電力系統(tǒng)諧波及其抑制技術(shù)畢業(yè)論文

1、編號(hào)畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào) 告設(shè)計(jì)題目：電力系統(tǒng)諧波分析及抑制技術(shù)的研究姓名羅衛(wèi)專業(yè)名稱電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化班級(jí) 09電自3班 指導(dǎo)老師姓名：（姓名）鐘庭劍 （單位）江西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院報(bào)告準(zhǔn)備日期2013年1月2013年5月提交日期：2013年5月答辯日期： 2013年5月答辯委員會(huì)主席：評(píng)閱人：2013年五月內(nèi)容摘要隨著電子技術(shù)的迅猛發(fā)展和電力電子裝備的廣泛應(yīng)用，人們對(duì)電能的使用及電能的質(zhì)量提出更高的要求。本文根據(jù)對(duì)龍海電網(wǎng)的簡(jiǎn)介了解電力系統(tǒng)諧波的危害，以及對(duì)鷹潭紙業(yè)電力電子裝置諧波治理進(jìn)行分析和總結(jié). 利用無源濾波器的基本原理、系統(tǒng)構(gòu)成和主電路形式的原理，以及各種類型無源電力濾波器的基本構(gòu)成和優(yōu)缺點(diǎn)。

2、指出了其相應(yīng)的諧波管理原則和綜合治理方法，并對(duì)實(shí)際諧波治理工作進(jìn)行總結(jié)。 關(guān)鍵詞：電力電子； 諧波； 危害 ； 諧波抑制目 錄1 引言11.1 緒論11.2 諧波的基本概念21.3 諧波的產(chǎn)生及其危害31.4 鷹潭市電網(wǎng)諧波情況82 諧波抑制技術(shù)122.1 降低諧波源的諧波含量122.2 無源濾波器132.3 有源濾波器162.4 防止并聯(lián)電容組對(duì)諧波的放大172.5 加裝靜止無功補(bǔ)償裝置193 鷹潭市紙業(yè)諧波抑制治理案例203.1基本情況203.2 諧波分析213.3諧波治理方案213.4 無源濾波器的設(shè)計(jì)223.5 設(shè)計(jì)參數(shù)值的計(jì)算及校驗(yàn)244 結(jié)論26參考文獻(xiàn)27致謝281.引言在電力系

3、統(tǒng)中采用電力電子裝置可靈活方便地變換電路形態(tài)，為用戶提供高效使用電能的手段。但是，電力電子裝置的廣泛應(yīng)用也使電網(wǎng)的諧波污染問題日趨嚴(yán)重，影響了供電質(zhì)量。目前諧波與電磁干擾、力系統(tǒng)功率因數(shù)降低已并列為電的三大公害。電力系統(tǒng)的波形畸變（諧波）給電網(wǎng)、電能用戶及其周邊電磁環(huán)境帶來了嚴(yán)重的危害。諧波已成為國內(nèi)外電力工作者和用戶普遍關(guān)注的問題。 隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力網(wǎng)中非線形負(fù)載的逐漸增加是全世界共同的趨勢(shì)，如變頻驅(qū)動(dòng)或晶閘管整流驅(qū)動(dòng)設(shè)備,計(jì)算機(jī)，重要負(fù)載所用的不間斷電源，節(jié)能熒光燈系統(tǒng)等 ,這些非線性負(fù)載將導(dǎo)致電網(wǎng)污染,電力品質(zhì)下降,引起供電設(shè)備故障,甚至引發(fā)嚴(yán)重火災(zāi)。因而了解諧波產(chǎn)生的機(jī)

4、理，研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對(duì)改善供電質(zhì)量和確保電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著非常積極的意義。1.1 緒論1.1.1 電能質(zhì)量電能既是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用、清潔、容易控制和轉(zhuǎn)換能源形態(tài)，又是電力部門向電力用戶提供發(fā)、供、用三方共同保證質(zhì)量的一種特殊產(chǎn)品。如今，電能作為走進(jìn)市場(chǎng)的商品，與其它商品一樣，無疑也應(yīng)講求質(zhì)量。電力系 統(tǒng)供電的電能質(zhì)量是電力工業(yè)產(chǎn)品的重要指標(biāo)，涉及發(fā)、供、用三方權(quán)益。優(yōu)良的電能 質(zhì)量保證電網(wǎng)和廣大用戶的電氣設(shè)備和用電設(shè)備安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行?，F(xiàn)代社會(huì)中，電能作 為一種廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度成為一個(gè)國家發(fā)展水平的主要標(biāo)志之一。隨著科學(xué)技術(shù)和國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，對(duì)電能的需求量日益增加

