諧波抑制和無功補償裝置

諧波抑制和無功補償裝置第二章諧波抑制和無功補償裝置§2.1

概述§2.3靜止無功發(fā)生器（SVG）§2.2靜止無功補償裝置（SVC）§2.4有源電力濾波器（APF）第2頁,共45頁，2024年2月25日，星期天§2.1概述一、諧波和無功功率的產(chǎn)生

阻感負(fù)載必須吸收無功功率才能工作；電力電子裝置等非線性也要消耗無功功率；用電裝置的非線性造成畸變電流；第3頁,共45頁，2024年2月25日，星期天二、無功功率的影響和諧波的危害1、無功功率的影響（1）使設(shè)備容量增大，從而造成設(shè)備投資費用增大；（2）設(shè)備及線路損耗增加；（3）引起供電點電壓波動。2、諧波的危害（1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率；（2）諧波影響電器設(shè)備正常工作；（3）諧波會導(dǎo)致公用電網(wǎng)局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而更放大了諧波，加劇了危害；（4）諧波導(dǎo)致自動裝置誤動作，使測量儀表不準(zhǔn)確，干擾通信系統(tǒng)等。第4頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

三、補償無功、抑制諧波的途經(jīng)1、提高用電設(shè)備自身的功率因數(shù)、減小諧波（1）增加整流電路相數(shù)，使網(wǎng)側(cè)電流正弦化；（2）盡量使整流裝置在較小的α下運行；（3）采用多重化技術(shù)波形迭加，消除低次諧波；（4）利用DＣ／ＤＣ技術(shù)（5）PWM整流器2、加補償裝置在電力系統(tǒng)中，常見的無功補償裝置有：（1）同步發(fā)電機(jī)

調(diào)整勵磁電流，使其在超前功率因數(shù)下運行，輸出有功功率的同時輸出無功功率。（2）同步調(diào)相機(jī)

一種專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機(jī)，是一種不帶機(jī)械負(fù)載的可以過勵磁（經(jīng)常的運行狀態(tài)）或欠勵磁（較少的運行狀態(tài)）運行的同步電動機(jī)。第5頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（3）并聯(lián)電容器可提供超前的無功功率，多裝設(shè)于降壓變電所內(nèi)，也可就地補償。（4）并聯(lián)電抗用在超高壓系統(tǒng)線路上吸收無功功率，防止末端電壓升高。

（5）靜止無功補償裝置具有調(diào)相機(jī)的功能，使用廣泛，但投資大。在電力系統(tǒng)中，常見的諧波抑制裝置有：（1）LC濾波器（2）有源電力濾波器

本章主要介紹適合于動態(tài)無功補償?shù)撵o止無功補償裝置和適合于動態(tài)無功補償、諧波抑制的有源電力濾波器。第6頁,共45頁，2024年2月25日，星期天§2.2

靜止無功補償裝置(SVC)一、并聯(lián)電容器補償無功功率的原理二、靜止無功補償裝置

靜止無功補償裝置，適用于無功負(fù)荷頻繁變化的場合,它要求補償裝置具有快速性和無過渡過程。按其元件與結(jié)構(gòu)的不同，主要有以下幾種型式：第7頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

1.自飽和電抗器型(SaturatedReactor——SR）靜止無功補償裝置固定電容器組自飽和電抗器第8頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

自飽和電抗器工作原理

自飽和電抗器無功補償裝置依靠電抗器自身固有的能力來穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性，使滯后的無功功率隨端壓的升降而增減。工程上，一般將飽和電抗器的鐵心設(shè)計在超過磁化曲線轉(zhuǎn)折處運行，此時鐵心完全飽和，飽和電抗器就象空心電抗器一樣，電壓與電流保持線性關(guān)系。當(dāng)母線電壓升高時，按特性曲線滯后電流增加，該電流在網(wǎng)絡(luò)電抗XS上產(chǎn)生壓降，從而維持系統(tǒng)電壓不變；反之，當(dāng)母線電壓波動下降時，則超前電流增加，該電流在網(wǎng)絡(luò)電抗XS上產(chǎn)生壓升，從而維持系統(tǒng)電壓不變。靜止無功補償裝置第9頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

