（电力系统及其自动化专业论文）电力系统三相不平衡有源型补偿的研究.pdf

华南理工大学工学硕士学位论文 a b s r a c t w i t ht h es o c i a l p r o g r e s s a n d t e c h n o l o g i cd e v e l o p m e n t ，t h e d e m a n d sa n d c o n s u m p t i o no fe l e c t r i c i t yh a v eb e e ng o i n gu pd r a s t i c a l l y ，t h i sl e a d st ot h eq u a l i t yo f e l e c t r i c b e c o m i n gb a d ，s o c a u s et h ee l e c t r i c e n e r g yp r o b l e m s t h e e l e c t r i c e n e r g y p r o b l e m s c a nb ei n d i c a t e db yt h ep o w e rs y s t e mw a v e f o r m sd i s t o r t i o n t h ep o w e r s y s t e mw a v e f o r m sd i s t o r t i o nc a u s e sa r ec o m ef r o mt h en e x t s e v e r a ls i t u a t i o n t h e l o w p o w e rf a c t o r a r ec a u s e d b y i n d u c t i v ec h a r a c t e rl o a d s 。t h em o r ea n dm o r e n o n l i n e a r i t y l o a d sc a u s et h ec u r r e n tw a v e f o r m ss e v e r ed i s t o r t t h et h r e e p h a s e a s y m m e t r yl o a d s ，e s c p e c i a l yh e a v ys i n g l e p h a s e l o a d s ，c a u s e t h e t h r e e p h a s e u n b a l a n c e t h e s ep o w e rq u a l i t i e sp r o b l e m sc a u s eb yc o n s u m e r s t h ep o w e rs y s t e m w a v e f o r m sd i s t o r t i o nb r i n g so ns e r e r a le n d a n g e rf o rp o w e re l e c t r i ca n dc o n s u m e r s i n o r d e rt o i m p r o v e i n g p o w e r s y s t e m ss a f i y a n de c o n o m i c o p e r a t i o n ，i m p r o v e i n g p o w e re n e r g yq u a l i t y , a d a p t i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fp o w e rm a r k e t ，c o m p e n s a t i o n m e t h o dm u s tb ea d o p t e d t h er e s e a r c hi nt h i sf i e l da b o u tt h i sk i n do fc o m p e n s a t i o n d e v i c ea n di t sc o n t r o lm e t h o di s v e r ys i g n i f i c a n t ，t h i sp a p e rm a i n l y s t u d i e st h e p r o b l e m so fc o m p e n s a t i o nf o rc o n t e n t so f r e a c t i v ec u r r e n t s ，h a r m o n i cc u r r e n t s ，n e g t i v e c u r r e n tt h a tc o n t a i ni n1 0 a dc u r r e n t s t h i sp a p e ra n a l y z e st h ec o m p e n s a t i o nm e t h o da n di t sm a i nc i r c u i tf o r m a t i o nf o r t h ee x i s t i n gr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o n ，h a r m o n i cr e s t r i c t i o n ，t h r e e - p h a s eu n b a l a n c e t h o r o u g hs t u d i e sa n da n a l y z e sc o m p e n s a t i o n r e f e r e n c es i g n a ld e t e c t i n gm e t h o dw h i c h c a n a d a p t t o d y n a m i cc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t s ，e s p e c i a l l y f o r a d a p t i v e c u r r e n t s d e t e c t i n g m e t h o d w h i l e a d a p t i v e c u r r e n t s d e t e c t i n g m e t h o dh a si t so w n g o o d q u a l i t i e s ，t h eh i g h e rd e t e c t i n g p r e c i s i o n o f t e nc o n f l i c t sw i t ht h ef a s t e r d y n a m i c r e s p o n s e ，a n dt h i sm e t h o dm a i n l yu s e di ns i n g l e p h a s es y s t e m t h i sp a p e rp r e s e n t sa n c i r c u i tb a s e do nc o n v e n t i o n a lh a r m o n i c a n dr e a c t i v ec u r r e n t s a d a p t i v ed e t e c t i n g c i r c u i t t h i sc i r c u i th a sm o r eq u i c kr e s p o n s ea n dp r e s e r v ed e t e c t i n gp r e c i s i o n a tt h e s a m et i m e ，i n t r o d u c e i n gt h i s s i n g l ep h a s ea d a p t i v ed e t e c t i n gc i r u i t i n t ot h r e ep h a s e h a r m o n i c a n dr e a c t i v ec u r r e n t s d e t e c t i n g ，t h i s t h r e e p h a s ed e t e c t i n g c i r c u i tc a n d e t e c t i n gu n b a l a n c et h r e ep h a s ec u r r e n t ss y s t e r m s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w sf e a s i b i l i t y o ft h i sc i r c u i tp r e s e n t e di nt h i sp a p e r b s a e do nt h ea c t i v ec o m p e n s a t o r so p e r a t i o np r i n c i p l ea n dt h ep r o c e s so fe n e r g y e x c h a n g ef r o ma c t i v ep o w e r f i l t e r sd cs i d ea n da cs i d e ，t h i sp a p e rp r e s e n tak i n do f a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t o r t h i sc o m p e n s a t o r i sa c h i e v e dw i t h o u t s e n s i n g a n d n c o m p u t i n g t h er e a c t i v ec u r r e n tc o m p o n e n to ft h el o a d a tt h es a m et i m e ，ad cv o l t a g e c l o s ec o n t r o ll o o pi si m p l e m e n t e d ，a d o p t st h r e es t a t es w i t c h sp w m s i g n a lt oc o n t r o l m a i nc i r c u i ts w i t c h s sc l o s eo rd i s c o n n e c t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h i sc i r c u i t i sv e r ys i m p l e ，q u i