5、，同時(shí)對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高。 電能質(zhì)量問題的提出由來已久，衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)也是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而備 受關(guān)注陣l刪。在電力系統(tǒng)的發(fā)展早期，電力負(fù)荷的組成比較簡(jiǎn)單，主要由同步電動(dòng)機(jī)、 異步電動(dòng)機(jī)和各種照明設(shè)備等線性負(fù)荷組成，衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)主要有：頻率偏移和 電壓偏移兩種。20世紀(jì)80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性電力電子器件 和裝置在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，不少用戶對(duì)電能的利用都要經(jīng)過電力電子裝置的轉(zhuǎn) 換和控制，這些裝置給人們生產(chǎn)和生活帶來方便和效率的同時(shí)，使電力系統(tǒng)的非線性負(fù) 荷明顯增加.1.2 諧波的基本概念電力系統(tǒng)諧波的定義是對(duì)周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級(jí)數(shù)分解，除了

6、得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，這部分電量爾為諧波。電力系統(tǒng)中的正弦電流由電網(wǎng)從發(fā)電廠、輸配電線路和變壓器傳送，作用于非線性元件時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生不同于工頻的其它頻率的正弦電壓或電流，這些不同于工頻頻率的正弦電壓或電流，稱為電力諧波。電力系統(tǒng)中的非線性元件主要是換流和整流設(shè)備、變頻設(shè)備、中頻感應(yīng)爐、電弧爐、軋鋼機(jī)、電解槽和電解化工設(shè)備、大容量電弧焊機(jī)等負(fù)載。諧波實(shí)際上就是一種干擾盆，使電網(wǎng)受到“污染”。1.3諧波的產(chǎn)生及其危害諧波產(chǎn)生的原因諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載所致。當(dāng)電流流經(jīng)非線性負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，就形成非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波。其中諧

7、波源大多是非線性元件，工作波形為非正弦波，有的用電設(shè)備是切割正弦波進(jìn)行工作的，如可控硅整流設(shè)備等；有的是將直流電源變換成方波工作，如變頻器等。這些設(shè)備與電力系統(tǒng)發(fā)生關(guān)系時(shí)，都能使電力系統(tǒng)的基波產(chǎn)生畸變。而非線性阻抗設(shè)備常利用感抗渦流工作或利用容性電離做功，如中頻感應(yīng)爐、電弧爐等，這些用電設(shè)備在運(yùn)行時(shí)可使電流產(chǎn)生大幅度的浪涌、尖脈沖，造成電力系統(tǒng)的基波產(chǎn)生畸變，形成電能污染。以下以橋式全控整流電路為例介紹諧波的產(chǎn)生。 單相橋式整流電路 輸入波形圖單相橋式整流電路，當(dāng)在阻感負(fù)載且串聯(lián)電感L，且忽略換相過程和電流脈動(dòng)，在阻感負(fù)載且串聯(lián)電感L足夠大時(shí)電流i2的波形見下圖1-1圖1-1 i2波形圖其中：

8、 n=1，3，5由變壓器二次側(cè)電流諧波分析可知：電流中僅含奇次諧波。各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)?；娏饔行е禐椋?，i2的有效值I=Id，結(jié)合上式可得基波因數(shù)為：電流基波與電壓的相位差就等于控制角a，故位移因數(shù)為 EMBED Equation.3 所以，功率因數(shù)為： 三相橋式整流電路由變壓器二次側(cè)電流諧波分析可知：電流中含有奇次諧波。以a =30°為例，在阻感負(fù)載時(shí)，忽略換相過程和電流脈動(dòng)，且直流電感L為足夠大。此時(shí)，電流為正負(fù)半周各120°的方波，如下圖1-2所示，其有效值與直流電流的關(guān)系為： 圖1-2輸出波形圖帶阻感負(fù)載a =

