諧波治理研究現(xiàn)狀

1、第一章緒論本章簡(jiǎn)述電能污染產(chǎn)生的原因，以及無(wú)功和諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害。并介紹了電能質(zhì)量治理常用的方法，以及本文所做的工作。1.1課題研究背景電壓質(zhì)量問題包括兩個(gè)方面：一方面是電壓幅值不符合電能質(zhì)量的要就，既電壓偏高或偏低，這主要是無(wú)功調(diào)節(jié)不力的原因，電網(wǎng)在小負(fù)荷水平下因無(wú)功過(guò)剩，導(dǎo)致電網(wǎng)電壓普遍上揚(yáng)，需斷開輸電距離長(zhǎng)又近視空載的運(yùn)行線路或安裝電抗器來(lái)抑制系統(tǒng)電壓的過(guò)分偏高；而當(dāng)負(fù)荷水平上升的時(shí)候，電網(wǎng)電壓就普遍偏低，相當(dāng)一部分站點(diǎn)電壓甚至?xí)诫妷旱脑试S的偏差范圍下，造成這種現(xiàn)象的主要原因是電網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償不足。為了改善電能質(zhì)量，降低電力網(wǎng)絡(luò)的損耗，就必須在低負(fù)荷時(shí)可以吸收一定的無(wú)功功率，在高負(fù)

2、荷時(shí)發(fā)出足夠的無(wú)功負(fù)荷。另一方面是三相電壓不平衡，這主要是由三相負(fù)荷分布不均引起的。電網(wǎng)中各種不平衡工業(yè)負(fù)荷尤其是用于鐵路系統(tǒng)的單相饋線等，都會(huì)導(dǎo)致電壓的不對(duì)稱，這樣會(huì)造成中性點(diǎn)位移和負(fù)荷斷點(diǎn)上難以預(yù)知的電壓，而過(guò)高的中性線電流導(dǎo)致目前變壓器普遍運(yùn)行在違反運(yùn)行規(guī)范的狀況下。有必要通過(guò)先進(jìn)的輸配電技術(shù)對(duì)負(fù)序進(jìn)行補(bǔ)償，以解決三相不平衡的問題。諧波是指電壓、電流波形發(fā)生畸變，這主要是負(fù)荷的非線性造成的，隨著電力電子裝置的廣泛使用以及空調(diào)、大型電動(dòng)機(jī)等電器的普及，電網(wǎng)中的諧波含量也不斷的上升，諧波污染對(duì)電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行構(gòu)成潛在的威脅，給周圍電氣環(huán)境帶來(lái)極大的影響，被公認(rèn)為電網(wǎng)的一大公害。在

3、20世紀(jì)20年代或30年代的德國(guó)，研究者由靜止變流器引起的波形畸變提出了電力系統(tǒng)諧波的概念。當(dāng)時(shí)最有影響的是RissikH.所著的TheMercuryArcCurrentConverter，另一篇有關(guān)靜止變流器產(chǎn)生諧波的經(jīng)典論文是ReadJ.C.在1945年發(fā)表的TheCalculationofRectifierandConverterPerformanceCharacteristics，至今還被研究者廣泛引用。50年代和60年代在高壓直流輸電方面推進(jìn)了變流器諧波的研究，在這一時(shí)期發(fā)表了大量的論文。KimbarkE.W.在其著作DirectCurrentTransmission中對(duì)此進(jìn)行了總結(jié)

4、，概述包括了電力系統(tǒng)諧波方面60篇以上的參考文獻(xiàn)。70年代以后，國(guó)際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)會(huì)議。從1984年開始，沒兩年召開一次的電力系統(tǒng)諧波國(guó)際會(huì)議(ICHPS)極大地推動(dòng)了諧波領(lǐng)域的研究和交流，不少國(guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波及用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，同時(shí)對(duì)諧波治理問題的研究也蓬勃發(fā)展起來(lái)。我國(guó)對(duì)諧波問題的研究起步于80年代，在90年代有了長(zhǎng)足的發(fā)展，與國(guó)外研究水平的差距正在不斷減小。諧波的污染與危害主要表現(xiàn)在對(duì)電力與信號(hào)的干擾和影響上，可概括為：1 .在電力危害方面：消耗電力系統(tǒng)的無(wú)功儲(chǔ)備；增加輸電線路損耗；增加了旋轉(zhuǎn)設(shè)備的負(fù)載諧波損耗，使其發(fā)熱，縮短使用壽命；諧

