无功补偿在电力系统中的应用

1、本科生毕业论文(设计)题 目 无功补偿在低压配电网中的应用研究 学 院 电气信息学院 专 业 电气工程及其自动化 学生姓名 指导教师 教授 教务处制表二一四 年 五 月 三十 日四川大学本科毕业论文 无功补偿在低压配电网中的应用研究无功补偿在低压配电网中的应用研究电气工程及其自动化 摘要：近年来，随着电网系统的完善，用电规模的进一步扩大，使得电力的供需矛盾越来越突出。电力的供应紧张使人们想到了降损节能。人们从电力在线路中的传输特点，利用无功电流在系统中消耗有功功率的特点，使用了无功补偿装置。电力系统使用无功补偿，可以提高电网的质量，降低网损，达到节能的目的。现系统地介绍了低压无功补偿技术，并具

2、体分析各个部件的选型和成套装置的技术，并对其所带来的经济效益进行分析计算。关键词：无功补偿 节能 功率因数Application of reactive power compensation in low voltage distribution network Electrical engineering and automation Abstract :In recent years, with further improvement in power net, expanding use of electricity, making power supply and demand wil

3、l become sharp. Short of power supply force people to want to energy conservation. With the operating characteristics of power net, consumption active power for reactive current, reactive power compensation was used. With reactive compensation, that can improve the power quality, reduce network loss

4、, save energy .The reactive power compensation of low voltage technology and equipments were introduced systematically. Study and research were worked on the issues of the reactive power compensation currently and its economic benefits was analyzed and calculated.Keyword: reactive power compensation

5、, save energy, power factor 四川大学本科毕业论文 无功补偿在低压配电网中的应用研究目录第一章 电力系统电能质量概述1第二章 国家相关政策22.1 电能质量相关标准22.1.1电能质量标准体系22.1.2电能质量相关国家标准22.2 电能质量相关法律规定32.3 电能质量技术标准的现状及发展42.3.1 IEC电能质量标准42.3.2 美国IEEE电能质量标准42.3.3 我国电能质量标准制修订概况5第三章 无功补偿和谐波治理的意义63.1 无功补偿的基本原理63.2 无功补偿的分类73.3 谐波治理基本原理与方法83.3.1谐波问题的研究现状83.3.2配电网谐波治

6、理的对策93.4无功补偿与谐波治理的意义103.5 无功补偿和谐波治理的发展趋势113.5.1 无功补偿的发展趋势123.5.2 谐波治理技术的发展历史123.5.3 国内谐波治理技术的发展13第四章 相关名词解释164.1电能质量164.2 功率因数164.3三相负载不平衡174.4 非线性负载184.5 谐波184.6 间谐波194.7 无功补偿19第五章 工况描述215.1某科技材料有限公司项目概况21第六章 测试数据226.1 3196电源品质分析仪226.1.1 3196电源品质分析仪概述226.1.2 3196电源品质分析仪的特点226.2 测试数据236.2.1 原始数据记录23

7、6.2.2 原始数据分析30第七章 无功补偿设计方案317.1无功补偿容量的确定317.2无功安装容量的确定317.3 电抗器的选择32第八章 分组和设备选型338.1无功补偿分组338.1.1 确定电容器的分组338.1.2 电容器的接线类型338.2 设备的选型348.2.1 自愈式低压电容器358.2.2 串联电抗器358.2.3 无功控制器368.2.3 电容器投切装置37第九章 无功补偿装置图409.1结构图409.2 一次图41第十章 无功补偿经济效益分析4210.1 力调电费4210.2 电费奖励4210.3 节能效益43第十一章 结论44参 考 文 献45致 谢46第一章 电力

8、系统电能质量概述随着电网规模的不断扩大，以及各种用电设备接入电网消耗大量的无功，无功不足和电压波动大的问题日益突出。这时仅靠调节发电机励磁电流的手段已经不能满足要求。电力系统的互联和远距离、大容量输电已成为电力工业发展的重要趋势。跨区域的长距离集中送电的交流输电通道或交直流并联输电通道越来越多，大事故扰动下电网的动态无功支持能力不仅成为互联电网送电能力的重要约束，而且能够影响到联网系统的电压稳定水平和电压安全裕度。提高电网的安全稳定水平，提升现有电网的输电能力，最大限度地发挥输电线路是电网发展面临的重要问题。电能质量（power quality ）定义：关系到供电、用电系统及其设备正常工作(或

9、运行)的电压、电流的各种指标偏离规定范围的程度。 电能质量即电力系统中电能的质量。理想的电能应该是完美对称的正弦波。一些因素会使波形偏离对称正弦，由此便产生了电能质量问题。一方面我们研究存在哪些影响因素会导致电能质量问题，一方面我们研究这些因素会导致哪些方面的问题，最后，我们要研究如何消除这些因素，从而最大程度上使电能接近正弦波。电能质量(Power Quality)，从严格意思上讲，衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差

