從無(wú)源到有源——電能質(zhì)量諧波與無(wú)功控制課件

1、從無(wú)源到有源電能質(zhì)量諧波與無(wú)功控制第1章 電能質(zhì)量定義和標(biāo)準(zhǔn)第2章 電能質(zhì)量中的可靠性問(wèn)題第3章 電能質(zhì)量中的電壓?jiǎn)栴}第4章 電能質(zhì)量中的諧波抑制第5章 電能質(zhì)量中的無(wú)功補(bǔ)償?shù)?章 電能質(zhì)量控制中的電力電子技術(shù)第1章 電能質(zhì)量定義和標(biāo)準(zhǔn)1.1 電能質(zhì)量定義和內(nèi)容1.2 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1.3 電力電子技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量的影響1.4 本書(shū)的組織1.1 電能質(zhì)量定義和內(nèi)容狹義的定義1)電力系統(tǒng)可以通過(guò)提供電能維持負(fù)荷正常運(yùn)行，而不對(duì)負(fù)荷造成干擾或損壞的能力；該能力主要以接入點(diǎn)電壓的質(zhì)量作為標(biāo)志；2)負(fù)荷可以在不對(duì)電力系統(tǒng)造成擾動(dòng)或降低電力系統(tǒng)效率條件下運(yùn)行的能力，該能力主要(但不唯一)以電流波形的質(zhì)量進(jìn)行

2、衡量。1.2 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1.3 電力電子技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量的影響表1-1 電能質(zhì)量與用戶(hù)要求1.3 電力電子技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量的影響圖1-1 俄亥俄州Delaware（特拉華）優(yōu)質(zhì)電能園區(qū)接線圖OH：架空線路（Over Head）UG：地下電纜（Under Ground）1.3 電力電子技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量的影響圖1-2 Brownfield用戶(hù)電力園區(qū)與分布式發(fā)電系統(tǒng)1.3 電力電子技術(shù)對(duì)電能質(zhì)量的影響圖1-3 美國(guó)市場(chǎng)電能質(zhì)量相關(guān)設(shè)備的銷(xiāo)售額1.4 本書(shū)的組織第2章專(zhuān)門(mén)對(duì)由于電力系統(tǒng)擾動(dòng)造成的配電系統(tǒng)可靠性問(wèn)題，包括其原因、危害、相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)以及對(duì)策進(jìn)行了詳細(xì)的討論。第3章中進(jìn)行了較為深入地分析。特別是，

3、對(duì)其中影響配電系統(tǒng)用戶(hù)最大的穩(wěn)態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題（如諧波和閃變），以及暫態(tài)電能質(zhì)量問(wèn)題，如電壓暫降和瞬間停電的機(jī)理、分析和計(jì)算方法，以及傳統(tǒng)補(bǔ)償措施進(jìn)行了詳細(xì)的分析和討論。第4章介紹的是影響電能質(zhì)量的諧波問(wèn)題及其控制方法，對(duì)改善諧波源的PWM技術(shù)和多重化技術(shù)進(jìn)行了分析，接著對(duì)各種無(wú)源濾波器分別進(jìn)行了描述，介紹了其設(shè)計(jì)方法，最后由瞬時(shí)功率理論引出了有源濾波器工作原理與設(shè)計(jì)方法。1.4 本書(shū)的組織第5章介紹了各種靜止無(wú)功補(bǔ)償器及STATCOM原理及裝置。詳細(xì)分析了各種TCR、TSC、SVC的工作原理和控制方法，并由電壓源逆變器的原理介紹引出了STATCOM的工作特點(diǎn)分析。第6章介紹了電力電子技術(shù)在電能

4、質(zhì)量控制中的應(yīng)用。詳細(xì)描述了電力電子變流器的基本原理，并著重介紹了大功率的開(kāi)關(guān)器件閥和幾種常用的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)設(shè)備，旨在為從事用戶(hù)電力技術(shù)控制器的研究開(kāi)發(fā)人員和從事配電系統(tǒng)電能質(zhì)量規(guī)劃和工程實(shí)施的人員提供實(shí)用的參考。第2章 電能質(zhì)量中的可靠性問(wèn)題2.1 電能質(zhì)量現(xiàn)象分類(lèi)2.2 配電系統(tǒng)可靠性2.3 配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)2.4 提高可靠性的措施2.1 電能質(zhì)量現(xiàn)象分類(lèi)2.2 配電系統(tǒng)可靠性2.2.1 配電系統(tǒng)可靠性原理電力系統(tǒng)按可接受的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和所需數(shù)量不間斷地向電力用戶(hù)供應(yīng)電力和電能量能力的度量。電力系統(tǒng)可靠性包括充裕度和安全性?xún)蓚€(gè)方面。圖2-1 配電系統(tǒng)示意圖2.2 配電系統(tǒng)可靠性圖2-2 采用預(yù)防

5、性維護(hù)前后的失效率曲線注：實(shí)線為設(shè)備的固有失效率曲線；虛線為采用預(yù)防性維護(hù)后的失效率曲線。2.2 配電系統(tǒng)可靠性“浴盆曲線”（Bath-tub Curves），即失效率隨時(shí)間變化曲線，可分為三個(gè)階段：(1)早期失效期 此期間失效率曲線為遞減型。(2)偶然失效期 失效率曲線為恒定型，即近似為常數(shù)。(3)耗損失效期 此期間失效率是遞增型的，隨時(shí)間延長(zhǎng)上升較快，這是因?yàn)樵O(shè)備上的某些元件已經(jīng)老化，因而失效率上升。2.2.2 配電系統(tǒng)停電的原因惡劣的天氣，比如暴風(fēng)（Wind Storms）、雷雨（Lightning Storms）、冰暴（Ice Storms）等，往往是許多電力公司中用戶(hù)停電的主要原因。

6、2.2 配電系統(tǒng)可靠性圖2-3 日本企業(yè)停電和瞬時(shí)電壓跌落原因2.2 配電系統(tǒng)可靠性圖2-4 美國(guó)3家公司用戶(hù)停電的主要原因2.3 配電系統(tǒng)可靠性指標(biāo)圖2-5 瞬時(shí)和持續(xù)停電的算例2.4 提高可靠性的措施1.設(shè)備的預(yù)防維護(hù)表2-1 工業(yè)電力設(shè)備的可靠性2.4 提高可靠性的措施圖2-6 鋸齒狀浴盆曲線2.4 提高可靠性的措施2.采用智能化的狀態(tài)監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)3.采用高可靠性的結(jié)構(gòu)圖2-7 兩種典型供電回路2.4 提高可靠性的措施4.采用備用電源(1)自備發(fā)電機(jī) 通常為數(shù)千瓦到數(shù)兆瓦的柴油、汽油或天然氣發(fā)電機(jī)。(2)機(jī)械或固態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān) 比如采用雙電源供電，在主電源故障時(shí)，將系統(tǒng)切換到備用電源，從而使

7、設(shè)備能繼續(xù)正常運(yùn)行，其停電時(shí)間就是開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換時(shí)間，故可以大大地提高可靠性。(3)飛輪儲(chǔ)能裝置 系統(tǒng)正常時(shí)，通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)飛輪旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能存儲(chǔ)在飛輪中；停電時(shí)，則通過(guò)飛輪驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能回饋系統(tǒng)。(4)靜止或旋轉(zhuǎn)的UPS(不間斷電源) 根據(jù)電池中所存儲(chǔ)的能量的大小，它通?？梢允瓜到y(tǒng)經(jīng)受數(shù)秒以?xún)?nèi)的停電，在系統(tǒng)恢復(fù)供電過(guò)程中起到緩沖的作用。2.4 提高可靠性的措施圖2-8 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)第3章 電能質(zhì)量中的電壓?jiǎn)栴}3.1 電壓質(zhì)量3.2 電壓瞬變3.3 電壓變動(dòng)3.4 電壓波形失真3.5 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3.1 電壓質(zhì)量表3-1 IEEE 11591995對(duì)電能質(zhì)量的分類(lèi)3.1 電壓