c kr e s p o n s ea n df e a s i b i l i t y i ts h o w st h a tt h i sc i r c u i tm o r es u i tt o t h r e e - p h a s e c u r r e n t s b a s i c a l l y b a l a n c e ，a l s o ，i t c a ns u i tt o t h r e e p h a s e c u r r e n t s u n b a l a n c ec a s e t a k i n gi n t oa c c o u n to fg t o i sv e r ye x p e n s i v ea tp r e s e n t ，t h i sp a p e ra d o p ts c r p o w e r e l e c t r o n i cs w i t c ha p p a r a t u sa sm a i nc i r c u i ts w i t c ha p p a r a t u s ，p r e s e n ta na c t i v e p o w e rc o m p e n s a t o r t h i sc o m p e n s a t o ra d o p t s s h u n tr e s o n a n c ea s s i s t a n tp u l s ef o r c e d i s c o n n e c tc o n v e r t o ra sm a i nc i r c u i tm o d l e t h er e f e r e n c ec o m p e n s a t i o nc u r r e n t sa r e d e t e c t e db yt h ei m p r o v e da d a p t i v ed e t e c t i n gc i r c u i tw h i c ha b o v eh a sb e e nm e n t i o n e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t a d o p t i n g s c r sa c t i v e p o w e rc o m p e n s a t o r i s f e a s i b i l i t y 。 f r o ma b o v e p r i n c i p l ea n ds i m u l a t i o na n a l y z a t i o n 。t a k i n gi n t oa c c o u n t o fs c ra n d i g b th a v ei t so w nc h a r a c t e r i s t i c 。t h i sp a p e rb r i n gf o r w a r dt h a ta d o p t i n gs c r sa c t i v e p o w e rc o m p e n s a t o r a sf i r s to r d e rt oc o m p e n s a t em a j o r i t yo fr e a c t i v ec u r r e n t ，h a r m o n i c c u r r e n t sa n dn e g t i v ec u r r e n t ，t h e n a d o p t i n g i g b t sa c t i v e p o w e rc o m p e n s a t o r a s s e c o n do r d e rt o c o m p e n s a t e r e m a i n p a r t s ，t h i s c a ns o l v et h e p r o b l e m t h a tt h e c o m p e n s a t i o n e f f e c t i o nc o n f l i c t sw i t hd e v i c e sc a p a b i l i t y k e y w o r d sa c t i v ep o w e r c o m p e n s a t o r ；c u r r e n t sd e t e c t i n g ；a d a p t i v e ； t h r e e s t a t es w i t c h s ；s i l i c o nc o n t r o l l e dt h y r i s t o r ( s c r ) i l l 华南理工大学 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。 作者签名：赫崞喂日期：鹕年f 月f o 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。本人授权华南理工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。 