5、波諧振過(guò)電壓，造成電氣元件及設(shè)備的故障與損壞，運(yùn)行安全性下降；使電能測(cè)量產(chǎn)生較大誤差。2 .在信號(hào)干擾方面：對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，是電話和網(wǎng)絡(luò)通訊質(zhì)量下降；造成敏感的自動(dòng)化控制和保護(hù)裝置工作紊亂，誤動(dòng)作和拒動(dòng)現(xiàn)象增加，導(dǎo)致可靠性下降；影響功率處理器的正常運(yùn)行。導(dǎo)致電壓質(zhì)量和諧波問題日益嚴(yán)重的主要原因就是輸配電技術(shù)的落后，對(duì)無(wú)功、諧波和三相不平衡不能實(shí)施有效、靈活的控制，進(jìn)而不能改善電壓質(zhì)量、降低諧波含量，導(dǎo)致電網(wǎng)運(yùn)行環(huán)境日益惡劣。同時(shí)，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣發(fā)應(yīng)用，用電設(shè)備對(duì)電能質(zhì)量更加敏感。特別是通信系統(tǒng)、微機(jī)保護(hù)和計(jì)量及控制裝置對(duì)電網(wǎng)的干擾和異常更敏感，甚至幾十毫秒的

6、不正常就可引起制造系統(tǒng)的混亂，低劣的供電質(zhì)量將導(dǎo)致低劣的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，廣大用戶對(duì)電能質(zhì)量提出了比以往更為嚴(yán)格的要求。1.2諧波治理技術(shù)的現(xiàn)狀諧波問題的研究可以分為一下四個(gè)方面：與諧波有關(guān)的功率理論的研究；諧波標(biāo)準(zhǔn)的研究；諧波測(cè)量的分析；諧波治理。當(dāng)電網(wǎng)電壓或電流中含有諧波時(shí)，如何定義各種功率是一個(gè)至今尚未得到圓滿解決的問題，這是一個(gè)關(guān)系到電量計(jì)算、分析及控制的重要問題。如何使定義科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)，又能滿足各種工程和管理的需要，還有許多問題需要研究。傳統(tǒng)的平均功率理論在系統(tǒng)存在諧波時(shí)不能完全使用，容易造成諸如電能計(jì)量變差等問題。本文就針對(duì)有源電力濾波器APF而提出的瞬時(shí)無(wú)功功率理論，該理論是解決諧波相

7、關(guān)問題使用得最為廣泛的功率理論，當(dāng)然該理論也并不是非常完美，也存在一點(diǎn)的問題，本論文就提出了一種改進(jìn)的瞬時(shí)無(wú)功功率理論。由于諧波具有固有的非線性、隨機(jī)性、分布性、非穩(wěn)定性和影響因素的復(fù)雜性等特征，難以對(duì)諧波進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，為此許多學(xué)者對(duì)諧波分析問題進(jìn)行了廣泛研究。諧波分析算法中使用最為廣泛的是快速傅里葉變換方法及其改進(jìn)算法，當(dāng)然基于自適應(yīng)理論、基于小波變化和基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法今年來(lái)也受到了較大關(guān)注，但是在有源電力濾波器中應(yīng)用最為普遍的是基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論測(cè)量方法，該理論最大有點(diǎn)在于可以實(shí)時(shí)分離出各次諧波用于諧波分析。諧波治理的措施主要有三種：1 .受端治理，即從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提

