电能质量与节能技术3、4VIP

第二章电能质量污染及其对节能的影响,第一节电网侧电能质量污染源,影响电能质量的原因1）内部原因：指系统本身带有的各种电能质量污染源，如电弧炉、整流器、单相负荷、大功率电动机等干扰性负荷（包括冲击性负荷、不对称负荷和非线性负荷）。这些负荷对电网产生负面影响，如谐波、无功冲击、负序等，而且这些负面影响可能通过公共连接点（PCC）波及其他终端用户。2）外部原因：雷电、外力破坏、树枝影响、配电设备故障、电容器投切、线路切换等干扰系统，造成断电或电压扰动，甚至影响到相邻线路，导致有害影响蔓延。,1）电网侧电能质量污染源：电力设备及装置的自动保护和正常运行。如大型电力设备的启动和停运、自动开关的跳闸及重合等对电能质量的影响，使额定电压暂时降低、产生电压波动与闪变等。2）用户侧电能质量污染源：电力系统非线性负荷、冲击性负荷等的大量投运。如炼钢电弧炉、电气化机车运行等对电能质量的影响，使公用电网产生大量的谐波干扰、电压波动和闪变等。,一、发电机,实际的发电机中，磁极磁场并非完全按照正弦规律分布，因此感应电动势不是理想的正弦波，输出电压中也就包含有一定的谐波。这种谐波电动势的频率和幅值只取决于发电机本身的结构和工作情况，基本与外接负载无关，可以看成是谐波电压源。在设计发电机时，采取了许多削弱谐波电动势的措施，因此，其输出电压的谐波含量是很小的。因此，可以认为发电机电动势为纯正弦波形，不把其考虑为一个谐波源。,二、变压器,变压器的励磁回路实质上是具有铁芯绕组的电路。在不考虑磁滞及铁芯饱和状态时，它基本上是线性电路。铁芯饱和后，它就是非线性的，即使外加电压是正弦波，电流也要发生畸变。饱和越深，电流波形畸变就越严重。参考文献：陈伯超.新型可控磁饱和电抗器理论及应用.P45：第三章第三节可控电抗器所产生的谐波,对三相变压器来说，铁芯的结构和变压器绕组接线方式都对励磁电流的畸变有很大影响。对芯式变压器，其3的倍数次谐波即零序谐波分量的磁通经由控制构成回路磁阻将很大，因此磁通中该次谐波分量显著减少。一般变压器往往有一侧接成三角形接线，零序电流将在其中流通而不进入电力系统网络，因而三相变压器的谐波电流类似于6脉冲整流回路，主要是6k1次谐波，而其中又以5、7次谐波为主要分量。,变压器励磁电流的谐波含有率和它的铁芯饱和程度是有直接联系的。正常运行时，电压接近额定值，铁芯工作在轻度饱和的范围，谐波不大。但在一些特殊的运行方式，如在夜间轻负荷期间，电力电网的有功负荷较小，无功负荷过补时，运行电压偏高，铁芯饱和程度变深，谐波增大，此时正值轻负荷期，励磁电流占总负荷电流的比重变大，谐波也就更严重。一般来说，此时系统的谐波阻抗也较大，致使谐波电压也有所增大，对系统的影响较大。特别是现代变压器铁芯工作在磁通密度较高的区段，磁化曲线也较陡直，更容易产生谐波。,变压器合闸过程中，其工作磁通的峰值将比正常运行时要高，严重时可能增加一倍，在有剩磁时更为严重，这就使铁芯深度饱和，铁芯磁通呈现为平定波，相应励磁电流将剧烈增大，此电流被称为变压器的励磁涌流，其数值最大可达变压器额定电流的68倍，同时包含有大量非周期分量和高次谐波分量。特点（1）包含有很大成分的非周期分量；（2）包含有大量高次谐波，以二次谐波为主；（3）波形之间出现间断，在一个周期中间断角为。,当变压器所带负荷为三相不平衡负荷或带有半波整流负荷时，可能会产生直流分量的电流，这将使变压器工作磁通正负两个半周很不对称，半周内可能较深地进入饱和区，这就使谐波电流增大，同时会使谐波电流及其影响大为增加。变压器的谐波不仅会对系统有一定影响，而且还会对变压器的保护装置产生较严重的影响，有可能使保护装置误动或误判。,三、灵活交流输电装置,（一）传统基于TCR/TSC结构的FACTS装置1.静止无功补偿器（SVC）包括：FC-TCRTSC-TCRMSC-TCR。由于TCR晶闸管的导通/关断，不可避免地会给系统带来谐波。因此，实际各种SVC装置中，都需要装设滤波器。