10、、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。目前，各国在电能质量问题的研究方面，取得了一些进展，但仍有很多问题难以解决或达成共识。其中较为突出的问题有：电能质量的定义及以此为基础的电能质量等级的划分；对各瞬变量的实时检测及有效补偿；为改进电能质量问题，电站 、用户及装置生产厂家之间的合作与协调；合理的电能质量评估体系的建立等。为解决这些难题，科研工作者通过不懈的努力，对一些问题提出了独到的见解，研制出一些新型试验装置。日本、美国、德国等发达国家投入运行的试验装置已取得了预期的效果。第二章 国家相关政策2.1 电能质量相关标准2.1.1

11、 电能质量标准体系1、GB/T 12325-2008电能质量 供电电压偏差2、GB/T 15945-2008电能质量 电力系统频率偏差3、GB/T 15543-2008电能质量 三相电压不平衡度4、GB/T 12326-2008电能质量 电压波动和闪变5、GB/T 14549-1993电能质量 公用电网谐波6、GB/T 24337-2009电能质量 公用电网间谐波7、GB/T 19862-2005电能质量 电能质量监测设备通用要求8、DL/T 1053-2007 电能质量技术监督规程9、GB/T 19862-2005 电能质量监测设备通用要求10、GB/T 18481-2001 电能质量 暂时

12、过电压和瞬态过电压11、电综1998211号 电网电能质量技术监督管理规定2.1.2电能质量相关国家标准1、供电电压允许偏差电能质量 供电电压允许偏差 （GB12325-90），规定电力系统在正常运行条件下，用户受电端供电电压的允许偏差为：（1）35KV及以上正、负偏差的绝对值之和不超过10%；（2）10KV及以下允许偏差不超过±7%；（3）220V单相供电允许偏差为+7%-10%。2、电力系统频率允许偏差电能质量 电力系统频率允许偏差 （GB/T 15945-1995），规定：电力系统频率偏差允许值为±0.2Hz。实际运行中，我国各跨省电力系统频率偏差都保持在+0.1Hz

13、-0.1Hz的范围内。3、公用电网谐波电能质量 公用电网谐波（GB14549-93），规定各电压等级的谐波畸变率允许限值。表2-1 各电压等级的谐波畸变率允许限值电网标称电压kV电压总谐波畸变率%各次谐波电压含有率，%奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8标准还规定了电网公共连接点的谐波电流(225次)注入的允许值；当最小短路容量不同于基准短路容量时，允许值应进行换算。并且规定：每个用户向电网注入的谐波电流允许值，按此用户协议容量与其公共连接点的供电设备容量之比，进行分配。4、 电压波动和闪变电压波动，闪变，即灯光照度不稳定

14、造成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电弧焊机等引起的。电能质量 电压波动和闪变（GB12326-2000），适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及由此可能人对灯闪明显感觉的场合。标准规定了各级电压短时间闪变值和长时间闪变值的限值。用户闪变限值，应按协议用电容量占供电容量的比例，以及系统电压公给处理。5、三相电压允许不平衡度电能质量 三相电压允许不平衡度 （GB/15543-2008），适用于交流额定频率为50Hz电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的公共连接点的电压不平衡。该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许值为2%，短时间不得超过4%。每个用户不得超过

15、1.3%，短时间不得超过2.6%。2.2 电能质量相关法律规定1、中华人民共和国电力法第二十八条 供电企业应当保证供给用户的供电质量符合国家标准。对公用供电设施引起的供电质量问题，应当及时处理。2、电力供应与使用条例第十九条 用户受电端的供电质量应当符合国家标准或者电力行业标准。3、用电检查管理办法第四条 供电企业应按照本规定对本供电营业区的用户进行用电检查，用户应当接受检查，并为供电企业的用电检查提供方便。用电检查的内容有：十受电端电能质量状况：第五条 检查的范围可延伸至目标所在处：五有影响电能质量的用电设备：4、供电营业规则第三十九条 高压供电的用户应提供 4、影响电能质量的用电设备清单第

16、四十一条 100千伏安及以上高压供电的用户的功率因数为0.90以上第五十五条 电网公共连接点电压正弦波畸变率和用户注入电网的谐波电流不得超过国家标准GB/T14549-93的规定。应户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行注入电网的谐波电流和引起公共连接点电压正弦波畸变率超过标准时，用户必须采取措施予以消除。否则，供电企业可中止对其供电。2.3 电能质量技术标准的现状及发展电能质量关系到电力系统及其电气设备的安全和效率，关系到节能降耗、生产和生活，以及国民经济的总体效益。实施对电能质量的科学监管是建设节约型社会的重要条件之一。电能质量标准是保障电能质量的基本技术依据。2000年以来，为适应电网

17、的发展和电力市场的变化，国内外均加快了对电能质量标准的制订和修订步伐。2.3.1 IEC电能质量标准为了统一各国电气设备或系统的电磁环境，以促进电气和电子技术领域有关标准的国际化，IEC于1973年建立了第77技术委员会(IEC/TC 77)，主要研究“设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力”。IEC/TC 77下设三个分技术委员会，即IEC/SC 77A(低频现象)、IEC/SC 77B(高频现象)、IEC/SC 77C(瞬时高能现象)。IEC对低频和高频的划分界线是9kHz，即高于9kHz为“高频”，9kHz及以下为“低频”。显然，在电力系统中

