（电力电子与电力传动专业论文）电网谐波抑制及无功补偿综合装置的研究.pdf

a b s t r a c t 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 ni sa r li m p o r t a n tt o p i cw h i c hi si n v o l v e di nt h e p o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y p o w e rs y s t e m ，e l e c t r i c a la u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya n do t h e rf i e l 凼w i t hf a s t d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y ，a p p l i c a t i o n so fa l lk i n d so fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e si n m a n yf i e l d sh a v eb e c o m em o r ea n dm o r ew i d e o no n eh a n d , t h en o n 1 i n e a r i m p a c ta n di m b a l a n c eo fl o a d s i nt h r e e p h a s ef o u r - w i r es y s t o mm a k e sh a r m o n i ca n dn e u t r a lc u r r e n tp o l l u t i o nm o r es e r i o u s ；o nt h eo t h e r h a n d 。m a n yp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e sn e e dr e a c t i v ep o w e rc o n s u m p t i o n ，p o w e rf a c t o ri sr e d u c e dw h i c h b r i n g sa b o u ta d v e r s ee f f e c t s s oh 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 nh a sb e e na nu r g e n t t a s k p a s s i v ep o w e rf i l t e rh a st r a d i t i o n a l l yb e e n u s e dt oc o m p e n s a t eh a r m o n i c sa n dr e a c t i v ep o w e r g e n e r a t e db yl a r g ei n d u s t r i a ll c a d s 。b u tt h ec o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sm o s t l yd e p e n do ns y s t e m p a r a m e t e r sa n de x i s ts o m ed i s a d v a n t a g e sh a r dt oo v e r c o m e ；w h i l ea c i t i v ep o w e rf i l t e rc a n tb ew i d e l y a p p l i e db e c a u s eo fi t sh i g hc o s t a sas o l u t i o nt ot h ec o n t r a d i c t i o n h y b r i dp o w e rf i l t e r 锄c o m b i n et h e i r o w na d v a n t a g e sa n do v e r c o m ed i s a d v a n t a g e s ，i tc a ni m p r o v ec o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c e ，a n da l s oi tc a n e c o n o m i z er e s o u r c e sa n di n v e s t m e n t sb e c a u s eo fi t ss m a l la c t i v er a t i n g ，s oi th a sb r o a da p p l i c a t i o n p r o s p e c t s i n t e g r a t e dd e v i c ef o rh 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 n p e n s a t i o ni np o w e rs y s t e m r e s e a r c h e di nt h i sp a p e