保密口，在 生解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：南懒 导师签名：越豇 e t 期：x 如年g 月日 日期：迅年占月j 2 日 第一章绪论 第一章绪论 l ，l 引言 随着社会的进步和技术的发展，人们对电能的使用和需求发生显著变化u - 5 1 ： 各种电力电子装置在电网中的应用日益普遍，如电子整流器、交流调速器、冲击 性负载、单相大功率负载等。这些设备的大量使用，不但消耗无功功率使电网功 率因数低下，同时也给电网带来了三相不平衡、谐波干扰和电压波动等严重的电 网污染。这不仅影响电网的安全运行、加大了电能在传输中的损耗，使得电价偏 高，增加了用户的负担，影响我国经济的快速和可持续发展；同时对各种甭电设 备的安全和寿命造成危害。随着电力市场运行机制的改革和实行，在发电和输配 电部门之间，为满足用户的需求和在竞争中取胜，就应改善电能质量，来提高输 电线的输送能力，降低线路损耗，提高电网的安全运行。上述也就是目前电能质 量问题成为电工领域的一个前溶性课题的原因。所以必须采取措施对电网进行补 偿和调控，以解决无功、谐波、三相不平衡带来的负序电流电压等对电网的不利 影响以及电网运行的经济性，最终改善电网的质量。 1 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 公认的无功功率的定义。因每提出一个新的理论，虽消除了原有的某些不致， 却引起新的不致性；另外，至今的争论主要偏向理论。但对无功功率概念的重 要性和对无功补偿重要性的认识却是一致的。无功於偿包含对基波无功功率和对 谐波无功功率的补偿。 在电网补偿中研究最早、应用最普遍的是无功补偿。这种补偿是指基波无功 补偿。无功功率对供电系统和负荷都是非常重要的。 1 2 1 无功功率的影响 无功功率对公用电网的影响主要有： ( 1 ) 减小设备容量。无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从 而使发电机、变压器及其他电气设备有功容量减小和线路输送容量减小。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。 ( 3 ) 使线路及变压器的电压降增大，如是冲击性无功功率负载，还会使电压 产生剧烈波动使供电质量严重下降。 ( 4 ) 对电力系统的发电设备无功电流增大，对发电机转子的去磁效应增加， 华南理工大学工学硕士学位论文 电压降低。 1 2 2 无功补偿进展 为减小无功功率在输电线路中的传输，对无功功率的补偿一般采取就近原则。 控制无功功率的方法主要有以下几种1 6 9 _ 13 1 ：( 1 ) 并联电容器；( 2 ) 同步发电 机；( 3 ) 同步电动：( 4 ) 同步调相机；( 5 ) 静止无功补偿装置。这些装置主要分 为两类：无源补偿器( 1 ) 和有源补偿器( 2 ) 一( 5 ) 。 设置无功补偿电容器是补偿无功功率的传统方法，目前在国内外均获广泛应 用，它属于无源补偿器。电容器与网络感性负荷并联，以并联电容器补偿无功功 率具有结构简单、经济方便等优点。这种补偿方式，是采用接触器或真空断路器 投切电容器组进行无功补偿的。这种补偿装置存在着一些不足： ( 1 ) 在用机械式交流接触器作为投切方式：投切时，接点间易拉弧粘连，寿 命短，响应速度慢，约为10 h3 0s ，投切过程会对系统产生冲击电压和冲击电 流。 ( 2 ) 电容器组合闸的冲击电流一般为额定电流的十几倍到几十倍，比三相 异步电动机起动的冲击电流还大。 ( 3 ) 补偿容量与系统电压平方成正比。 ( 4 ) 与谐波之间的相互影响。第一，谐波对并联电容器的直接影响。谐波电 流叠加在电容器的基波电流上，使电容器电流有效值增大，温升增高，甚至引起 过热而降低电容器使用寿命或使电容器损坏。谐波电压叠加在电容器基波电压上， 不仅使电容器电压有效值增大，并可能使电压峰值大大增加，使电容器运行中发 生的局部放电不能熄灭。第二，并联电容器对谐波电流的放大。 ( 5 ) 不能动态的跟踪负荷无功功率的变化。 传统的无功功率动态补偿装置是调相机。但其为旋转设备，其损耗、噪声都 很大，而且还不适用于太大或太小的无功补偿。同时运行维护复杂，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。随着电力电子技术的发展， 其逐渐被静止型无功补偿装景所代替。 所谓静止无功补偿( s v c ) 是指用不同的静止开关投切电容器或电抗器，使 其具有连续而迅速地吸收和发出无功电流的能力，用于提高电力系统的功率因数， 稳定系统电压，抑制系统振荡等功能。 随着电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，交流无触点开关s c r 、 g t r 、g t o 等的出现，将其作为投切开关，速度可以提高5 0 0 倍( 约为1 0us ) ， 对任何系统参数，无功补偿都可以在一个周波内完成，而且可以进行单相调节。 