諧波抑制和無功補(bǔ)償裝置詳解課件

1、第二章 諧波抑制和無功補(bǔ)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(bǔ)償裝置（SVC）2.4 有源電力濾波器（APF）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；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(fèi)用增大；（2）設(shè)備及線路損耗增加；（3）引起供電點(diǎn)電壓波動(dòng)。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(huì)導(dǎo)致公用電網(wǎng)局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)

2、諧振，從而更放大了諧波，加劇了危害；（4）諧波導(dǎo)致自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使測量儀表不準(zhǔn)確，干擾通信系統(tǒng)等。 三、補(bǔ)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下運(yùn)行；（3）采用多重化技術(shù)波形迭加，消除低次諧波；（4）利用D技術(shù)（5）PWM整流器2、加補(bǔ)償裝置 在電力系統(tǒng)中，常見的無功補(bǔ)償裝置有：（1）同步發(fā)電機(jī) 調(diào)整勵(lì)磁電流，使其在超前功率因數(shù)下運(yùn)行，輸出有功功率的同時(shí)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(lì)磁（經(jīng)常的運(yùn)行狀態(tài)）或欠勵(lì)磁（較少的運(yùn)行狀態(tài)）運(yùn)行

3、的同步電動(dòng)機(jī)。（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(bǔ)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(bǔ)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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)撵o止無功補(bǔ)償裝置和適合于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、諧波抑制的有源電力濾波器。2.2 靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC)一、并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率的原理二、靜止無功補(bǔ)償裝置 靜止無功補(bǔ)償裝置，適用于無功負(fù)荷頻繁變化的場合,它要求補(bǔ)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

4、幾種型式： 1.自飽和電抗器型(Saturated ReactorSR）靜止無功補(bǔ)償裝置固定電容器組自飽和電抗器 自飽和電抗器工作原理 自飽和電抗器無功補(bǔ)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(jì)在超過磁化曲線轉(zhuǎn)折處運(yùn)行，此時(shí)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(shí)，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(dòng)下降時(shí)，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(bǔ)償裝置

5、2.可控飽和電抗器型(Controlled Saturated ReactorCSR）靜止無功補(bǔ)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。 3.晶閘管控制電抗器型（Thyrist Controlled Reactor 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。 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(bǔ)償量投入適當(dāng)組數(shù)的的TSC并略有過補(bǔ)償，再通過TCR吸收的感性無功來抵消這部分過補(bǔ)償?shù)臒o功功率，實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償。（TSC

6、、TCR的工作原理與前面所述的相同） 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(bǔ)償器。 1972年，日本學(xué)者首先提出了用半導(dǎo)體變流器實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)幕舅枷耄?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(bǔ)償裝置；1987年，美國研制出了1MVA(GTO)無功補(bǔ)償裝置；1991年，日本研制出了80MVA(GTO)無功補(bǔ)償裝置；1994年，美國研制出了100MVA(GTO)無功補(bǔ)償裝置； 清華大學(xué)研制出了300KVA(GTO)無功補(bǔ)償裝置。 2.3 靜止無功發(fā)生器（SVG） 二

7、、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(dòng)態(tài)無功補(bǔ)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(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)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。(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(b) 圖： 當(dāng)SVG輸出

8、電壓的幅值大于系統(tǒng)電壓幅值時(shí)，為實(shí)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(yùn)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(shí)，電抗壓降起著補(bǔ)償逆變電壓的作用，系統(tǒng)電流必滯后電網(wǎng)電壓900 運(yùn)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(shí)，SVG與交流系統(tǒng)之間沒有無功功率的交換。 2、實(shí)際系統(tǒng)工作情況分析 在實(shí)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

9、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(shí)值之和等于零。因此直流側(cè)電容只是為SVG提供一個(gè)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(bǔ)償范圍大 從補(bǔ)償器的電壓電流特性看，SVC的補(bǔ)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