8、高它們抗干擾能力。治理的措施主要有如下幾種：選擇合理的供電方式，將諧波源由較大的容量的供電點(diǎn)或由高一級(jí)電壓的電網(wǎng)供電，可以減小諧波對(duì)系統(tǒng)和其他用電設(shè)備的影響；避免電容器對(duì)諧波的放大。改變電容器的串聯(lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器。或限定電容器組的投入容量，可以有效地減小電容器對(duì)諧波的放大并保證電容器組的安全運(yùn)行；提高設(shè)備的抗干擾能力；改善諧波保護(hù)性能。2 .主動(dòng)治理，既從諧波源本身出發(fā)，是諧波源產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn)生的諧波。治理的方式有：增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)；改變諧波源的配置或工作方式；采用多重化技術(shù)，將多個(gè)變流器聯(lián)合起來(lái)使用，將多個(gè)方波疊加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正

9、弦波的階梯波，但裝置復(fù)雜，成本較高；諧波疊加技術(shù)和PWM技術(shù)也是很好的主動(dòng)治理方法。3 .被動(dòng)治理，既外加濾波器，阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端?，F(xiàn)在電能質(zhì)量治理主要是被動(dòng)治理。如：采用無(wú)功濾波器PF,在諧波附近或公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時(shí)還可以進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)也簡(jiǎn)單；在諧波源附近和公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)并聯(lián)型和串聯(lián)型電力有源濾波器APF,可以有效起到補(bǔ)償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型還可以進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，但裝置造價(jià)較高，補(bǔ)償容量較小，電壓等級(jí)偏低。而采用混合型有源電力濾波器，可以很好的兼顧PF成本低廉、電壓等級(jí)高、補(bǔ)償容量大和APF

10、性能優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，屬于APF的分支和發(fā)展。本問所論述的就是其許多種類的一種。1.3 諧波治理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)由于電力電子技術(shù)具有靈活、快速、高效等優(yōu)點(diǎn)，特別是今年來(lái)隨著電力電子技術(shù)和半導(dǎo)體集成技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件的性能不斷的提高，耐壓和功率等級(jí)迅速增大，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，使電力電子裝置用于柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）已經(jīng)成為了一種趨勢(shì)，下面就介紹幾種利用電力電子技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量控制的裝置。1.3.1 靜止無(wú)功補(bǔ)償器（SVC目前電力系統(tǒng)中應(yīng)用最多，最為成熟的FACTS設(shè)備就是靜止無(wú)功補(bǔ)償器（StaticVarcompensation,SVC。它通常由負(fù)荷并聯(lián)的電抗器和（或）電容

11、器組合而成，且其中歪歪有一個(gè)可調(diào)的?？烧{(diào)電抗器包括晶閘管控制的電抗器（TCR）或品閘管投切的電抗器（TSR）兩種形式。電容器則通常包括與諧波濾波器電路結(jié)合成一體的固定的電容器（FC）或機(jī)械投切的電容器（MSC）,或在需對(duì)電容進(jìn)行高速或非常頻繁投切時(shí)所采用的晶閘管的手段。以日本為例，截止2001年底，共生產(chǎn)了264臺(tái)容量高達(dá)9018Mva的并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償器，其中92%以上為基于晶閘管的SVC。全世界截止1999年已有總裝機(jī)容量超過(guò)50000Mvar的裝置投入運(yùn)行。1.3.2 靜止同步補(bǔ)償器(STATCOM)靜止同步補(bǔ)償器作為基于電壓源變流器的并聯(lián)補(bǔ)償裝置，具概念自20世紀(jì)80年代一經(jīng)提出立刻得到了

12、各大電器制造公司的廣泛關(guān)注，紛紛投入巨大的資金和人力進(jìn)行開發(fā)，但由于當(dāng)時(shí)電力電子技術(shù)發(fā)展的限制一直沒有正式的樣機(jī)投入運(yùn)行。20世紀(jì)90年代高壓大功率可關(guān)斷器件的迅速發(fā)展從硬件上為作為電力系統(tǒng)一次回路設(shè)備的大功率STATCOM的開發(fā)提供了可能，1992年日本三菱公司研制的世界第一臺(tái)土80Mvar的工業(yè)裝置于日本犬山投入商業(yè)運(yùn)行，開創(chuàng)了基于同步變流器裝置的FACTS技術(shù)的新紀(jì)元，隨后各大公司紛紛推出自己的產(chǎn)品。我國(guó)清華大學(xué)和河南省電力局合作研制的土20MvarSTATCOM也于1998年投入運(yùn)行。到目前為止，已有數(shù)十臺(tái)裝置投入到了商業(yè)運(yùn)行，是新一代FACTS裝置中最早，也是得到最廣泛應(yīng)用的同步補(bǔ)償

