畢業(yè)論文--電力系統(tǒng)諧波及其抑制技術(shù)

1、<p><b>　　編號　　　　　　</b></p><p>　　畢　業(yè)　設(shè)　計(jì)　報(bào) 告</p><p>　　設(shè)計(jì)題目：　　電力系統(tǒng)諧波分析及抑制技術(shù)的研究　　　　　　　　　　　　　　　　　</p><p>　　姓　　名　　　 　　　　　　</p><p>　　專業(yè)名稱　電力系統(tǒng)及其自動化　　</p&

2、gt;<p>　　班　　級 09電自3班 　　　</p><p><b>　　2013年五月</b></p><p><b>　　內(nèi)容摘要</b></p><p>　　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)對龍海電網(wǎng)的簡介了

3、解電力系統(tǒng)諧波的危害，以及對鷹潭紙業(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)。指出了其相應(yīng)的諧波管理原則和綜合治理方法，并對實(shí)際諧波治理工作進(jìn)行總結(jié)。</p><p>　　關(guān)鍵詞：電力電子； 諧波； 危害 ； 諧波抑制</p><p><b>　　目 錄</b><

4、/p><p>　　1 引言………………………………………………………………………………1</p><p>　　1.1 緒論…………………………………………………………………………1</p><p>　　1.2 諧波的基本概念……………………………………………………………2</p><p>　　1.3 諧波的產(chǎn)生及其危害……………………………………

5、…………………3</p><p>　　1.4 鷹潭市電網(wǎng)諧波情況………………………………………………………8</p><p>　　2 諧波抑制技術(shù)……………………………………………………………………12</p><p>　　2.1 降低諧波源的諧波含量……………………………………………………12</p><p>　　2.2 無源濾波器…………

6、………………………………………………………13</p><p>　　2.3 有源濾波器…………………………………………………………………16</p><p>　　2.4 防止并聯(lián)電容組對諧波的放大……………………………………………17</p><p>　　2.5 加裝靜止無功補(bǔ)償裝置……………………………………………………19</p><p>

7、;　　3 鷹潭市紙業(yè)諧波抑制治理案例……………………………………………20</p><p>　　3.1基本情況……………………………………………………………………20</p><p>　　3.2 諧波分析……………………………………………………………………21</p><p>　　3.3諧波治理方案………………………………………………………………21</p&g

8、t;<p>　　3.4 無源濾波器的設(shè)計(jì)…………………………………………………………22</p><p>　　3.5 設(shè)計(jì)參數(shù)值的計(jì)算及校驗(yàn)…………………………………………………24</p><p>　　4 結(jié)論………………………………………………………………………………26</p><p>　　參考文獻(xiàn)………………………………………………………………

9、……………27</p><p>　　致謝…………………………………………………………………………………28</p><p><b>　　1.引言</b></p><p>　　在電力系統(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

10、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，如變頻驅(qū)動或晶閘管整流驅(qū)動設(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

11、的機(jī)理，研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對改善供電質(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。</p><p><b>　　1.1 緒論</b></p><p><b>　　電能質(zhì)量</b></p><p>　　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)

12、量的一種特殊產(chǎn)品。如今，電能作為走進(jìn)市場的商品，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。現(xiàn)代社會中，電能作 為一種廣泛使用的能源，其應(yīng)用程度成為一個國家發(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，對電能的需求量日益增加，同時對電能質(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)

13、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)荷的組成比較簡單，主要由同步電動機(jī)、 異步電動機(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，使電力系統(tǒng)的非線性負(fù) 荷明顯增加

14、.</p><p>　　1.2 諧波的基本概念</p><p>　　電力系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(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。</p><p>　　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，就會產(chǎn)生不同于工頻的其它頻率的正弦電壓或電流，這些

15、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”。</p><p>　　1.3諧波的產(chǎn)生及其危害</p><p>　　1.3.1 諧波產(chǎn)生的原因</p><p>　　諧波產(chǎn)生的根本原因是由于非線性負(fù)載

16、所致。當(dāng)電流流經(jīng)非線性負(fù)載時，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，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)行時可使電流產(chǎn)生大幅度的浪涌、尖脈沖，造成電力系統(tǒng)