TCR的三相接线形式通常采用三角形联结，这种接线形式比其他形式线电流中谐波含量要小。其线电流中所含谐波为6k1次。由供电电压相差30相角的两个6脉冲TCR可以构成12脉冲TCR，以减小线电流中的谐波。其一次侧线电流将仅含12k1次谐波。-多重化技术。,2.晶闸管控制串联电容器（TCSC）TCSC由一个串联电容器与一个晶闸管控制的电抗器（TCR）并联组成。通过改变触发角的大小来实现等效容性电抗的调节。由于晶闸管的开通和关断，使得FC和TCR中的电流和电压是非正弦的，含有谐波。但TCR支路产生的谐波趋向于流入由FC和交流系统等效谐波阻抗组成的并联支路，流入FC和交流系统的谐波电流分量决定了相应的谐波电压。但是，由于FC的阻抗与等效交流系统阻抗相比非常小，谐波主要在TCR-FC回路内循环，而不会泄漏到交流系统中。因此，TCSC的线电流继续保持为正弦波形。研究表明，电容器为较高次的谐波提供了一条阻抗非常低的通路，因而使电容器上的较高次谐波电压并不明显出现，只有较低次的谐波，即3、5、9次谐波占主导地位。,（二）新型基于VSC结构的FACTS装置1.静止同步补偿器（STATCOM）原理上，STATCOM的输出电压波形是阶梯状的，它是由直流输入电压通过变流器开关的适当组合而合成出来的。有120导通型和180导通型。,5.2.2三相电压型逆变电路,三个单相逆变电路可组合成一个三相逆变电路应用最广的是三相桥式逆变电路,图5-9三相电压型桥式逆变电路,5.2.2三相电压型逆变电路,基本工作方式180导电方式,图5-10电压型三相桥式逆变电路的工作波形,每桥臂导电180，同一相上下两臂交替导电，各相开始导电的角度差120。任一瞬间有三个桥臂同时导通。每次换流都是在同一相上下两臂之间进行，也称为纵向换流。,对180导通顺序，变流器输出电压中包含频率为(6k1)f0的谐波分量，而输入电流中包含6kf0的谐波分量。为了减少谐波，可以采用多重化的变流器结构，如48脉冲变流器。开关切换策略选择谐波消去技术。,2.静止同步串联补偿器（SSSC）SSSC是目前新兴的一种串联型FACTS设备，它通过注入一个与线路正交的电压来控制系统潮流，抑制振荡，提高系统稳定性。由于SSC的主电路直接接入电力系统，所以其输出谐波对于系统的电磁环境及本身的装置运行都有较大的影响，直接关系到SSSC的推广应用。目前普遍采用的方法是在输出侧装设高通滤波器，而谐波分析是滤波器设计的基础。,6脉冲SSSC的输出电压中包含频率为(6k1)f0的谐波分量。可以通过多电平级联技术，有效降低谐波含量。,3.统一潮流控制器（UPFC）UPFC是迄今为止功能最为强大的FACTS装置，包括了电压调节、串联补偿和移相等所有能力。因此，其谐波特性基本与STATCOM/SSSC相同，6脉冲的UPFC的输出电压中包含频率为(6k1)f0的谐波分量。同样，通过多电平级联技术，可有效降低谐波含量。,第二节用户侧电能质量污染源,一、整流器（一）单相桥式整流电路,2.1.2单相桥式全控整流电路,2）带阻感负载的工作情况,u,图2-6单相全控桥带阻感负载时的电路及波形,假设电路已工作于稳态，id的平均值不变。假设负载电感很大，负载电流id连续且波形近似为一水平线。u2过零变负时，晶闸管VT1和VT4并不关断。至t=+a时刻，晶闸管VT1和VT4关断，VT2和VT3两管导通。VT2和VT3导通后，VT1和VT4承受反压关断，流过VT1和VT4的电流迅速转移到VT2和VT3上，此过程称换相，亦称换流。,2.1.2单相桥式全控整流电路,数量关系,（2-15）,晶闸管移相范围为90。,晶闸管导通角与a无关，均为180。电流的平均值和有效值：,变压器二次侧电流i2的波形为正负各180的矩形波，其相位由a角决定，有效值I2=Id。,晶闸管承受的最大正反向电压均为。,2.5.2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,1)单相桥式全控整流电路,忽略换相过程和电流脉动，带阻感负载，直流电感L为足够大（电流i2的波形见图2-6）,（2-72）,变压器二次侧电流谐波分析：,电流中仅含奇次谐波。