ri san o v e lp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c eu s e dt od y n a m i c a l l yr e s t r a i nh a r m o n i ca n d c o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e rf o rl o a d sw i t l ih i g hh a r m o n i cc o n t e n ta n dl o wp o w e rf a c t o ra tt h es a m et i m e t h et o p o l o g i c a ls t r u c r l r ei sm a i n l yb a s e do nh y b r i dp a r a l l e la c t i v ef i l t e r , a c t i v ep o w e rf i l t e rw i t h t h r e e - p h a s ef o u r - l e gi n v e r t e ri si np a r a l l e lw i t has m a l li n d u c t a n c eb yc o u p l i n gt r a n s f o r m e r t h e ni ns e r i e s w i t hp a s s i v ep o w e rf i l t e r f i r s t l yw o r k i n gp r i n c i p l ei sa n a l y z e d 。s t e a d ys t a t ec o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c ea n d r e s o n c es u p p r e s s i o nc h a r a c t e r i s t i ci sd i s c u s s e di nd e t a i lw h e nt h ei n t e g r a t e dd e v i c es e p a r a t e l ya d o p t st h r e e c o n t r o ls t r a t e g i e s ( c l o s e dl o o p o p e nl o o pa n dc o m p l e xc o n t r o ls t r a t e g y ) u n d e rc u r r e n ts o u r c ew a y a so p e n l c o ps t r a t e g yh a sg o o dc o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c ea n di se a s yt ob ec a m e do u t i ti sa p p l i e dt ot h e i n t e g r a t e dd e v i c e a l s oi ti sk n o w nt h a ta c t i v er a t i n go ft h ei n t e g r a t e dd e v i c ei sg r e a t l yr e d u c e db y c o m p a r i n gt ot h ea p fr a t i n gt h a ti si n d e p e n d e n t l yu s e d s e c o n d l ya ni m p r o v e dp q rd e t e c t i o nm e t h o di s p r e s e n t e db ya n a l y z i n ga n dr e s e a r c h i n gp - q rm e t h o db a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v et h e o r yi n t h r e e - p h a s ef o u r - w i r es y s t e r n d e t a i l e dt h e o r e t i c a id e r i v a t i o na n ds i m u l a t i o na n a l y s i si sg i v e n t h ev o l t a g e h a r m o n i cc o m p o n e n ti sa v o i d e di nf o l l o w - u pc a l c u l a t i o nb ya d d i n gp r e - p l l s ov e r a c i t ya n dr e l i a b i l i t yi s i m p r o v e di nd e t e c t i n gh a r m o n i ca n dr e a c t i v ec u r r e n t t h i r d l vs v p w mc u r r e n tc o n t r o lm e t h o db a s e do n h y s t e r e s i