目前所指的静止无功补偿装置一般专指使用晶闸管的无功补偿设备，主要有以下 三大类型：一类是具有饱和电抗器的静止无功补偿装置s r ( s a t u r a t e dr e a c t o r ) ； 2 第一章绪论 第二类是晶闸管控制电抗器t c r ( t h y r i s t o r c o n t r o l r e a c t o r ) 、晶闸管投切电容器 t s c ( t h y r i s t o rs w i t c h c a p a c i t o r ) ，这两种装置统称为s v c ( s t a t i c v a rc o m p e n s a t o r ) ； 第三类是采用自换相变流技术的静止无功补偿装置一一高级静止无功发生器 a s v g ( a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r 或称为s v g ) 。 1 具有饱和电抗器的无功补偿装置( s r ) 饱和电抗器分为自饱和电抗器和可控饱和电抗器两种。自饱和电抗器的无功 补偿装置是依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性来控 制发出或吸收无功功率的大小。可控饱和电抗器通过改变控制绕组中的工作电流 来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，进一步控制无功电流的大小。 它具有如下特点：( 1 ) 具有静止型特点，响应速度比同步调相机快得多：( 2 ) 由 于铁心需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都较大，而且存在非线性电路问题。 同时，调整时间长，动态补偿速度慢：( 3 ) 装置中的饱和电抗器造价高，约为一 般电抗器的4 倍；( 4 ) 不能分相调节以补偿负荷的不平衡。由于有以上的优缺点， 所有饱和电抗器的静止无功补偿器目前应用的比较少，般只在超高压输电线路 才有使用，未能占据静止无功补偿装置的主流。 2 晶闸管控制电抗器( t c r ) 其单相原理图如图1 一l 所示。它通过调整触发角的大小来改变补偿器所吸 收的无功分量，达到调整无功功率的效果。t c r 的响应时间为毫秒级，一般在 1 3 个周波之内，它取决于电力系统的阻抗和s v c 控制系统的增益。 由于单独的t c r 只能吸收无功功率，不能发出无功功率，这时可以将并联 电容器与t c r 配合使用构成无功补偿器。根据投切电容器的元件不同，又可分为 t c r 与固定电容器配合使用方式和t c r 与断路器投切电容器配合使用方式。这 种具有t c r 型的补偿器反应速度快，灵活性大，目前在输电系统和工业企业中应 用最为广泛。我国江门变电站采用的静止无功补偿器是端士b b c 公司生产的 t c r + f c + m s c 型的s v c ，其控制范围为l20 m v a r 。 3 晶闸管投切电容器( t s c ) 为了解决电容器组频繁投切的问题，t s c 装置应运而生，其单相原理图如 图1 2 所示。t s c 实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器。 为了对无功电流能尽量做到无级调节，总是希望电容器级数越多越好，但考虑到 系统的复杂性及经济性，依二进制原则，可用k 1 个电容值为c 的电容和一个 电容值为c ，2 的电容，组成2 k 级的电容组数。 t s c 的关键技术问题是投切电容器时刻的选取。经过分析与实验研究表明， 其最佳投切时间是晶闸管两端的电压为零的时刻，即电容器两端电压等于电源电 压的时刻。这时投切电容器，电路的冲击电流为零。 与t c r 相比，t s c 虽然不能连续调节无功功率，但具有运行时不产生谐波而 华南理工大学工学硕士学位论文 且损耗较小的优点。 u ( t ) 图1 1t c r 补偿器原理图 f i g 。1 1b l o c k o ft c r c o m p e n s a t o r h ( o 图l 一2 t s c 型补偿器原理图 f i g 1 - 2b l o c k o ft s c c o m p e n s a t o r 4 关于第二类s v c ( 1 ) 第二类s v c 实现静止无功补偿机理是：改变电力系统的线路阻抗参数。 ( 2 ) 这类s v c 可以实现分相调节。响应速度快。 ( 3 ) s v c 装置为补偿0 1 0 0 容量变化范围的无功功率，几乎需要1 0 0 容量 的电容器和超过1 0 0 容量的晶闸管控制电抗器，铜和铁的材料消耗很大。这是 其缺点。 ( 4 ) s v c 补偿的无功电流随系统电压的降低而降低。 ( 5 ) 静止无功补偿器不论在容量方面还是在响应速度方面，都不能用来限制 变化非常快的电压瞬变现象，如雷闪和操作过电压，但他们有足够快的响应速度， 能在暂态时段达到稳定输出电压。 5 采用全控型器件的静止无功发生器( s v go r a s v g ) 随着电力电子技术的进一步发展，特别是l g y u g y i 提出利用变流器进行无 功补偿的理论以来，逐步出现了应用变流技术进行动态无功补偿的静止补偿器。 它是通过将自换相桥式电路直接并联到电网上或者通过电抗器并联到电网上，适 当调节桥式电路交流侧输出电压的相位 和幅值，或直接控制其交流侧电流，使 该电路吸收或发出满足要求的无功电 流，实现动态无功补偿的目的。 s v g 根据直流侧采用电容和电感两 种不同的储能元件，可以分为电压型和 电流型两种。图l 一3 所示为电压型补偿 器，如果将直流侧的电容器用电抗器代 替，交流侧的串联电感用并联电容代替， 啪 lj - 1 ii l 0 ； 【奉j j 阡 “ + 十。m c ： i r e 丰。