各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。,2.2.2三相桥式全控整流电路,（2）对触发脉冲的要求：按VT1-VT2-VT3-VT4-VT5-VT6的顺序，相位依次差60。共阴极组VT1、VT3、VT5的脉冲依次差120，共阳极组VT4、VT6、VT2也依次差120。同一相的上下两个桥臂，即VT1与VT4，VT3与VT6，VT5与VT2，脉冲相差180。,三相桥式全控整流电路的特点,（1）2管同时通形成供电回路，其中共阴极组和共阳极组各1，且不能为同1相器件。,a60时（a=0图222；a=30图223）ud波形连续，工作情况与带电阻负载时十分相似。各晶闸管的通断情况输出整流电压ud波形晶闸管承受的电压波形,2.2.2三相桥式全控整流电路,2)阻感负载时的工作情况,主要包括,a60时（a=90图224）阻感负载时的工作情况与电阻负载时不同。电阻负载时，ud波形不会出现负的部分。阻感负载时，ud波形会出现负的部分。带阻感负载时，三相桥式全控整流电路的a角移相范围为90。,区别在于：得到的负载电流id波形不同。当电感足够大的时候，id的波形可近似为一条水平线。,图2-23三相桥式全控整流电路带阻感负载a=30时的波形,图2-24三相桥式全控整流电路带阻感负载a=90时的波形,2.2.2三相桥式全控整流电路,3)定量分析,当整流输出电压连续时（即带阻感负载时，或带电阻负载a60时）的平均值为：,带电阻负载且a60时，整流电压平均值为：,输出电流平均值为：Id=Ud/R,（2-26）,（2-27）,2.5.2带阻感负载时可控整流电路交流侧谐波和功率因数分析,变压器二次侧电流谐波分析：,电流基波和各次谐波有效值分别为,（2-80）,电流中仅含6k1（k为正整数）次谐波。各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。,功率因数计算,2.5.4整流输出电压和电流的谐波分析,不为0时的情况：整流电压谐波的一般表达式十分复杂，下面只说明谐波电压与角的关系。,图2-34三相全控桥电流连续时，以n为参变量的与的关系,以n为参变量，n次谐波幅值对的关系如图2-34所示：当从090变化时，ud的谐波幅值随增大而增大，=90时谐波幅值最大。从90180之间电路工作于有源逆变工作状态，ud的谐波幅值随增大而减小。,二、电弧炉,电弧炉具有功率因数低、无功波动负荷大且急剧变动、产生有害的高次谐波电流、三相负荷严重不平衡产生负序电流等对电网不利的因素（一）引起电网电压急剧波动大型电弧炉在打孔期和熔化期电弧长度急剧变化，引起无功负荷急剧波动，其工作短路功率为电路变压器额定功率的2倍左右，其最大波动无功为电路变压器额定功率的1.5倍左右。无功的急剧波动，引起电网电压的急剧波动，其波动频率一般为115Hz，使灯光和电视机屏幕产生闪烁，使人视觉疲劳而感到烦躁，此外还影响到晶闸管设备和精密仪器等的稳定运行，产生质量事故。,资料：电弧炉熔化期和氧化期,在电弧炉炼钢工艺中，从通电开始到炉料全部熔清为止称为熔化期。熔化期的任务是将固体炉料迅速熔化成钢液，并进行脱磷，减少钢液吸收气体和金属的挥发。熔化期的操作工艺如下：1、启弧阶段。通电启弧时炉膛内充满炉料，电弧与炉顶距离很近，如果输入功率过大、电压过高，炉顶容易被烧坏，因此一般选用中级电压和输入变压器额定功率的23左右。2、穿井阶段。这个阶段电弧完全被炉料包围，热量几乎全部被炉料吸收，不会烧坏炉衬，因此使用最大功率，一般穿井时间为20min左右，约占总熔化时间的14。3、电极上升阶段。电极“穿井”到底后，炉底已形成熔池，炉底石灰及部分元素氧化，使得在钢液面上形成一层熔渣，四周的炉料继续受辐射热而熔化，钢液增加使液面升高，电极逐渐上升。这阶段仍采用最大功率输送电能，所占时间为总熔化时间的12左右。