17、的基波產(chǎn)生畸變，形成電能污染。</p><p>　　以下以橋式全控整流電路為例介紹諧波的產(chǎn)生。</p><p>　　1.3.1.1單相橋式整流電路</p><p>　　單相橋式整流電路 輸入波形圖</p><p>　　單相橋式整流電路，當(dāng)在阻感負(fù)載且串聯(lián)電感L，且</p><p>　　忽略換相過程和電

18、流脈動，在阻感負(fù)載且串聯(lián)電感L足夠大時電流i2的波形見下圖1-1</p><p>　　圖1-1 i2波形圖</p><p>　　其中： n=1，3，5…</p><p>　　由變壓器二次側(cè)電流諧波分析可知：</p><p>　　電流中僅含奇次諧波。</p><p>　　各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的

19、比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。</p><p>　　基波電流有效值為： ，i2的有效值I=Id，</p><p>　　結(jié)合上式可得基波因數(shù)為：</p><p>　　電流基波與電壓的相位差就等于控制角，故位移因數(shù)為</p><p>　　所以，功率因數(shù)為： </p><p>　　1.3.1.2三相橋式全控整流電路</

20、p><p><b>　　三相橋式整流電路</b></p><p>　　由變壓器二次側(cè)電流諧波分析可知：</p><p>　　電流中含有奇次諧波。</p><p>　　以 =30為例，在阻感負(fù)載時，忽略換相過程和電流脈動，且直流電感L為足夠大。此時，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：&

21、lt;/p><p><b>　　圖1-2輸出波形圖</b></p><p>　　帶阻感負(fù)載a =30時的波形</p><p>　　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：</p><p>　　電流中僅含6k1（k為正整數(shù)）次諧波。</p><p>　　各次諧波有效值與諧波次數(shù)成

22、反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。</p><p>　　基波因數(shù)：，位移因數(shù)仍為：</p><p><b>　　功率因數(shù)為：</b></p><p>　　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。</p><p>　　1.3.2 諧波的危害</p

23、><p>　　對于電力系統(tǒng)來說，電力諧波的危害主要表現(xiàn)以下幾個方面：</p><p>　　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，因集膚效應(yīng)的作用，使導(dǎo)體對諧波電流的有效電阻增加，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。</p><p>　　2：增加輸

24、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，對輸電線路會造成絕緣擊穿。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。</p><p>　　3：對變壓器的危害。諧波會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)次諧波對三角形連接的變壓器，會在其繞組中形成環(huán)流，使繞組

25、過熱；對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，可形成3次諧波諧振，使變壓器附加損耗增加。</p><p>　　4：對電容器的危害。含有電力諧波的電壓加在電容器兩端時，由于電容器對諧波阻抗很小，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。</p&g

26、t;<p>　　5：對用電設(shè)備的危害。電力諧波會使電視機(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，諧波畸變會加大電動機(jī)中的損耗。使電動機(jī)的力矩下降，造成電機(jī)的振動而降低電機(jī)壽命。</p><p>　　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。</p>

27、<p>　　1.4 鷹潭市電網(wǎng)諧波源情況</p><p>　　1.4.1 鷹潭市電網(wǎng)諧波源的分布</p><p>　　鷹潭市屬于地級市。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)。</p><p>　　

28、1.4.2 鷹潭市電網(wǎng)諧波污染情況</p><p>　　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與基波分量的方均根值之比（用百分?jǐn)?shù)

29、表示）。</p><p>　　諧波電壓含量UH：U = </p><p>　　諧波電流含量IH：I = </p><p>　　電壓總諧波畸變率THDU： = x100% </p><p>　　電流總諧波畸變率THDi： = x100% </p><p>　　110kV變電所、35kV變電所的10kV母線電壓各次諧波

30、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。</p><p>　　鷹潭市電網(wǎng)有110kV變電站7座，35kV變電站3座。經(jīng)過對全市110kV變電所、35kV變電所的10kV母線進(jìn)行諧波測試，10kV母線電壓總諧波畸變率均超標(biāo)。</p><p>　　1.4.3 對電網(wǎng)的危害</p>

31、<p>　　1：諧波對并聯(lián)電容器的影響是最顯著的。一方面由于電容器阻抗和頻率成反比的特性，諧波的存在會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