8、質(zhì)量圖3-1 電能質(zhì)量問(wèn)題分類(lèi)和持續(xù)時(shí)間的關(guān)系3.1 電壓質(zhì)量圖3-2 各種電壓質(zhì)量問(wèn)題的波形3.1 電壓質(zhì)量圖3-3 用電負(fù)荷干擾的來(lái)源（包括內(nèi)部和外部）3.2 電壓瞬變圖3-4 故障電壓、持續(xù)時(shí)間、變化率和對(duì)設(shè)備的影響之間的簡(jiǎn)化關(guān)系3.2 電壓瞬變圖3-5 100kHz振鈴波形3.2 電壓瞬變圖3-6 典型瞬變測(cè)試波形的頻譜3.2 電壓瞬變圖3-7 浪涌的不同定義3.2 電壓瞬變3.2.1 脈沖瞬變脈沖瞬變用來(lái)描述一種在電壓、電流或者兩者都處在穩(wěn)態(tài)條件下突然發(fā)生的非電源頻率的改變，該變動(dòng)通常是單極性的（即是正極性或者負(fù)極性）。圖3-8 ATP仿真軟件給出的雷擊引起的瞬變電流波形3.2 電壓

9、瞬變圖3-9 雷電浪涌的直接和間接耦合a）直接耦合 b）間接（感性）耦合3.2 電壓瞬變圖3-10 實(shí)際電力系統(tǒng)中雷擊引起的脈沖瞬變電流波形3.2 電壓瞬變圖3-11 背靠背電容投入的仿真波形（EMTDC/PSCAD）曲線相電流Is 曲線合閘接入的電容器組電流I1波形3.2 電壓瞬變圖3-12 背靠背電容器組合閘產(chǎn)生的低頻振蕩頻譜3.2 電壓瞬變圖3-13 瞬變電壓的變化率與瞬變電壓的關(guān)系3.2 電壓瞬變3.2.2 振蕩瞬變電力系統(tǒng)中包括一系列感性和容性元件，如變壓器、輸電線以及電機(jī)的電感，輸電線路和負(fù)荷的電容，它們構(gòu)成一系列諧振回路，在開(kāi)關(guān)操作或發(fā)生故障時(shí)，有的諧振回路就可能和外加電源構(gòu)成串

10、聯(lián)諧振。圖3-14 開(kāi)關(guān)器件關(guān)斷過(guò)程引起的振蕩瞬變3.2 電壓瞬變圖3-15 電容器組投入的等效電路3.2 電壓瞬變圖3-16 電容器組投入時(shí)的電壓與電流波形（EMTDC仿真結(jié)果）3.2 電壓瞬變圖3-17 電容投入時(shí)的電流頻譜3.2 電壓瞬變圖3-18 某醫(yī)院電容投入時(shí)電壓波形3.2 電壓瞬變圖3-19 鐵心電抗器（變壓器）磁化曲線3.2 電壓瞬變圖3-20 電壓互感器的接線和產(chǎn)生鐵磁諧振時(shí)的低頻振蕩瞬變電流、電壓波形a）互感器接線 b）產(chǎn)生鐵磁諧振時(shí)的電流和電壓波形3.3 電壓變動(dòng)3.3.1 電壓變動(dòng)及其對(duì)設(shè)備的影響圖3-21 方均根電壓直方圖3.3 電壓變動(dòng)圖3-22 相對(duì)電壓變動(dòng)特性3

11、.3 電壓變動(dòng)圖3-23 電壓降低程度、電壓暫降持續(xù)時(shí)間與危害程度的關(guān)系9a）電壓降低程度 b）電壓暫降持續(xù)時(shí)間3.3 電壓變動(dòng)圖3-24 設(shè)備對(duì)電壓暫降和持續(xù)時(shí)間的耐受程度3.3 電壓變動(dòng)圖3-25 不同標(biāo)準(zhǔn)對(duì)電子設(shè)備電壓暫降耐受能力的要求3.3 電壓變動(dòng)3.3.2 長(zhǎng)時(shí)間電壓變動(dòng)圖3-26 電壓變動(dòng)的等效電路與相量圖3.3 電壓變動(dòng)表3-2 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的供電電壓偏差3.3 電壓變動(dòng)圖3-27 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)功率與變壓器二次電壓之間的關(guān)系3.3 電壓變動(dòng)表3-3 用戶(hù)電壓降落與故障類(lèi)型之間的關(guān)系3.3 電壓變動(dòng)圖3-28 中壓線路故障引起的電壓降落和中斷a）瞬時(shí)故障對(duì)用戶(hù)電壓的影響 b）永久性

12、故障對(duì)用戶(hù)電壓的影響3.3 電壓變動(dòng)(1)對(duì)照明設(shè)備的影響圖3-29 單相對(duì)地短路故障及對(duì)地短路電壓向量圖a）單相對(duì)地短路故障電路 b）A相發(fā)生對(duì)地短路電壓相量圖零序阻抗， 為零序電流，UN標(biāo)稱(chēng)電壓3.3 電壓變動(dòng)圖3-30 白熾燈性能與外加電壓的關(guān)系（平均特性）3.3 電壓變動(dòng)(2)對(duì)異步電動(dòng)機(jī)的影響表3-4 端電壓變動(dòng)對(duì)異步電機(jī)性能的影響123.3 電壓變動(dòng)(3)對(duì)同步電動(dòng)機(jī)的影響 (4)對(duì)配電線路的影響 (5)對(duì)電氣設(shè)備的影響 (6)對(duì)半導(dǎo)體器件和計(jì)算機(jī)等電子設(shè)備的影響3.3 電壓變動(dòng)表3-5 主要負(fù)荷和控制設(shè)備電壓允許偏差3.3 電壓變動(dòng)為了應(yīng)對(duì)長(zhǎng)時(shí)間的電壓變動(dòng)，常規(guī)的解決方法包括：1

13、.減小配電變壓器和線路的電抗2.采用有載或無(wú)載調(diào)壓變壓器圖3-32 10kV級(jí)三相中性點(diǎn)無(wú)載調(diào)壓分接開(kāi)關(guān)a）結(jié)構(gòu) b）原理圖3.3 電壓變動(dòng)3.利用并聯(lián)電容器對(duì)無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償圖3-33 有載分接頭轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的自動(dòng)控制原理圖3.3 電壓變動(dòng)3.3.3 短時(shí)間電壓變動(dòng)3.3.3.1 電壓暫降(Sag)圖3-34 負(fù)荷變化引起的電網(wǎng)電壓變化a）等效電路 b）相量圖3.3 電壓變動(dòng)圖3-35 電動(dòng)機(jī)起動(dòng)引起的相電壓暫降3.3 電壓變動(dòng)圖3-36 穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)Uc穩(wěn)態(tài)電壓變動(dòng) Udyn動(dòng)態(tài)電壓變動(dòng)3.3 電壓變動(dòng)圖3-37 工業(yè)企業(yè)電壓暫降的分布3.3 電壓變動(dòng)圖3-38 單相對(duì)地短路故障引起的瞬