18、，主要涉及低频和高频传导电磁现象。IEC/TC 77的工作成果以IEC 61000系列电磁兼容(EMC)标准文件出版，EMC的范围既有低频也有高频，既包括传导性也包括空间电磁场干扰，该系列标准，目前包括7个部分，每个部分又可分若干项，以国际标准或技术报告形式出版。技术报告(TR)按其内容标明类型，共分三类，性质上有所不同。2.3.2 美国IEEE电能质量标准美国的国家标准主要由IEEE制定。IEEE在国际上是一个非常有影响的组织，每年组织举办300次左右的技术交流会。至今，全世界约30%的技术文献出自IEEE。IEEE已制定了900多项标准，另外还有700项左右的标准正在制定中。IEEE电能质

19、量分委会成立于2002年，下设多个工作组，分别负责谐波、电压质量、电能质量监测、电能质量分析和治理措施，以及电能质量教育等标准化工作。在此之前，美国已制定了不少电能质量方面的标准。美国对电能质量领域标准化的工作起步较早，涉及面较广，和IEC 61000标准相比，虽然系统性方面欠缺一些，但内容上有一定的互补性，表现在:针对敏感负荷供电，已发布多项标准；对于电能质量测量给予相当的关注；对谐波标准补充了实施导则；对于电能质量改善措施，制定了不少规程和导则；涉及电能质量术语、分析和关键的理论问题也制定了一些导则或标准。如上分析，从应用角度，美国IEEE标准提供了不少电能质量方面的实用技术和相关准则，是

20、很有参考价值的。但美国标准不如IEC标准规范，内容较庞杂。2.3.3 我国电能质量标准制修订概况从上世纪80年代开始,改革开放促进了我国经济快速发展,电网负荷结构发生了很大的变化。随之，电能质量问题渐显突出，国家标准主管部门将制定电能质量系列标准列为重点项目之一，同时大量引进以IEC 61000系列为主的先进国际标准。第三章 无功补偿和谐波治理的意义3.1 无功补偿的基本原理电网输出的功率包括两部分，有功功率和无功功率。直接消耗电能，把电能转变为机械能、热能、化学或声能等 的电功率，称为有功功率。不消耗电能，只是把电能转换为另一种形式的能，这种能是电气设备能够做功的必要条件。这种能作为电网中与

21、电能进行周期性转换，这叫无功功率。电流在电感元件中做功过过程中，电流超前电压90度。电流在电容元件中做功时，电流滞后电压90度。在同一电路中，电感电流与电容电流方向相反。所以，如果在电磁元件装上相应比例的电容元件，使两都的电流相互批评消，使电流和电压的矢量夹角减小，从而提高了电流做功的能力，使有功功率增加。如图并联补偿电路，电路中的总电流I值为负荷电流IL 与通过电容器电流IC 的矢量和。加在负荷与电容器上的外加电压U 是相同的，其公式如下： （3-1） （3-2） （3-3）其矢量关系见图3.1。图 3.1 并联补偿线电路的矢量图从矢量图中可以看到，在并联补偿前电压与电流间的夹角为L,即它的

22、功率因数的夹角等于cosL;经过并联补偿后，夹角减小为，即它的功率因数从cosL提高到cos。3.2 无功补偿的分类无功补偿的方式包括：变电站集中补偿、配变低压补偿、线路补偿、用电设备就地补偿。如图3.2所示： 图3.2 无功补偿示意图1变电站集中补偿变电站集中补偿装置包括并联电容器、静止补偿装置等，主要目的是平衡输电网的无功功率，改善输电网的功率因数，提高系统终端变电所的母线电压，补偿变电站主变压器和高压输电线路的无功损耗。为实现变电站的电压/无功综合控制，通常采用并联电容器组和有载调压抽头协调调节。变电站集中补偿主要是补偿主变压器本身的无功损耗，以及减少变电所上级输电线路的无功电力，从而降

23、低供电网络的无功损耗，但不能降低配电网络的无功损耗。在电网中，配电网的线损占全网总线损的70%左右，只有在配电网中进行分散补偿才能有效地降低线损。2配变低压补偿配变低压补偿，也称随器补偿，就是将补偿装置直接连接在配电变压器上，以补偿配电变压器的无功负荷。由于用户的日负荷变化大，配变低压补偿通常采用微机控制，跟踪负荷波动，分组投切电容器。配变低压补偿接线简单、安装维护管理方便，经济性较高，降损节能效果好，是配网中具有推广应用价值的补偿方式。3线路补偿配电变压器本身要消耗无功，而且很多公用变压器又由于种种原因没有安装低压补偿装置补偿负荷无功，从而造成很大的无功缺额需要变电站或发电厂承担，大量的无功

24、沿线路传输使得配电网的网损居高难下，这种情况下可考虑配电线路无功补偿。线路补偿是指把一定容量的高压并联电容器分散安装在供电距离远、负荷重、功率因数低的配电线路上，主要补偿线路上感性电抗所消耗的无功功率和配电变压器励磁无功功率损耗，还可提高线路末端电压。线路补偿具有投资小、回收快等优点，适用于功率因数低、负荷重的长线路。4用电设备就地补偿在配电网的无功消耗总量中，变压器消耗占30左右，用电设备消耗占65以上。对用电设备实施就地无功补偿十分必要。理论计算和实践都证明，用电设备无功补偿的经济效果最佳，综合性能最强，是值得推广的一种节能措施。用电设备就地补偿是对用电设备所需无功实施就近补偿，把电容器直