13、裝置。1.3.3 統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)統(tǒng)一潮流控制器(Unifiedpowerflowcontroller,UPFC)將一個(gè)由晶閘管換流器產(chǎn)生的交流電壓用入并疊加在輸電線相電壓上，使其幅值和相角皆可連續(xù)變化，從而實(shí)現(xiàn)線路有功和無(wú)功功率的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)，并可提高輸送能力和阻尼系統(tǒng)振蕩。美國(guó)西屋電氣公司研制出一種簡(jiǎn)化的UPFC稱為串聯(lián)潮流控制器(Serialpowerflowcontroller,SPFC),其基本結(jié)構(gòu)和SVC類似，區(qū)別是其輸出變壓器用聯(lián)接入輸電線。SPFC造價(jià)明顯低于UPFC,但功能可與之相比且優(yōu)于SVG。中國(guó)電力科學(xué)研究院、東南大學(xué)、清華大學(xué)等單位也進(jìn)行了理論研究和仿真實(shí)驗(yàn)，研

14、究結(jié)果表明：UPFC具有良好的效果和功能。1.3.4 有源電力濾波器(APF)有源電力濾波器(Activepowerfilter,APF)的交流電路分為電壓型和電流型。目前實(shí)用的裝置90%以上為電壓型。從與補(bǔ)償對(duì)象的連接方式來(lái)看，有源電力濾波器可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型。并聯(lián)型中有單獨(dú)投入電網(wǎng)使用、LC濾波器混合使用以及注入電路方式，目前并聯(lián)型占實(shí)用裝置的大多數(shù)。目前有源電力濾波器仍存在一些問題，如電流中有高次諧波、單臺(tái)容量低、成本較高等。隨著電力半導(dǎo)體器件向大容量、高頻化方向發(fā)展，這種既能無(wú)功補(bǔ)償又能諧波治理的裝置必然會(huì)有很好的發(fā)展前景。本論文就詳細(xì)地介紹了其中的一種。1.4 無(wú)功補(bǔ)償?shù)脑瓌t、目的

15、和負(fù)荷補(bǔ)償為了使無(wú)功補(bǔ)償投資能取得最佳的綜合效益，應(yīng)遵循這樣的原則：全面規(guī)劃、合理布局、分級(jí)補(bǔ)償、就地平衡。無(wú)功補(bǔ)償包括兩個(gè)方面：一是對(duì)輸配電系統(tǒng)，即線路補(bǔ)償；二是對(duì)負(fù)荷的補(bǔ)償。低壓電網(wǎng)負(fù)荷補(bǔ)償是電力系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償中重要的組成部分，它著重于在負(fù)荷端對(duì)電網(wǎng)中負(fù)荷消耗的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)于大負(fù)荷用電企業(yè)，按照無(wú)功補(bǔ)償?shù)姆N類又分為高壓集中補(bǔ)償，低壓集中補(bǔ)償和低壓就地補(bǔ)償。在補(bǔ)償容量相等的情況下，低壓就地補(bǔ)償減低線損最有效，其原因是這種方法就地補(bǔ)償了負(fù)荷的感性部分，使流經(jīng)線路和變壓器上的無(wú)功電流大大減小，顯然此種方法所取得的經(jīng)濟(jì)效益最佳。負(fù)荷補(bǔ)償?shù)哪康挠幸韵氯c(diǎn)：一是提高功率因數(shù)，減少損耗，盡量提高本單位的功率因數(shù)以求減少電費(fèi)支出（電能價(jià)格與功率因數(shù)有關(guān)）；二是改善電壓調(diào)節(jié)；三是負(fù)荷平衡。負(fù)荷補(bǔ)償是一個(gè)經(jīng)濟(jì)問題，因?yàn)樵谖覈?guó)，電價(jià)是同功率因數(shù)有關(guān)的。目前，我國(guó)有關(guān)電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)有：GB12325-90電能質(zhì)量供電電