32、設(shè)備的損壞，危及系統(tǒng)安全。</p><p>　　2：諧波對電力變壓器的影響。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），會影響絕緣的局部放電和介損增大，受到較大的諧波電流或電壓時會導(dǎo)致?lián)p壞（其中包括諧波過電壓使絕緣擊穿），諧波還會使變壓器噪聲增大。</p><p>

33、　　3：諧波對電力電纜的影響。由于電纜的分布電容可使諧波放大，因此諧波對電纜有較大的影響，會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。</p><p>　　4：諧波對繼電保護(hù)和自動裝置的影響。諧波的嚴(yán)重超標(biāo)容易引起繼電保護(hù)和自動裝置誤動和拒動，使微機(jī)保護(hù)動作頻繁。</p><p>　　5：諧波對網(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

34、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。</p><p><b>　　2.諧波抑制技術(shù)</b></p><p>　　在電力系統(tǒng)中對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</p><p>　　也就是在諧波源上采取措施，最大限

35、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：2.1.1增加整流器的脈動數(shù)</p><p>　　整流器是電網(wǎng)中的主要諧波源，其特征頻譜為：n＝Kp±1，則可知脈沖數(shù)p增加，n也相應(yīng)增大，而In≈I1／n，故諧波電流將減少。因此，增加整流脈動數(shù)，可平滑波形，減少諧波。如：整流相數(shù)為6相時，5次諧波電流為基波電流的18．5％，7次諧波電流為基波電

36、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4．5％，7次諧波電流下降到基波電流的3％。2.1.2脈寬調(diào)制法</p><p>　　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1／4波都是對稱的，幅值為±1，令第一個1／4周期中開關(guān)角為γi（i＝1，2，3……m），且0

37、≤γ1≤γ2≤……≤γm≤π／2。假定γ0＝0，γm＋1＝π／2，在（0，π）內(nèi)開關(guān)角α＝0，γ1，γ2，……，γm，π－γm，……，π－γ2，π－γ1。PWM波形按傅里葉級數(shù)展開，由式可知，若要消除n次諧波，只需令bn＝0，得到的解即為消除n次諧波的開關(guān)角α值。</p><p>　　2.1.3三相整流變壓器采用Y－d（Y／Δ）或D、Y（Δ／Y）的接線</p><p>　　這種接線可消除

38、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</p><p><b>　　2.2無源濾波器</b></p><p>　　無源濾波器，又稱LC濾波器，由電容器、電抗器，有時還包括電阻器等無源元件組成，以對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。</p><p>　　無源濾波器工作原理圖</p><

39、;p>　　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，即可阻止該次諧波流入電網(wǎng)。</p><p>　　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。</p><p><b>　　無源濾波器</b></p>&l

40、t;p>　　2.2.1單調(diào)諧波濾波器</p><p>　　單調(diào)濾波器及阻抗頻率特性</p><p><b>　　其原理為：</b></p><p>　　令得 =</p><p><b>　　又因?yàn)?lt;/b></p><p><b>　　推出<

41、/b></p><p>　　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，濾波器對該頻率的諧波阻抗最小，因此可以將該次諧波短路過濾。</p><p>　　2.2.2高通濾波器</p><p><b>　　圖2-1高通濾波器</b></p><p>　　高通濾波器有一階減幅型（圖

42、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。</p><p>　　這四種高通濾波器的對比：</p><p>　　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。</p><p>　　二階高通濾波器的濾波性能最好，結(jié)構(gòu)簡單，工程應(yīng)用較多，但相對于三階高通濾波器而言其基波損耗較大。</p>

43、<p>　　三角高通濾波器對基波的阻抗較大，基波的損耗很小，但濾波性能不夠好，實(shí)際應(yīng)用較少。</p><p>　　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)用價值，但它是通過犧牲較大的投資來換取較小的基波損耗，而且它對基波頻率偏差及元件參數(shù)變化比較敏感。</p><p>　　二階高通濾波器對n次諧波的阻抗為：</p&

44、gt;<p>　　二階高通濾波器阻抗頻率特性</p><p>　　2.2.3雙調(diào)諧濾波器</p><p>　　雙調(diào)諧濾波器及阻抗頻率特性</p><p>　　如圖2-5所示為雙調(diào)諧濾波器的原理圖，它有兩個諧振頻率，能同時 吸收這兩個頻率的諧波，其作用等效于兩個并聯(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)