14、時(shí)電壓暫升a）電壓方均根值變化的百分?jǐn)?shù) b）電壓暫升波形3.3.3.2 電壓暫升3.3 電壓變動(dòng)3.3.3.3 短時(shí)間電壓變化的對(duì)策1.不間斷電源(UPS)圖3-39 UPS的結(jié)構(gòu)型式a）在線式雙變換UPS電源 b）備用式雙變換UPS電源 c）單變換式UPS電源3.3 電壓變動(dòng)2.鐵磁諧振調(diào)壓器(Ferroresonant圖3-40 鐵磁諧振調(diào)壓器a）串聯(lián)式 b）串并聯(lián)式3.3 電壓變動(dòng)圖3-41 CVT的典型電路3.3 電壓變動(dòng)圖3-42 CVT負(fù)荷率與可以補(bǔ)償?shù)妮斎腚妷褐g的關(guān)系3.3 電壓變動(dòng)圖3-43 MCTR原理圖3.3 電壓變動(dòng)負(fù)荷側(cè)的對(duì)策則大體分為下述三類(lèi)：1)如果發(fā)生短時(shí)電壓變

15、化時(shí)，負(fù)荷仍然可以在不損害其原來(lái)功能的情況下繼續(xù)運(yùn)行。2)電壓發(fā)生短時(shí)變化時(shí)，負(fù)荷自動(dòng)安全停機(jī)，而在電源恢復(fù)后，手動(dòng)或自動(dòng)啟動(dòng)。3)除了上述硬件防護(hù)手段外，利用軟件可以將電壓變化發(fā)生的時(shí)刻，以及對(duì)用戶(hù)的影響進(jìn)行評(píng)估，并對(duì)可能造成損害的設(shè)備發(fā)出警告或停機(jī)。3.3 電壓變動(dòng)表3-6 電壓調(diào)節(jié)設(shè)備的性能比較3.3 電壓變動(dòng)3.3.4 電壓閃變1.閃變的基本概念圖3-44 三相四線電源供電的測(cè)試電路3.3 電壓變動(dòng)圖3-45 矩形電壓波動(dòng)，3.3 電壓變動(dòng)圖3-46 為利用IEC推薦的閃變儀對(duì)電弧爐Pst的測(cè)試結(jié)果2.電弧爐中的閃變3.3 電壓變動(dòng)圖3-47 典型的電弧爐供電系統(tǒng)簡(jiǎn)圖U0無(wú)限大電源母線

16、電壓 PCC公共連接點(diǎn)（或稱(chēng)公共供電點(diǎn)） Fb電弧爐變壓器一次側(cè)母線T1鋼廠主變壓器 C鋼廠進(jìn)線 D電弧爐變壓器進(jìn)線 T2電弧爐變壓器 F電弧爐E短網(wǎng)，電弧爐變壓器二次側(cè)至電弧爐電極的引線3.3 電壓變動(dòng)圖3-48 電弧爐典型工作曲線3.3 電壓變動(dòng)圖3-49 電弧爐等效電路單線圖和功率圓圖a）等效電路單線圖 b）功率圓圖3.3 電壓變動(dòng)3.電壓閃變對(duì)策圖3-50 常規(guī)的閃變抑制措施3.4 電壓波形失真3.4.1 三相電壓不平衡3.4.1.1 不平衡的定義圖3-51 某工廠由于電氣化鐵路引起的三相電壓不平衡3.4 電壓波形失真圖3-52 住宅小區(qū)三相電壓不平衡3.4 電壓波形失真圖3-53 電

17、弧爐22kV饋線的負(fù)序電流3.4 電壓波形失真表3-7 相電壓不平衡對(duì)異步電動(dòng)機(jī)溫升的影響3.4.1.2 電壓不平衡的影響3.4 電壓波形失真3.4.1.3 不平衡分析與計(jì)算1.對(duì)稱(chēng)分量法圖3-54 三相不對(duì)稱(chēng)電壓的分解過(guò)程3.4 電壓波形失真2)三相負(fù)荷三角形聯(lián)結(jié)3)接于相間的單相負(fù)荷IEC建議可以用下式去計(jì)算負(fù)序電流：1)三相負(fù)荷星形聯(lián)結(jié)3.4 電壓波形失真圖3-55 典型的三相不對(duì)稱(chēng)電壓利用對(duì)稱(chēng)分量法分解的結(jié)果a）不對(duì)稱(chēng)三相電壓 b）對(duì)稱(chēng)分量法分解（由上至下：正序，負(fù)序，零序）3.4 電壓波形失真圖3-56 采用單相變壓器的電氣化鐵路接線圖3.4 電壓波形失真圖3-57 單相短路時(shí)三相電

18、流包絡(luò)2.瞬時(shí)值分析3.4 電壓波形失真為了快速計(jì)算系統(tǒng)基波電壓的正序分量、負(fù)序分量和零序分量，可以利用瞬時(shí)功率理論中計(jì)算電流基波正序分量同樣的方法。具體步驟如下：1)定義基波瞬時(shí)正序分量2)定義0變換矩陣3.4 電壓波形失真圖3-58 三相電壓(平面上的矢量圖3.4 電壓波形失真表3-8 用戶(hù)側(cè)電壓不平衡的抑制措施3.4.1.4 不平衡補(bǔ)償3.4 電壓波形失真表3-9 單相負(fù)荷連接方法3.4 電壓波形失真圖3-59 三相平衡化電路a）單相電阻負(fù)荷 b）平衡化三相系統(tǒng)3.4 電壓波形失真圖3-60 三角形聯(lián)結(jié)不平衡負(fù)荷的平衡a）三角形聯(lián)結(jié)的不平衡負(fù)荷 b）補(bǔ)償后的三相負(fù)荷3.4 電壓波形失真圖

19、3-61 利用TSC不平衡控制原理圖3.4 電壓波形失真圖3-62 換相電壓缺口波形a）相電壓 b）線電壓 c）換相過(guò)程電流波形3.4.2 波形缺口電壓波形缺口是指電力電子裝置正常運(yùn)行時(shí)，在電流由一相換相到另一相時(shí)產(chǎn)生的周期性的電壓干擾。3.4 電壓波形失真圖3-63 三相全控橋式整流電路和計(jì)算換相缺口面積的等效電路a）橋式整流電路b）等效電路圖3.4 電壓波形失真表3-10 系統(tǒng)換相過(guò)程分類(lèi)和失真限值3.4 電壓波形失真圖3-64 直流傳動(dòng)系統(tǒng)換相缺口面積計(jì)算實(shí)例（1hp=745.7W）3.5 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)將電能質(zhì)量問(wèn)題劃分為三類(lèi)：源自供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)工廠的影響；源自工廠自身的電能質(zhì)

20、量問(wèn)題對(duì)工廠本身的影響；工廠產(chǎn)生的電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)電網(wǎng)的影響。圖3-65 電能質(zhì)量問(wèn)題的來(lái)源3.5 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)解決方法包括： 1)供電系統(tǒng)方面降低電源的變化；2)制造廠商和終端用戶(hù)提高用電設(shè)備對(duì)電能變化的耐受性；3)終端用戶(hù)在電源和敏感電子設(shè)備之間插入接口設(shè)備，如各種電能控制設(shè)備，以隔離相互之間的影響。ITI曲線可以分為8種情況進(jìn)行描述：(1)穩(wěn)態(tài)工作區(qū) 這里指電壓的有效值維持恒定或變化非常緩慢，且其變化范圍為標(biāo)稱(chēng)電壓的10%以?xún)?nèi)，該電壓是額定負(fù)荷和配電系統(tǒng)損耗的函數(shù)。(2)電壓增高區(qū) 對(duì)應(yīng)圖中電壓有效值的增高不超過(guò)120%，而持續(xù)時(shí)間不超過(guò)0.5s的區(qū)域。3.5 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)圖3-66 信息