9、30°時(shí)的波形由變壓器二次側(cè)電流諧波分析可知，電流基波和各次諧波有效值分別為：Ø 電流中僅含6k±1（k為正整數(shù)）次諧波。各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。基波因數(shù)：，位移因數(shù)仍為：功率因數(shù)為：通過非線性元件裝置的整流使得設(shè)備吸收的電流與施加的電壓波形不同，電流因而發(fā)生了畸變，因此產(chǎn)生了諧波。對(duì)于電力系統(tǒng)來說，電力諧波的危害主要表現(xiàn)以下幾個(gè)方面：1： 增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗，使設(shè)備的溫度過熱，降低設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍，高頻電流流過導(dǎo)體時(shí)，因集膚效應(yīng)的作用，使導(dǎo)體對(duì)諧波電流的有效

10、電阻增加，從而增加了設(shè)備的功率損耗、電能損耗，使導(dǎo)體的發(fā)熱嚴(yán)重。2：增加輸電線路的功耗。諧波電流使輸電線路的電能損耗增加。當(dāng)注入電網(wǎng)的諧波頻率位于在網(wǎng)絡(luò)諧振點(diǎn)附近的諧振區(qū)內(nèi)時(shí)，對(duì)輸電線路會(huì)造成絕緣擊穿。由于諧波次數(shù)高頻率上升，再加之電纜導(dǎo)體截面積越大集膚效應(yīng)越明顯，從而導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻增大，使得電纜允許通過的電流減小。3：對(duì)變壓器的危害。諧波會(huì)大大增加變壓器的銅損和鐵損，降低變壓器有效出力。特別是3次及倍數(shù)次諧波對(duì)三角形連接的變壓器，會(huì)在其繞組中形成環(huán)流，使繞組過熱；對(duì)全星形連接的變壓器，當(dāng)繞組中性點(diǎn)接地，而該側(cè)電網(wǎng)中分布較大或者裝有中性點(diǎn)接地的并聯(lián)電容器時(shí)，可形成3次諧波諧振，使變壓器附加

11、損耗增加。4：對(duì)電容器的危害。含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時(shí)，由于電容器對(duì)諧波阻抗很小，諧波電流疊加在電容器的基波上，使電容器電流變大，溫度升高，壽命縮短，引起電容器過負(fù)荷甚至爆炸，同時(shí)諧波還可能與電容器一起在電網(wǎng)中造成諧波諧振，使故障加劇。5：對(duì)用電設(shè)備的危害。電力諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，并使機(jī)內(nèi)元件溫度出現(xiàn)過熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤，嚴(yán)重甚至損害機(jī)器。和變壓器中的道理一樣，諧波畸變會(huì)加大電動(dòng)機(jī)中的損耗。使電動(dòng)機(jī)的力矩下降，造成電機(jī)的振動(dòng)而降低電機(jī)壽命。6：影響電網(wǎng)的質(zhì)量。電力系統(tǒng)中的諧波使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費(fèi)電網(wǎng)的容量。1.4 鷹潭市

12、電網(wǎng)諧波源情況鷹潭市電網(wǎng)諧波源的分布鷹潭市屬于地級(jí)市。由于近年來工業(yè)發(fā)展迅猛，主要集中在加工、造紙、冶煉行業(yè)，遍布分散的中小諧波源用戶較多，多數(shù)不采取任何治理措施直接接入電網(wǎng)，使得我市成為諧波污染較嚴(yán)重的地區(qū). 諧波源主要集中在貴溪市及開發(fā)區(qū)、工業(yè)園區(qū)。 鷹潭市電網(wǎng)諧波污染情況諧波污染的主要計(jì)算方法。1993年頻發(fā)的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549-1993電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波中規(guī)定，諧波含量（電壓或電流）是指從周期性交流量中減去基波分量后所得的量。諧波含有率是指周期性交流量中含有的第h次諧波分量的方均根值與基波分量的方均根值之比（用百分?jǐn)?shù)表示），總諧波畸變率是指周期性交流量中的諧波含量的方均根值

13、與基波分量的方均根值之比（用百分?jǐn)?shù)表示）。諧波電壓含量UH：U = 諧波電流含量IH：I = 電壓總諧波畸變率THDU： = x100% 電流總諧波畸變率THDi： = x100% 110kV變電所、35kV變電所的10kV母線電壓各次諧波含有率、電壓總諧波畸變率不應(yīng)超過公用電網(wǎng)諧波電壓（相電壓）限值，公共連接點(diǎn)的全部用戶向該點(diǎn)注入的諧波電流分量（方均根值）不應(yīng)超過規(guī)定的允許值。鷹潭市電網(wǎng)有110kV變電站7座，35kV變電站3座。經(jīng)過對(duì)全市110kV變電所、35kV變電所的10kV母線進(jìn)行諧波測(cè)試，10kV母線電壓總諧波畸變率均超標(biāo)。1：諧波對(duì)并聯(lián)電容器的影響是最顯著的。一方面由于電容器阻抗

