（电气工程专业论文）电解用新型变流系统的谐波抑制和无功补偿研究.pdf

硕_ 上学位论文 摘要 随着电力电子技术和控制技术的不断发展，电力电子技术的应用已深入到工 业生产和社会生活的各个领域，其典型的用途包括：电化学、直流传动、交流传 动、电镀及电加工等，成为传统产业和高新技术领域不可缺少的关键技术。然而 其负面效应也日益明显。电力电子装置的开关动作向电网中注入了大量的谐波， 导致了交流电网中电压和电流波形的严重失真，电能质量下降。所以，抑制谐波 污染、改善供电质量成为迫切需要解决的问题。 本论文主要由四大部分构成，第一部分第l 章组成，介绍了电解行业的概况 及国内外的研究现状与发展趋势；指出了当前电力系统谐波污染问题以及谐波抑 制技术的发展概况；分析了变流系统的谐波产生、危害及抑制措施；阐述了谐波 抑制与无功补偿的方法及现状。 第二部分仅包括第2 章，主要讨论了新型交流系统的整流变压器及其感应滤 波技术，利用变压器固有的安匝平衡并配置以全调谐无源滤波装置来实现对谐波 的屏蔽与对基波的补偿；着重介绍了新型变流系统的接线方案与基本工作原理； 推导了电压电流的传递关系。 第三部由第3 章和第4 章组成，通过分析采用感应滤波技术的新型变流系统 谐波特性( 包括特征谐波，非特征谐波以及问谐波与次谐波) ，求得系统的谐波传 递特性，为后续的全调谐滤波器的综合设计提供重要设计参数；给出了新型变流 系统滤波装置的设计方案与无功补偿方案。 第四部分仅包括第5 章，通过对比新型变流系统仿真结果与传统变流系统仿 真结果，以及株洲化工集团的传统交流系统与新型首台套的测试结果进行对比， 验证了变压器感应滤波技术所具有的优越滤波效果，且感应滤波技术能在变压器 二次侧对谐波采取就近抑制，同时部分地补偿无功功率，揭示出新型滤波方式及 基于新型整流变压器的变流系统所具有的优越性。 关键词：变流系统；谐波抑制；无功补偿；新型整流变压器；滤波器设计 l l 电解用新型变流系统的谐波抑制和无功补偿研究 a b s t r a c t w i t hu n i n t e r r i l p t e dd e v e 】o p m e n to ft h ep o w e ra n de l e c t r o nt e c h n o l o g ya n d t h ec o n t r o lt e c h n i q u e ，i t sa p p l i c a t i o na l r e a d yg o e sd e e pi n t ot ot h em a n u f a c t u r i n g p r o d u c t i o na n dt h es o c i a li i f e ， i n c l u d i n g ：e i e c t r o c h e m i s t r y ， d i r e c t c u r r e n td r i v e ， a l t e m a t i n gd r i v e ，e l e c t r o p l a t i n ga n de l e c t r o - m a c h i n i n ge t c s ot h a ti tb e c o m e st h e k e yt e c h n o l o g yi nc o n v e n t i o n a li n d u s t r i e sa n dh i g ha n dn e wt e c h n o l o g yf i e l d s h o w e v e r，t h en e g a t i v ee f f e c th a sb e e na l s og r a d u a l l yo b v i o u s b e c a u s et h ep o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n ts w i t c h i n gm o t i o nh a sc a u s e dl a r g ea m o u n to fh a r m o n i c ， i t r e s u n si nt h ed i s t o r t i o no fv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e f o r mo ft h ea c n e t w o f k ，a n d q u a l i t yo fp o w e r e dd r o p s o ，“i su r g e n tt oe l i m i n a t eh a r m o n i ca n di m p r o v ep o w e r q u a l i t y t h i sp a p e rh a sf 0 u rm a j o rc o m p o s i t i o n s ：t h ef i r s t p a ni st h ef i r s tc h a p t e r ， i n t r o d u c e dt h e g e n e r a ls i t u a t i o no fe l e c t r o l y s i si n d u s t r y ， t h e p r e s e n