21、技術(shù)工業(yè)委員會(huì)3.5 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)(3)低頻減幅振蕩區(qū) 該區(qū)域?qū)?yīng)一個(gè)減幅振蕩的狀態(tài)過(guò)程，它通常出現(xiàn)在向交流配電系統(tǒng)接入功率因數(shù)補(bǔ)償電容時(shí)的過(guò)程中。(4)高頻脈沖與振蕩區(qū) 該區(qū)域?qū)?yīng)的暫態(tài)過(guò)程產(chǎn)生的原因最典型的是由于雷電脈沖引起。(5)電壓跌落區(qū) 這里包括兩個(gè)具有不同有效值的電壓跌落。(6)失電壓區(qū) 失電壓包括嚴(yán)重的電壓跌落和電源電壓完全中斷，隨之又迅速重新恢復(fù)標(biāo)稱(chēng)電壓的供電。(7)無(wú)損害區(qū) 該區(qū)域?qū)?yīng)的現(xiàn)象包括較(5)、(6)所列條件更為嚴(yán)重的電壓跌落和失電壓，以及所施加的電源電壓長(zhǎng)期低于穩(wěn)態(tài)電壓允許范圍的下限。(8)禁止區(qū) 該區(qū)域包括可能的浪涌或電壓超過(guò)設(shè)備的上限。3.5 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)1.

22、源自電網(wǎng)的電能質(zhì)量問(wèn)題與標(biāo)準(zhǔn)1)供電系統(tǒng)和緊急/備用電源必須良好地接地；2)在變電所、工廠進(jìn)線和加工與控制設(shè)備，采用多層次過(guò)電壓保護(hù)；3)電氣設(shè)計(jì)上，采用可靠的供電接線和將問(wèn)題負(fù)荷與敏感負(fù)荷隔離；4)設(shè)計(jì)、確定和實(shí)現(xiàn)滿(mǎn)足表3-11中的ITI和SEMI標(biāo)準(zhǔn)所要求的緊急處理和控制設(shè)備。表3-11 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)3.5 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)2.源自工廠的自身電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)工廠本身的影響1)確定問(wèn)題所在，找出解決方法，并加以?xún)?yōu)化。 進(jìn)行徹底調(diào)查，包括對(duì)所有的接線和接地，以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題所在； 監(jiān)測(cè)電力系統(tǒng)可能的擾動(dòng)； 調(diào)查設(shè)備對(duì)電力系統(tǒng)擾動(dòng)的敏感性，選擇具有足夠抗擾度的設(shè)備； 研究電源和負(fù)荷之間的相互作用； 確定負(fù)荷停運(yùn)

23、條件及后果。2)補(bǔ)償設(shè)備與電網(wǎng)的兼容性：用戶(hù)必須確定計(jì)劃采用的補(bǔ)償設(shè)備與電網(wǎng)兼容，從而可以正常工作，并且不會(huì)對(duì)鄰近負(fù)荷發(fā)生相互干擾。3.5 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn) 對(duì)可能的電網(wǎng)電壓暫降、暫升、瞬間停電和浪涌的耐受性，以及設(shè)備本身； 對(duì)起動(dòng)或突入電流進(jìn)行限制，以阻止其運(yùn)行引起饋線電壓跌落； 限制諧波失真電流； 限制換相缺口。3.5 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)3)校驗(yàn)補(bǔ)償裝置與負(fù)荷的兼容性：用戶(hù)必須了解計(jì)劃保護(hù)的負(fù)荷對(duì)環(huán)境的要求，從而選擇具有適當(dāng)輸出性能的電能質(zhì)量控制設(shè)備，特別是根據(jù)要求確定容量和精度。圖3-68 電能質(zhì)量控制器的補(bǔ)償效果3.5 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)4)根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估：與設(shè)備電能質(zhì)量相關(guān)的主要標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表

24、3-12。表3-12 電能質(zhì)量問(wèn)題相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)3.5 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)表3-12 電能質(zhì)量問(wèn)題相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)3.5 電能質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)圖3-69 電能質(zhì)量控制設(shè)備設(shè)計(jì)流程圖第4章 電能質(zhì)量中的諧波抑制4.1 諧波定義及危害4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置4.3 有源電力濾波器4.1 諧波定義及危害圖4-1 三相電流的波形和頻譜4.1 諧波定義及危害4.1.1 諧波定義目前一個(gè)普遍接受的諧波定義為：“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。4.1 諧波定義及危害2)在開(kāi)關(guān)電源等電力電子裝置的討論中，功率因數(shù)通常定義為有兩個(gè)常用的定義值得注意：1)IEC標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)總諧波電流的方均根值定義，僅限于40

25、次及以下的諧波，即4.1 諧波定義及危害4.1.2 諧波源與其危害電力系統(tǒng)中的各種非線性元件是產(chǎn)生諧波的主要原因。按照非線性元件的類(lèi)型，電力系統(tǒng)諧波源可以分為兩大類(lèi)：1.作為非線性設(shè)備的電力電子裝置4.1 諧波定義及危害表4-1 典型設(shè)備的電流波形和畸變率4.1 諧波定義及危害圖4-2 機(jī)車(chē)交流驅(qū)動(dòng)的典型電力電子電路4.1 諧波定義及危害表4-2 SS-8型電力機(jī)車(chē)諧波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)4.1 諧波定義及危害2.含有電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源(1)旋轉(zhuǎn)電機(jī) 發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)是電力系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的電力設(shè)備之一。(2)變壓器和鐵心電抗器 變壓器廣泛存在于各級(jí)電網(wǎng)中，用以聯(lián)系不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)，正常運(yùn)行條

26、件下，如不考慮磁滯及鐵心飽和時(shí)，它基本是線性的。(3)電弧爐、交流電焊機(jī)等沖擊性負(fù)荷 電弧爐利用其電極和爐料之間產(chǎn)生的電弧的熱量冶煉金屬，是鋼鐵產(chǎn)業(yè)的重要設(shè)備。4.1 諧波定義及危害圖4-3 電弧爐電流/電壓特性曲線和電流幅頻特性a）電流/電壓特性曲線 b）電流幅頻特性4.1 諧波定義及危害表4-3 某交流電弧爐諧波含量4.1 諧波定義及危害圖4-4 諧波源的行業(yè)分布4.1 諧波定義及危害諧波電流、諧波電壓對(duì)電力系統(tǒng)和用戶(hù)的影響及危害：1)由于諧波的存在，增加了系統(tǒng)中元件的附加諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用效率。2)諧波影響各種電氣設(shè)備，特別是電機(jī)類(lèi)設(shè)備的正常工作。3)電力系統(tǒng)中電容