sl o o pc o m p a r i s o ni sa p p l i e dt ot h ei n t e g r a t e dd e v i c e d u r i n gt h es i m u l a t i o n ，s w i t c hs t a t es e l e c t i o n i si n t e g r a t e da n dm o d u l e db yu s e r - d e f i n e dm o d e lf u n c t i o na n dc o m b i n a t i o nw i t hf o r t r a nl a n g u a g e p r o g r a m w h i c hg r e a t l yi m p r o v e dt h ep o r t a b i l i t ya n do p e r a b i l i t y t h i sm e t h o dc a nw e l lr e s o l v en e u t r a l c u r r e n tp r o b l e mi nt h r e e p h a s ef o u r - w i r es y s t e m t h e nap o s s i b l eo p t i o nt od cc a p a c i t o rc h a r g i n gi s p r e s e n t e db yt h r e e p h a s ef o u r - l e gp w mr e c t i f i e r , w h i c hm a k et h ed e v i c en o th a v es t r o n gi m p a c to nt h e s y s t e mc u r r e n td u r i n gt h ed cc a p a c i t o rc h a r g i n ga n dv o l t a g es t a b i l i t yc o n t r 0 1 f i n a t i yt h eo v e r a l ld e s i g n p a r a m e t e r so ft h ei n t e g r a t e dd e v i c es i m u l a t i o nm o d e la r eg i v e n 。a n ds i m u l a t i o ni sm a d eb yp s c a d e m t d cs o f t w a r e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i si sc o r r e c t t h ed e v i c ec a no f f e r 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 nf o rh i g hh a r m o n i cc o n t e n ta n dl o wp o w e rf a c t o r l o a d sa tt h es a m et i m e ，i th a sg o o dc o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c e ，a n dc o s to ft h ew h o l ed e v i c ei sg r e a t l y r e d u c e db e c a u s eo fs m a l la c t i v er a t i n g ，s oi ti sv e r yp r a c t i c a l k e yw o r d s 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 n p e n s a t i o n ，p - q 一，m e t h o d ，s v p w mc u r r e n t c o n t r o lm e t h o db a s e do nh y s t e r e s i sl o o pc o m p a r i s o n ，d cv o l t a g ec o n t r o l ，p s c a d e m t d c 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，论文中不包含其它人已经发 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：盈瑚一1 7 1 j 朝： 关于学位论文使用授权的说明 瑚号 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、缩印或其它复制手段保存论文。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夕i ，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。 第一章绪论 第一章绪论 理想情况下，电力系统中电能质量是以恒定的工业频率和规定的电压水平来衡量的，但在实际 的电力系统运行过程中，由于负荷的动态变化和非线性负载的接入，电力系统的频率和电压并非是 维持恒定不变的。