25、接接到用电设备的同一个电气回路，用同一台开关控制，同时投运或断开。这种补偿方法的效果最好，电容器靠近用电设备，就地平衡无功电流，可避免无负荷时的过补偿，使电压质量得到保证。3.3 谐波治理基本原理与方法3.3.1谐波问题的研究现状谐波的概念起源于声学,而电力系统中的谐波是在20世纪20年代引起人们的关注,是在使用静止汞弧变流器时产生了电压、电流波形的畸变。1945年,J.C.Read最早论述了有关变流器中的谐波问题,指出电网中的谐波可分为电压谐波与电流谐波。从频域角度看,电网谐波是指供电电网的电压或者电流中出现的一系列频率为基波频率整数倍的正弦分量,当电流谐波流经电网阻抗元件1971年,Hsa

26、saki和TMachida首次提出了有源电力滤波器构想,其基本工作原理可以描述为向电网注入一个与负载谐波电流幅值相等。相位相反的电流,从而抵消电网中的谐波电流,这一构想经历了有源滤波器理论分析,原始模型,实验研究,最终走上实用化的道路。到了1976年,L伪ugyi和ECStycula进一步提出了采用PWM逆变器构造新型的有源电力滤波器,经过20多年的发展,PWM技术的逐步成熟以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测法的提出,都极大地促进了有源滤波技术的发展。与无源滤波器相比,其具有高度可控性和快速响应性,有一机多能特点,且可消除与系统阻抗发生谐振的危险,也可自动跟踪补偿变化的谐波"

27、有源滤波的缺点是容量小,价格高等。无源滤波器与有源滤波器结合使用,是目前最为理想的一种谐波抑制措施。国际标准IEC6100明确规定了不同设备级别的谐波限制"北美!欧洲等发达地区目前已形成了较为完善的电能质量标准体系!监测网络和分析管理体系,其中包括谐波管理。在日本,有源电力滤波器的使用已很普遍,并联型有源电力滤波器的最大容量已达500MVA,用于抑制电弧炉引起的电压闪变。西门子公司已生产出一系列改善电能质量的电能质量调节器装置(SIPCON),其换流器采取基于绝缘栅双极晶体管(IGBT)的脉宽调制技术(PWM),有利于并联型有源滤波器和串联型有源滤波器进行组合。这样滤波器与系统联接就

28、有3种方式:并联运行时,主要防止非正常负荷产生的谐波、无功、负荷不平衡及闪变对系统的影响;串联运行时,主要用于防止系统电压突变!电压畸变或不对称负荷的影响;串并联运行时,具有双向补偿的功能,这种具有双向补偿功能的有源滤波设备是目前同类装置中较有代表性的产品。在有源电力滤波器的研究和产品开发方面,我国还处于起步阶段,主要以并联型、混合型为主,也有研究串联型滤波设备的南方电网已经安装了几十套无源滤波兼无功补偿装置,收到了良好的效果。清华大学研制的我国第一台高压、大容量电能质量控制器(ASCG)已经正式投入运行。西安交通大学已研制成功120kVA并联型有源滤波器试验样机,理论上和实验室内均取得很大的

29、进展,但现场实际应用和可靠的运行尚需进一步研究。3.3.2配电网谐波治理的对策关于谐波的治理目前主要有三种方法:受端治理、主动治理、被动治理。1.受端治理所谓受端治理,是指从收到谐波影响的设备或系统出发,提高它们的抗谐波干扰的能力。常用的治理方法主要有以下几点:(1)选择合理的供电方式，将谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电,可以减小谐波对系统和其他用电设备的影响,这必须在电网规划或设计阶段考虑。(2)避免电容器对谐波的放大，改变电容器的串联电抗器,或将电容器组的某些支路改为滤波器,或限定电容器组的投入容量,可以有效的减小电容器对谐波的放大并保证电容器组安全运行。(3)提高设备抗谐波

30、干扰能力，改进设备性能,使其在谐波环境中能够正常工作,当然这是有一定限度的,谐波较大时设备仍将受到严重影响。(4)改善谐波保护性能，对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置,这能够保证在谐波超标情况下,设备不至于损坏,但不能保障设备的正常工作。2主动治理所谓主动治理,是指从谐波源本身出发,使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波。常用的治理方法主要有以下几点:(1)增加变流装置的相数或脉冲数，改造变流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器,可以有效减小谐波含量,其中包括多脉整流和准多脉整流技术,但是装置更加复杂。(2)改变谐波源的配置或工作方式，具有谐波互补性的装置应集中,否则应适当分散或交替使