ta n dt h e i m p i r o 、r 锄e n tt r e n da th o m ea n da b r o a d ；p o i n t e do u tt h ec u r r e n tp o w e rs y s t e m h a m o n i c sp o l l u t i o np r o b l e m sa sw e l la st h ed e v e l o p m e n to fh a r m o n i cs u p p r e s s i o n o v e r v i e w ； a n a l y s i s e dt h ec o n v e r t e rs y s t e mh a r m o n i cg e n e r a t i o n 、h a r ma n d s u p p r e s s i o nm e a s u r e s ； e x p o u n d e dt h em e a s u r e sa n dt h ec u r r e n ts i t u a t i o no f h 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 ep o w e rc o m p e n s a t i o n t h es e c o n dp a r to n l yi n c l u d e st h es e c o n dc h a p t e r i tm a i n l yd i s c u s s e st h en o v e l c 伽v e r t e rt 豫n s f 0 瑚e r 柚dc 0 盯e s p o n d i n gi n d u c t i v ef i l t 撕n gt c c h n i q u ei nt h en o v e l c o n v e r t e rs y s t e m ，w h i c hu s e st h et r a n s f o r m e r sa m p e r e - t u mb a l a n c ea n df u l l t u n a b l e p a s s i v ef i l t e rd e v i c et oa c h i e v er 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 h i e l d i n g ； a n di n t r o d u c e dt h en o v e lc o n v e r t e rs y s t e m sw i r i n gm o d ea n df u n d a m e n t a lw o r k i n g p r i n c i p l e ；d e d u c e dt h et r a n s i t i v er e l a t i o no ft h ev o l t a g ea n dc u r r e n t t h et h i r dp a r ti n c l u d e st h et h i r da n dt h ef 1 0 u rc h a p t e r s b a s e do nt h en o v e l c o n v e r t e r s y s t e m s ， t o g e t o u tt h e s y s t e m s h a r m o n i ct r a n s f e r c h a r a c t e r i s t i c ， ( i n c l u d i n gc h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i c ，n o n c h a r a c t e r i s t i ch a r m o n i c i n t e r h a r m o n i ca n d s u b - h a r m o n i c ) t op r o v i d ea ni m p o n a n td e s i g np a r a m e t e ro ff h l l t u n a b l e6 l t e rd e s i g n ； a n di n t r o d u c e dt h e d e s i g na n dr e a c t i v e - l o a dc o m p e n s a t i o ns c h e m eo ft h ef i l t e r d e v i c ei nn o v e lc o n v e r t e rs y s t e m t h ef i o u r t hp a r ti st h ef i r hc h a p t e r ，t ov a “d a t et h es u p e r i o rf i l t e r i n ge f 诧c to ft h e i n d u c t i v e f i l t e r i n gt e c h n i q u e ，b yc o m p a r i n gt h en o v e lc o n v e r t e rs y s t e