45、相加組成，濾波器阻抗： </p><p>　　采用雙調(diào)諧濾波器代替兩個單調(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，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)諧濾波器比兩個單調(diào)諧濾波器成本低，近年來在一些高壓電流輸電工程中得到了應(yīng)用。</p><p>　　由于具

46、無源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、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?。但無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。</p><p><b>　　2.3有源濾波器</b></p><p>　　即利用可控

47、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)時補(bǔ)償諧波電流的目的。</p><p>　　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)；在性價比上較為合理；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；具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補(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

48、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電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展。</p><p>　　有源諧波調(diào)節(jié)器的基本工作原理如下圖</p><p>　　有源諧波調(diào)節(jié)器的基本工作原理</p><p>　　有源諧波調(diào)節(jié)器工作原理框圖如下圖</p><p>

49、　　有源諧波調(diào)節(jié)器工作原理框圖</p><p>　　指令電流檢測電路從負(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。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?。根?jù)同樣的原理，電力有源濾波器還能對不對稱三相電路的負(fù)序電流分量進(jìn)行

50、補(bǔ)償。</p><p>　　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)儲能元件的不同，可分為電壓型APF(儲能元件為電容)和電流型APF(儲能元件為電感)。電壓型APF在工作時需對直流側(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在工作時需對直流側(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)是損耗較少，

51、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)器件不會發(fā)生直通短路現(xiàn)象，隨著超導(dǎo)儲能磁體研究的進(jìn)展，也將促進(jìn)多功能電流型APF投入實(shí)用。</p><p>　　2.4防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大</p><p>　　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。

52、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，不會產(chǎn)生諧振。當(dāng)諧波存在時，在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全。</p><p>　　在未加Xc前，略去電阻，諧波源In母線處的諧波電壓為：</p><p><b>　??；</b></p><p>　　并聯(lián)了補(bǔ)償電容器后，則諧波源的輸入諧波電抗為：

53、</p><p>　　此時諧波電壓： </p><p>　　注入系統(tǒng)的諧波電流：</p><p>　　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。</p><p>　　如果對應(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

54、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，避免電容器對諧波的放大。</p><p>　　2.5加裝靜止無功補(bǔ)償裝置</p><p>　　快速變化的諧波源，如：電弧爐、電力機(jī)車和卷揚(yáng)機(jī)等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動

55、和閃變，有的還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。</p><p>　　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）。通過對電抗器進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以使整個裝置平滑地從發(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)

56、快速。</p><p>　　在諧波源處并聯(lián)裝設(shè)靜止無功補(bǔ)償裝置，可有效減小波動的諧波量，同時，可以抑制電壓波動、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。</p><p>　　3.鷹潭造紙廠諧波抑制治理案例</p><p>&

57、lt;b>　　3.1基本情況</b></p><p>　　鷹潭造紙廠由一臺型號為S11-2000/35-0.4 容量：2000kVA 阻抗：6.135%的變壓器供電。負(fù)荷包括制漿動力約為45%(529.3 kVA)，造紙動力約為40%（457.8 kVA），鍋爐動力約為10%（112.3 kVA），及其他5%，共1120 kVA，系統(tǒng)的短路阻抗為25%。動力裝置大都采用變頻裝置。造紙廠一天24小

58、時連續(xù)不間斷工作，負(fù)荷變化比較平穩(wěn)。4組電容器柜將功率因素由大約0.60補(bǔ)償?shù)?.97。每個電容器柜由10個三相電容器并聯(lián)而成，共補(bǔ)償無功40*25=1000 kvar。功率因素雖然很高，但是無功補(bǔ)償裝置工作情況不穩(wěn)定，低壓無功補(bǔ)償裝置經(jīng)常出現(xiàn)熔斷器過熱燒毀、電容器頻繁投切和過流損壞等問題，頻繁投切乃至損壞，給廠方造成了一定損失。</p><p>　　由于造紙廠三班工作制，負(fù)荷變化情況比較平穩(wěn)；所以可以使用短時間