31、用,适当限制会大量产生谐波的工作方式。(3)采用多重化技术，将多个变流器联合起来使用,用多重化技术将多个方波叠加,以消除频率较低的谐波,得到接近正弦波的阶梯波,但装置复杂,成本较高。(4)谐波叠加注入，利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源,把谐波电流加到产生的矩形波形上,可用于降低给定的运行点处的某些谐波缺点。(5)采用脉宽调制技术，采用该技术是使得变流器产生的谐波频率较高，幅值较小,波形接近正弦波,但只适用于自关断器件构成的变流器,如IGBT、IGCT等。(6)设计或采用高功率因数变流器，比如采用矩阵式变频器，四象限变流器等,可以使变流器产生的谐波非常少,且功率因数可控制为1。3被动治

32、理所谓被动治理,是指通过外加滤波器来阻碍谐波源产生的谐波注入电网,或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。常用的治理方法主要有以下几点:(l)采用无源滤波器(PaSSivePowerFilter,PPF)：在谐波源附近或公用电网节点装设单调及高通滤波器,可以吸收谐波电流,同时还可以进行无功功率补偿,运行维护也简单。(2)采用有源滤波器(ActivePowerFilter,APF)：在波源附近或公用电网节点装设并联或串联型APF,可以有效的起到补偿或隔离谐波的作用,并联型还可以进行无功功率补偿,但装置造价较高。单独使用有源电力滤波器,则要求其装置具有较大的容量。因此,单独使用的有源电力滤波器在小容量非

33、线性负载的场合是有效的解决方案,但是在大容量场合就不是那么可行了。(3)采用混合型有源滤波器(HybridActivePowerFilter,HAPF)：兼具ppF的低成本和APF性能优越的特点，混合型电力滤波器按照有源电力滤波器与无源滤波器混合使用的方式又可以分为两大类:一类是并联混合型电力滤波器;另一类是串联混合型电力滤波器。目前在谐波治理的措施中,广泛采用无源滤波器PPF,PPF成本低、技术成熟，它利用电感、电容元件的谐振特性,在阻抗分流回路中形成低阻抗支路,从而减小流向电网的谐波电流。3.4无功补偿与谐波治理的意义电力系统运行的重要标准是能够连续地向用户提供优质可靠的电能,这就要求系统

34、必须具备足够的静态稳定储备和有功、无功备用容量,维持系统运行在额定电压和额定频率附近。但随着电网规模的扩大和用电设备的增加,配电侧电能质量问题日渐突出,例如大量自然功率因数偏低的阻感负载的接入电网导致电压偏低和损耗增加的问题,电力电子装置诱发的谐波电流和谐波电压对公共电网的污染。因此,改善电压质量，抑制电网谐波成为电力系统配电网研究领域的重要课题。在电力系统中,配电网处于电能输送的末端,具有电压低、损耗大的特点，与输电网相比,我国配电网的建设和管理较为落后,存在负荷分布不均,无功补偿设备不足、利用率偏低等许多问题。特别是对于IOkV的配电线路而言,由于配套变电站数量少,长距离供电成为一种普遍现

35、象,部分线路的输送距离已经超过了配网线路规定的10km,并且受负荷容量的限制无法选择线径粗的导线做输电载体,导致输电线路的阻抗偏大,线路的末端电压降随之增大。因此,合理地进行无功补偿点的选择以及补偿容量的确定,能够有效地改善配电网电压质量,提高系统的电压稳定性,避免输电线路传输大量的无功功率,从而提高输电效率,降低网损。为了规范供电电压的标准,我国技术监督局在1990年颁布的5电能质量供电电压允许偏差6明确指出:10kv及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的士7%，同电压质量问题一样,公共电网中特别是配电网中的谐波问题也备受关注。我国在1993年颁布了一项国家标准5电能质量公共电网谐波6以规范

36、各电压等级允许的总谐波畸变率。由于电力系统中的负荷都是通过配电网吸收电能的,因此配电网存在着大量的谐波污染源,例如整流装置、交流调压装置、电弧炉、家用电器、照明设施等,它们产生的谐波严重地影响到用电设备、变电站设备和电力系统载波通信等设备,甚至破坏系统运行的可靠性。更为严重的是当系统中含有谐波,若为了改善电压质量而投入电容器将可能会引起串联或并联谐振,造成谐波电流大大放大,直接威胁到电网安全,甚至烧毁电容器和与之串联的电抗器。目前关于谐波的研究主要集中四个方面:在与谐波有关的功率定义和功率理论研究;谐波分析及谐波影响和危害分析;谐波的补偿和抑制;与谐波有关的测量问题和限制谐波标准的研究。谐波研

37、究最终目的是设法抑制电力系统中的谐波,现有的治理手段可以概括为两大方向:一是装设谐波补偿装置来补偿谐波,这种方法对各种谐波源都是适用的;二是对谐波源进行装置改造,降低或消除谐波的发生,这种方法一般只适用于电力电子装置。多年来,学术界和工程界对电容器进行无功补偿和抑制谐波的方法和手段都进行了深入的研究和实践,人们已经认识到,无功补偿和谐波治理既是两个相对独立的问题,同时彼此之间又有非常密切的联系。例如:当电网中没有谐波时,无功功率的概念仍旧采用传统的理论定义,但是当系统中含有谐波时,无功功率开始与谐波密切相关,采用传统的定义方法则不能完全概括系统中的无功功率;另外,产生谐波的装置往往也是消耗基波