ma n dt h e i i l 硕上学位论文 t r a d i t i o n a lc o n v e r t e rs y s t e ms i m u l a t i o nr e s u l t s ，a n db yc o m a r i n gt h et e s tr e s u l to ft h e t r a d i t i o n a ls y s t e ma n dt h ef i r s ts u i to fn o v e ls y s t e mi nt h ez h u z h o uc h e m i c a l i n d u s t r yc o m p a n y ，a tt h es a m et i m et h i sm e t h o dr e a l i z e sh a r m o n i cs h i e l d i n ga n d r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na tt h et r a n s f o r m e r ss e c o n d a r ys i d e ；o p e n e do u tt h e s u p e r i o r i t i e so ft h en o v e lf i l t e r i n gm e t h o da n dt h en o v e lc o n v e r t e rt r a n s f b r m e r c o n v e r t e rs y s t e m k e y w o r d s ：c o n v e r t e rs y s t e m ；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 ep o w e rc o m p e n s a t i o n ； n o v e lr e c t i f i e rt r a n s f o r m e r ；f i l t e rd e s i g n i v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 储躲郦蝴 i 醐一年 1 r 月形日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签 导师签 日期： 日期： 比 月月 r r年年 弓 硕士学位论文 第1 章绪论 本文的研究课题是电解用新型变流系统的谐波抑制和无功补偿，本章主要介 绍本课题的工程背景，谐波的产生、危害及抑制措施，本课题的研究目的和意义； 以及本论文要完成的主要工作等内容。 。1 1 电解行业的概况 1 1 1 电解行业电力负荷性质 我国现已成为有色金属工业大国，如镁、铝、钙、锂、钠等金属都是用熔盐 电解法制得的，其中铝、镁的熔盐电解已形成大规模工业生产，重有色金属铜、 铅、锌、镍等的精炼采用水溶液电解法，另外许多稀有金属如钍、钽、铌、锆、 ，钛也可用熔盐电解法制得。电解工艺生产要求恒定的直流电流，并对电流幅度的 波动有严格的要求。 铝电解工艺生产要求采用直流电流供电，这样可以提高电流效率；降低吨屯 耗，延长电解槽运行寿命，如果电流波动大，不但将破坏电解槽的正常生产，而 且会造成槽子局部过热，影响到生产安全。 镁电解工艺同样采用直流电能，对熔融的无水氯化镁进行电解，在阳极上放 出氯气，在阴极上吸附着金属镁，如发生停电将使电解质凝固。 锌电解采用水溶液电解法，直流停电后，阴极返溶，产生氢气可能引起爆炸， 所以大中型锌电解应保证直流电源可靠，直流负荷的3 0 4 0 为一级负荷乜】。 化工食盐电解随着工艺的改进，电解系列电流不断增大，系列电压不太高， 工艺生产连续性强。 综上可知，直流电源为电解工艺的核心装置，而整流装置为系统提供直流 因此，其整流效率、稳流精度和供电可靠性直接关系到电解生产的连续性和安全 性。并且，目前国内整流机组一般采用电力二极管和可控硅两种整流元件。 1 1 2 整流装置是电网的主要谐波源 变流装置是电网的主要非正弦受电设备。即使电网供电电压为理想正弦波， 由于整流阀的单向导电作用，在正反向电压作用下其电阻值迥然不同，因而整流 装置从交流电力系统取用的电流也是非正弦的。这种非正弦电流波形，根据系统 参数、整流装置相数、接线和运行条件的不同而发生很大的畸变。将这些电流波 形按傅里叶级数可以分解为基波及一系列不同频率和振幅的谐波，但通常不包含 直流分量。因此整流装置是从电力系统取用谐波电流的受电设备。 整流装置对电网产生了严重的谐波污染，成为电力公害。国际上召开了多次 电解月j 新犁变流系统的谐波抑制和无功补偿研究 有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波 和用电设备谐波的标准和规定。我国国家技术监督局在l9 9 4 年颁布了电能质 量公用电网谐波标准( g b t 1 4 5 4 9 9 3 ) 1 ，国际电工学会也于19 9 8 年对谐波标 准i e c 5 5 5 2 进行了修改j 欧洲制定了i e c l0 0 0 3 2 标准。传统整流器己达不到 这些新的规定要求，因此，有必要对传统整流装置进行改善，研制出功率因素高、 谐波含量少、制造方法简单，成本低的整流装置。 