59、的測量數(shù)據(jù)來估計(jì)長期的負(fù)荷諧波情況。對總線、電容柜、#1動力柜、#2動力柜和#3動力柜進(jìn)行了連續(xù)半小時的監(jiān)測。監(jiān)測電壓為低壓側(cè)母線和地線間的A、B和C相的三相相電壓，監(jiān)測電流為原測量回路的電流互感器的A、B和C相三相相電流。同時監(jiān)視和記錄三相電壓和電流，采樣頻率采用4800Hz，每間隔一分鐘對三相電壓和三相電流采樣一次，每次采樣時長為0.25s。</p><p><b>　　采集到的數(shù)據(jù)如下：</

60、b></p><p><b>　　1 母線</b></p><p>　　總的諧波畸變率THDU =4.7%，THDI =22.3% </p><p>　　諧波電流與基波電流的有效值</p><p>　　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。</p><p><b&g

61、t;　　2 無功補(bǔ)償裝置</b></p><p>　　電容柜電流的諧波水平</p><p>　　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%</p><p>　　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，所以所測的電容

62、電流為實(shí)際電容電流的一半。</p><p><b>　　負(fù)荷</b></p><p>　　造紙負(fù)荷主要是各種動力裝置，如制漿動力，造紙動力，鍋爐動力等，總?cè)萘空嫉饺珡S的81%。</p><p><b>　　3.2諧波分析</b></p><p>　　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，

63、產(chǎn)生了大量的諧波，在母線上測得的數(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)電容器組對諧波進(jìn)行了放大，造成電容柜的電流畸變十分嚴(yán)重。</p><p>　　因此對于該廠諧波治理主要以治理母線上5次諧波為主。</p><p><b>　　3.3諧波治理方案</b></p><p>　　電容器組的投入放

64、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。</p><p>　　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。<

65、/p><p>　　3.4無源濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　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。</p><p>　　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；</p><p>　　2．根據(jù)諧波電流的大小計(jì)算所需電容器C的容量，計(jì)算公式為</p><p>　　其中為電容器

66、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；</p><p>　　3．根據(jù)計(jì)算出所需電容C的大小，計(jì)算公式為</p><p>　　其中為系統(tǒng)的基波角速度，為電容器的額定電壓；</p><p>　　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</p><p>　　

67、其中n為諧波電流次數(shù)，為了增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，計(jì)算時基波頻率取49.7Hz；</p><p>　　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30－60，假設(shè)電抗器電阻為，則需要加的電阻器R的大小為</p><p>　　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；</p><p>　　6．得到濾波器參數(shù)C、L、R之后，計(jì)算出率特性，根

68、據(jù)圖4所示模型計(jì)算流入電網(wǎng)的諧波電流</p><p><b>　　諧波源負(fù)載模型</b></p><p>　　圖中諧波源等效為一個電流源并聯(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</p><p>　　流入電網(wǎng)的諧波電流為</p><p>　　若流入電網(wǎng)的諧波電流滿

69、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；</p><p>　　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)；</p><p>　　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)；</

70、p><p>　　9．當(dāng)C、L、R參數(shù)滿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</p><p>　　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。</p><p>　　3.5設(shè)計(jì)參數(shù)值的計(jì)算及校驗(yàn)</p><p>　　3.5.1 設(shè)計(jì)參數(shù)值的計(jì)算：變壓器

71、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</p><p>　　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</p><p>　　Sd1= 1.12/25%=4.48MVA</p><p>　　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30

72、MVA。</p><p>　　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</p><p>　　I1=I5/ U5（%）=267.81/21.44%≈1250A</p><p>　　如果不考慮補(bǔ)償電容的影響，5次諧波電流約為250A</p><p>　　設(shè)定此濾波器濾掉70%的諧波電流，Ih5取250A即250

73、×70%=175A。設(shè)定諧振頻率在諧振頻率在247Hz。</p><p>　　所以諧波電流有效值，相電壓有效值取220V</p><p>　　=1265*220=278300VA</p><p>　　所以設(shè)計(jì)單相補(bǔ)償320kvar(由無功補(bǔ)償裝置生產(chǎn)廠家提供的型號選擇)，三相共補(bǔ)償960kvar，電容器組額定電壓取300V</p><p

74、>　　單相電容總量應(yīng)為 =0.011392 F</p><p>　　根據(jù)濾波器原理可得電抗 ≈36.7uH</p><p>　　Xc＝1／(2πf5C)代入計(jì)算得XC為0.2812 Ω</p><p>　　XL＝2πf5L代入計(jì)算得XL=0.01153 Ω</p><p>　　3.5.2參數(shù)值的校驗(yàn)</p>