38、无功功率大的装置,因此无功补偿常常与谐波问题交织在一起;再者,谐波补偿装置通常也是补偿基波无功功的装置,这些装置既可以提高功率因数,又可以抑制谐波。综合这两类问题来看,随着电网中用电设备的不断变化,以及非线性负荷!冲击负荷。波动负荷等的存在使得配电网的特性更为复杂,为了适应电网发展的需要,开展无功补偿和抑制谐波的研究具有重要意义。3.5 无功补偿和谐波治理的发展趋势近年来，我国电力装机容量每年以10GW 的速度递增，大大缓解供电紧张的局面。随着供电量的增加，系统线损也将增大。据统计，电力系统的无功损耗最多可达到总发电量的20% 30%，也就是说大约1/ 4 的发电容量都将用来抵消输配电过程中的

39、功率损耗。这不仅大大增加了发电机和变电所的设备容量。同时也是对极其宝贵的电力资源的巨大浪费，影响到电能成本，进而影响到整个国民经济。虽然在电力系统运行中，功率损耗和电能损耗不可避免，但应尽量采用措施降低它，这从节省资源，降低电能成本，提高设备利用率等方面都是有必要的。3.5.1无功补偿的发展趋势综合上述这些无功补偿元件,SVC装置的应用和发展较为成熟,学术界对SVC的研究主要集中在控制策略上,例如模糊控制!人工神经网络和专家系统等智能控制手段被引入SVC控制系统,以提高SVC系统的性能。而对于SVG和UPFC,受到技术和经济的限制,还没有大规模应用,尚处在论证阶段"多数学者认为,随着

40、造价的降低和技术的完善,SVG和UPFC的应用前景非常广阔"电力系统无功补偿技术的发展趋势可以归为以下几方面。(1)高压系统要求。低压系统中,该装置的补偿效果较好,已被广泛应用和接受"但是由于高压系统中的二极管与晶闸管的抗耐电压的能力受到限制,因此大大制约了无功补偿技术在高压系统中的应用"现实生活中,高压线路已成为国家工业化进程和人民生活的重要保障,因此,研究发展适用于高压系统的装置迫在眉睫。(2)智能发展。随着计算机技术的发展,人们越来越希望可以将计算机技术引入到无功补偿技术中,这样,不但对于装置本身而言可以大大提高其性能参数和工作效率,还可以提高装置的智能性,

41、降低了工作人员的作业难度和危险系数。(3)一体化进程与多功能化发展。在补偿无功功率的同时,人们寄希望于将滤波和抑制谐波的多项技术综合起来应用于一台装置。这样,可以大大降低城市电网。农村电网和山区电网等安装的成本和操作复杂性,提高工作效率,节省资源,减小电力损失和空间需求。3.5.2 谐波治理技术的发展历史谐波问题在20世纪20年代末就引起了人们的注意，到了20世界50那年代，随着科学技术的进步，大量的非线性负载给店里系统带来了严重的谐波干扰，于是有关电力系统谐波问题的大量论文开始出现各种期刊杂志上，20世纪70年代以来，由于谐波所造成的危害日趋严重，世界各国对谐波问题都给予充分的关注，国际上召

42、开了多次有关谐波问题的学术会议。最近30年，对电力协同谐波问题的研究已超过了电力系统自身的研究范畴，并取得了前所未有的发展。电力系统谐波治理技术的发展历史可分为以下几个阶段。1、20世纪70年代之前单纯的无源滤波器（PF）时代。LC滤波器是传送的补偿无功和抑制谐波的主要手段。无源滤波器的理论研讨早在20世界70年代以前就已获得满意的结果，其特点是结构简单，运行可靠，价格低廉，但是性能不够理想。2、20世界70年代，有源滤波器（APF）的开发研究时代。用有源电力滤波器（APF）消除谐波的思路可以追溯到20世纪70年代SASAKI H和IMACHIDA T等人提出的拥磁补偿消除谐波的方法。1976

43、年，GYUGYIL等人提出了用电力晶体管PWM变换器构成APF，并正式提出有源滤波的概念。有源电力滤波器的思路是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻无穷大的串联网络，因此可分为并联有源滤波器和串联有源滤波器。按照PWM逆变电路电源的性质又可以分为电压型有源滤波器和电流型有源滤波器。3、20世纪80年代末期，串联APF与并联PF混合方案出现。1988年PENG F Z等人首先提出串联APF加并联PF的结构，这种方案结合了无源滤波器和有源滤波器各自的优点，装置容量可以做的很大。由于大部分谐波由相对廉价的无源滤波器滤除，装置成本相对较低。使用中串联APF相当于一

44、个谐波隔离装置，强制将负载的谐波电流流入无源滤波器，同事也阻止电源的谐波电压串入负载侧；无源滤波器是负载谐波电流的唯一通道，对谐振频率处的谐波，无源滤波器呈极低阻抗。4、20世纪90年代初，APF与PF串联后与电网并联的混合型方案诞生。1990年，FUJIT H等人提出将APF与PF相串联后于电网并联混合型方案。其中APF为电流控制电压源，产生于线路中谐波电流分量成比例的电压，阻止谐波电流流入电网。该方案方便保护和隔离，因此更适合于高电压系统应用，不足之处是该电路对电网中的谐波电压非常敏感。5、20世纪90年代中后期，并联APF与串联APF的混合型方案得以突破。1994年，AKAGI H等人提