为了使整流装置的性能得到改善，抑制谐波、提高功率因素成为首要的任务。 抑制电力电子装置产生谐波的方法有两种：一种是被动式的，即装设谐波补偿装 置来补偿谐波；另一种方法是主动式的，即设计输入电流为正弦、谐波含量低、 功率因数高的高性能整流装置。 电解行业采用了大量韵非线性电力电子元件，同样面临谐波污染问题。目前 抑制谐波有效方法就是增加整流装置的等效相数，它可完全或大部分地消除幅值 较大的低次谐波等效多相系统都是在6 相基础上，利用变压器绕组y 和接法 的不同组合，或加移相绕组来完成，通常采用的等效相数p 有6 、1 2 、l8 、2 4 、 3 0 、3 6 、4 8 相。按理想条件下，其网侧谐波电流次数为肚1 ，七= 1 ，2 ，即随 着相数越多，注入网侧的谐波电流越少。 加相数，但当等效相数高于3 6 相以后， 1 2 电力系统谐波的产生与危害 1 2 1 谐波的产生 一般随着整流装置容量的增大而逐渐增 谐波电流幅值降低的效果并不显著。 靠谐波 一词起源于声学，有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经奠 定了良好的基础傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。 国际上公认的谐波含义为：“谐波( h a r m o n i c s ) 是一个周期电气量的正弦分量， 其频率为全波频率的整倍数 。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，我们 也常称它为高次谐波。而间谐波、次谐波和分数谐波，这些名词的解释和谐波完 全不同。按照i e c 有关文件中的定义，间谐波( i n t e r - h a r m o n i c s ) 是指频率不是工 频的整数倍的谐波分量，即介于工频与谐波之间的傅里叶频谱分佰一1 。其主要来 源为静态变频器、变流器、感应电动机、电焊机和电弧炉等，其允许的总畸变系 数应小于整数谐波，其试验方法与谐波的试验方法相同。次谐波( s u b - h a r m o n i c s ) 为频率低于工频基波频率的谐波分量。分数谐波( f r a c t i o n a l - h a r m o n i c s ) 是频率非 基波频率整倍数的谐波分量h 1 。次谐波和分数谐波对基波产生调幅并影响电流、 电压波形等。分数谐波即使只有o 5 ( 相对于额定端电压) ，也将对阴极射线管 的图像产生周期性的放大和缩小。在铁磁谐振中，其谐振频率可能等于简单的工 频整倍数( 如2 ，3 ，5 等) ，也可能等于分数( 如l 2 ，1 3 ，3 5 等) ，分别称为高 2 硕上学位论文 频谐振或分频谐振一 谐波是由于使用变流器和非线性负荷所引起的。高次谐波产生的根本原因是 由于工业电力系统中某些设备和负荷的非线性特性，即所加的电压和产生的电流 不成线性正比关系而造成的波形畸变伯柚1 。早在2 0 世纪3 0 年代，人们就注意到 静止汞弧变流器的使用造成了电压和电流波形的畸变。到了5 0 、6 0 年代，由于 非线性负荷的迅速增加，谐波问题已愈来愈引起人们的关注。 表1 1 谐波源分布情况 ，1 9 9 2 年日本电气学会发表了一项有关谐波源的调查报告，其中对各电力用 户的最大谐波源进行了调查。表1 1 给出了其调查结果。在被调查的18 6 家有代 表性的电力用户中，无谐波源的仅占6 ，其最大谐波源为整流装置的用户占 6 6 ，为办公及家用电器的用户占2 3 ，为交流电力调整装置和电弧炉的用户分 别占l 和4 。办公和家用电器的用户中谐波实际上还是来自其中的整流装置。 因此，最大谐波源来自整流的用户占8 9 ，连同交流电力调整装置所占的1 ， 最大谐波源为电力。电子装置的用户占9 0 。若排除占6 的无谐波源用户，则在 有谐波源的用户串，最大谐波源为电力电子装置的用户所占的比例高达9 6 。 可见，电力电子装置已成为最主要的谐波源。由表1 1 知，当前电力系统的谐波 主要来自于以下几个方面n 引： ( 1 ) 因发电源质量不高产生谐波：由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表 面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正 弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总 3 电解用新犁变流系统的谐波抑制和无功补偿研究 电源的电流也将偏离正弦波； ( 2 ) 具有铁磁饱和特性的铁芯设备：如变压器、电抗器等； ( 3 ) 具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备：如气体放电灯、交流弧 焊机、炼钢电弧炉等； ( 4 ) 电力电子元件为基础的开关电源设备：如各种电力变流设备( 整流器、逆 交器、变频器) 、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等， 它们大量的用于化工、电气铁道、冶金、矿山等工矿企业以及各式各样的家用电 器中； ( 5 ) 由于接入低压供电系统的非线性设备而产生谐波：接入低压供电系统的 非线性设备产生的谐波电流，如视频显示设备和测试仪表、激光打印机、复印机、 微波炉等产生的谐波。 