10、個(gè)裝置的成本和體積。4、調(diào)節(jié)速度快 SVG有更快的動(dòng)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。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?要求準(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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、控制精度。5、主電路研究六、 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(bǔ)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。柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）簡介柔性交流輸電系統(tǒng)

11、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(shí)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)。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(huì)取代較早出現(xiàn)的SVC。 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。FACTS典型應(yīng)用實(shí)例：FACTS家族部分設(shè)備的應(yīng)用實(shí)例如表3所示。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。2.4 電力有源濾

12、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(shí)又是基波無功電流和諧波電流的發(fā)生源。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(bǔ)償裝置，補(bǔ)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(bǔ)償無功，這種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)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(bǔ)償。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） 三、電力 有源濾波的兩個(gè)核心問題 作為電力有源濾波

13、器的方式雖有各種方案，但控制上可歸結(jié)為兩個(gè)問題： 檢測器能從畸變電流中取得與補(bǔ)償電流相應(yīng)的指令值 ； 變流裝置能追隨指令值產(chǎn)生補(bǔ)償電流。電力有源濾波的核心問題（一）補(bǔ)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(hào)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(hào)。（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(diǎn)：快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。 缺點(diǎn)：難設(shè)計(jì)、誤差大、對電網(wǎng)頻率波 動(dòng)和電路元件參數(shù)敏感。 現(xiàn)已極少采用2、數(shù)字計(jì)算檢測方法 根據(jù)采集的一

14、個(gè)電源周期的電流值進(jìn)行計(jì)算而得到諧波和無功電流。數(shù)字檢測方法的缺點(diǎn)：存在檢測延遲，實(shí)時(shí)性稍差。（二）電流跟蹤控制電路功能 根據(jù)補(bǔ)償電流的指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的關(guān)系，得出控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路各開關(guān)器件通斷的PWM 信號(hào)，保證補(bǔ)償電流跟蹤其指令信號(hào)變化?？刂品椒?、瞬時(shí)值比較方式 基本原理 將指令值和補(bǔ)償電流實(shí)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(hào)，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(hào)。電壓型電力有源濾波器a相補(bǔ)償?shù)难芯坷?、三角波比較方式 基本原理 由指令值和補(bǔ)償電流實(shí)測值的偏差得到指令信號(hào)，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(hào)。跟蹤

15、型PWM控制方式四、有源電力濾波器的分類 從濾波器與補(bǔ)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(shí)用裝置的絕大多數(shù)。有源電力濾波器并聯(lián)型單獨(dú)使用與LC濾波器混合使用注入電路方式串聯(lián)型單獨(dú)使用與LC濾波器混合使用電力有源濾波器分類 濾波器和被補(bǔ)償對象并聯(lián)接入電網(wǎng)，多數(shù)情況用于補(bǔ)償可看作電流源的諧波源。（一）并聯(lián)型濾波器1、單獨(dú)使用方式用于濾除APF開關(guān)頻率附近的諧波特點(diǎn)： 補(bǔ)償電流全部由APF提供，因此要求APF有較大的容量。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(diǎn)：所需APF的容量較小。缺點(diǎn)：LC濾波器與電網(wǎng)阻抗可能會(huì)發(fā)生諧振，必

16、須對APF進(jìn)行有效控制以抑制可能發(fā)生的諧振。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(bǔ)償作用。（3）APF不能補(bǔ)償基波無功。濾波器和被補(bǔ)償對象串聯(lián)接入電網(wǎng)，主要用于補(bǔ)償可看作電壓源的諧波源，使供電點(diǎn)電壓成為正弦。（二）串聯(lián)型濾波器1、單獨(dú)使用方式 APF可看作可變阻抗，它對基波的阻抗為零，對諧波呈現(xiàn)高阻抗，即APF起諧波隔離作用。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。五、電流型電力有源濾波器的多脈寬調(diào)制 1、基本結(jié)構(gòu)2、調(diào)制方式