另外，电压电流波形畸变、电压闪变和电压电流不平衡给电力系统的正常运行也 带来了严重危害，这些都是影响电能质量的重要因素。 电网中谐波及无功功率的问题早在二十世纪二十年代就引起了研究学者的注意。近年来，随着 电力电子装置的，“泛应用，电力系统中的波形畸变问题日益严重，导致了电网中的谐波含量大大增 加；同时，大多数电力电子装置功率因数很低，也给电网带来额外负担，严重影响了电力系统的电 能质量。t h = 界各国对此都给予了充分的关注，对于谐波及无功功率如何有效补偿这一方向的研究已 成为一个备受瞩目的焦点。由于电力电子技术及与之相关的新理论、新技术的飞速发展，谐波和无 功补偿的理论研究及实际应用已取得了突破性的进展。目前主要集中在三相三线制系统中的研究， 三相四线制系统中也有一些研究，但是仍然有很多问题有待于深入讨论和分析。在我国低压用户采 用三相四线制接线，因此三相四线制电力系统中谐波和无功功率的治理有着重要的实际意义。 1 i 三相四线制系统谐波及中线电流产生的原因和危害 国际上公认的谐波川含义为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数 倍”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍，因此谐波往往义被称为高次谐波。g b - t 1 4 5 1 9 - 9 3 标准 中谐波定义为“对周期性的交流譬进行傅立叶级数分解，得到频率为基波频率人于l 整数倍的分量”。 谐波次数刀为谐波频率与基波频率的整数比。当，l 为非整数的正弦波分鼙出现时，被分析的电气量 己不是j ：频周期的电气量。本文所提及的谐波均指基波频率的整数倍谐波。 电网中的谐波主要是由各种电力和用电设备以及其他非线性负载产生的。当正弦基波电压( 电源 阻抗为零阻抗时) 施加于1 卜线性负载时，流过负载的电流与施加的电压不呈线性关系，就形成非正弦 电流，从而产生谐波。目前，引起电力系统谐波的主要谐波源可以分为三类1 2 j ；第l 类是电力变压 器的非线性励磁，此类谐波源在电力电子装置大量应用之前是主要的谐波源，现在在电力系统谐波 源中所l i i 的比例并不人；第2 类是电焊机、电弧炉等强1 卜线性、冲击性的负载，电弧炉电流中含有 奇次谐波和偶次谐波，频率在0 1 - - 3 0 h z 之间人范围变化，这类负载引起的电压或电流变化也叫电 压波动或电乐闪变：第3 类是各种电力电子设备，主要为交直流换流装置、双向品闸管可控开关设 备以及p w m 变频器等。随着电力电子装置的日益广泛应用，电力电子变换装置已经成为电力系统 中的主要谐波源。 三相四线制电力系统与三相三线制电力系统最根本的差别在于存在中线，中线电流的存在主要 有如，卜- 几个方面： ( 1 ) 当三相电流平衡但存在谐波时，流过中线的电流为三相电路中对称的三次及其倍数次谐 波电流之和。 ( 2 ) 当三相电流不平衡但不存在谐波时，基波电流可分解为正序、负序和零序分量，流过中 线的电流为三相基波零序电流之和。 ( 3 ) 当三相电流不平衡并且存在谐波时，流过中线的电流最大。不对称的基波和谐波电流均 可分解为正序、负序和零序电流分譬，此时，流过中线的电流包含基波电流的零序分量和不对称谐 波电流的零序分营，从而导致中线电流有可能比相电流还要人。 谐波和中线电流的危害主要体现在以下几个方面p j ： ( 1 ) 谐波会影响各种电气设备的止常：作，使旋转电机( 发电机和电动机) 发热、产生脉动转矩 和噪声，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 ( 2 ) 谐波会使电网中的设备产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及j i j 电设备的使片j 效率，造 成电能的浪费。 ( 3 ) 谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿命。 ( 4 ) 谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振，使谐波电流放大儿倍甚至数 东南大学硕士学位论文 十倍，引起设备过电压和过电流，从而造成电容器、与之相连的电抗器和电阻器烧毁。 ( 5 ) 谐波会通过电磁感应、静电感应和传导耦合等方式对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生 噪声，降低通信质量；严重时会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 ( 6 ) 谐波会引起一些保护设备误动作，如继电保护，熔断器等同时也会导致电气测量仪表计 量不准确，造成计量误差。 ( 7 ) 谐波可以导致电力电子装置自身的控制系统不能正常t 作。 ( 8 ) 中线上存在的零序电流容易造成中线过载而过热，损害绝缘，引起短路其至引发火灾。 ( 9 ) 中线谐波电流会对负载产生不利的影响，如：产生电磁干扰、影响供电电压波形、增加配 电变压器和铁芯损耗、导致线圈过热、绝缘层破坏、降低功率因数、降低变压器及一些电器设备的 使用寿命等等。， ( 1 0 ) 中线电流会造成中性点电压偏移，造成三相电压偏离正常值，从而影响设备的正常工作。 