j 晴 lf 夺 ； 图1 3 电压型s v g 补偿器原理图 则为电流型的s v g 。由于电流型s v g f i g 1 3b l o c k o f v o l t a g es v gc o m p e n s a t o r 4 第一章绪论 桥式电路的运行效率比较低，所以目前大都采用电压型自换相桥式电路实现动态 无功补偿的装置。 依上述原理，1 9 8 0 年日本研制出第一台20 m v a r 的强迫自换相桥式s v g ， 1 9 9 1 年和1 9 9 4 年日本和美国相继研制出8 0m v a r 和1 0 0m v a r 的s v g 。在1 9 9 5 年，清华大学和河南省电力局共同研制了我国第一台s v g ，容量为3 0 0 k v a r ，开辟 了我国研制s v g 补偿设备先河。 s v g 是充分利用能量在三相之间的转移来实现补偿的；它的调节速度更快， 能用来限制变化非常快的电压瞬变现象；运行范围更宽；具有连续调节，避免了 过补偿或欠补偿：而且s v g 通过采用桥式电路的多重化技术，多电平技术等进行 处理，大大减小了补偿电流中的谐波的含量，从而也部分解决了s v g 装置中最大 问题之一：谐波问题。在系统电压较低时，仍能输出额定无功电流。正是由于这 些优点，s v g 在改善系统电压质量，提高稳定性方面具有s v c 无法比拟的优点。 虽然目前静止无功发生器s v g ，由于电力电子器件的容量较低、价格较高等 方面的原因，在电力系统中的使用没s v c 那样普遍，但其不但具有快速、连续调 节无功功率，而且还可以改善电力系统动态稳定性等的优点，随着器件容量的增 大( 耐压、工作电流等) 、开关损耗减少、价格降低，s v g 体现出今后静止无功 补偿技术发展的方向。 1 3 谐波抑 i ；0 国际上通行的谐波定义为：“谐波是一个周期量的正弦波分量，其频率为基波 频率的整数倍。”定义表明：( 1 ) 本定义的谐波和暂态过程形成的谐波是不同的。 ( 2 ) 谐波次数必须为正整数，以区别分数谐波。 1 3 1 谐波的产生 电力系统中的谐波，来源于非线性负载2 3 酣。从能量观点看，发电机向电力 系统提供基波有功功率，但由于负载的非线性特性，产生了谐波电流，成为“谐 波能量”的源。电力系统高次谐波源分为电流源型和电压源型。各种整流设备、 交流电弧炉、变压器、家用电器等，都是典型的非线性负载，这些非线性负载可 认为是谐波电流源。典型的谐波电压源是发电机。随着这些装置应用的总容量增 大，它们对电网所产生的谐波污染越来越引起人们的重视。 1 3 2 谐波的危害 谐波电流和电网电压畸变造成的危害主要表现为2 ，3 ，6 ，”】： ( 1 ) 增加变压器和电网中的损耗。 华南理工大学工学硕士学位论文 ( 2 ) 对继电保护和自动控制装置产生干扰，并造成误动作或拒动。 ( 3 ) 造成电能计量误差。 ( 4 ) 谐波对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流放大。 ( 5 ) 谐波对器件产生集肤效应和介质损耗的增加，使电力电缆、架空输电线 和其它电力设备的使用寿命减短，限制了导线的载流能力。 ( 6 ) 影响换流设备、断路器或其它任何由电压过零或电流过零所控制设备的 正常工作。 ( 7 ) 由于集肤效应和涡流关系，谐波电流使旋转电机( 发电机、电动机等) 产生附加功率损耗和发热；同时对电机产生脉动转矩，引起机械振动和噪声。 ( 8 ) 对通信系统产生干扰。 1 3 3 电力系统谐波标准 由于电网中的谐波电压和电流会对电网本身和用电设备造成很大的危害，所 以必须限制谐波电流流入电网和控制谐波电压在允许的范围内，以保证供电质量。 世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的 规定。 谐波畸变的两个指标为： ( 1 ) 谐波含有率h r ，指周期性交流量中第n 次谐波分量的方均根值( 有效 值) 与基波分量的方均根值的百分比值。第n 次谐波电压含有率以h r u n 表示； 第n 次谐波电流含有率以h r i n 表示。 ( 2 ) 总谐波畸变率t h d ，指周期性交流量中的谐波含量方均根值( 有效值) 与基波分量的方均根值的百分比值。电压总谐波畸变率以t h d u 表示；电流总谐 波畸变率以t h d i 表示。 我国颁布的电网谐波国标为g b t1 4 5 4 9 9 3 ，见表1 1 和表1 2 。 ( 1 ) 各级电网谐波电压限值( ) ： 表l l 电网电压( 相电压) 波形畸变率限值( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) t a b l e1 - lv o l t a g ew a v e f o r md i s t o r t i o n sl i m i tr a t i o ( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) 电压k v1 h d奇、吱谐波儡汝酱淡 0 3 854 02 0 6 ，1 0 43 21 6 3 5 坩632 41 2 1 1 021 60 8 ( 2 ) 各高次谐波电流允许值 6 第一章绪论 表l 一2 注入公共连接点的谐波电流允许值 ( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) t a b l e1 - 2i n j e c th a r m o n i cc u r r e n t sl i m i t e dc o n t e n ti n t oc o m m o nc o n n e c t 电压 s k谐波次致及谐波电流允许值 ( a ) k vm v a 234567891 01 11 21 3 o3 8l o7 86 23 96 22 64 41 92 11 62 81 32 4 61 0 04 33 42 13 41 42 41 11 l8 51 67 11 3 1 01 0 02 62 01 32 08 5t 5646 85 19 34 37 9 3 52 5 01 51 27 71 25 18 83 84 13 15 62 64 7 6 65 0 01 61 38 11 35 49 34 14 4335 92 750 1 1 07 5 01 29 66 0964 06 83 03 o244 32 o37 电压 s k谐波次数及谐波电流允许值 ( a ) k vm v a 1 41 51 61 71 81 92 02 l2 22 32 42 5 o 3 81 01 11 29 71 88 61 67 8897 11 46 51 2 61 0 06 16 - 85 31 04 79 04 34 93 97 43 66 8 1 01 0 03 74 13 26 o2 85 4262 92 34 52 141 3 52 5 02 22 51 9361 73 21 51 81 42 71 32 5 6 65 0 02 32 62 03 81 1 83 41 61 91 52 8142 6 1 1 07 5 0171 91 52 8l32 51 22 41 12 11 01 9 表中，s x 为公共连接点的三相基准短路容量。 1 3 4 谐波抑制现状 目前，电力电子设备是产生谐波污染的主要根源，而且谐波电压和电流的综 合治理涉及滤波效果和无功的动态补偿等一系列理论和技术问题。抑制谐波可以 从治理谐波源本身入手，使其不产生谐波且功率因数为1 ，单位功率因数变流器 就是可以实现着样功能的电力电子装置。但由于谐波源的多样性，在电网中一般 还是加装滤波器的方法来抑制高次谐波，这些装置一般可分类为无源滤波器和有 源滤波器两种。 1 3 4 1 无源滤波器( p f ) 传统谐波抑制方法是采用l c 调谐滤波器进行谐波补偿2 ，6 1 0 ，1 4 15 1 。这种装置 主要由电抗器、电容器和电阻器适当组合组成，利用其谐振特性，形成低通分流 滤波，达到滤除高次谐波的目的。由于它既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而 且结构简单，效果明显价格低廉，所以无源滤波器在现阶段是补偿谐波的最主要 手段。 用于工程实际的滤波器种类有：单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶减幅型 华南理工大学工学硕士学位论文 滤波器、三除减疆墼滤波器、c 鍪滤波器等。 1 单调谐滤波器 摹谡港滤波器裂爰袋、l 、c 率联谴辍黎矮鞫或鹃一除繁怒墼式，交l 一4 ( a ) 为其在中压配暾网中应用的原理图。其特点越对某一次谐波形成低阻抗通道，以 达到滤除荚次蛰经谐液瓣基的。 2 商通滤波器 毫逶滤波器瞧豫减壤滤波嚣，舂一除藏蠛鍪( 匿l 一4 b ) ) 、二泠减蟮型( 图 1 4 ( c ) ) 、三阶减幅测( 图1 _ 4 ( d ) ) 和c 型( 图1 _ 4 ( e ) ) 。 除减幅型囊于基波功率按耗太大，赝熹瞧容容爨也太大，羼以一般不采鼷。 二阶减幅型的基波损耗较小( 但比三阶大) ，且阻抗频率特性较好，结构也简 肇，性麓最好，所以工程上用褥最多。 三阶减幅型，电路中比二阶多一个电容c t ，c 。的容量比c 小很多，提高了滤 波器对慕频的阻抗，从丽进一步减小了基波损耗，毽特性不如二阶减幅型的，用 得也不太多。 c 型滤波器是一种新型的懿通型式，当r 值增大时，滤波器性髓较接近于单 调谐滤波器，r 值减小时刚趋近于高邋滤波器，箕滤波特性介于二阶与三阶之间。 主要优点是由于c 2 与l 对基波串联调谐，故电阻中基波损耗很小，但它对工频 偏差及元件参数变纯较敏感。这种滤波器一般对予二阶谐波的赫割特荆有效珏瓤。 品质因数q 对高邋滤波器影响和对单调谐滤波器影响正好相反，所以频率的 偏差对裔通滤波器影确不大，在工程察焉孛，高逶滤波器通常与为滤豫谐波源产 生的主受谐波的单调谐滤波器榴配合使用，麓到分担频率较高的非主要谐波的滤 涂律t 薅l 。 ：毒。审密4 图l 叫无源滤波器的接线形式 f i g 1 4p a s s i t i v ef i l t e r sc o n n e t i o nm o d e 3 双调谐滤波器 双调谐滤波器( 图l 一( f ) ) ，它的瞬个谐振频率实际上相当于龌个并联的单 调谐滤波器，它同时墩收两种频率的请波。与两个单调诸滤波器相阮，减少了画 8 一r玉擎。 簿一章绪论 路，基波损耗较小，只毒一个电抗嚣l t 承受全部冲蠹电匿。这葶孛滤波器终褥毙较 复杂，调谐较困难，但其投资较小，所以在高压大容量滤波装鬣中采用有一定 浆按术经济上瓣优越矬。 