14、和頻率成反比的特性，諧波的存在會(huì)造成電容器電流值的急劇增大，引起電容開關(guān)、熔絲等保護(hù)裝置經(jīng)常動(dòng)作，根本無法正常運(yùn)行。另一方面，由于電容器獨(dú)特的容性阻抗特性，容易和電網(wǎng)中大部分都是感性阻抗的電氣設(shè)備配合而構(gòu)成諧振和諧波電流（諧波電壓）成倍地放大，導(dǎo)致電容器壽命的明顯縮短及系統(tǒng)、電容支路諧波在原有基礎(chǔ)上的放大。若構(gòu)成并聯(lián)諧振，嚴(yán)重的諧波過電壓及過電流將導(dǎo)致電氣設(shè)備的損壞，危及系統(tǒng)安全。2：諧波對(duì)電力變壓器的影響。變壓器本身既是諧波源，又是傳送其他諧波源所產(chǎn)生諧波的中間環(huán)節(jié)，諧波電流的渦流損耗會(huì)引起變壓器的附加損耗和附加發(fā)熱，諧波電壓引起的附加損耗（鐵心的諧頻磁滯損耗和渦流損耗），會(huì)影響絕緣的局部放

15、電和介損增大，受到較大的諧波電流或電壓時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)p壞（其中包括諧波過電壓使絕緣擊穿），諧波還會(huì)使變壓器噪聲增大。3：諧波對(duì)電力電纜的影響。由于電纜的分布電容可使諧波放大，因此諧波對(duì)電纜有較大的影響，會(huì)造成介損和溫升的增大，使電纜的絕緣水平下降及損壞率增高。4：諧波對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響。諧波的嚴(yán)重超標(biāo)容易引起繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)和拒動(dòng)，使微機(jī)保護(hù)動(dòng)作頻繁。5：諧波對(duì)網(wǎng)損的影響。諧波功率和諧波電能是有害無益的，諧波在電力系統(tǒng)和用戶電氣設(shè)備上都要造成附加損耗，諧波功率本身可以說完全是損耗，從而造成網(wǎng)損的增大。2.諧波抑制技術(shù)在電力系統(tǒng)中對(duì)諧波的抑制就是如何減少或消除注入系統(tǒng)的諧波電流，以便把諧

16、波電壓控制在限定值之內(nèi)，抑制諧波電流主要有三方面的措施：2.1 降低諧波源的諧波含量也就是在諧波源上采取措施，最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這種方法比較積極，能夠提高電網(wǎng)質(zhì)量，可大大節(jié)省因消除諧波影響而支出的費(fèi)用。具體方法有：增加整流器的脈動(dòng)數(shù)整流器是電網(wǎng)中的主要諧波源，其特征頻譜為：nKp±1，則可知脈沖數(shù)p增加，n也相應(yīng)增大，而InI1n，故諧波電流將減少。因此，增加整流脈動(dòng)數(shù)，可平滑波形，減少諧波。如：整流相數(shù)為6相時(shí)，5次諧波電流為基波電流的185，7次諧波電流為基波電流的12，如果將整流相數(shù)增加到12相，則5次諧波電流可下降到基波電流的45，7次諧波電流下降到基波電流的3。脈寬

17、調(diào)制法采用PWM，在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達(dá)到抑制諧波的目的。在PWM逆變器中，輸出波形是周期性的，且每半波和14波都是對(duì)稱的，幅值為±1，令第一個(gè)14周期中開關(guān)角為i（i1，2，3m），且012m2。假定00，m12，在（0，）內(nèi)開關(guān)角0，1，2，m，m，2，1。PWM波形按傅里葉級(jí)數(shù)展開，由式可知，若要消除n次諧波，只需令bn0，得到的解即為消除n次諧波的開關(guān)角值。三相整流變壓器采用Yd（Y）或D、Y（Y）的接線這種接線可消除3的倍數(shù)次的高次諧波，這是抑制高次諧波的最基本的方法2.2無源濾波器無源濾波器，又稱LC濾波器，由電容器、電