1 2 谐波治理技术概述 传统的谐波治理技术主要是依靠无源电力滤波器( p p f p a s s i v e p o w e r f i l t e r ) 。随着现代电力电 子技术和数字控制技术的飞速发展，在电力系统中提出了柔性交流输电系统( f a c t s f l 喇b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 的概念，f a c t s 借助基于电力电子技术构成的装置来替代传统的设备( 如移 相变压器、调相机等) ，用来进行系统潮流和电压的控制。而配电系统柔性交流输电( d f ：1 6 册s d i s t r i b u t i o nf l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ) 技术为解决和提高用户侧电能质量提供了更为有效的 手段，其中用于谐波治理的装置主要有：有源电力滤波器( a p f - a c t i v ep o w e rf i l t e r ) ，统一电能质 量调节器( u p q c - - u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ) 以及混合电力滤波器( h p f h 蛳dp o w g l f i l t e r ) 等。 1 2 1 无源电力滤波器的发展和现状 谐波抑制的传统方法是采用无源电力滤波器( p p f ) ，将畸变的：1 ：频正弦波按照富氏级数分解成 基波( 5 0 h z ) 及1 0 0h z 、1 5 0h z 等各次谐波成分，然后利用串联谐振的原理将谐波成分滤除。 在结构上无源电力滤波器由电力电容器、电抗器和电阻器经适当组合而成。使川无源电力滤波器主 要是改变在特殊频率下电源的阻抗，适用丁稳定、不改变的系统。这种方法既可以补偿谐波，又可 补偿无功功率，并且成本较低、结构简单，以其成熟的技术一直被j “泛应用。但由于结构原理上的 原因，在应用中存在着一些难以克服的缺点： ( 1 ) 滤波效果随系统运行情况而变化。当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差。抑制较低次 谐波的单调谐滤波器只对调谐点的谐波效果明显，而对偏离调喈点的谐波无明显效果。由于调谐偏 移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的，阻抗的变化大人影响 了滤波效果，并且还存在滤波器过负载的可能性。 ( 2 ) 当系统中谐波电流增人时，无源电力滤波器可能过载，甚至损坏设备。 ( 3 ) 根据高次谐波次数的多少，需设置多个滤波支路，并且当滤波器投入运行之后，如果高次 谐波的次数和大小发生了变化，会影响滤波效果。 ( 4 ) 当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生并联谐振，使整个滤波系统无法正常运行。 ( 5 ) 在中线中串入滤波器，在一定程度上加大了中线出现故障的概率，一日中线开路，则会威 胁到设备及人身安全。 国内外的设计研究人员均提出了若干解决方法，通过优化设计在一定稃度上可以提高无源电力 滤波器的滤波性能，但无法根除其原理上带米的缺点。冈此，有必要研究其他滤波方法米抑制谐波， 有源电力滤波器就是一种能够弥补无源滤波器不足的新型设备。 1 2 2 有源电力滤波器的发展和现状 有源电力滤波器( a p f ) 是由大功率可关断电力电子器件构成的高性能谐波抑制及无功补偿装 2 第一章绪论 置。三相四线制a p f 既可补偿谐波与无功，也可治理系统中的三相不平衡，补偿之后的电网侧电流 为对称正弦波。 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a c h i d a 在其发表的论文中，首次完整地描述了有源电力滤波器的基本 原理。但由于其损耗大，成本高，因而只限于在实验室中研究。 1 9 7 6 年，美国两屋电气公司的l g y u g i 等人提出了用大功率晶体管p w m 变换器构成的有源电 力滤波器，并正式确定了有源电力滤波器的概念、主电路的拓扑结构及控制方法。但是由于受当时 功率半导体器件水平的限制，有源电力滤波器的研制一直处于理论和试验研究阶段。 1 9 8 3 年，日本学者赤木泰文( h a k a g i ) 等人提出了三相电路瞬时无功功率理论，此后该理论 经过不断研究逐渐完善，为三相电路谐波和无功电流的瞬时检测提供了理论根据。另外，高性能的 大功率可关断电力电子器件如大功率晶体管g t r 、大功率可关断晶闸管g t o 、功率场效应管 m o s f e t 、绝缘栅双极型品体管i g b t 等的不断涌现，p w m 技术的逐步成熟，使得有源电力滤波器 的研究与应用成为可能。 1 9 8 6 年，h a k a g i 提出用并联有源电力滤波器消除谐波。它的基本原理是从被补偿对象中检测 出谐波电流，由并联有源电力滤波器装置产生与谐波电流大小相等而相位相反的补偿电流。从而使 电网中只含有基波电流。 与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器具有高度可控和快速响廊的特性，其特点如下： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 实现了动态补偿，可对频率和幅值都发生变化的谐波以及无功功率进行补偿，对被补偿对 象的变化有极快的响应。 ( 3 ) 补偿无功功率时不需要贮能元件，补偿谐波时所需贮能元件容量也不大。 ( 4 ) 受电网阻抗影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。 ( 5 ) 即使被补偿对象电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并且能够上e 常发挥补偿作用。 即使在谐波电流超过补偿装置容量时，由于装置输出容苗可控，它可以在其额定容量内继续运行。 尽管有源电力滤波器与无源滤波器相比具有很人的技术优势，但冈为其成本较高，目前在电力 系统中要完全取代无源滤波器还不太现实。因此，在不影响谐波补偿效果的前提f ，如何降低补偿 装置的容量成了当今研究的重点，伴随着该研究内容的一步步完善与发展，产生了混合型电力滤波 器。 1 2 3 混合型电力滤波器的发展和现状 考虑到a p f 与p p f 各自在滤波性能上的优势与不足，不少研究学者提出了将a p f 与p p f 结合 起来使用【4 】，由此构成的混合犁电力滤波器( h p f ) 可以集两者之艮，补两者之短，既克服了a p f 容量大、成本高的缺点，义可使整个系统获得良好的动态滤波性能。 1 9 8 7 年，m t a k e d a 等人提出用并联a p f 和并联p p f 相结合的混合型电力滤波器( h p f ) 方案，如 图1 1 所示。该方案中p p f 承担了绝人部分补偿谐波的任务，a p f 起改善整个系统性能的作用，因此 a p f 容晕很小。但是该结构中由于电网与a p f 及a p f 与p p f 之间存在谐波通道，可能会发生a p f 注入 的谐波电流流至p p f 和电网之中，造成p p f 与电网阻抗之间发生谐振。 图1 1 并联a p f 与并联p p f 并联混合使用图1 2 串联a p f 与并联p p f 混合使用 1 9 8 8 匀z ，ez p 即g 等人提出将串联a p f 与并联p p f 相结合的结构【5 1 ，如图1 2 所示。该结构中a p f 通过变压器串联接入系统。a p f 的作用是改善p p f 的滤波特性，在电网和负载之间起到谐波隔离装置 的作用，电网的谐波电压不会加钊负载丰i l p p e 上，而负载的谐波电流也不会流入电网。该结构的优点 是可以降低对a p f 的容鼙要求，但是并不能降低系统电压等级对a p f 的限制；由于a p f 串联在电路中， 3 东南大学硕上学位论文 变压器绝缘较困难，维修不方便；当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的谐波时，由于a p f 强制 这部分谐波流入p p f ，这将导致负载输入端存在谐波电压。 1 9 9 0 年，h f u j i t a 等人提出将a p f 与p p f 相串联后再与电网并联的混合电力滤波器方案州，如图1 3 所示。该方案中谐波和无功主要由p p f 丰i 偿，而a p f 的作用是改善p p f 的滤波特性，克n 艮p p f 易受电 网阻抗的影响的缺点。由于a p f 不承受交流电源的基波电压，因此装置容量比较小但是该电路结 构对电网中的谐波电压非常敏感。 图1 3a p f 与p p f 串联再与负载相并联图l _ 4 串联a p f 与并联a p f 混合使用 1 9 9 4 年，h a k a g i 等人提出了将串联a p f 与并联a p f 混合使用的方案，如图l - 4 所示，有文献称 之为统一电能质量调节器( u p q c ) 。它综合了串联a p f 和并联a p f 各自的优点，其中串联a p f 用于补 偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变以及改善电网的稳定性等作用；并联a p f 用于 补偿电流谐波与不平衡、补偿负载无功、调节变流器直流母线电压。该方案可以解决电能质量的综 合性问题，唯一不足是由于使用了两个a p f ，成本甚高并且控制方法复杂，难以实现。 1 3 无功功率产生的原因及危害 在工业和生活用电负载中，感性负载占有很大的比例。电力变压器、电抗器、感应电动机、电 焊机、高频炉、传统的日光灯镇流器等都是典型的感性负载。感应电动机和变压器所需要的无功功 率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也需要一些无 功功率。一些电力电子装置，特别是各种相控装置，如相控整流器、相控交流电力调节装置等，在 工作时基波电流滞后于电网电压，要吸收人量的无功功率。t 业用电弧炉在工作时，不但要吸收大 量的无功功率，而且因其电弧不稳定，所吸收无功功率的波动也很人。所有这些负载在工作中都需 要大苗的无功功率。 无功功率对公用电网影响主要有以下几个方面： ( 1 ) 设备容量增加。无功功率的增加导致了电流的增人和视在功率的增加，从而使发电机、变 压器、起动及控制设备和导线等电气设备容鼙的增加，也造成了相应的测量仪表的尺寸和规格加人。 ( 2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加。 ( 3 ) 使线路及变压器的电压降增人，使供电网电压产生波动。