无源滤波器成本低、技术成熟，是目前采用得最为广泛的谐波抑制手段，但 也存在以下不足f 】3 ，1 4 ： ( 1 ) 谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主蒙谐波进行滤波。l c 参数的 漂移将导致滤波特性盼改变，使滤波性能不稳定。 ( 2 ) 滤波特性依赖于电潮参数，因而l c 网络的设计较困难。 ( 3 ) 电网参数与l c 可熊产生并联谐振，使该次谐波分量放大，使供电质量 下降。 ( 4 ) 电网中的某次谐波电压可能在l c 网络中产生很大的谐波电流。 1 3 4 。2 电力嘉源滤波器( a p f ) 电力有源滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称a p f ) 0 4 _ 引，怒近年来提出的 一种嗣予动态抑制谐波、补馁无功静新型电力电子装置，它采用交流器技术，可 实现对大小和频率都变化的谐波以及变化的光功进行补偿。 a p f 的原始模整慧在1 9 7 | 年，疆本的s a s a k i & m a c h i d a 首先援密，餐由于当 时是采用线性放大器来产生谐波电流，效率很低，井无实用价值。1 9 7 6 年，美国 豹g y u g y i s t r y c u l a 撵出了麓大功率晶钵管p w m 遵交箍 奄减静a p f ，确立了当 今a p f 的基本结构，并正式提出有源滤波器的概念。 1 9 8 2 年，鑫本静h a k a g i 等人提密了瓣对无功功率壤论。弼年， 鏊界上第 一台容鬣为8 0 0 k v a ，由采用g t o 作为开关元件的电流源型p w m 逆变器构成的 菇联型有滚滤波器投入工篷戏震，雳予裹次谐波懿掺裁。 后来，h a k a g i 锌人采用瞬时j l j 功功率理论又研制出由2 4 个功率晶体管构 残开关元 孛载朗重毫爨型p w m 递交耩缝残，容量必7 k v a 瓣a p f 。1 9 8 6 年，窭 本的k k o m a t s u g i 和t i m u r a 研制出一套用于三相整流器补偿的1 5 k v a 的两重 型谐波电淡 髅器，可骧於偿1 9 次叛下豹褰次谐波，健逛漉昭谐波噫变率凌 偿 前的2 4 9 下降到1 8 ，效果十分明显。在美国、日本等电力电子技术发达的 国家，a p f 已送入工业癍愿黔段，容爨赋尼罄k v a 到尼m v a ，其功黪不单攀是震于 无功和商次谐波的补偿，它述用于补偿三相负载不平衡中的负序电流、稳定系统 电压、抑制电雁闪变等提高曦能质量的 乍用。垦 l 孽，在装爨技术方露，国钤的磅 究主要朝提高补偿容鬣、改善补偿性能、降低成本和损耗、多功能化和装霞小型 化等方向发展。 在我国，a p f 方面的研究仍处于怒步阶段，到1 9 8 9 年才有这方面的文章。研 究a p f 主要集中在并联型、混合型，瞧开始研究串联型。研究最成熟的是并联型， 而且主撰以理论研究和实验研究为主。理论上涉及副了功率理论的定义、谐波电 奎 华南理工大学工学硕士学位论文 流的检测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。1 9 9 1 年北方交通大学 王良博士研制出3 k v a 的无功及谐波的动态补偿装置；1 9 9 1 年，华北电力科学院 和冶金自动化研究院联合研制了用于3 8 0 v 三相系统的3 3 k v a 双极面结型晶体管 ( b j t ) 电压型有源滤波器；采用多重化技术，西安交通大学研制出1 2 0 k v a 并联 型有源滤波器的试验样机。此外，清华大学、华北电力大学、重庆大学等高等院 校也对a p f 展开了深入的理论和实验研究。我国虽然在理论上取得了一定的进展， 由于多方面条件的限制，至今未有并联型有源电力滤波器正式产品用于实际。 1 并联型电力有源滤波器 这种电路结构在1 9 7 1 年，由日本的s a s a k i & m a c h i d a 首先提出【6 ”j ，其原理 图如图1 5 所示。该装置相当于一个谐波电流发生器( 受控电流源) ，它能自动 跟踪负载电流中的谐波成分，产生与负载 中谐波大小相同而方向相反的谐波电流， 使得电源电流被补偿为基波正弦波形。通 过不同的控制方式，可只补偿：谐波、无 c d 功功率、三相不对称电流、补偿供电点电 1 0 第一章绪论 ( 5 ) 即使补偿对象电流过大，由于电力有源滤波器装置本身能完成输出限制， 也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用。 ( 6 ) 能跟踪电网频率的变化，所以补偿性能不受电网频率变化的影响。 ( 7 ) 补偿无功功率时不需贮能元件；补偿谐波、负序基波电流时所需的贮能元件 的容量也不大。 图1 6串联型有源滤波器原理图 f i g 1 - 6b l o c k o fs e r i e sa p f 图1 1串并联型混合有源滤波器原理图 f i g 1 7b l o c k o f c o m p o s i t ea p f 1 3 4 3 混合滤波器 为发挥无源滤波器和有源滤波器各自的优点，提出了一种混合滤波技术，这 种技术发挥了a p f 的特长、提高其性能，同时利用无源滤波器的优点，减小有源 滤波器的容量。这种混合滤波器不论在滤波性能上，还是在经济上都比单