諧波治理研究現(xiàn)狀

1、第一章緒論本章簡述電能污染產(chǎn)生的原因，以及無功和諧波對電力系統(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，這主要是無功調(diào)節(jié)不力的原因，電網(wǎng)在小負荷水平下因無功過剩，導致電網(wǎng)電壓普遍上揚，需斷開輸電距離長又近視空載的運行線路或安裝電抗器來抑制系統(tǒng)電壓的過分偏高；而當負荷水平上升的時候，電網(wǎng)電壓就普遍偏低，相當一部分站點電壓甚至會超越電壓的允許的偏差范圍下，造成這種現(xiàn)象的主要原因是電網(wǎng)的無功補償不足。為了改善電能質(zhì)量，降低電力網(wǎng)絡的損耗，就必須在低負荷時可以吸收一定的無功功率，在高負

2、荷時發(fā)出足夠的無功負荷。另一方面是三相電壓不平衡，這主要是由三相負荷分布不均引起的。電網(wǎng)中各種不平衡工業(yè)負荷尤其是用于鐵路系統(tǒng)的單相饋線等，都會導致電壓的不對稱，這樣會造成中性點位移和負荷斷點上難以預知的電壓，而過高的中性線電流導致目前變壓器普遍運行在違反運行規(guī)范的狀況下。有必要通過先進的輸配電技術對負序進行補償，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)、大型電動機等電器的普及，電網(wǎng)中的諧波含量也不斷的上升，諧波污染對電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行構(gòu)成潛在的威脅，給周圍電氣環(huán)境帶來極大的影響，被公認為電網(wǎng)的一大公害。在

3、20世紀20年代或30年代的德國，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。當時最有影響的是RissikH.所著的TheMercuryArcCurrentConverter，另一篇有關靜止變流器產(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了變流器諧波的研究，在這一時期發(fā)表了大量的論文。KimbarkE.W.在其著作DirectCurrentTransmission中對此進行了總結(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。70年代以后，國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議。從1984年開始，沒兩年召開一次的電力系統(tǒng)諧波國際會議(ICHPS)極大地推動了諧波領域的研究和交流，不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波及用電設備諧波的標準和規(guī)定，同時對諧波治理問題的研究也蓬勃發(fā)展起來。我國對諧波問題的研究起步于80年代，在90年代有了長足的發(fā)展，與國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)在對電力與信號的干擾和影響上，可概括為：1 .在電力危害方面：消耗電力系統(tǒng)的無功儲備；增加輸電線路損耗；增加了旋轉(zhuǎn)設備的負載諧波損耗，使其發(fā)熱，縮短使用壽命；諧

5、波諧振過電壓，造成電氣元件及設備的故障與損壞，運行安全性下降；使電能測量產(chǎn)生較大誤差。2 .在信號干擾方面：對通信系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾，是電話和網(wǎng)絡通訊質(zhì)量下降；造成敏感的自動化控制和保護裝置工作紊亂，誤動作和拒動現(xiàn)象增加，導致可靠性下降；影響功率處理器的正常運行。導致電壓質(zhì)量和諧波問題日益嚴重的主要原因就是輸配電技術的落后，對無功、諧波和三相不平衡不能實施有效、靈活的控制，進而不能改善電壓質(zhì)量、降低諧波含量，導致電網(wǎng)運行環(huán)境日益惡劣。同時，隨著現(xiàn)代工業(yè)技術的不斷發(fā)展和計算機技術的廣發(fā)應用，用電設備對電能質(zhì)量更加敏感。特別是通信系統(tǒng)、微機保護和計量及控制裝置對電網(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)量將導致低劣的產(chǎn)品質(zhì)量。因此，廣大用戶對電能質(zhì)量提出了比以往更為嚴格的要求。1.2諧波治理技術的現(xiàn)狀諧波問題的研究可以分為一下四個方面：與諧波有關的功率理論的研究；諧波標準的研究；諧波測量的分析；諧波治理。當電網(wǎng)電壓或電流中含有諧波時，如何定義各種功率是一個至今尚未得到圓滿解決的問題，這是一個關系到電量計算、分析及控制的重要問題。如何使定義科學嚴謹，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)存在諧波時不能完全使用，容易造成諸如電能計量變差等問題。本文就針對有源電力濾波器APF而提出的瞬時無功功率理論，該理論是解決諧波相

7、關問題使用得最為廣泛的功率理論，當然該理論也并不是非常完美，也存在一點的問題，本論文就提出了一種改進的瞬時無功功率理論。由于諧波具有固有的非線性、隨機性、分布性、非穩(wěn)定性和影響因素的復雜性等特征，難以對諧波進行準確測量，為此許多學者對諧波分析問題進行了廣泛研究。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算法，當然基于自適應理論、基于小波變化和基于神經(jīng)網(wǎng)絡的方法今年來也受到了較大關注，但是在有源電力濾波器中應用最為普遍的是基于瞬時無功功率理論測量方法，該理論最大有點在于可以實時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或由高一級電壓的電網(wǎng)供電，可以減小諧波對系統(tǒng)和其他用電設備的影響；避免電容器對諧波的放大。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?；蛳薅娙萜鹘M的投入容量，可以有效地減小電容器對諧波的放大并保證電容器組的安全運行；提高設備的抗干擾能力；改善諧波保護性能。2 .主動治理，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，將多個變流器聯(lián)合起來使用，將多個方波疊加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正