电网电压的波动主要来源丁无功 功率的波动，有功功率的波动一般对其影响较小。如果是冲击性无功功率负荷，还会使电压产生剧 烈波动，使供电质昔严重降低。 由于无功功率对供电系统有着以上诸多不利的影响，对无功功率加以补偿、提高功率因数是系 统及用户保证供电质量，保证经济、合理地供电的需要。 1 4 无功补偿技术概述 无功补偿包括对基波无功功率的补偿和对谐波无功功率的补偿。无功功率的补偿主要有两种方 法：一种是提高装置自身的功率冈数。在考虑不增加额外投资，也就是在不增加任何补偿设备的前 提下，通过适当的措施减少无功功率需求量而达剑提高功率因数的目的；另一种方法是装设无功补 偿装置，补偿负载所需消耗的无功功率，从而降低电网侧的无功功犁卜引。 同步调相机是早期无功补偿装置的典型代表，它相当丁空载运行的同步电动机。过励磁运行时， 向系统提供感性无功功率，提高系统电压：欠励磁运行时，从系统吸收感性无功功率，降低系统电 压。同步调相机能实现动态补偿无功，但由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都比较大，远行维护 4 第一章绪论 比较复杂，并且响应速度慢，在很多情况下无法适应快速无功功率控制的要求。 静止电容器也是早期的无功补偿装置。它可以改善线路参数，减少线路感性无功功率。该补偿 装置一次性投资和运行成本较低，安装维护方便，装设容量及地点比较灵活但由于提供的无功功 率与所在节点的电压平方成正比，当节点电压下降，需要增加无功功率时，补偿装置提供的无功功 率反而大大降低，因此静止电容器的无功功率调节性能差。 本世纪7 0 年代以来，电力电子技术的发展使得晶闸管控制的静止无功补偿装置( s v c ) 得到快 速的发展，是现阶段广泛应用的无功补偿装置，技术研究也很成熟。其典型代表是晶闸管投切电容 器( t s c ) 和晶闸管控制电抗器( t c r ) 。由于t c r 只能吸收无功功率而不能发出无功功率，t s c 不 能有效抑制冲击负荷引起的电压闪变，因此考虑将t c r 与并联电容器配合使用，分为t c r 与同定电 容器f c 组合、t c r 与投切电容器( m s c ) 组合以及t c r 与t s c 组合使用的静止无功补偿器。使用静 止无功补偿装置的重要特性在于它能够连续地调节补偿装置的无功功率，可以对无功功率进行动态 补偿，使补偿点的电压维持不变。但s v c 只能补偿系统的电压，其无功输出与补偿点：符点的电压的 平方成正比，因此当电压降低时其补偿作用会减弱。 随着全控型电力电子器件g t o ，i g b t 的发展，一种更为先进的无功补偿装置静止无功发生器 s v g 逐步得到发展。s v g 最基本的电路仍是三相桥式电压型或电流型变流电路，它是动态无功补偿 装置的发展方向。目前使用的主要是电压型。s v g 和s v c 不同，s v c 需要大容最的电抗器、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。s v g 通过不同的控制， 可以使其发出或吸收无功功率。通过p w m 控制，即可使其输入电流接近正弦波。目前，在日本和美 国已有少数儿台8 0 - - 1 0 0 m v a 的s v g 投入运行。在中国，清华大学和河南省电力公司合作，自主研制 了2 0 m v a 的静i 卜无功发生器。达到国际水平。 由于谐波和无功功率之间的关联性，一些谐波补偿装置在补偿谐波的同时，也能够对无功功率 适当加以补偿，例如前面所提到的无源电力滤波器、有源电力滤波器和混合电力滤波器。 1 5 论文的主要工作 谐波与无功功率对电网和电力用户而言都是十分重要的问题。谐波抑制和无功补偿是两个相对 独立的问题，但是两者之间义存在相互密切的联系。存在谐波的情况卜，无功功率的定义与谐波有 密切的关系，谐波除本身的问题之外，也影响负载和电网的无功功率，影响功率因数；产生谐波的 装置同时也人都是消耗基波无功功率的装置，如各种电力电子装置、电弧炉利变压器等；另外，补 偿谐波的装置通常也都有补偿无功功率的功能，如l c 无源电力滤波器、一些类型的a p f 也可以补偿 无功功率。冈此如何综合补偿谐波和无功功率是本文研究的土要课题。 论文根据中国电能质量现状、谐波抑制和无功补偿的实际情况，跟踪当前课题的学术前沿，研 究一种能够对电网中谐波和无功功率进行综合补偿的装置。考虑到混合电力滤波器优越的动态滤除 谐波和补偿无功的性能，本文设计了以三相四线制混合电力滤波器结构作为电网谐波抑制及无功补 偿综合装置的主电路结构。谐波和无功综合补偿意味着在对谐波补偿的同时也补偿无功功率，即在 综合装置中补偿谐波电流的同时也补偿基波无功电流，这样能够降低设备的总成本。综合装置不但 检测出谐波电流还检测山基波无功电流，这样补偿电流发生电路产生的补偿电流中将含有所需补偿 的谐波电流和基波无功电流。论文的主要【作包括以下几个部分： l 、电网谐波抑制及无功补偿综合装置的拓扑结构及：r 作原理 详细分析了装置的等效电路，研究其同时进行谐波抑制和无功补偿的原理；讨论了综合装置以 电流源方式运行时的儿种控制策略( 闭环控制策略、开环控制策略和复合控制策略) 下的补偿特性 和谐振抑制特性，为电网谐波抑制及无功补偿综合装置的研究提供了实现的前提。 2 、谐波与无功电流的检测算法研究 谐波与无功电流检测算法是决定综合装置补偿性能好坏的先决条件，是实现谐波抑制和无功补 偿的一个关键环节。