特别是近3 0 年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成 为最大的谐波源。 1 2 2 谐波的危害 谐波电流和谐波电压的出现，对于电力系统运行是一种“污染一。由于谐波 的存在使得系统电能质量下降，不但会严重影响电力系统自身的安全运行，而且 还影响输变电设备的正常运行和干扰周围的通信系统。为此，我国于1 9 9 3 年对电 网中的谐波制定了相应的国家标准。谐波对电力系统和其他用电设备可能带来非 常严重的影响和危害，主要可归纳为以下几点： ( 1 ) 由于谐波的存在，增加了系统中各元件的附加损耗，降低了发电、输电 及用电设备的运行效率n 。电力设备中流过谐波电流时尽管谐波电流占基波 电流的比例一般不大，但是由于谐波电流频率较高，使得载流导体中的集肤效应 增大，相应的交流电阻增大，从而增加谐波所引起的附加铜耗。谐波电流对输电 系统的影响主要是增加网损，其次是在电网中产生谐波电压降，从而降低电压波 形质量。 ( 2 ) 谐波将使电力设备元件加速老化，缩短设备的使用寿命n 2 1 。除了发热和 绝缘老化以外，谐波对设备运行还会带来设备寿命缩短、接地保护功能失常、遥 控功能失常、线路和设备过热等。特别是三次谐波会产生非常大的中性线电流， 使配电变压器的零线电流甚至超过相线电流值，造成设备的不安全运行。 ( 3 ) 谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机产生机械振动、噪声和过电 压；使变压器局部严重过热；还会使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命 缩短，以致损坏。 ( 4 ) 谐波可能会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大， 不仅增加了附加损耗和发热，而且可能造成电压互感器等设备损坏，造成变电站 硕士学位论文 系统中的设备和原件产生附加的谐波损耗，引起电力变压器、电力电缆、电动机 等设备发热，电容器损坏，并加速绝缘材料的老化；造成断路器电弧熄灭时间的 延长，影响断路器的开断容器；造成电子元器件的继电保护或自动装置误动作； 影响电子仪表和通讯系统的正常工作，降低通讯质量；增大附加磁场的干扰等， 并可能引起严重事故。 ( 5 ) 谐波会干扰通信系统、降低信号的传播质量，破坏信号的正常传递，甚 至损坏通信设备。高谐波含量对电力载波通讯的干扰主要表现在语音通讯过程中 产生噪声，降低通话的清晰度，数据传输失真，降低e m s 、d a s 实时数据的真实 可靠性u 朝。严重时会引起信号的丢失，造成集中抄表系统中数据出错等故障。 由于谐波污染问题越来越严重，研究各种谐波抑制新方法，已成为电力电子 技术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中的重要研究课题。 1 3 谐波抑制和无功补偿方法 1 3 1 谐波抑制方法 为了解决电力电子装置和其他谐波源的对屯网的谐波污染问题，有两种基本 的方法：一种是安装谐波补偿装置来补偿谐波，这种方法对各种谐波源都适用； 另一种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 l ，这种方法当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。 安装谐波补偿装置的传统方法就是采用三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，所以一直被广泛使用。但主要缺点是 补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，容易和系统发生并联谐振，导致谐波放 大，使工c 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果 也不理想。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r a p f ，。这种滤波器能对频率和幅值都发生变化的谐波进行跟踪补偿，并 且补偿特性不受电网阻抗的影响n 卜1 5 1 ，因而受到广泛重视，虽然已在日本等国获 得广泛应用，但在我国还没有被大规模的推广。 对于作为主要谐波源的电力电子装置来说，除了采用补偿装置对其进行补偿 外，还有一条抑制谐波的途径，就是开发新型变流器，使其不产生谐波，且功率 因数为l 。这种变流器称为单位功率因数变流器( u n i t yp o w e rf a c t o rc o n v e r t e r ) 。 高功率因数整流器也可近似看成为单位功率因数变流器。 为了适应我国对电力系统谐波抑制的要求，在湖南大学刘福生教授提出的阻 抗匹配平衡变压器的基础上n 铲1 9 1 ，又提出了种多功能平衡变压器心0 1 ，在负载侧 可实现无功补偿和滤波功能，把这种滤波方式称为感应滤波方式。这种感应滤波 技术在直降式电炉、化工及冶金行业用整流变压器中也得到了应用，此类变压器 电解用新型变流系统的谐波抑制和无功补偿研究 在本文中称为谐波屏蔽变压器，且该类变压器运行效果良好。