18、抗器，有時(shí)還包括電阻器等無源元件組成，以對(duì)某次諧波或其以上次諧波形成低阻抗通路，以達(dá)到抑制高次諧波的作用。 無源濾波器工作原理圖無源濾波器安裝在電力電子設(shè)備的交流側(cè)，由L、C、R元件構(gòu)成諧振回路，其工作原理是：當(dāng)LC回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。無源濾波器可分為單調(diào)諧濾波器和高通濾波器及雙諧濾波器等,原理上兩者完全相同,均為LC串聯(lián)諧振回路。 無源濾波器 單調(diào)濾波器及阻抗頻率特性其原理為：令得 =又因?yàn)?EMBED Equation.3 推出為角頻率，下標(biāo)fn表示第n次單調(diào)諧濾波器，n為諧波次數(shù)，當(dāng)諧波頻率與諧振頻率相同時(shí)，濾波器對(duì)該頻率的諧波阻抗最小，

19、因此可以將該次諧波短路過濾。圖2-1高通濾波器高通濾波器有一階減幅型（圖2-1 a）、二階減幅型（圖2-1 b）、三階減幅型（圖2-1 c）和C型（圖2-1 d）四種。這四種高通濾波器的對(duì)比：1) 一階高通濾波器由于基波損耗太大，需要的電容也很大，一般不采用。2) 二階高通濾波器的濾波性能最好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工程應(yīng)用較多，但相對(duì)于三階高通濾波器而言其基波損耗較大。3) 三角高通濾波器對(duì)基波的阻抗較大，基波的損耗很小，但濾波性能不夠好，實(shí)際應(yīng)用較少。4) C型高通濾波器的性能介于二階與三階之間，存在基波串聯(lián)諧振支路，可大大減小基波損耗，有一定的應(yīng)用價(jià)值，但它是通過犧牲較大的投資來換取較小的基波損耗，

20、而且它對(duì)基波頻率偏差及元件參數(shù)變化比較敏感。二階高通濾波器對(duì)n次諧波的阻抗為： 二階高通濾波器阻抗頻率特性 雙調(diào)諧濾波器及阻抗頻率特性如圖2-5所示為雙調(diào)諧濾波器的原理圖，它有兩個(gè)諧振頻率，能同時(shí) 吸收這兩個(gè)頻率的諧波，其作用等效于兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器。雙調(diào)諧濾波器的阻抗特性可以看作由上段、串聯(lián)阻抗和下段、與、并聯(lián)阻抗串聯(lián)相加組成，濾波器阻抗： 采用雙調(diào)諧濾波器代替兩個(gè)單調(diào)諧濾波器，可以減少基波的損耗，降低L2上的沖擊電壓。雙調(diào)諧濾波器正常運(yùn)行時(shí)，由于并聯(lián)支路的基波阻抗比串聯(lián)支路的基波阻抗小得多，因此并聯(lián)支路所承受的基波電壓遠(yuǎn)小于串聯(lián)支路所承受的基波電壓。由于雙調(diào)諧濾波器比兩個(gè)單調(diào)諧濾波器成

21、本低，近年來在一些高壓電流輸電工程中得到了應(yīng)用。由于具無源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補(bǔ)償?shù)闹饕侄巍５珶o源濾波器存在著許多缺點(diǎn)，如濾波易受系統(tǒng)參數(shù)的影響；對(duì)某些次諧波有放大的可能；耗費(fèi)多、體積大等。因而隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器。2.3有源濾波器即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補(bǔ)償各次諧波，可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)；在性價(jià)比上

22、較為合理；濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。目前在國外高低壓有源濾波技術(shù)已應(yīng)用到實(shí)踐，而我國還僅應(yīng)用到低壓有源濾波技術(shù)。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術(shù)作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用范圍也將從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展。 有源諧波調(diào)節(jié)器的基本工作原理如下圖 有源諧波調(diào)節(jié)器的基本工作原理有源諧波調(diào)節(jié)器工作原理框圖如下圖有源諧波調(diào)節(jié)器工作原理框圖指令電流檢測(cè)電路從負(fù)載電流中分離出諧波電流分量和基波無功電流，然后將其反極性作用后發(fā)生補(bǔ)償電流的指令信號(hào)。電流跟蹤控制電路的功能是根據(jù)主電路產(chǎn)生的補(bǔ)償電