27、器的應(yīng)用可能會(huì)導(dǎo)致的諧振，是一個(gè)需要非常重視的問(wèn)題。4)諧波電流除了會(huì)增加繼電器的發(fā)熱和損耗之外，還會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作特性改變，以致造成保護(hù)裝置的拒動(dòng)或誤動(dòng)。5)電力線中的諧波，特別是電能變換裝置所產(chǎn)生的諧波電流和電壓，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，從而對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)造成明顯的雜音干擾，降低通信的質(zhì)量。6)對(duì)計(jì)算機(jī)和各種電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。4.1 諧波定義及危害4.1.3 諧波標(biāo)準(zhǔn)表4-4 IEC61000-3-2低壓設(shè)備的限值4.1 諧波定義及危害圖4-5 A與D類(lèi)設(shè)備限值之比與輸入功率的關(guān)系4.1 諧波定義及危害圖4-6 試驗(yàn)電路輸入電流頻譜和標(biāo)準(zhǔn)限值4.1 諧波定義及危害表4-5 第一級(jí)設(shè)備(Sequ

28、Ssc/33)諧波電流發(fā)射限值4.1 諧波定義及危害表4-6 公用電網(wǎng)諧波電壓(相電壓)限值4.1 諧波定義及危害表4-7 注入公共連接點(diǎn)的諧波電流允許值4.1 諧波定義及危害表4-8 配電系統(tǒng)電流失真限值(12069000V)44.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置表4-9 抑制諧波的主要技術(shù)措施4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置表4-9 抑制諧波的主要技術(shù)措施4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置4.2.1 諧波源治理(1)多重化技術(shù)圖4-7 12脈波換流橋4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置(2)脈寬調(diào)制整流技術(shù) 除上述措施外，還通常有如下幾方面措施來(lái)抑制諧波對(duì)設(shè)備的影響：1)提高設(shè)備對(duì)諧波干擾的耐受能力，比如讓

29、變壓器、電機(jī)降低額定值使用，以留有足夠的裕量。2)利用安裝位置適當(dāng)?shù)?、特別是安裝在諧波源附近的無(wú)源濾波器來(lái)吸收諧波源發(fā)生的諧波電流，從而有效地減少在系統(tǒng)中傳導(dǎo)的諧波電流。3)采用有源濾波技術(shù)可以有效地抵消非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流，近年來(lái)結(jié)合有源和無(wú)源濾波器兩者優(yōu)點(diǎn)的混合濾波器正得到越來(lái)越廣泛的關(guān)注。4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-8 并聯(lián)濾波器對(duì)諧波源的分流作用a）系統(tǒng)單線圖 b）諧波等效電路4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-9 常用的無(wú)源電力濾波器結(jié)構(gòu)a）單調(diào)諧帶通濾波器 b）高通濾波器 c）C型阻尼濾波器 d）橋式濾波器4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-10 模型系統(tǒng)原理圖與PSC

30、AD仿真結(jié)果a）系統(tǒng)單線圖 b）PSCAD仿真原理電路 c）5次諧波仿真電流波形 d）7次諧波仿真電流波形4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-11 電路參數(shù)與電流之間的關(guān)系a） 0 b）1 0 c） =1 d） 14.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-12 電路參數(shù)與諧波放大的關(guān)系4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置表4-10 串聯(lián)電抗器容量和相應(yīng)的諧波特性4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-13 某工廠供電系統(tǒng)單線圖4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置4.2.2 濾波器的設(shè)計(jì)方法表4-11 諧波分析用電力系統(tǒng)元件模型4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置表4-11 諧波分析用電力系統(tǒng)元件模型4.2 諧波抑制及無(wú)源

31、濾波裝置第1步：決定濾波器無(wú)功容量1)根據(jù)已知的接入點(diǎn)電壓和諧波電流計(jì)算對(duì)應(yīng)于每個(gè)濾波器電容器最小安裝容量時(shí)輸出的無(wú)功功率，如果其和滿(mǎn)足(即不小于)給定的無(wú)功功率要求時(shí)，并且超出部分也在允許范圍之內(nèi)，則可以將各濾波器的最小安裝容量作為其安裝容量。2)工業(yè)應(yīng)用中，為了防止諧波放大和限制電容器組的合閘涌流，很少采用純電容器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，往往均在電容器上串聯(lián)限流電抗，從而構(gòu)成實(shí)際上的濾波器。第2步：選擇濾波器的調(diào)諧頻率1)諧振時(shí)的低阻抗會(huì)導(dǎo)致幾乎所有相應(yīng)頻率的諧波電流都流經(jīng)濾波器，這樣會(huì)加大對(duì)濾波器容量的要求。4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置2)如前所述，濾波器與系統(tǒng)阻抗之間的相互作用會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在一個(gè)

32、低于調(diào)諧頻率的頻率上產(chǎn)生并聯(lián)諧振，這會(huì)導(dǎo)致需要對(duì)濾波器參數(shù)進(jìn)行重新調(diào)諧。此外：1)濾波器部分電容單元失效導(dǎo)致總體電容值的減少，從而導(dǎo)致濾波器的諧振頻率增高。2)濾波器電抗和電容在制造過(guò)程中的誤差：通常商品電容器的誤差范圍為20%，而電抗器的偏差為5%。3)電力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的變化所導(dǎo)致的系統(tǒng)短路容量與負(fù)載阻抗變化。4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置第3步：優(yōu)化濾波器配置，以滿(mǎn)足諧波守則1)分級(jí)投切時(shí)濾波器的組數(shù)及不同組合時(shí)的性能；2)采用多個(gè)濾波器時(shí)，其中一個(gè)濾波器故障所產(chǎn)生的影響；3)系統(tǒng)電壓和負(fù)荷的變化范圍；4)電力系統(tǒng)正常時(shí)和故障時(shí)的結(jié)構(gòu)；5)系統(tǒng)頻率變化、元件制造誤差、惡劣氣溫下的容量變化和濾波

33、器電容器單元的停用所引起的濾波器的失諧；6)特征和非特征諧波。第4步：確定元件額定值1)電容的額定值：電容器的額定值通常是由其工作電壓和發(fā)出的無(wú)功功率確定的。4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-14 電容的瞬變過(guò)電壓能力4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置2)濾波器電抗額定值3)濾波器電阻額定值4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-15 單調(diào)諧濾波器a）結(jié)構(gòu) b）RX特性 c）阻抗頻率特性4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-16 單調(diào)濾波器性能、寬帶和漸近線與頻偏的關(guān)系4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-17 單調(diào)諧濾波器阻抗和相位頻率特性4.2.3 偏諧振式濾波器及濾波器組1.單調(diào)諧帶通濾波器設(shè)計(jì)4

34、.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-18 PSPICE中的仿真電路4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-19 5、7次單調(diào)諧濾波器組頻率特性4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-20 雙調(diào)諧濾波器及頻譜特性a）兩個(gè)單調(diào)諧濾波器構(gòu)成的單調(diào)諧濾波器組 b）雙調(diào)諧濾波器 c）頻譜特性2.雙調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置圖4-21 高通(阻尼)濾波器電路a）一階 b）二階 c）三階 d）C型3.高通濾波器設(shè)計(jì)4.2 諧波抑制及無(wú)源濾波裝置問(wèn)題：1)無(wú)源濾波器由于其調(diào)諧頻率和容量均是固定的，不能適應(yīng)系統(tǒng)參數(shù)和運(yùn)行條件的變化，而元件的老化、變質(zhì)和溫度影響均可能導(dǎo)致濾波器失諧，甚至引起諧波放大。2)

