谐波抑制和无功补偿装置

单击此处编辑母版标题样式,第二章 谐波抑制和无功补偿装置,2.1,概述,2.3,静止无功发生器（,SVG,）,2.2,静止无功补偿装置,（,SVC,）,2.4,有源电力滤波器（,APF,）,2.1,概述,一、谐波和无功功率的产生,阻感负载必须吸收无功功率才能工作；,电力电子装置等非线性也要消耗,无功功率；,用电装置的非线性造成畸变电流；,二、,无功功率的影响和谐波的危害,1,、无功功率的影响,（,1,）使设备容量增大，从而造成设备投资费用增大；,（,2,）设备及线路损耗增加；,（,3,）引起供电点电压波动。,2,、谐波的危害,（,1,）谐波使公用电网中的元件产生附加谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率；,（,2,）谐波影响电器设备正常工作；,（,3,）谐波会导致公用电网局部并联谐振和串联谐振，从而更放大了谐波，加剧了危害；,（,4,）谐波导致自动装置误动作，使测量仪表不准确，干扰通信系统等。,三、补偿无功、抑制谐波的途经,1,、提高用电设备自身的功率因数、减小谐波,（1）增加整流电路相数，使网侧电流正弦化；,（2）尽量使整流装置在较小的,下运行；,（,3,）采用多重化技术波形迭加，消除低次谐波；,（4）利用,D,技术,（,5,）,PWM,整流器,2,、加补偿装置,在电力系统中，常见的无功补偿装置有：,（,1,）同步发电机,调整励磁电流，使其在超前功率因数下运行，输出有功功率的同时输出无功功率。,（,2,）同步调相机,一种专门用来产生无功功率的同步电机，是一种不带机械负载的可以过励磁（经常的运行状态）或欠励磁（较少的运行状态）运行的同步电动机。,（,3,）并联电容器,可提供超前的无功功率，多装设于降压变电所内，也可就地补偿。,（,4,）并联电抗,用在超高压系统线路上吸收无功功率，防止末端电压升高。,（,5,）静止无功补偿装置,具有调相机的功能，使用广泛，但投资大。,在电力系统中，常见的谐波抑制装置有：,（,1,）,LC,滤波器,（,2,）有源电力滤波器,本章主要介绍适合于动态无功补偿的,静止无功补偿装置,和适合于动态无功补偿、谐波抑制的,有源电力滤波器。,2.2,静止无功补偿装置,(SVC),一、并联电容器补偿无功功率的原理,二、静止无功补偿装置,静止无功补偿装置，适用于无功负荷频繁变化的场合,它要求补偿装置具有快速性和无过渡过程。,按其元件与结构的不,同，主要有以下几种,型式：,1.自饱和电抗器型,(Saturated ReactorSR,）,静止无功补偿装置,固定电容器组,自饱和电抗器,自饱和电抗器工作原理,自饱和电抗器无功补偿装置依靠电抗器自身固有的能力来稳定电压，它利用铁心的饱和特性，使滞后的无功功率随端压的升降而增减。工程上，一般将饱和电抗器的铁心设计在超过磁化曲线转折处运行，此时铁心完全饱和，饱和电抗器就象空心电抗器一样，电压与电流保持线性关系。,当母线电压升高时，按特性曲线滞后电流增加，该电流在网络电抗,X,S,上产生压降，从而维持系统电压不变；反之，当母线电压波动下降时，则超前电流增加，该电流在网络电抗,X,S,上产生压升，从而维持系统电压不变。,静止无功补偿装置,2.可控饱和电抗器型,(Controlled Saturated ReactorCSR,）,静止无功补偿装置,工作原理,：它通过改变控制绕组中的电流大小来控制铁心的饱和程度，从而改变工作绕组的感抗，以改变交流工作电流,i,L,的大小,。,3.晶闸管控制电抗器型（,Thyrist Controlled Reactor,TCR）,工作原理：,通过改变晶闸管的触发相位角来控制了通过电抗器的电流，从而控制了装置吸收的无功功率。,5,.,晶闸管开关电容器组加晶闸管控制电抗器（,TSC+TCR）,工作原理：,按所需的无功补偿量投入适当组数的的,TSC,并略有过补偿，再通过,TCR,吸收的感性无功来抵消这部分过补偿的无功功率，实现全补偿。（,TSC,、,TCR,的工作原理与前面所述的相同）,2.3,静止无功,发生器（,SVG,）,一、,SVG,的发展史,静止无功发生器（,SVG,）又称为全半导体型无功补偿器。,1972,年，日本学者首先提出了用半导体变流器实现无功补偿的基本思想；,1976,年，美国学者,L.Gyugyi,提出了,SVG,的拓朴结构；,1980,年，日本研制出了,20MVA(SCR),无功补偿装置；,1987,年，美国研制出了,1MVA(GTO),无功补偿装置；,1991,年，日本研制出了,80MVA(GTO),无功补偿装置；,1994,年，美国研制出了,100MVA(GTO),无功补偿装置；,清华大学研制出了,300KVA(GTO),无功补偿装置。