路中整流二极管的开断使输入侧产生特征谐波电流，这是主要的；逆变电路产 生其相数倍的脉动分量；同时，若变频器用于电动机调速，因逆变电路输出的基 波频率随电动机转速要求不断变化的，变化的脉动分量与整流电路开关操作相耦 合，被工频分量调制产生间谐波( 频率为基波频率非整数倍的分量称为间谐波 ( i n t e r h a m o n i c s ) 分量) 。但间谐波含量非常低，可以忽略不计l l 3 j 2 ，变频器输入侧静态谐波电流工程实用计算 因为影响变频器输入侧静态谐波电流的因素多，比如：线路总等效阻抗、随 负载变化而波动的直流侧电压，及电力电子器件的参数等等，定量计算变频器输 入侧静态谐波电流是困难且不必要的。文献【1 4 】给出依谐波含量及其叠加的工程实 用计算方法 3 减小变频器输入侧静态谐波电流及其对系统影响的措施 目前，减小变频器输入侧静态谐波电流有以下措施： ( 1 ) 用直流、交流电抗器来增大线路阻抗( 尤其增大谐波阻抗) ，减小谐波电 流，改善输入电流波形，同时提高变频器的功率因数。 ( 2 ) 增多整流相数，以减小较低次谐波电流( 实际低次谐波电流含量大大超 过高次谐波电流含量) ( 3 ) 采用多电平逆变器，以降低电压跳变的幅度。 第二章谐波、无功的概念及其产生 ( 4 ) 应用矩阵式变频器( m c ) 。 减小谐波电流对系统影响的措施一般可安装调谐滤波器即可。 2 2 2 电弧炉电气系统动态谐波的分析与仿真结果 1 电弧炉电气系统动态谐波产生的机理 依发热的电源不同，电弧炉分为直流电弧炉和交流电弧炉。两者结构主 要不同之处是，直流电弧炉比交流电弧炉增加了一套整流设备，将输入的电 源由交流变为直流；炉顶石墨电极由三根减少为一根，炉底增加了一个底电 极。尽管直流电弧炉有着较多的优点，比如：无感应功率损耗，能源消耗， 较交流炉约降低5 ；热分布均匀，材料、电弧炉损耗低；直流电磁力，更好 地控制熔化过程，有利于提高炼钢质量【1 5 】，但近期直流电弧炉受冷遇1 1 6 】，所 以，目前电弧炉仍以交流电弧炉。 用电弧炉进行冶炼，分起弧期、熔化期和精炼期。特别是在熔化初期， 由于电弧起燃的延迟造成电弧电流波形不连续，且电弧电阻随电流增大而迅 速减小，造成电弧伏安特性的高度非线性，产生大量的频率连续的谐波电流。 除此之外，交流电的正负半周换相，石墨电极和钢交替作阴极和阳极，因不 同材料的发射电子能力不一样，故使电流的正负两个半周的波形不对称，造 成偶次谐波。另外，三相电弧不均衡，导致三次谐波。 。2 电弧炉电气系统动态谐波电流分析与仿真结果 ( 1 ) 分析与仿真的定性结果 随着电弧非线性电阻比例增大，作用增强，系统谐波不但出现间谐波， 而且电弧炉系统逐渐趋于混沌状态【l7 | 。也就是当电流较小比电流较大时，线 性电阻比例增大，波形畸变更严重。 ( 2 ) 分析与仿真的实用定量计算 由于谐振对谐波幅值放大，而电弧炉呈感性，注重兼顾抑制谐波与无功 补偿，电路模型参阅1 1 8 】。 3 减小电弧炉电气系统动态谐波电流及其对系统影响的措施 ( 1 ) 实测结果表明 1 9 1 ，电弧炉遭受频繁的高冲击电流及随后的大谐波电 流。为减小谐波电流对系统的影响，提高电力系统的可靠性，可改用高一级 的变压器供电，此是治标的方法。 ( 2 ) 兼顾抑制谐波与无功补偿。 因为电弧炉工作时会产生大量的频率连续的谐波电流，所以不适用安装几组 调谐滤波器来抑制连续频率的谐波电流。目前通用的办法是增大电弧炉的电抗， 减小谐波电流，改善输入电流波形【2 0 _ 2 及制造专用的滤波器( 对于高闪( 7 ) 9 第二章谐波、无功的概念及其产生 谐波及其附近的间谐波，一般设计二阶高通滤波器，滤波效果较佳：对低次( 亡，：谐波源的最低 若整流相数为6 ，则谐波次数n = 6 k 士l ，= 5 ，p = 4 4 。o - - 6 【2 4 1 ，且 b i s u 弘刘 ( 3 3 ) j 斜：流入主系统的谐波电流允许值 2 电容器参数的确定 设三相电容器采用分相补偿的星形接法。 两种结构的基波等效电路均如图3 - 5 。 图3 5 基波等效电路 p = 等= 等 ，一u 。，= ：= 等 三相l c 串联支路发出总的无功功率 q = 彘 期望补偿的无功功率 q t _ 尸届i 一厢 ( 3 - 4 ) 则各电容器的电气量 k ，= 者劳 ( 3 5 ) ，= 考 ( 3 6 ) 踢= 南 ( 3 7 ) 3 抗谐波无功补偿装置类型的确定 谐波产生的危害引起人们重视的时间不长，一些学者、技术人员进行了有益 的探索。文献【2 6 】仅对一实例进行了分析，文献【2 7 仅给出选择无功补偿装置类犁 第三章配电网中采用l c 组成的谐波抑制与无功补偿装置 经验判据，是不严密的，文献【2 8 】仅对电容器串接电抗器类型的电抗率选择了进行 分析，缺乏全面性。 对高次谐波电路( 如图3 - 4 ) ，设： 非线性负载系数口= 。，其中g 表示谐波源视在功率，s n 表示变压器额定容量； n 次谐波系数= ，其中为谐波源的n 次谐波电流；为谐波源的基波电流 再联立( 3 一1 ) 、( 3 - 3 ) 、( 3 - 5 ) 式得： 砀溉如2 筇k ( 3 - 8 ) j ：变压器低压侧的额定电流 注：式( 3 - i ) 中的x 。