75、<p><b>　?。?）過電壓校驗(yàn)</b></p><p>　　Ucn 為300V，Uc1為220V，∑Uch≈8.24+3.586+1.056+0.2028=13.48V</p><p>　　Uc1+∑Uch≈220+13.48＜1.1Ucn，滿足過電壓要求。</p><p><b>　　（2）過電流校驗(yàn)</b

76、></p><p>　　Icn=125A，Ic1=1250A</p><p><b>　　≈=1280</b></p><p><b>　　＜1.3Icn</b></p><p><b>　　滿足過電流的要求</b></p><p><b&g

77、t;　?。?）容量平衡校驗(yàn)</b></p><p>　　Qc1=220*1250=275000</p><p>　　Qc1+∑Qch≈275000+267.81*8.24+45.21*3.586+35.85*1.056+</p><p>　　7.58*0.2028＜Qcn</p><p>　　滿足容量平衡的要求。</p>

78、;<p><b>　　4 結(jié)論</b></p><p>　　隨著我國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，通過無源濾波器進(jìn)行諧波治理將會有巨大的市場潛力。通過企業(yè)的諧波治理，將給龍海電網(wǎng)減小諧波帶來的危害。綜合動態(tài)的諧波治理措施并同時考慮電網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償問題，是電力企業(yè)當(dāng)前面臨的一大課題。但是要消除諧波污染，除在電力系統(tǒng)中大力發(fā)展高效的濾波措施外，還必須依靠全社會的努力，在設(shè)計(jì)、制造和

79、使用非線性負(fù)載時，采取有力的抑制諧波的措施，減小諧波侵入電網(wǎng)，從而真正減少由于諧波污染帶來的巨大經(jīng)濟(jì)損失。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 郝江濤，劉念等，單相及三相電路諧波和無功電流的檢測研究，《高電壓技術(shù)》，2005年第三期</p><p>　　[2] 陳振生，《電網(wǎng)諧波的危害及抑制技術(shù)》</

80、p><p>　　[3] 王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，《諧波抑制和無功功率補(bǔ)償》，北京：機(jī)械工業(yè)出版社</p><p>　　[4]李紅, 楊善水. 傅立葉電力系統(tǒng)諧波檢測方法綜述[J]. 現(xiàn)代電力, 2004, 21(4): 39-44.</p><p>　　[5] GB/T14549-93，電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波[s]．</p><p>　　[6] 蔣

81、麥占. 無源濾波器和并聯(lián)電容器的應(yīng)用[J]. 變頻器世界, 2006, 3:106-112.</p><p>　　[7] 吳鏑, 肖海紅. 變壓器容量測試儀的原理及開發(fā)要點(diǎn)[J]. 供用電, 2006, 23(6): 24-28.</p><p>　　[8] 趙賀, 林海雪. 單調(diào)諧濾波電容器參數(shù)選擇的工程方法[J]. 電網(wǎng)技術(shù), 2006, 30(20):52-55.</p>

82、<p>　　[9] 張喜驗(yàn), 田瀅, 蘇悅業(yè)等. 無源濾波器在抑制電網(wǎng)諧波中的作用[J]. 山東科學(xué), 2006, 19(5): 62-65.</p><p>　　[10] 吳競昌．供電系統(tǒng)諧波［M］．北京：中國電力出版社，1998．</p><p>　　[11]翁利民．抑制電力系統(tǒng)高次諧波的有效方法［J］．電力電容器，1998（4）．</p><p>

83、;　　[12]劉進(jìn)軍，陳瑞安．瞬時無功功率與傳統(tǒng)功率理論的統(tǒng)一數(shù)學(xué)描述及物理意義．電工技術(shù)學(xué)報(bào)，1998，（12）</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文是在導(dǎo)師xxx老師的悉心指導(dǎo)下完成的。鄭老師誨人不倦的工作作風(fēng)，一絲不茍的工作態(tài)度，嚴(yán)肅認(rèn)真的治學(xué)風(fēng)格給我留下深刻的影響，讓我終生受益，值得我永遠(yuǎn)學(xué)習(xí).x老師從一開始的論文方向的選定，