,4、料熔化过程中，应根据炉料中含P量的高低，可分批加入适量的石灰及矿石造渣，以利于脱P，加入的石灰量约为炉料重量的12，为了调整炉渣的流动性，可加入适量的萤石。5、在熔化过程中应不断“推料助熔”，当大部分废钢发红时，可以将炉壁氧枪切换到射流模式切割废钢，加快废钢的熔化。同时对一些冷区我们可以采用人工吹氧干预。氧化期加入氧化剂（氧气），使钢液中的碳氧化而熔池产生沸腾的阶段叫氧化期。氧化期的主要任务是脱碳、脱磷，以及去除气体和夹杂物，并提高钢液温度.,（二）谐波污染大型电弧炉在钢铁行业中的应用越来越多，其冲击性会引起电网电压波动，同时也产生谐波，是重要的谐波源。电弧炉产生的谐波中含有偶次谐波，表明电弧电流的正负半周期不对称。当电弧炉接入容量相对较小的供电系统时，它所引起的电压波动和谐波，将危害公共供电点和其他用户的正常用电。电弧炉所产生的谐波电流以27次为主，较高次谐波含量极小。而偶次谐波来源于电弧的不稳定性，若电弧保持稳定，则电弧阻抗的非线性特点只会产生以3次谐波为主导的奇次谐波电流。,（三）使电网产生负序分量电炉在熔化期，特别是在打孔期，各相电弧电压是独立变化的，三相电弧各自发生急剧无规则的变化，故其三相电流是不对称的。负序电流流入电网，使电网电压产生负序分量，影响发电机和用电设备使用效果，严重时可能造成损坏，还会使继电保护误动作。一般来讲，在电网公共连接点上的短路容量为电炉变压器额定容量的3040倍以上时，电网是允许的，否则应采取使三相达到平衡对称的补偿措施。,（四）引起电网电压水平降低电炉的功率因数比较低，在0.70.8左右。由于功率因数低，感性无功功率大，从而引起电压水平降低，影响用电设备出力，增加电能损耗。按供用电规则的规定，必须采用无功补偿措施在高峰负荷时把功率因数提高到0.9以上。,三、中频炉,（一）中频炉的工作原理中频熔炼炉采用三相桥式全控整流电路将交流电整流为直流电，经电抗器平波后，成为一个恒定的直流电流源，再经单相逆变桥，把直流电流逆变成一定频率的单相中频电流。负载由感应线圈和补偿电容器组成，连接成并联谐振电路。是指利用中频电源建立中频磁场，使铁磁材料内部产生感应涡流并发热，达到加热材料的目的。中频炉采用200-2500Hz中频电源进行感应加热,熔炼保温,主要用于熔炼碳钢,合金钢,特种钢,也可用于铜,铝等有色金属的熔炼和提温.设备体积小,重量轻,效率高,耗电少,熔化升温快,炉温易控制,生产效率高。,资料：电弧炉与中频炉的区别,中频炉是靠电磁感应来加热熔化金属的，电弧炉是靠大电流起弧，瞬间达到金属熔化温度来熔化金属的。电弧炉成本高,但是产品质量好。中频炉炼钢相对电弧炉来说成本低些，适合中小型企业使用（小作坊），但是他炼出的钢杂质多，含碳量高所以炼出的钢不纯。中频电炉相比电弧炉，热效率高，从而达到生产效率高，而且操作灵活，能耗低。,中频炉的特点：在接近满负载状态下功率因数很高，可达0.9以上，但在负载较轻时功率因数较低，仅为0.5左右，故一般其平均功率因数较高；1000kW以下的中频装置通常采用6脉冲整流，1000kW以上根据容量大小，可采用12脉冲、24脉冲整流；中频炉对电网的主要影响是谐波、电压波动和闪变。,（二）中频炉的谐波6脉冲整流的中频炉5次和7次谐波所占比例较高，对总谐波含量影响最大，3次以及3(2n-1)次谐波含量较低。11、13、17、19次谐波含量较3(2n-1)次谐波含量高，对谐波总含量也有一定的影响。,四、电力机车,我国电气化铁路牵引负荷的特点：（1）以铁路钢轨与大地为导体的单相移动负荷；（2）随列车质量、加速度、运行速度、线路坡道、牵引或制动的变化，负荷也发生剧烈变化，并具有短时冲击的特征；（3）由于结构上的不对称，导致返回系统的电流中含有大量负序电流；（4）电流中含有大量谐波；（5）无功电流大，功率因数低。,（一）负序电流负序使旋转电机产生逆向旋转磁场，导致定转子产生谐波电流，电机热功耗增大，功率降低；负序还容易使电力系统以负序分量启动的继电保护装置误动作。相对