35、濾波器的設(shè)計(jì)受到系統(tǒng)阻抗的影響，對(duì)于需要無(wú)功補(bǔ)償容量很大的場(chǎng)合，濾波器的投入可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)補(bǔ)償和過(guò)電壓，而其切除又可能引起欠電壓。3)由于單調(diào)諧濾波器只能消除特定的某次諧波，實(shí)際系統(tǒng)中往往由于諧波含量豐富而需要多組濾波器并聯(lián)。4)濾波器和系統(tǒng)之間或?yàn)V波器組間可能會(huì)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，從而導(dǎo)致對(duì)特征或非特征諧波電流的放大。5)對(duì)于大容量濾波器而言，其串聯(lián)電阻可能產(chǎn)生可觀的有功損耗。4.3 有源電力濾波器表4-12 各裝置對(duì)解決不同電能質(zhì)量起的作用4.3 有源電力濾波器4.3.1 純有源濾波器1.有源濾波器的結(jié)構(gòu)與性能圖4-22 反饋型有源濾波器等效電路a）電流檢測(cè)電壓補(bǔ)償（I型） b）電流檢測(cè)電流補(bǔ)

36、償（型）c）電壓檢測(cè)電流補(bǔ)償（型） d）電壓檢測(cè)電壓補(bǔ)償（型）4.3 有源電力濾波器圖4-23 前饋型有源濾波器等效電路a）電流檢測(cè)電流補(bǔ)償型（型） b）電壓檢測(cè)電壓補(bǔ)償型（型）4.3 有源電力濾波器表4-13 有源濾波器的插入損耗和諧波改善率4.3 有源電力濾波器2.并聯(lián)有源濾波器(1)原理與結(jié)構(gòu)圖4-24 并聯(lián)有源濾波器原理圖4.3 有源電力濾波器圖4-25 并聯(lián)有源電力濾波器等效電路4.3 有源電力濾波器特性： 逆變器應(yīng)當(dāng)包括一個(gè)輔助的、頻帶達(dá)1kHz的電流環(huán)，并且采用載波頻率為25kHz的PWM方法，對(duì)補(bǔ)償電流進(jìn)行控制。 控制電路應(yīng)當(dāng)能從非線性負(fù)荷電流中利用數(shù)字信號(hào)處理的方式，盡可能精

37、確地瞬時(shí)提取欲補(bǔ)償?shù)闹C波分量的幅值和相位的信息。 為了從補(bǔ)償電流中消除PWM逆變器開(kāi)關(guān)頻率的脈動(dòng)，所以一般與逆變器并聯(lián)一個(gè)小容量的無(wú)源濾波器。其安裝位置應(yīng)當(dāng)盡可能靠近逆變器。4.3 有源電力濾波器(2)控制系統(tǒng) 有源電力濾波器控制系統(tǒng)由兩大部分組成，即指令電流運(yùn)算電路和補(bǔ)償電流發(fā)生電路。1)補(bǔ)償信號(hào)的檢測(cè)方法：實(shí)際上，補(bǔ)償器的補(bǔ)償特性取決于由負(fù)荷電流中提取諧波的算法，即在很大程度上，APF的有效性依賴(lài)于是否能得到?jīng)]有失真地表示欲補(bǔ)償?shù)闹C波分量的參考信號(hào)。 負(fù)荷電流檢測(cè) 電源電流檢測(cè) 母線電壓檢測(cè)4.3 有源電力濾波器圖4-26 基于陷波器的有源濾波器結(jié)構(gòu)圖4.3 有源電力濾波器圖4-27 自適

38、應(yīng)噪聲濾波器4.3 有源電力濾波器圖4-28 諧波解耦組合濾波器a）帶通濾波器 b）FFT解耦方法4.3 有源電力濾波器圖4-29 自適應(yīng)噪聲濾波器原理圖與傳遞函數(shù)a）自適應(yīng)檢測(cè)電路原理圖 b）數(shù)字實(shí)現(xiàn)原理圖 c）頻率特性4.3 有源電力濾波器圖4-30 基于同步坐標(biāo)系的瞬時(shí)電流計(jì)算方法4.3 有源電力濾波器圖4-31 并聯(lián)有源濾波器控制系統(tǒng)框圖4.3 有源電力濾波器2)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 基于負(fù)荷電流檢測(cè)的控制系統(tǒng)圖4-32 基于負(fù)荷電流檢測(cè)的控制系統(tǒng)a）系統(tǒng)框圖 b） 波特圖4.3 有源電力濾波器圖4-33 基于電源電流檢測(cè)的控制系統(tǒng)a）系統(tǒng)框圖 b） 波特圖 基于電源電流檢測(cè)的控制系統(tǒng)4.3

39、有源電力濾波器圖4-34 基于母線電壓檢測(cè)的控制系統(tǒng)a）系統(tǒng)框圖 b） 波特圖 基于母線電壓檢測(cè)的控制系統(tǒng)4.3 有源電力濾波器圖4-35 純并聯(lián)有源濾波器電路圖4.3 有源電力濾波器圖4-36 純并聯(lián)有源濾波器控制系統(tǒng)框圖4.3 有源電力濾波器圖4-37 純并聯(lián)濾波器仿真波形4.3 有源電力濾波器圖4-38 四重化串聯(lián)有源濾波器的結(jié)構(gòu)和控制框圖4.3 有源電力濾波器圖4-39 串聯(lián)有源濾波器原理圖3.串聯(lián)有源濾波器4.3 有源電力濾波器圖4-40 統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器（UPQC）結(jié)構(gòu)4.統(tǒng)一電能質(zhì)量控制器4.3 有源電力濾波器圖4-41 DCI-UPQC單相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)4.3 有源電力濾波器圖4-

40、42 UPQC原理框圖4.3 有源電力濾波器圖4-43 串聯(lián)單元和并聯(lián)單元所處的位置a）串聯(lián)單元位于電源側(cè) b）并聯(lián)單元位于負(fù)荷側(cè)4.3 有源電力濾波器對(duì)上述串聯(lián)單元位于電源側(cè)和負(fù)荷側(cè)兩種UPQC結(jié)構(gòu)的分析表明：1)前者可以工作在零功率交換模式，后者不能。2)前者可以通過(guò)調(diào)節(jié)并聯(lián)補(bǔ)償器輸出的無(wú)功補(bǔ)償電流使負(fù)荷端的功率因數(shù)為1，后者則取決于負(fù)荷本身。3)前者的并聯(lián)部分可以直接提供負(fù)荷所需的全部無(wú)功功率，而后者由于并聯(lián)部分只能對(duì)接入點(diǎn)的無(wú)功功率進(jìn)行直接補(bǔ)償，所以只能提供負(fù)荷所需的平均無(wú)功功率。4.3 有源電力濾波器圖4-44 串聯(lián)單元位于電源側(cè)的UPQC單相等效電路4.3 有源電力濾波器圖4-45

41、 串聯(lián)單元位于負(fù)荷側(cè)的UPQC單相等效電路4.3 有源電力濾波器圖4-46 電壓暫降和恢復(fù)時(shí)負(fù)荷端電壓、電流波形a）、c）電壓暫降時(shí)負(fù)荷端電壓、電流波形 b）、d）電壓恢復(fù)時(shí)負(fù)荷端電壓、電流波形4.3 有源電力濾波器圖4-47 三相不平衡暫降時(shí)系統(tǒng)響應(yīng)4.3 有源電力濾波器4.3.2 混合濾波器圖4-48 兩單元混合濾波器拓?fù)鋋）串聯(lián)連接的串聯(lián)無(wú)源濾波器（PFss）和串聯(lián)有源濾波器（AFss）b）并聯(lián)連接的串聯(lián)無(wú)源濾波器（PFss）和串聯(lián)有源濾波器（AFss）c）并聯(lián)無(wú)源濾波器（PFsh）和串聯(lián)有源濾波器（AFss）d）并聯(lián)有源濾波器（AFsh）和串聯(lián)無(wú)源濾波器（PFss）e）并聯(lián)連接的并聯(lián)無(wú)