23、流，計(jì)算出主電路各開關(guān)器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路后作用于主電路。這樣電源電流中只含有基波的有功分量，從而達(dá)到消除諧波與進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)哪康摹８鶕?jù)同樣的原理，電力有源濾波器還能對(duì)不對(duì)稱三相電路的負(fù)序電流分量進(jìn)行補(bǔ)償。電力有源濾波器的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成。根據(jù)逆變器直流側(cè)儲(chǔ)能元件的不同，可分為電壓型APF(儲(chǔ)能元件為電容)和電流型APF(儲(chǔ)能元件為電感)。電壓型APF在工作時(shí)需對(duì)直流側(cè)電容電壓控制，使直流側(cè)電壓維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電壓波。而電流型APF在工作時(shí)需對(duì)直流側(cè)電感電流進(jìn)行控制，使直流側(cè)電流維持不變，因而逆變器交流側(cè)輸出為PWM電流波。電壓型APF的優(yōu)點(diǎn)是損耗

24、較少，效率高，是目前國內(nèi)外絕大多數(shù)APF采用的主電路結(jié)構(gòu)。電流型APF由于電流側(cè)電感上始終有電流流過，該電流在電感內(nèi)阻上將產(chǎn)生較大損耗，所以目前較少采用。但是電流型APF由于開關(guān)器件不會(huì)發(fā)生直通短路現(xiàn)象，隨著超導(dǎo)儲(chǔ)能磁體研究的進(jìn)展，也將促進(jìn)多功能電流型APF投入實(shí)用。2.4防止并聯(lián)電容器組對(duì)諧波的放大在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。在工頻頻率的情況下，這些電容器的容抗比系統(tǒng)的感抗大得多，不會(huì)產(chǎn)生諧振。當(dāng)諧波存在時(shí)，在一定的參數(shù)下電容器組會(huì)對(duì)諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全。STC等值電路圖InIcnXcnISnXsnRsn系統(tǒng)化簡(jiǎn)圖在未加Xc前，略去電阻，

25、諧波源In母線處的諧波電壓為：；并聯(lián)了補(bǔ)償電容器后，則諧波源的輸入諧波電抗為：此時(shí)諧波電壓： 注入系統(tǒng)的諧波電流：又因?yàn)閁´n> Un,所以Isn>In, 即并聯(lián)電容器使系統(tǒng)的諧波被放大了。如果對(duì)應(yīng)某次諧波有Xsn-Xcn=0,即發(fā)生諧波，則其諧波電流、電壓都趨于無窮大。為了擺脫這一諧振點(diǎn)，通常在電容器支路串接電抗器，其感抗值的選擇應(yīng)使在可能產(chǎn)生的任何諧波下，均使電容器回路的總電抗為感抗而不是容抗，從根本上消除了產(chǎn)生諧波的可能性，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對(duì)諧波的放大。2.5加裝靜止無功補(bǔ)償裝置快速變化的諧波源，如：電弧爐

26、、電力機(jī)車和卷揚(yáng)機(jī)等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會(huì)引起供電電壓的波動(dòng)和閃變，有的還會(huì)造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。靜止無功補(bǔ)償器是一種沒有旋轉(zhuǎn)部件，利用可控硅等電子開關(guān)投切電容，快速、平滑可控的動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償裝置。它是將可控的電抗器和電力電容器（固定或分組投切）并聯(lián)使用。電容器可發(fā)出無功功率（容性的），可控電抗器可吸收無功功率（感性的）。通過對(duì)電抗器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使整個(gè)裝置平滑地從發(fā)出無功功率改變到吸收無功功率（或反向進(jìn)行），并且響應(yīng)快速。在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置，可有效減小波動(dòng)的諧波量，同時(shí)，可以抑制電壓波動(dòng)、電壓閃變、三相不平衡，還可補(bǔ)償功率因數(shù)。它的缺點(diǎn)是本