2.可控飽和電抗器型(ControlledSaturatedReactor——CSR）靜止無功補償裝置工作原理：它通過改變控制繞組中的電流大小來控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，以改變交流工作電流iL的大小。第10頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

3.晶閘管控制電抗器型（ThyristControlledReactor——

TCR）

工作原理：通過改變晶閘管的觸發(fā)相位角來控制了通過電抗器的電流，從而控制了裝置吸收的無功功率。第11頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

5.晶閘管開關(guān)電容器組加晶閘管控制電抗器（TSC+TCR）工作原理：按所需的無功補償量投入適當(dāng)組數(shù)的的TSC并略有過補償，再通過TCR吸收的感性無功來抵消這部分過補償?shù)臒o功功率，實現(xiàn)全補償。（TSC、TCR的工作原理與前面所述的相同）第12頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

§2.3

靜止無功發(fā)生器（SVG）

一、SVG的發(fā)展史

靜止無功發(fā)生器（SVG）又稱為全半導(dǎo)體型無功補償器。

1972年，日本學(xué)者首先提出了用半導(dǎo)體變流器實現(xiàn)無功補償?shù)幕舅枷耄?/p>

1976年，美國學(xué)者L.Gyugyi提出了SVG的拓樸結(jié)構(gòu)；

1980年，日本研制出了20MVA(SCR)無功補償裝置；

1987年，美國研制出了1MVA(GTO)無功補償裝置；

1991年，日本研制出了80MVA(GTO)無功補償裝置；

1994年，美國研制出了100MVA(GTO)無功補償裝置；清華大學(xué)研制出了300KVA(GTO)無功補償裝置。第13頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

§2.3

靜止無功發(fā)生器（SVG）

二、SVG的基本結(jié)構(gòu)

所謂靜止無功發(fā)生器（SVG）是指采用自換相橋式變流器來進(jìn)行動態(tài)無功補償?shù)难b置。其拓樸結(jié)構(gòu)如下：用于減小交流側(cè)諧波電流用于吸收換相過電壓用于提供直流電壓用于提供直流電流第14頁,共45頁，2024年2月25日，星期天三、基本原理（以電壓型為例）

SVG基本原理

通過調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，從而實現(xiàn)無功補償。新型靜止無功發(fā)生器（SVG）

電壓型SVG可等效為幅值與相位均可以控制的、與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，它通過交流電抗器連接到電網(wǎng)上。第15頁,共45頁，2024年2月25日，星期天(b)(c)新型靜止無功發(fā)生器（SVG）1、理想系統(tǒng)（不考慮SVG的損耗）工作情況分析第16頁,共45頁，2024年2月25日，星期天(b)圖：

當(dāng)SVG輸出電壓的幅值大于系統(tǒng)電壓幅值時，為實現(xiàn)逆變電壓與交流系統(tǒng)間的耦合，電抗壓降起著抵消逆變電壓的作用，系統(tǒng)電流必超前電網(wǎng)電壓900運行，因此，SVG吸收超前的無功功率，起著電容器的作用；c)圖：而當(dāng)SVG輸出電壓的幅值小于系統(tǒng)電壓幅值時，電抗壓降起著補償逆變電壓的作用，系統(tǒng)電流必滯后電網(wǎng)電壓900運行，SVG吸收滯后的無功功率，起電抗器的作用。

當(dāng)SVG輸出電壓的幅值與系統(tǒng)電壓幅值相等時，SVG與交流系統(tǒng)之間沒有無功功率的交換。第17頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