42、源濾波器（PFsh）和并聯(lián)有源濾波器（AFsh）f）串聯(lián)連接的并聯(lián)無(wú)源濾波器（PFsh）和并聯(lián)有源濾波器（AFsh）g）串聯(lián)無(wú)源濾波器（PFss）和并聯(lián)有源濾波器（AFsh）h）串聯(lián)有源濾波器（AFss）和并聯(lián)無(wú)源濾波器（PFsh）4.3 有源電力濾波器下面主要對(duì)兩種主要類(lèi)型的混合濾波器的功能加以適當(dāng)?shù)恼f(shuō)明(1)并聯(lián)連接的并聯(lián)無(wú)源濾波器PFsh和并聯(lián)有源濾波器AFsh圖4-49 并聯(lián)連接AFsh和PFsh等效電路4.3 有源電力濾波器圖4-50 用于電弧爐補(bǔ)償?shù)?1MVA有源濾波器4.3 有源電力濾波器(2)串聯(lián)連接的并聯(lián)無(wú)源濾波器PFsh和并聯(lián)有源濾波器AFsh圖4-51 串聯(lián)連接的PFsh

43、和AFsh的結(jié)構(gòu)及等效電路a）結(jié)構(gòu) b）等效電路4.3 有源電力濾波器圖4-52 串聯(lián)連接的AFsh和PFsh原理圖及控制系統(tǒng)框圖a）原理圖 b）控制系統(tǒng)框圖4.3 有源電力濾波器圖4-53 混合濾波器的濾波特性a）正序分量 b）負(fù)序分量4.3 有源電力濾波器圖4-54 3.3kV、300kW模型系統(tǒng)的仿真結(jié)果4.3 有源電力濾波器圖4-55 200V、5kW整流器負(fù)荷的實(shí)驗(yàn)室補(bǔ)償結(jié)果第5章 電能質(zhì)量中的無(wú)功補(bǔ)償5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置5.3 STATCOM5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器5.1.1 晶閘管控制電抗器(TCR)圖5-1 TCR的結(jié)構(gòu)原理單線

44、圖5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-2 ABB公司TCR閥體和電抗器的外觀圖5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-3 TCR的基頻電壓-電流特性曲線5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-4 TCR電流的基波和各次諧波的幅值與觸發(fā)延時(shí)角的關(guān)系5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器表5-1 TCR正常運(yùn)行時(shí)的最大特征諧波電流值1.六脈波TCR圖5-5 六脈波晶閘管控制電抗器5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-6 十二脈波晶閘管控制電抗器2.十二脈波TCR5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-7 晶閘管控制的高阻抗變壓器3.晶閘管控制的高阻抗變壓器(TCT)5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器5.1.2 晶閘管投切電

45、容器(TSC)圖5-8 TSC的原理結(jié)構(gòu)和工作波形a）原理結(jié)構(gòu) b）工作波形5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-9 電容電壓等于系統(tǒng)電壓峰值時(shí)投入TSC5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-10 電容充分放電、無(wú)殘壓情況2.晶閘管端電壓為零作為T(mén)SC投入時(shí)機(jī)1.無(wú)暫態(tài)過(guò)程的TSC投切時(shí)機(jī)5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器5.1.3 靜止無(wú)功補(bǔ)償器(SVC)圖5-11 SVC的常見(jiàn)形式a）采用TCR、MSC和濾波器組合方式的SVC b）采用TCR、TSC組合方式的SVCc）采用TCR、TSC和濾波器組合方式的SVC5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-12 FC-TCR型SVC的單相原理圖和補(bǔ)償特性a）

46、單相原理圖 b）補(bǔ)償特性5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-13 伏安特性SVC的穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)運(yùn)行點(diǎn)5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-14 變電所無(wú)功補(bǔ)償裝置的性能5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-15 電路單線圖和運(yùn)行曲線a）電路接線圖 b）運(yùn)行曲線5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器目前常用的控制方法包括如下幾種： 1)分相控制，對(duì)正負(fù)半周進(jìn)行開(kāi)環(huán)預(yù)測(cè)控制；2)檢測(cè)供電點(diǎn)的無(wú)功功率的相對(duì)變化量，對(duì)于預(yù)測(cè)控制的平均值進(jìn)行閉環(huán)補(bǔ)償控制；3)每個(gè)半周對(duì)負(fù)荷的無(wú)功功率預(yù)測(cè)的結(jié)果中，減去基頻分量，使靜止閃變補(bǔ)償裝置的工作點(diǎn)自動(dòng)地移到負(fù)荷的波動(dòng)范圍，以提高補(bǔ)償效率為目的的偏置補(bǔ)償控制。圖5-16 SVC的

47、開(kāi)環(huán)控制結(jié)構(gòu)5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器該控制器包括如下部分：1)首先由一個(gè)稱(chēng)為電納計(jì)算器的功能模塊(SC)，通過(guò)測(cè)量負(fù)荷上的電壓和電流，經(jīng)計(jì)算得到負(fù)荷的等值電納，設(shè)為2)然后根據(jù)維持總電納恒定的控制目標(biāo)，計(jì)算出SVC應(yīng)該具有的等效電納，即 ，其中 為需要維持恒定的電納參考值。3)再通過(guò)非線性變換得到所需的TCR導(dǎo)通角，該非線性變換對(duì)應(yīng)的函數(shù)通常被稱(chēng)作SVC的前饋傳遞函數(shù) ，它是由SVC的運(yùn)行特性決定的。5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-17 SVC的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)（AVR）5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-18 SVC投運(yùn)前、后的電弧爐電壓閃變抑制a）SVC投運(yùn)前 b）SVC投運(yùn)后5.1

48、 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-19 CERN可移動(dòng)SVC項(xiàng)目a）CERN單線圖 b）位于集裝箱中的閥體5.1 變阻抗型靜止無(wú)功補(bǔ)償器圖5-20 美國(guó)伯克利NUCOR鋼鐵廠投運(yùn)的SVC5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置5.2.1 瞬時(shí)無(wú)功理論1.正弦電壓激勵(lì)的單相線性電路2.正弦電壓激勵(lì)的三相線性電路5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置圖5-21 三相四線制系統(tǒng)5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置圖5-22 abc和坐標(biāo)系之間的關(guān)系5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置5.2.2 基于瞬時(shí)功率理論的補(bǔ)償算法圖5-23 三相四線制系統(tǒng)原理圖圖5-24 瞬時(shí)功率相量圖5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置表5-

49、2 同步坐標(biāo)系上變量的物理意義表5-3 電能補(bǔ)償器在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置圖5-25 補(bǔ)償器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)a）并聯(lián)型 b）串聯(lián)型 c）串-并聯(lián)型5.2.3 變流補(bǔ)償器的主電路結(jié)構(gòu)1.變流補(bǔ)償器的分類(lèi)5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置圖5-26 放射式配電系統(tǒng)單線圖5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置圖5-27 并聯(lián)補(bǔ)償器的補(bǔ)償原理a）感性負(fù)荷補(bǔ)償原理 b）容性負(fù)荷補(bǔ)償原理2.變流并聯(lián)補(bǔ)償器的原理和功能5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置圖5-28 固態(tài)并聯(lián)補(bǔ)償器原理圖5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置電力系統(tǒng)并聯(lián)補(bǔ)償具有如下特點(diǎn)：1)并聯(lián)補(bǔ)償裝置與電力系統(tǒng)并聯(lián)，通過(guò)供電點(diǎn)嵌入