45、出一种综合了串联APF（APF1）和并联APF（APF2）的混合型滤波器。APF1将电源和负载隔离，阻止电源谐波电源串入负载端和负载谐波电流流入电网。APF2提供一个零阻抗的谐波支路，吧负载重的谐波电流吸收掉。改方案在电网与公共连接点之间同时实现了电压和电流的净化。6、SVC和PF相结合时补偿无功和抑制谐波的优选方案。今年来，为减少无功和谐波为电网带来的危害，采用电力电子装置就近吞吐无功和吸收谐波源所产生的谐波电流，是提高功率因数和抑制谐波污染的有效措施。改方案以SVC相应速度快的特点有效解决了电压闪变和波动问题，而且可通过分相调节对三相不对称负载进行平衡化补偿以消除负序分量，并通过并联无源滤

46、波器提供容性无功的同时滤除固定次谐波。7、20世纪末至今，采取主动治理措施是治理谐波的最理想方案。20世纪末至今，通过增加电力电子变流装置输入与输出电压或电流的脉动数，是的变流装置产生的谐波次数相应增高，因此一些列次数较低，幅值加大的谐波得到了消除，谐波源产生的谐波电流同时得到很好的控制。如大电流输出的整流装置大多数采取的是晶闸管直接调压整流的形式，通过增加整流装置的脉波数，是的整流器产生的谐波次数也相应增高，因而从根本上减少了电网中谐波的含量。3.5.3 国内谐波治理技术的发展1.采用多电平或多重化主电路来实现大容量有源滤波器是必由之路。近几年，多电平逆技术以及多电平并联技术由于其在改善输出

47、波形质量、降低开关损耗、环节器件应力等方面的突出优点，引起了广泛的关注。随着更大功率以及高电压的电力电子器件的发展和多电平逆变器技术的不断进步，可以预见，有源滤波器将会有更大的发展空间，从而取代无源滤波器。而采用多电平或多重化主电路来实现大容量有源滤波器是必由之路。2.谐波滤波器在工程应用过程中，拓扑结构等还需进一步研究。在工程应用方面，如何结合现场的实际情况，采用合理的拓扑结构，选择合理的滤波器参数以及过流过压保护和电磁兼容等问题，都需要进一步的研究。3.高压直流输电系统的谐波智力将更加经济更加合理。对于高压直流输电系统的换流站来说，滤波装置在换流站的投资和占地面积中均占有相当大的比重。因此

48、，在保证滤波性能达到标准要求的基础上需对滤波装置进行优化设计，对包括平波电抗器、直流滤波器、中性点冲击电容器等各部分的参数进行统筹考虑，使得其投资费用及年运行费用（主要考虑有功损耗费用）最小。这样做不仅具有重要的工程使用价值，而且还能提高高压直流输电系统的竞争能力。4.针对特高压直流输电系统的滤波器研究将更深入。目前，国内外学者对高压直流输电系统产生电力线载波干扰和无线电干扰的机理都做了较为深入的研究，但是针对特高压直流换流高频模型的研究还不深入，导致不能准确定量计算换流器产生的电力线载波干扰和无线电干扰，进而影响到高频滤波型式和参数的选择研究工作。因此，开展特高压直流输电系统换流器高频模型的

49、研究具有重要的理论意义和工程应用价值，其研究成果将为特高压直流换流器高频谐波的精确计算，高频滤波器的配置与设计提供理论依据。5.高压谐波滤波用控制与执行部件将标准化，系列化。随着高压，特高压直流输电系统的日益推广，以及电力电子技术的不断发展，高压谐波滤波用控制部件（如高压平台的驱动板、高压电力电子器件等）将逐渐标准化、系列化。6.谐波测试仪将智能化、系列化、廉价化、国产化。目前，绝大部分谐波测量仪只能检测整数谐波，只有极少数可以检测分数谐波，并且几乎都是进口产品。随着国内学者对这一领域研究的深入，国产的可检测包括分数谐波在内的谐波检测仪将取代进口产品，并且智能化、系列化、廉价化。7.FPGA、

50、CPLD等先进器件的应用，将提升滤波技术的控制效果。具有编程灵活、集成度高、开发工具先进等诸多优点的FPGA鱼CPLD技术在谐波检测环节中的应用推广，及基于单片机的控制技术与新型算法的不断改进，谐波滤除装置的控制效果与及时性将得到很大的提升。综上所述，随着我国经济的飞速发展、用电设备数量将成级数倍投入，产生的谐波总量不可避免要增加，确保电网无污染、绿色稳定运行已成为关系国计民生与可持续发展的重要问题。利用先进的控制技术以及日新月异的电力电子技术和突飞猛进的谐波治理技术，研究出响应快、算法简便且廉价的谐波滤除装置是谐波治理领域待剞劂的课题。从事谐波滤除技术、装置的同仁们不懈努力，中国电网的绿色化