27、身產(chǎn)生諧波，若不采取措施將污染電力系統(tǒng)，一般有配套的電力濾波器。為了實(shí)現(xiàn)雙向連續(xù)調(diào)節(jié)，克服并聯(lián)電容調(diào)節(jié)效應(yīng)的弱點(diǎn)，要求增大補(bǔ)償容量。3.鷹潭造紙廠諧波抑制治理案例3.1基本情況鷹潭造紙廠由一臺(tái)型號(hào)為S11-2000/35-0.4 容量：2000kVA 阻抗：6.135%的變壓器供電。負(fù)荷包括制漿動(dòng)力約為45%(529.3 kVA)，造紙動(dòng)力約為40%（457.8 kVA），鍋爐動(dòng)力約為10%（112.3 kVA），及其他5%，共1120 kVA，系統(tǒng)的短路阻抗為25%。動(dòng)力裝置大都采用變頻裝置。造紙，頻繁投切乃至損壞，給廠方造成了一定損失。由于造紙廠三班工作制，負(fù)荷變化情況比較平穩(wěn)；所以可以使

28、用短時(shí)間的測(cè)量數(shù)據(jù)來估計(jì)長期的負(fù)荷諧波情況。對(duì)總線、電容柜、#1動(dòng)力柜、#2動(dòng)力柜和#3動(dòng)力柜進(jìn)行了連續(xù)半小時(shí)的監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)電壓為低壓側(cè)母線和地線間的A、B和C相的三相相電壓，監(jiān)測(cè)電流為原測(cè)量回路的電流互感器的A、B和C相三相相電流。同時(shí)監(jiān)視和記錄三相電壓和電流，采樣頻率采用4800Hz，每間隔一分鐘對(duì)三相電壓和三相電流采樣一次，每次采樣時(shí)長為0.25s。 采集到的數(shù)據(jù)如下：1 母線諧波次數(shù)3571113Uh（%）2.023.771.630.480.14Ih（%）3.0221.443.612.870.61總的諧波畸變率THDU =4.7%，THDI =22.3% 諧波電流與基波電流的有效值諧波次

29、數(shù)3571113Ih/A37.72267.8145.2135.857.58GB/A1861861328472總線的電壓波形良好，電流畸變嚴(yán)重，其中以5次諧波電流為主。2 無功補(bǔ)償裝置電容柜電流的諧波水平諧波次數(shù)3571113Uh（%）0.3520.4711.335.21.51Ih（%）1.0762.8434.7815.964.62電容柜的電壓情況與總線相同，總的諧波畸變率，THDU =4.9%，THDI =24.3%電容柜的電流畸變十分嚴(yán)重，5次和7次最為嚴(yán)重。大量的高次諧波是造成無功補(bǔ)償裝置（電容柜）異常的主要原因。由于4組電容柜為每2組并聯(lián)控制，所以所測(cè)的電容電流為實(shí)際電容電流的一半。3

30、負(fù)荷造紙負(fù)荷主要是各種動(dòng)力裝置，如制漿動(dòng)力，造紙動(dòng)力，鍋爐動(dòng)力等，總?cè)萘空嫉饺珡S的81%。諧波次數(shù)13571113車間1 Ih/A156.493.4730.126.1912.465.63車間2 Ih/A93.791.6212.3113.435.632.74車間3 Ih/A360.93.7324.557.763.960.873.2諧波分析該廠由于設(shè)備改造后投入新設(shè)備大量的采用了變頻裝置，產(chǎn)生了大量的諧波，在母線上測(cè)得的數(shù)據(jù)反應(yīng)出諧波主要以5次諧波為主，而在無功補(bǔ)償裝置上出現(xiàn)的5次、7次諧波超標(biāo)，主要是由于并聯(lián)電容器組對(duì)諧波進(jìn)行了放大，造成電容柜的電流畸變十分嚴(yán)重。因此對(duì)于該廠諧波治理主要以治理母

31、線上5次諧波為主。3.3諧波治理方案電容器組的投入放大了5次、7次諧波，因此從理論上講可以在電容器組中串聯(lián)電抗器增加感抗來減小電容器組對(duì)諧波分量的放大，從而抑制諧波，但從實(shí)際出發(fā)，增加感抗來濾波，濾波的能力弱，而且不能直接在原來的無功補(bǔ)償裝置上串聯(lián)電抗器，因?yàn)檫@樣可能會(huì)使電容器過流和過壓，要通過計(jì)算重新設(shè)計(jì)改造、重新分配電容器組。根據(jù)廠方的實(shí)際情況，從較少投入，獲得最大收益角度來設(shè)計(jì)，決定在母線上加裝一組單調(diào)濾波器器來抑制諧波的污染。3.4無源濾波器的設(shè)計(jì)單調(diào)濾波支路參數(shù)計(jì)算主要包括確定C、L、R的大小，額定電流，額定電壓等部分。1根據(jù)系統(tǒng)諧波電流情況確定單調(diào)諧支路的諧振頻率f；2根據(jù)諧波電流