50、系統(tǒng)，不需改變電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，所以可以容易地實(shí)現(xiàn)所謂的熱插接，即可以在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)無(wú)沖擊地投入運(yùn)行和退出運(yùn)行。2)并聯(lián)補(bǔ)償可以改變系統(tǒng)的導(dǎo)納矩陣的對(duì)角元素或向系統(tǒng)中注入電流，因此通過(guò)并聯(lián)補(bǔ)償可以方便地向系統(tǒng)注入或從系統(tǒng)吸收有功功率，或向系統(tǒng)中注入無(wú)功功率或從系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率，因此并聯(lián)補(bǔ)償可以控制電力系統(tǒng)的有功功率或無(wú)功功率的平衡。正是并聯(lián)補(bǔ)償?shù)纳鲜鰞煞N能力，使得并聯(lián)補(bǔ)償對(duì)電力系統(tǒng)具有如下作用： 5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置 維持或控制供電點(diǎn)電壓； 向電力系統(tǒng)提供或從系統(tǒng)中吸收無(wú)功功率； 改變系統(tǒng)的阻抗特性； 提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量。該技術(shù)一般用于補(bǔ)償獨(dú)立和群體負(fù)荷，其目的有三： 1)功率

51、因數(shù)校正；2)電壓調(diào)節(jié)；3)負(fù)荷平衡。5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置圖5-29 串聯(lián)補(bǔ)償器的補(bǔ)償原理a）感性負(fù)荷補(bǔ)償原理 b）容性負(fù)荷補(bǔ)償原理3.變流串聯(lián)型補(bǔ)償器的原理與功能5.2 瞬時(shí)無(wú)功與DFACTS裝置表5-4 變流串、并聯(lián)補(bǔ)償器性能比較5.3 STATCOM圖5-30 STATCOM等效電路和相量圖a）STATCOM等效電路 b）理想電路相量圖 c）考慮有功損耗時(shí)相量圖5.3 STATCOM5.3.1 STATCOM并聯(lián)補(bǔ)償控制策略圖5-31 雙環(huán)控制系統(tǒng)原理圖5.3 STATCOM圖5-32 并聯(lián)補(bǔ)償裝置的UI特性5.3 STATCOM采用有差的“斜率”調(diào)節(jié)方式，這樣做的好處如下

52、： 1)可以擴(kuò)展補(bǔ)償器的線性工作范圍，這是因?yàn)閷?duì)于給定最大容性和感性容量的補(bǔ)償器，采用有差的“斜率”調(diào)節(jié)方式可使得：在投入最大容性補(bǔ)償時(shí)，端電壓允許比無(wú)負(fù)荷時(shí)的額定值低；相反地，在投入最大感性補(bǔ)償時(shí)，端電壓允許比額定值高。2)系統(tǒng)穩(wěn)定性好，如果系統(tǒng)等效阻抗在特定頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)為低阻抗甚至零阻抗，則采用無(wú)差調(diào)節(jié)會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行點(diǎn)難以確定，引發(fā)振蕩。3)可實(shí)現(xiàn)在不同并聯(lián)無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備以及其他電壓調(diào)節(jié)設(shè)備之間自動(dòng)和可控的負(fù)荷分配。5.3 STATCOM圖5-33 雙單環(huán)控制系統(tǒng)5.3 STATCOM圖5-34 基于瞬時(shí)無(wú)功理論的閃變預(yù)測(cè)控制系統(tǒng)框圖1.三相對(duì)稱(chēng)控制5.3 STATCOM圖5-35 雙坐標(biāo)系控

53、制系統(tǒng)框圖2.三相不平衡控制5.3 STATCOM此類(lèi)控制器通常具有如下三個(gè)特征：1)數(shù)字濾波2)補(bǔ)償電流計(jì)算電路圖5-36 負(fù)序補(bǔ)償控制系統(tǒng)原理圖5.3 STATCOM3)電流控制方式圖5-37 系統(tǒng)不對(duì)稱(chēng)時(shí)正序與負(fù)序等效電路a）正序等效電路 b）負(fù)序等效電路5.3 STATCOM三相不對(duì)稱(chēng)時(shí)，由于上述負(fù)序交變有功分量的存在，將導(dǎo)致電容電壓的劇烈脈動(dòng)，這可以采取如下措施加以解決：1)增大裝置主電路的電抗，以限制負(fù)序與諧波電流，但這將導(dǎo)致對(duì)裝置容量增大的要求。2)增大直流電容的電容量，以減小電容電壓的脈動(dòng)，這是目前各廠家采用的方法，但這將導(dǎo)致裝置體積的增大，喪失STATCOM較SVC體積小這樣

54、一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。3)采用不對(duì)稱(chēng)控制：這包括兩種方式，目前應(yīng)用較多的是變流器利用本身產(chǎn)生負(fù)序電壓的方法來(lái)對(duì)消接入點(diǎn)處系統(tǒng)的負(fù)序電壓，以消除負(fù)序分量對(duì)裝置的影響，同時(shí)糾正系統(tǒng)的不對(duì)稱(chēng)。5.3 STATCOM5.3.2 STATCOM典型應(yīng)用圖5-38 電弧爐電流-電壓特性曲線和幅頻特性a）電流-電壓特性 b）幅頻特性5.3 STATCOM圖5-39 SVC補(bǔ)償原理5.3 STATCOM圖5-40 單一調(diào)制頻率時(shí)補(bǔ)償電量間的關(guān)系5.3 STATCOM圖5-41 閃變改善率和無(wú)功功率補(bǔ)償率及補(bǔ)償器響應(yīng)時(shí)間延遲的關(guān)系5.3 STATCOM圖5-42 電弧爐運(yùn)行限值與SVC關(guān)系5.3 STATCOM圖5-4

55、3 閃變改善率和補(bǔ)償器容量與裝置的關(guān)系5.3 STATCOM表5-5 電能質(zhì)量控制器的設(shè)計(jì)與選用原則5.3 STATCOM表5-5 電能質(zhì)量控制器的設(shè)計(jì)與選用原則第6章 電能質(zhì)量控制中的電力電子技術(shù)6.1 FACTS技術(shù)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用6.2 電力電子變流器6.3 PWM技術(shù)與多重化結(jié)構(gòu)6.1 FACTS技術(shù)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用圖6-1 主要FACTS控制器工作原理6.1 FACTS技術(shù)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用表6-1 FACTS和HVDC控制器基本結(jié)構(gòu)6.1 FACTS技術(shù)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用表6-1 FACTS和HVDC控制器基本結(jié)構(gòu)6.1 FACTS技術(shù)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用表6-2 FACTS裝置在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)補(bǔ)償時(shí)的應(yīng)用6.1 FACTS技術(shù)的結(jié)構(gòu)及應(yīng)用表6-3 FACTS裝置在電力系統(tǒng)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償時(shí)的應(yīng)用6.2 電力電子變流器6.2.1 相控型變流器圖6-2 相控型變流器原理圖和負(fù)荷電流波形a）原理圖 b）負(fù)荷電流波形6.2 電力電子變流器圖6-3 單相交流電壓控制器及輸出、輸入信號(hào)波形6.2 電力電子變流器圖6-4 不同控制角時(shí)電感中電流波形6.2 電力電子變流器圖6-5 SVC主電路單線圖和電壓/電流特性6.2 電力電子變流器6.2.2 自換相型變流器圖6-6 電壓源和電流源變流器原理電路a）電壓源型 b）電流源型6.