2、實際系統(tǒng)工作情況分析

在實際的系統(tǒng)控制中，考慮到存在功率損耗，并將總的損耗集中作為連接電抗器的電阻考慮。新型靜止無功發(fā)生器（SVG）

改變角，則電流的相位和大小也隨之改變，SVG從電網(wǎng)吸收的無功功率也因此得到調(diào)節(jié)。電流滯后電流超前單相等效電路第18頁,共45頁，2024年2月25日，星期天四、SVG與SVC的性能比較新型靜止無功發(fā)生器ASVG）1、直流側(cè)電容容量相對較小，成本較低

對于三相平衡系統(tǒng)，無功功率瞬時值之和等于零。因此直流側(cè)電容只是為SVG提供一個直流電壓，并不與交流側(cè)交換無功能量，只要開關(guān)頻率足夠高，直流側(cè)電容容量就可以足夠小。2、補償范圍大

從補償器的電壓——電流特性看，SVC的補償特性不受電網(wǎng)電壓的影響，即使在系統(tǒng)電壓很低的情況下，仍能吸收額定無功電流。3、諧波分量小

采用先進(jìn)的控制方式，SVG的輸出電壓諧波含量可以很小。由于諧波含量小，因此SVG輸出端一般不需要采用濾波器，這樣可減小整個裝置的成本和體積。4、調(diào)節(jié)速度快

SVG有更快的動態(tài)響應(yīng)速度，在抑制系統(tǒng)的功率震蕩和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，SVG的效果很好。第19頁,共45頁，2024年2月25日，星期天五、有關(guān)SVG的主要研究課題新型靜止無功發(fā)生器ASVG）1、無功電流的檢測理論、檢測方法要求準(zhǔn)確、快速。2、無功電流參考值的獲?。ㄋ惴ǎ┮鬁?zhǔn)確、快速。3、PWM控制方式在不犧牲系統(tǒng)性能指標(biāo)的情況下，減小開關(guān)頻率。4、控制理論

提高動態(tài)響應(yīng)速度、控制精度。5、主電路研究第20頁,共45頁，2024年2月25日，星期天六、SVG的主要應(yīng)用領(lǐng)域新型靜止無功發(fā)生器ASVG）除了用于一般電氣系統(tǒng)的無功補償之外，靈活交流輸電系統(tǒng)（FACTS）將是SVG的主要應(yīng)用領(lǐng)域。第21頁,共45頁，2024年2月25日，星期天柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）簡介柔性交流輸電系統(tǒng)的定義(1995年）：一類以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)并具有其它靜止控制器的交流傳輸設(shè)備，它們能夠增強(qiáng)電網(wǎng)的可控能力并增大輸電容量。

FACTS實際上是一類快速控制功率設(shè)備的集合，它們能夠控制電網(wǎng)的有功、無功、電抗及相角等參數(shù)。第22頁,共45頁，2024年2月25日，星期天FACTS的種類：表1中的STATCOM、SSSC及UPFC是FACTS家族中最關(guān)鍵的設(shè)備。STATCOM問世于20世紀(jì)80年代，將會取代較早出現(xiàn)的SVC。

第23頁,共45頁，2024年2月25日，星期天FACTS部分設(shè)備的功能：表1中部分設(shè)備作用于電網(wǎng)的功能如表2所示。第24頁,共45頁，2024年2月25日，星期天FACTS典型應(yīng)用實例：FACTS家族部分設(shè)備的應(yīng)用實例如表3所示。第25頁,共45頁，2024年2月25日，星期天一、問題的提出：

電力電子裝置的使用給電力系統(tǒng)帶來了諧波污染問題?！?.4

電力有源濾波器（APF）例：

從電力系統(tǒng)來看，整流電路是消耗基波有功電流的負(fù)載，同時又是基波無功電流和諧波電流的發(fā)生源。第26頁,共45頁，2024年2月25日，星期天問題的提出解決電力電子裝置和其他諧波源諧波污染問題的基本思路：

對裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波、不消耗無功功率、或控制其功率因數(shù)；

裝設(shè)補償裝置，補償其產(chǎn)生的諧波。

本節(jié)主要討論第二種思路目前的趨勢是，利用電力電子裝置的優(yōu)良控制特性來濾波和補償無功，這種用于動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置就是電力有源濾波器，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補償。第27頁,共45頁，2024年2月25日，星期天電力有源濾波器原理二、電力有源濾波器的基本原理(以并聯(lián)型為例）第28頁,共45頁，2024年2月25日，星期天三、電力有源濾波的兩個核心問題

作為電力有源濾波器的方式雖有各種方案，但控制上可歸結(jié)為兩個問題：

●檢測器能從畸變電流中取得與補償電流相應(yīng)的指令值；

●

變流裝置能追隨指令值產(chǎn)生補償電流。電力有源濾波的核心問題第29頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（一）補償電流指令的獲得（諧波和無功電流檢測）1、模擬檢測方法（1）采用陷波器將基波分量濾除而得到諧波分量利用高通濾波器對負(fù)載電流中的基波分量產(chǎn)生陷波作用，使輸出信號僅含除基波分量以外的諧波分量，以此作為有源濾波的電流指令信號。第30頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（2）采用帶通濾波得到基波分量，再與被檢測電流相減，得到諧波分量。模擬檢測方法的優(yōu)點：快速、實時性強(qiáng)。缺點：難設(shè)計、誤差大、對電網(wǎng)頻率波 動和電路元件參數(shù)敏感。

現(xiàn)已極少采用2、數(shù)字計算檢測方法◆根據(jù)采集的一個電源周期的電流值進(jìn)行計算而得到諧波和無功電流。數(shù)字檢測方法的缺點：存在檢測延遲，實時性稍差。第31頁,共45頁，2024年2月25日，星期天（二）電流跟蹤控制電路功能根據(jù)補償電流的指令信號和實際補償電流之間的關(guān)系，得出控制補償電流發(fā)生電路各開關(guān)器件通斷的PWM信號，保證補償電流跟蹤其指令信號變化?？刂品椒?、瞬時值比較方式基本原理將指令值和補償電流實測值進(jìn)行比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入信號，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路開關(guān)器件的PWM信號。第32頁,共45頁，2024年2月25日，星期天電壓型電力有源濾波器a相補償?shù)难芯坷旱?3頁,共45頁，2024年2月25日，星期天2、三角波比較方式基本原理

由指令值和補償電流實測值的偏差得到指令信號，用三角波作為載波對其進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生控制主電路開關(guān)器件的PWM信號。跟蹤型PWM控制方式第34頁,共45頁，2024年2月25日，星期天四、有源電力濾波器的分類

從濾波器與補償對象的連接方式來看，可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型，目前并聯(lián)型占實用裝置的絕大多數(shù)。有源電力濾波器并聯(lián)型單獨使用與LC濾波器混合使用注入電路方式串聯(lián)型單獨使用與LC濾波器混合使用電力有源濾波器分類第35頁,共45頁，2024年2月25日，星期天

濾波器和被補償對象并聯(lián)接入電網(wǎng)，多數(shù)情況用于補償可看作電流源的諧波源。（一）并聯(lián)型濾波器1、單獨使用方式用于濾除APF開關(guān)頻率附近的諧波特點：補償電流全部由APF提供，因此要求APF有較大的容量。第36頁,共45頁，2024年2月25日，星期天2、與LC混合使用方式主要的諧波和無功分量由LC濾波器濾除，APF用于改善整體性能。優(yōu)點：所需APF的容量較小。缺點：LC濾波器與電網(wǎng)阻抗可能會發(fā)生諧振，必須對APF進(jìn)行有效控制以抑制可能發(fā)生的諧振。第37頁,共45頁，2024年2月25日，星期天3、注入電路方式分析該電路的工作原理提示：這是為降低APF容量而提出的一種新型電路。（1）C2、L在電源電壓的基波頻率附近發(fā)生串聯(lián)諧振，基波電壓絕大部分由C1承擔(dān)，APF只承受很小一部分基波電壓。（2）C1起無功補償作用。（3）APF不能補償基波無功。第38頁,共45頁，2024年2月25日，星期天濾波器和