9、弦波的階梯波，但裝置復雜，成本較高；諧波疊加技術和PWM技術也是很好的主動治理方法。3 .被動治理，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)的諧波流入負載端。現(xiàn)在電能質(zhì)量治理主要是被動治理。如：采用無功濾波器PF,在諧波附近或公用電網(wǎng)節(jié)點裝設單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時還可以進行無功補償，運行維護也簡單；在諧波源附近和公用電網(wǎng)節(jié)點裝設并聯(lián)型和串聯(lián)型電力有源濾波器APF,可以有效起到補償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型還可以進行無功功率補償，但裝置造價較高，補償容量較小，電壓等級偏低。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、電壓等級高、補償容量大和APF

10、性能優(yōu)越的優(yōu)點，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 諧波治理技術的發(fā)展趨勢由于電力電子技術具有靈活、快速、高效等優(yōu)點，特別是今年來隨著電力電子技術和半導體集成技術的發(fā)展，電力電子器件的性能不斷的提高，耐壓和功率等級迅速增大，加上計算機技術和控制技術的發(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，下面就介紹幾種利用電力電子技術來實現(xiàn)電能質(zhì)量控制的裝置。1.3.1 靜止無功補償器（SVC目前電力系統(tǒng)中應用最多，最為成熟的FACTS設備就是靜止無功補償器（StaticVarcompensation,SVC。它通常由負荷并聯(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）或機械投切的電容器（MSC）,或在需對電容進行高速或非常頻繁投切時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臺容量高達9018Mva的并聯(lián)無功補償器，其中92%以上為基于晶閘管的SVC。全世界截止1999年已有總裝機容量超過50000Mvar的裝置投入運行。1.3.2 靜止同步補償器(STATCOM)靜止同步補償器作為基于電壓源變流器的并聯(lián)補償裝置，具概念自20世紀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注，紛紛投入巨大的資金和人力進行開發(fā)，但由于當時電力電子技術發(fā)展的限制一直沒有正式的樣機投入運行。20世紀90年代高壓大功率可關斷器件的迅速發(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土80Mvar的工業(yè)裝置于日本犬山投入商業(yè)運行，開創(chuàng)了基于同步變流器裝置的FACTS技術的新紀元，隨后各大公司紛紛推出自己的產(chǎn)品。我國清華大學和河南省電力局合作研制的土20MvarSTATCOM也于1998年投入運行。到目前為止，已有數(shù)十臺裝置投入到了商業(yè)運行，是新一代FACTS裝置中最早，也是得到最廣泛應用的同步補償

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，從而實現(xiàn)線路有功和無功功率的準確調(diào)節(jié)，并可提高輸送能力和阻尼系統(tǒng)振蕩。美國西屋電氣公司研制出一種簡化的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造價明顯低于UPFC,但功能可與之相比且優(yōu)于SVG。中國電力科學研究院、東南大學、清華大學等單位也進行了理論研究和仿真實驗，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。目前實用的裝置90%以上為電壓型。從與補償對象的連接方式來看，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、單臺容量低、成本較高等。隨著電力半導體器件向大容量、高頻化方向發(fā)展，這種既能無功補償又能諧波治理的裝置必然會有很好的發(fā)展前景。本論文就詳細地介紹了其中的一種。1.4 無功補償?shù)脑瓌t、目的

15、和負荷補償為了使無功補償投資能取得最佳的綜合效益，應遵循這樣的原則：全面規(guī)劃、合理布局、分級補償、就地平衡。無功補償包括兩個方面：一是對輸配電系統(tǒng)，即線路補償；二是對負荷的補償。低壓電網(wǎng)負荷補償是電力系統(tǒng)無功補償中重要的組成部分，它著重于在負荷端對電網(wǎng)中負荷消耗的無功功率進行補償。對于大負荷用電企業(yè)，按照無功補償?shù)姆N類又分為高壓集中補償，低壓集中補償和低壓就地補償。在補償容量相等的情況下，低壓就地補償減低線損最有效，其原因是這種方法就地補償了負荷的感性部分，使流經(jīng)線路和變壓器上的無功電流大大減小，顯然此種方法所取得的經(jīng)濟效益最佳。負荷補償?shù)哪康挠幸韵氯c：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)以求減少電費支出（電能價格與功率因數(shù)有關）；二是改善電壓調(diào)節(jié)；三是負荷平衡。負荷補償是一個經(jīng)濟問題，因為在我國，電價是同功率因數(shù)有關的。目前，我國有關電能質(zhì)量標準有：GB12325-90電能質(zhì)量供電電