感应滤波整流变压 器已申请实用新型专利，专利号为z l 2 0 0 7 2 0 0 6 31 11 2 刘福生。但目前，对于感 应滤波方式的研究并未得到广泛关注，对于感应滤波技术的理论研究还有待进一 步的深入。 1 3 2 无功补偿方法 在重视谐波抑制的同时，也应充分认识到无功补偿的重要性。无功功率对供 电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统中的网络元件的阻抗主要呈现为 感性。因此，在系统运行过程中，这些网络元件要消耗无功功率，同时，大部分 负载也需要消耗无功功率，而这些无功功率必须要由电力系统来提供。显然，如 果要求这些无功功率由发电机提供并经过远距离传送到负载端是很不合理的。这 就需要在消耗无功功率的负载端来补偿无功功率。下面简要说明补偿无功功率的 作用，主要有如下几点： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗乜； ( 2 ) 稳定电网电压，提高电能质量。在远距离输电线路中合适的地点配置无 功补偿装置，可改善输电系统的稳定性，提高输电能力乜羽。 目前，广义上的无功补偿措施可分为两种：l 、被动式方法；2 、主动式方法。 对无功补偿新方法的研究工作，目前，国内外的科技工作者研究重点都集中在以 现代电力电子技术为核心，设计研发无源和有源的混合式系统，开发出性能更为 优越的无功补偿装置心3 2 副。 1 4 本论文研究的意义 研究谐波抑制和无功补偿的意义，有如下几点： 首先，对系统进行谐波抑制和无功补偿将会提高功率因数，并且可降低变电 设备的额定功率容量要求；也可降低电压的谐波畸变率，有效减少谐波电流注入 电力系统。 其次，由于谐波的危害十分严重，有效抑制谐波能使电能的生产、传输和利 用的效率提高；能减少电气设备的过热、振动和噪声，延缓绝缘老化，增加使用 寿命；减少因存在谐波引起的系统局部并联谐振或串联谐振；减少由谐波引起的 继电保护和自动装置误动作，避免因此而导致电能计量出现混乱。 再次，抑制谐波对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学 技术发展的重要支柱。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电 子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更 为有效的研究。 最后，从治理环境污染、维护绿色环境的角度来看，无谐波就是“绿色”的 6 硕士学位论文 主要标志之一。在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益 高涨。目前，对地球环境的保护已成为全人类的共识，对电力系统谐波污染的治 理乜5 。圳也已成为电工科学技术界所必须解决的问题。 1 5 本论文完成的主要工作 由于电解行业的大力发展，而谐波危害日益严重，研究更加经济合理的滤波 方法和滤波装置就成为了当今研究的热门话题。本文也是针对这一方面进行了细 致的理论分析和仿真试验研究，并对系统进行了测试，为后续的研究工作提供了 必要的理论基础和科学依据，也为电解用新型变流系统的广泛应用提供了科学的 技术支持。 本论文主要围绕如下几个方面开展研究工作： ( 1 ) 绪论部分给出了研究课题的工程背景及研究的必要性，谐波的产生、 危害及抑制措施以及研究谐波抑制与无功补偿的意义； ，( 2 ) 介绍了电解用新型变流系统和传统变流系统的接线原理，比较了新型 系统与传统系统的区别，推导了系统中电压电流传递关系，分析了该系统的谐波 屏蔽原理； ( 3 ) 分析了电解用新型交流系统的谐波特性，包含特征谐波，非特征谐波。 通过变流系统互调的方法，分析了间谐波与次谐波的相序特性，并进行了建模仿 真，以此来验证理论推导的科学性； ( 4 ) 针对电解用新型变流系统特殊的接线方式，给出了该系统滤波装置和 无功补偿装置的综合设计，包括滤波装置的选型、元件参数的详细分析与计算； ( 5 ) 对电解用新型变流系统进行建模与仿真，主要是建立新型变压器带第 三绕组滤波模型，采用m a t l a b s i m u l i n k 软件对该系统模型进行仿真。对应用 于株洲化工集团的新型变流系统进行试验测试，并与株化传统交流系统的测试结 果进行比较，从理论、仿真和试验三个角度来说明新型变流系统的优越性和可行 性。 7 电解用新型变流系统的谐波抑制和无功补偿研究 第2 章电解用新型变流系统的接线方案与原理研究 本文针对目前电解行业变流系统滤波和无功补偿方案存在的问题，研究一种 新型变流系统。该变流系统采用新型谐波屏蔽变压器，与传统变流系统中的普通 双绕组变压器相比多一个绕组，将该绕组接入滤波装置，实现谐波抑制和无功补 偿的作用。 本章将详细阐述新型变流系统的接线方案，以单相三绕组谐波屏蔽变压器为 例，对谐波屏蔽变压器的谐波抑制机理和无功补偿原理进行详细分析，并推导出 电压电流的传递关系。 2 1 接线方案与基本工作原理 2 1 1 接线方案 传统变流系统接线图如图2 1 所示，该系统主要由四大部分组成：( 1 ) 双绕 组变压器；双绕组变压器连接三相交流电源，网侧绕组为星型连接，阀侧绕组为 三角形连接；( 2 ) 6 脉波整流器；6 脉波整流器直接与变压器阀侧绕组相连； 3 ) 单 调谐滤波器；滤波器接在交流网侧以便对系统进行滤波；( 4 ) 直流电站侧；为系 统负荷提供直流电源。 