32、的大小計(jì)算所需電容器C的容量，計(jì)算公式為其中為電容器容量，為相電壓有效值，為該次電流諧波有效值。若繼續(xù)考慮無功補(bǔ)償要求，可以按平均分配的原則增大，滿足系統(tǒng)的無功補(bǔ)償需要；3根據(jù)計(jì)算出所需電容C的大小，計(jì)算公式為其中為系統(tǒng)的基波角速度，為電容器的額定電壓；4根據(jù)C和支路諧振頻率計(jì)算電感L的大小，計(jì)算公式為其中n為諧波電流次數(shù)，為了增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，計(jì)算時(shí)基波頻率取49.7Hz；5根據(jù)濾波效果選取濾波支路品質(zhì)印數(shù)Q，一般Q選取范圍是3060，假設(shè)電抗器電阻為，則需要加的電阻器R的大小為考慮到散熱以及成本問題，在濾波效果滿足要求的情況下，可以不加電阻器；6得到濾波器參數(shù)C、L、R之后，計(jì)算出率特性，根

33、據(jù)圖4所示模型計(jì)算流入電網(wǎng)的諧波電流XdnXsnIsnILnIs諧波源負(fù)載模型圖中諧波源等效為一個(gè)電流源并聯(lián)其內(nèi)阻，即負(fù)載電抗的形式。流入濾波裝置電抗Z的諧波電流為，流入電網(wǎng)電抗的諧波電流為，其中等效電抗流入電網(wǎng)的諧波電流為若流入電網(wǎng)的諧波電流滿足國家標(biāo)準(zhǔn)，則進(jìn)行下一步的校核，若不滿足要求，則降低R的大小，并對(duì)C、L參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，進(jìn)一步減少流入電網(wǎng)的諧波電流；7計(jì)算濾波器正常失諧情況下，濾波性能是否能夠達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，若不能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)一步調(diào)整C、L、R參數(shù)；8計(jì)算電網(wǎng)阻抗和濾波支路的等效并聯(lián)阻抗，檢驗(yàn)是否在特征頻率下發(fā)生并聯(lián)諧振，若發(fā)生并聯(lián)諧振則需要進(jìn)一步微調(diào)C、L、R參數(shù)；9當(dāng)C、L、R參數(shù)滿

34、足上述所有要求的情況下，進(jìn)一步校核各器件的額定電流以及額定電壓，使得電容器的額定電流電壓容量滿足其中U，I，Q依次為電壓，電流，容量，下標(biāo)C1，Ch，CN依次為基波、諧波和額定值。3.5設(shè)計(jì)參數(shù)值的計(jì)算及校驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)值的計(jì)算：變壓器額定容量為2000KVA，短路阻抗為6.135%，所以變壓器的短路容量為 Sd = 2000/6.135%=32.6MVA負(fù)荷容量為1.12MVA，若系統(tǒng)的短路阻抗為25%，所以負(fù)荷的短路容量為Sd1= 1.12/25%=4.48MVA高壓側(cè)短路容量估計(jì)為100MVA，所以總線的兩端短路容量約為30MVA。5次電流含有量為21.44%，5次電流為267.81A，所以基波電流有效值為I1=I5/ U5（%）=267.81/21.44%1250A如果不考慮補(bǔ)償電容的影響，5次諧波電流約為250A設(shè)定此濾波器濾掉70%的諧波電流，Ih5取250A即250×70%=175A。設(shè)定諧振頻率在諧振頻率在247Hz。所以諧波電流有效值，相電壓有效值取220V=1265*220=278300VA所以設(shè)計(jì)單相補(bǔ)償320kvar(由無功補(bǔ)償裝置生產(chǎn)廠家提供的型號(hào)選擇)，三相共補(bǔ)償960kvar，電容器組額定電壓取300V單相電容總量應(yīng)為 =0.011392 F根據(jù)濾波器原理可得電抗