目前，在同类检测算法中应用最j 。的是2 0 世纪8 0 年代初日本学者h a k a g i 等 人提出的三相瞬时无功功率理论，该检测算法的提出具有里科碑的意义，为实现谐波、无功的实时 补偿提供了重要的理论依据，对该类型电力电子装置的实用化研究起了重大的推动作用。论文针对 三相四线制电力系统，深入研究了基于瞬时无功理论的删，法。由于该方法在电网电压发生畸变时， 会直接影响检测效果，降低检测性能。因此在深入研究原检测算法的理论基础上，提出了一种基于 伊口r 法的改进谐波与无功电流检测算法，通过加入前置锁相环p l l 进行预处理，消除了电压谐波的 5 东南大学硕士学位论文 影响。该方法能够大大提高检测性能，并能很好地消除中线电流。 3 、补偿电流跟踪控制策略研究 电网谐波抑制及无功补偿综合装置通过检测电路得到所需补偿的谐波和无功电流作为补偿电流 参考指令分量时，如何使得综合装置实际输出电流能够实时跟踪该参考指令分量也是影响综合装置 补偿性能的另一重要环节。论文中提出了将基于滞环比较的s v p w m 电流控制策略应用到谐波抑制 无功补偿综合装置中，使得装置能够实时准确地输出与参考指令分萤相同的补偿电流，并使系统在 不平衡的情况下能够很好的解决中线电流问题。另外，在对其进行仿真验证的过程中，利用仿真软 件中的自定义模型功能并结合f o r t r a n 语言程序使得开关状态选择过程集成化和模型化，大大提高了 仿真程序的可移植性和易操作性。 4 、直流侧电容电压提供方式的研究 装置刚开始j ：作时，必须先给直流侧电容充电。目前主要通过采用二极管整流或利用装置自身 进行p i 比例调节来实现。但由于二极管整流电路升压有限，而利用p i 比例调节实现时，参数的确 定比较复杂，难以实时调节。因此论文提出利用p w m 整流来给直流侧电容电压供电的可行性方案。 该方案使装置在对宜流侧电容充电和直流电压稳定控制过程中，都不会对系统电流产生较大冲击， 使得谐波抑制和无功补偿装置能够获得稳定的直流侧电容电压。 6 第二章谐波抑制及无功补偿综合装置的拓扑结构和工作特性分析 第二章谐波抑制及无功补偿综合装置 的拓扑结构和工作特性分析 混合型电力滤波器( h p f ) 综合了有源电力滤波器( a p f ) 与无源电力滤波器( p p f ) 的优点，能对频率 和幅值都变化的谐波和无功功率进行实时补偿，实现动态地抑制谐波和补偿无功，并且能够有效地 抑制串联或并联谐振。另外，h p f 最重要的一个优势在于它能最人程度地降低a p f 的容量，从而降 低装置的成本，避免了大容量装置所要考虑的一系列复杂问题，因此得到了研究学者的广泛关注。 由前一章的概述可知，a p f 与p p f 串联后再并入电网的并联混合电力滤波器具有较好的综合性能和 应用发展前景。为了进一步降低谐波抑制及无功补偿综合装置中有源部分的容量，本章提出一种新 型三相四线制并联混合型电力滤波器的拓扑结构，以该拓扑结构作为论文研究的谐波抑制与无功补 偿综合装置的主电路结构具有很强的实用性和可靠性，分析综合装置的上作原理，对其采用不同的 控制策略时的工作特性进行了详细的研究。 2 1 谐波抑制及无功补偿综合装置系统构成和工作原理 谐波抑制及无功补偿综合装置的系统结构如图2 1 所示陟j 。由于很多负载为三相四线制负载 ( 即存在中线) ，冈而三相电流之和可能不为零( 即存在零序电流) ，零序电流中有可能为基波零序 电流也有可能为谐波零序电流，如果采用三相三线制主电路的补偿装置则无法消除线路中的零序电 流。本文针对二相四线制电力系统，提出了三相四线制的谐波抑制及无功补偿综合装置，这种形式 的补偿装置不仅可以补偿三相电流中的谐波分量和无功分量，还可以消除中线电流，因而功能更为 强大，应用范围更为广泛。 图2 1 谐波抑制及无功补偿综合装置系统结构 谐波抑制及无功补偿综合装置主要由a p f 和p p f 两火部分组成，p p f 由三组单调谐滤波器和一 组高通滤波器并联而成，a p f 的主电路为三相四桥臂的电压型p w m 变换器，a p f 通过耦合变压器 与一个很小的附加电感并联，然后与p p f 串联之后并入电网。耦合变乐器起剑p w m 变流器的输出 电压、电流等级与无源部分匹配并有隔离的作川。控制a p f 输出所需补偿的谐波电流分量，改善p p f 的滤波效果。并且能够抑制电网与p p f 之间可能存在的谐振。设置p p f 中的每个滤波器调谐在主要 7 东南大学硕士学位论文 谐波次数，主要用于降低a p f 输出端电压，从而降低综合装置中的有源部分容量。 由于综合装置需同时进行谐波抑制和无功补偿，因此补偿电路必须同时输出包含谐波电流和基 波无功电流的补偿分量，使得经过补偿之后的系统电流中只含有基波有功分量。由于综合装置结构 中附加电感的存在，a p f 被控制为一个谐波电流源，其中只需流过谐波电流，而基波无功电流则被 强迫流过附加电感支路。由于p p f 被配置为纯调谐，并且附加电感与p p f 相比其基波阻抗很小，因 此它两端所占的基波电压很小，故a p f 承受电压很小，可以大大降低a p f 的容量，进而降低了装置 的安装成本。当a p f 发生故障退出运行或进行检修时，借助于快速熔断器，a p f 可以迅速脱离整个 滤波系统，而纯调谐p p f 和附加电感组成的无源滤波系统依然能够正常运行，不至于对电网造成大 的冲击，这在工程应用上非常重要。因此，这种谐波抑制及无功补偿综合装