图2 1 传统变流系统图 本文提出了一种新型变流系统的接线方案，如图2 2 所示。该系统则主要由 三大部分组成：( 1 ) 新型整流变压器及其滤波、功补系统；网侧绕组采用星形接 法，中性点引出接地，阀侧绕组采用三角形接法，滤波绕组接入5 、7 ，1 1 、13 单调谐滤波支路；( 2 ) 6 脉波整流器；6 脉波整流器直接与变压器阀侧绕组相连； ( 3 ) 直流电站侧；为系统负荷提供直流电源。 采用新型变流系统后，并未影响原有的整流器和相关控制保护系统，可有效 8 硕士学位论文 降低系统改造的成本。对比图2 1 、图2 2 可知，两者最大的区别在于：新型整流 变压器采用阀侧滤波和功补方案，通过有效地在阀侧进行谐波抑制，降低变压器 的谐波损耗、同时兼顾无功补偿，提高系统的功率因数，改善交流母线侧的电能 质量，降低电能损耗，能为企业有效地节约电能的使用量，节约系统的运行成本。 图2 2 颞型变流系统图 2 1 2 基本工作原理 一般来说，电解系统的容量较大，因而变压器的体积和重量较大。为了方便 运输，传统变流系统中变压器的结构形式采用单相三绕组型式换流变压器，如图 2 3 ( a ) 所示。新型变流系统中变压器的结构形式采用单项三绕组变压器，如图 2 3 ( b ) 所示。阀侧两套绕组，其中一套绕组按y 连接方式接线；另外一套绕组必 须按连接方式接线，以便消除变压器激磁电流中谐波含量很大的三次谐波电 流。 网 侧 阀 侧 a ) 单相双绕组b ) 单相三绕组 图2 3 变流系统变压器结构型式 新型整流变压器接线方案如图2 4 ( a ) ( b ) 所示，电压相量图如图2 4 ( c ) 所示。网 侧绕组由三相绕组a o 、b o 和c o ( 绕组1 ) 组成，采用星形接法，中性点引出接地； 阀侧绕组由两套绕组共同组成，一套绕组由三相绕组a l o 、b l o 和c l o ( 绕组2 ) 组成， 采用星形接法；另外一套绕组由三相绕组a 2 b 2 、b 2 c 2 和c 2 a 2 ( 绕组3 ) 组成，采用 三角形接法。 设绕组l 、绕组2 和绕组3 的匝数分别为形l 、，绕组2 与绕组1 、绕组3 与绕组l 的匝比分别为七l 、如，若七l 、舷、耽、满足式( 2 1 ) ： 9 毋 电解用新型变流系统的谐波抑制和无功补偿研究 b ) 绕组l 和绕组2 的接线方案 图2 4 新型整流变压器的接线方案及其电压相量图 设新型整流变压器网侧绕组上加载三相对称电压： 一= 厨ls i i l ( 国l f ) 一= 也s 岫。卜争 c ：面。s 缸缈。f + 娶) j 式中，阢为网侧母线相电压有效值； 6 舶。：厩us 酞q ，+ 刍u 口1 6 l = 6 七1 us 域铂，+ a 痧姗厩us i n ( q f 一要)u 姗l = 6 毛us i n ( 劬f 一) 一 u c l a l = 6 毛us i n ( q ，+ 刀) 舀口：6 ：厩us i n ( q f + 要) u 口2 6 2 = 6 也us i n ( 劬f + ) 6 。：。：酞：u 。s i n ( q f 一刍 u 6 2 。2 = 6 毛u is i n ( 劬f 一二 一 u f 2 。2 = 6 七，us i n ( 劬，+ 万) 1 0 ( 2 1 ) 6 2 ( 2 2 ) ( 2 3 ) 吸一暇一暇 = i l i 2 七 七 ，j一一 硕士学位论文 根据图2 4 ( c ) 电压相量图，可得在理想变压器条件下( 即不计阻抗压降) ，变 压器阀侧两套绕组线电压方程为式( 2 3 ) 。 由式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) ，可以画出理想条件下新型整流变压器的电压相量图，如 图2 5 所示。 图2 5 理想条件下新型整流变压器网侧和阀侧绕组电压相量图 图2 5 中可看出，u 砌l 、u 础i 、u 姗l 、u 6 l 口i 、u c l 口l 和u 砌1 依次滞后6 0 度，共 同组成6 脉动整流器所需的换相线电压。u 口2 c 2 、u 6 2 c 2 、u 6 2 口2 、u 。2 口2 、u 啪2 和u 口2 6 2 分别为5 7 ，“，1 3 ，1 7 1 9 次调谐滤波器提供所需的电压。 2 2 电压电流的传递关系 结合式( 2 2 ) 和式( 2 3 ) ，可得出理想条件下新型整流变压器的电压传递方程。 ( u 彳一u 占) ( u 矗一u c ) ( u c u _ ) = 七2 ( u 一u 8 ) = 七2 ( u 占一u c ) = 七2 c u ) ( 2 4 ) ( 2 5 ) 理想条件下，根据磁势平衡方程，可以得到新型整流变压器的网侧绕组电流 与负载电流之间的矩阵变换关系： 觑双觑 6 c 4 i i l 口 6 cuuu ，ii，i_l11-litlt 2 2 2 拍 如 加 口 6 c uuu ，-i-_l_-，、-_i-_i、 电解用新型变流系统的谐波抑制和无功补偿研究 2 3 谐波屏蔽原理研究 ，一 lb i c = 毛 = 乞 ，口l i 口、 ，r l ，口2 ib 2 lt l ( 2 6 ) ( 2 7 ) 变流系统出现的高次谐波，均由整流变换和负荷阻抗的非线性所引起。