、忽略高压侧电网的短路阻抗，仅取变压器低压侧的短 路阻抗 依式( 3 8 ) 及电能质量供用电网谐波国标( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 2 5 】，可推导如 下结论：对内阻不大( u s t r i l ，实际补偿值i 。过小，s 1 和s 2 导通； 当u t r i l ，s 1 导通；否则s 3 导通 当u o 8 ，容性混合d s t a t c o m 接线如图4 1 7 所示。 图4 - 1 7 容性混合d s t a t c o m 补偿容量q ：s ns i n 旃，本例三相d s t a t c o m 的容量可取士2 m v a r ；按2 0 0 ：亓= u k v a r 计算，本例的容性混合d s 吖汀c o m 的价格约8 0 万。 注：根据实测统计结果，固定电容器可选串接电抗器电容器。 4 6 本章小结 因d s t a t c o m 比s v c 具有响应快、提高电压暂态稳定性效果好以及谐波 含量低等优点，d s t a t c o m 代表了配电网的谐波抑制和无功补偿技术的发展方 向。影响d s t a t c o m 性能的主要因素是变流器的电力电子器件、拓扑结构和测 控技术，本章针对新型变流器的组合拓扑结构，提出采用分时处理技术，应用较 先进的测控技术，并对该方案进行了仿真，仿真结果证明了该方案的可行性和有 效性，该方案提高了大容量d s t a t c o m 开关频率( 输出精度) 和可靠性。最后 给出一则应用实例，为选择d s t a t c o m 的技术参数、价格提供参考。 第五章总结与展望 5 1 本文工作总结 第五章总结与展望 本文根据国际上灵活交流输电系统( f a c t s ) 技术的最新进展以及我国配电 网的电能质量和效率的现状，对配电网谐波抑制和无功补偿装置发展前景较好、 适合中国国情的静止同步补偿器s t a t c o m 的设计和与其应用密切相关的l c 组 成装置的选择进行研究，具体来讲，主要做了如下工作： ( 1 ) 概括基于任意周期电压、电流的无功功率的概念，这为设计非实时系 统的无功电表、评定谐波抑制和无功补偿装置的性能提供理论依据。 ( 2 ) 经理论推导，给出l c 组成装置的类型及其参数的选择方法，为实际 使用s t a t c o m 扫清障碍。 ( 3 ) 经理论推导，给出基于p a r k 变换的电压电流综合检测方法( 即i d i q ) ， 为直接电流控制的d s t a t c o m 提供高精度的无功电流实时检测法。 ( 4 ) 应用p s i m 6 0 电力电子仿真软件，对所提出的新型变流器拓扑结构、 分时处理技术以及i d i q 实时电流检测法进行仿真，仿真结果证明技术的可行性 和有效性。 5 2 未来工作及展望 配电网的谐波抑制和无功补偿是一个比较复杂的大课题，而d s c o m 的设 计和应用又是一个高新技术领域，在导师和专家的指导和帮助下，该工作虽然取 得了一定成果，但由于时间和能力的限制，还有一些问题有待进一步深入研究， 未来的工作计划有以下几点： ( 1 ) 对所提出的主电路拓扑结构进行实验验证与工程设计。 实践是检验真理的唯一标准，争取该课题立项，互助合作，充分发挥硬件 条件和智力资源的优势，通过实验来验证新的拓扑结构，同时，对实验中可能出 现的新问题深入研究，为变流器的设计乃至电力电子器件的设计提出新思路。 ( 2 ) 在消化和吸收目前s t a t c o m 的电路模型和算法的基础上，对含有 d s t a t c o m 的配电网谐波抑制和无功补偿系统( s v s ) 的多目标自适应控制提出 可行方案。 3 9 第五章总结与展望 ( 3 ) 对应用s t a t c o m 的电力系统，考虑s t a t c o m 的影响后，建立新型的 电力系统的微机保护。 展望未来，随着电力电子技术( 包括器件制造技术、主电路拓扑技术、测量 控制技术、脉冲调制技术) 及自动化控制技术、计算机技术、微电子技术及能量 储存技术的发展，2 1 世纪的电力系统将是传统的电力系统与各种先进装置一起 构成安全可靠、经济高效，能为人类提供优质电能的现代化电力系统。而配电网 的谐波抑制和无功补偿技术必将起到巨大推动作用，d s t a t c o m 装置将朝着结 构更加简单、单位体积补偿能量密度更大、响应速度更快、功能更齐全的方向发 展。 参考文献 参考文献 【i 】f a n gz h e n gp e n g ，g e o r g ewo t t ，j r ，d o n a l dj a d a m s ，h a r m o n i ca n dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o nb a s e do nt h eg e n e r a l i z e di n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r t h e o r yf o rt h r e e p h a s ef o u r - 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