51、指日可待，让我们张开双臂迎接这一美好时刻的到来。第四章 相关名词解释4.1电能质量电能质量 (Power Quality)，从严格意思上讲，衡量电能质量的主要指标有电压、频率和波形。从普遍意义上讲是指优质供电，包括电压质量、电流质量、供电质量和用电质量。其可以定义为：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变（谐波）、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。站在不同角度看，关注或表征电能质量问题会有不同的观点。从供电角度看，电能质量是指供应电力的参数符合标准和供电可靠性的程度；从用电设备生产商的角度

52、看，电能质量是指对设备所要求的电能特性；从用户角度看，电能质量是指一切会引起用电设备异常运行、故障或停电的供电电压、电流及频率的异常扰动。通常，电能质量问题主要反映为电压质量问题。 电压质量扰动可分为稳态与暂态二类。稳态扰动包括电压偏差、三相不平衡、闪变以及谐波问题；暂态扰动包括暂态过电压、电压骤降、电压骤升以及供电瞬时中断问题。从发生的频度以及对用电设备的危害程度来看，现代电能质量问题主要是电压骤降、谐波、电压不平衡以及闪变。据统计和案例反映，造成用户用电设备异常运行或停电的绝大部分因素是电压骤降问题。IEC （ 1000-2-2/4 ）标准将“电能质量”定义为“供电装置正常工作情况下不中断

53、和干扰用户使用电力的物理特性”。 IEEE Std.1100-1999将“电能质量”定义为“满足电子装置的运行条件，并能够以一种与主布线系统及其它相关装置相协调的方式驱动、保护电子装置”。文献 3则简明地表示为“电能质量一般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量距规定值的偏差”。 不论如何表达，“电能质量”的概念中应包括电能供应中所要考虑的一切方面，这些方面可以分成如下三类： （1） 电压和频率的偏差：过电压、欠电压、频率偏差。（2） 电压和电流的 波形：电压跌落、电压突升、电压波动和闪变、谐波、三相不对称。 （3） 供电连续性：瞬时断电，暂时断电，持续断电。4.2 功率因数功率因子表征着灯具

54、输出有功功率的能力。功率是能量的传输率的度量，在直流电路中它是电压V和电流A的乘积。在交流系统里则要复杂些：即有部分交流电流在负载里循环不传输电能，它称为电抗电流或谐波电流，它使视在功率( 电压Volt乘电流Amps)大于实际功率。视在功率和实际功率的不等引出了功率因素，在交流电路中，电压与电流之间的相位差()的余弦叫做功率因数，用符号cos表示，在数值上，功率因数是有功功率和视在功率的比值，即 （4-1）功率因数（Power Factor）的大小与电路的负荷性质有关， 如白炽灯泡、电阻炉等电阻负荷的功率因数为1，一般具有电感性负载的电路功率因数都小于1。功率因数是电力系统的一个重要的技术数据

55、。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 从而降低了设备的利用率，增加了线路供电损失。4.3三相负载不平衡三相负载不平衡是指在电力系统中三相电流（或电压）幅值不一致，且幅值差超过规定范围。三相负荷不平衡将增加变压器的损耗。变压器的损耗包括空载损耗和负荷损耗。正常情况下变压器运行电压基本不变，即空载损耗是一个恒量。而负荷损耗则随变压器运行负荷的变化而变化，且与负荷电流的平方成正比。当三相负荷不平衡运行时，变压器的负荷损耗可看成三只单相变压器的负荷损耗之和。三相负荷不平衡可能造成烧毁变压器的严重后果。在三相负荷不平衡运行下的变压器，必然会产生零

56、序电流，而变压器内部零序电流的存在，会在铁芯中产生零序磁通，这些零序磁通就会在变压器的油箱壁或其他金属构件中构成回路。但配电变压器设计时不考虑这些金属构件为导磁部件，则由此引起的磁滞和涡流损耗使这些部件发热，致使变压器局部金属件温度异常升高，严重时将导致变压器运行事故。三相负荷不平衡会增加高压线路的损耗，增加高压线路跳闸次数、降低开关设备使用寿命，我们知道高压线路过流故障占相当比例，其原因是电流过大。低压电网三相负荷不平衡可能引起高压某相电流过大，从而引起高压线路过流跳闸停电，引发大面积停电事故，同时变电站的开关设备频繁跳闸将降低使用寿命。三相负荷不平衡对供电企业的影响。供电企业直管到户，低压电网损耗大，将降低供电企业的经济效益，甚至造成供电企业亏损经营。农电工承包台区线损，线损高农电工奖金被扣发，甚至连工资也得不到，必然影响农电工情绪，轻则工作消极，重则为了得到钱违法犯罪。变压器烧毁、线路烧断、开关设备烧坏，一方面增大供电企业的供电成本，另一方面停电检修、购货更换造成长时间停电，少供电量，既降低供电企业的经济效益，又影响供电企业的声誉。三相负荷不平衡对用户的影响。三相负荷不平衡，一相或两相畸重，必将增大线路中的电压降，降低电能质量，影响用户的