治理 谐波主要是阻止谐波电流的传播和扩散。对变压器来说，就是要针对负荷形成的 谐波电流源，加以疏导和抑制，力图缩小其流通范围。可以采用滤波，迫使谐波 电流仅在限定的回路中通过，防止它流窜到相邻的网侧系统造成危害。为此，可 在联通的回路阻抗上作出相应的安排。因此，新型变流系统采用感应型谐波屏蔽 变压器如图2 2 所示。对于三相谐波屏蔽变压器及其滤波系统模型，可用单相模 型来分析其谐波抑制机理。 整 流 负 载 图2 6 感应型谐波屏蔽变压器的基本结构 单相感应型谐波屏蔽变压器的基本结构如图2 6 所示。图2 6 中，变压器由铁 心，一次绕组矾，二次绕组既和组成。矽l 绕组接入电源，称为电源绕组； 绕组接入滤波器，称为滤波绕组；绕组接入整流性负载，称为负载绕组。根 据需要选定相应负载绕组与滤波绕组的匝数。感应型谐波屏蔽变压器的负载绕组 与滤波绕组之间没有电的联系，滤波绕组纯粹通过电磁感应原理产生与负载谐波 电流方向相反的谐波电流。下面对该谐波屏蔽变压器的谐波抑制机理以及对变压 器的阻抗和滤波绕组接入的滤波器的参数要求进行推导。 感应型谐波屏蔽变压器的谐波模型如图2 7 ( a ) 所示。对于谐波源，耽绕组可 1 2 硕士学位论文 视为一次绕组，和矾可视为二次绕组。图2 7 ( a ) 中，假定电源电压中无谐波分 量，谐波源作为电流源，。处理，矿l 、和绕组中的谐波电流分别为，l 。、，2 。和 ，。，滤波器支路的谐波电流为，加。 a ) 诣波模型b ) 等效电路 图2 7 感应型谐波屏蔽变压器的谐波等效模型 设变压器一次侧绕组形l 的等值谐波阻抗为z 。一，二次侧绕组的等值谐波阻 抗为z ：。，滤波绕组的等值谐波阻抗为z 3 一，滤波器的谐波阻抗为z 历，其等效 模型如图2 7 ( b ) 所示。l 绕组、仍绕组和绕组的等值谐波阻抗可用式( 2 8 ) 表示： 卜= 三( + - z 黝 z ：。= 三( 乙：。+ 乙：，一乏翟) ( 2 8 ) lz 3 。= 丢( 乙，+ 乙，：一乏嚣) 式中：乙。2 、乙，、乙：，分别为形i 绕组与耽绕组、职绕组与形l 绕组及矾绕组 与绕组之间的一次谐波短路阻抗。乙：孙、乙。3 2 、乙1 分别为形l 绕组与绕 组、职绕组与矽l 绕组及绕组与耽绕组之间的珂次谐波短路阻抗折算到对应侧 的阻抗值。 由图2 7 ( b ) 所示的谐波等效模型，可列写丹次谐波电流方程和谐波电压方程 为： r p “i = ( 2 9 ) l ，2 。= 一，加 ( 2 1 0 ) 根据图2 7 ( a ) 所示，不计谐波励磁电流，可得刀次谐波电流满足的磁势平衡 1 3 w t o 以乙 = 一一 = 协 加 归 uuu ，、l 电解用新型变流系统的谐波抑制和无功补偿研究 方程为： 式中： 3 ) = 【l + 哎s i n ( 吐f + 丸) 】七洳s ( 耐+ 争一吾c o s 5 ( 耐+ 争+ 】 = 虬【c o s + 争一詈c o s 5 似+ 等) + 】+ 等耐地f + 屯+ 争( 3 1 3 ) 一如( 鲥一吐，一丸+ 争卜告【s 试5 研+ 吐r + 以一等) 一s i n ( 5 耐一吐r 一以一三；) 】+ 同理，可以求出毛( ，) 和t ( ，) 的相应表达式。可以看出，式( 3 1 1 ) 右边第1 项为 6 七1 ，( 后；1 ，2 ，3 ，) 次谐波，第2 项以及之后的几项，当哆= 刀国，刀= l ，2 ， 3 ，即直流侧的纹波信号频率是系统基波频率的整数倍。则表示在交流侧将产 生2 顽= 【6 七m + 1 ) p 和2 砺= 【6 七0 一1 ) 非特征谐波分量。而当哆一缈时，则 在交流侧会出现2 砺= ( 6 七l 砌+ 哆和2 须= ( 6 七1 ) 缈一国：等间谐波分量。当 2 须= 【( 6 七1 ) 甜一哆】 国时，则在交流侧会出现次谐波分量。由此可见，直流侧 的非整数倍基波频率的纹波是导致交流侧产生间谐波与次谐波的直接原因。 3 3 2 相序特性分析 根据式( 3 1 1 ) ，式( 3 1 2 ) ，式( 3 1 3 ) 三式可以方便地得出变流器的间谐波与次 谐波的相序。相应地，相序特性分析如下： 频率为厂+ 以和7 厂+ 正的间谐波由于口、6 、c 相的相序分别为噍、无一2 万3 、 以+ 2 万3 ，通过分析向量旋转方向得出它们是正序。而频率为5 厂+ f 的间谐波的 口、6 、c 相的相序分别为晚、晚+ 2 万3 、丸一2 万3 ，其向量旋转方向与上述频率 相反，所以为负序。由于基波和7 次谐波( 为6 k + 1 ) 都是正序，而5 次谐波( 为6 k 一1 ) 都是负序。因此，当间谐波的频率等于某个谐波频率加上正时，间谐波的相序 与该次谐波的相序相同。 频率为厂一正、7 一正的间谐波口、6 、c 相的相序分别为一讫、一九一2 万3 、 一九+ 2 万3 ，频率为5 厂一正的间谐波口、6 、c 相的相序分别为一唬、一丸+ 2 万3 、 一，一2 万3 ，只要频率值为正数，间谐波的相序就符合上述规则，即：间谐波的 频率等于某个谐波频率加上疋时，间谐波的相序与该次谐波的相序相同。 当厂一以、5 厂一正、7 一正计算出的频率 厂时，则出现次谐波，其相序分 析与间谐波相同。 如果厂一以、5 厂一正、7 厂一正计算出的频率为负数时，