,2.3,静止无功,发生器（,SVG,）,二、,SVG,的基本结构,所谓,静止无功发生器（,SVG,）是指采用自换相,桥式,变流器来进行动态无功补偿的装置。其拓朴结构如下：,用于减小交流侧谐波电流,用于吸收换相过电压,用于提供直流电压,用于提供直流电流,三、基本原理（以电压型为例）,SVG,基本原理,通过调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，使该电路吸收或发出满足要求的无功电流，从而实现无功补偿。,新型静止无功发生器（,SVG,）,电压型,SVG,可等效为幅值与相位均可以控制的、与电网同频率的交流电压源，它通过交流电抗器连接到电网上。,(,b),(c),新型静止无功发生器（,SVG,）,1,、理想系统（,不考虑,SVG,的损耗,）工作情况分析,(b),图：,当,SVG,输出电压的幅值大于系统电压幅值时,，为实现逆变电压与交流系统间的耦合，电抗压降起着抵消逆变电压的作用，系统电流必超前电网电压,90,0,运行，因此，,SVG,吸收超前的无功功率，起着电容器的作用；,c),图,：,而当,SVG,输出电压的幅值小于系统电压幅值时,，电抗压降起着补偿逆变电压的作用，系统电流必滞后电网电压,90,0,运行，,SVG,吸收滞后,的无功功率，起电抗器的作用,。,当,SVG,输出电压的幅值与系统电压幅值相等时，,SVG,与交流系统之间没有无功功率的交换。,2,、实际系统工作情况分析,在实际的系统控制中，考虑到存在功率损耗，并将总的损耗集中作为连接电抗器的电阻考虑。,新型静止无功发生器（,SVG,）,改变,角，则电流的相位和大小也随之改变，,SVG,从电网吸收的无功功率也因此得到调节。,电流滞后,电流超前,单相等效电路,四、,SVG,与,SVC,的性能比较,新型静止无功发生器,ASVG,）,1,、直流侧电容容量相对较小，成本较低,对于三相平衡系统，无功功率瞬时值之和等于零。因此直流侧电容只是为,SVG,提供一个直流电压，并不与交流侧交换无功能量，只要开关频率足够高，直流侧电容容量就可以足够小。,2,、补偿范围大,从补偿器的电压,电流特性看，,SVC,的补偿特性不受电网电压的影响，即使在系统电压很低的情况下，仍能吸收额定无功电流。,3,、谐波分量小,采用先进的控制方式，,SVG,的输出电压谐波含量可以很小。由于谐波含量小，因此,SVG,输出端一般不需要采用滤波器，这样可减小整个装置的成本和体积。,4,、调节速度快,SVG,有更快的动态响应速度，在抑制系统的功率震荡和提高系统稳定性方面，,SVG,的效果很好。,五、有关,SVG,的主要研究课题,新型静止无功发生器,ASVG,）,1,、无功电流的检测理论、检测方法,要求准确、快速,。,2,、无功电流参考值的获取（算法）,要求准确、快速。,3,、,PWM,控制方式,在不牺牲系统性能指标的情况下，减小开关频率。,4,、控制理论,提高动态响应速度、控制精度。,5,、主电路研究,六、,SVG,的主要应用领域,新型静止无功发生器,ASVG,）,除了用于一般电气系统的无功补偿之外，灵活交流输电系统（,FACTS,）将是,SVG,的主要应用领域。,柔性交流输电系统（,FACTS,）简介,柔性交流输电系统的,定义,(1995,年）：一类以电力电子技术为基础并具有其它静止控制器的交流传输设备，它们能够增强电网的可控能力并增大输电容量,。,FACTS,实际上是一类快速控制功率设备的集合，它们能够控制电网的有功、无功、电抗及相角等参数。,FACTS,的种类,：,表,1,中的,STATCOM,、,SSSC,及,UPFC,是,FACTS,家族中最关键的设备。,STATCOM,问世于,20,世纪,80,年代，将会取代较早出现的,SVC,。,FACTS,部分设备的功能,：,表,1,中部分设备作用于电网的功能如表,2,所示。,FACTS,典型应用实例,：,FACTS,家族部分设备的应用实例如表,3,所示。,一、问题的提出：,电力电子装置的使用给电力系统带来了谐波污染问题。,2.4,电力有源滤波器,（,APF,）,例：,从电力系统来看，整流电路是消耗基波有功电流的负载，同时又是基波无功电流和谐波电流的发生源。,问题的提出,解决电力电子装置和其他谐波源谐波污染问题的基本思路：,对装置本身进行改造，使其不产生谐波、不消耗无功功率、或控制其功率因数；,装设补偿装置，补偿其产生的谐波。,本节主要讨论第二种思路,目前的趋势是，,利用电力电子装置的优良控制特性,来滤波和补偿无功，这种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型,电力,电子,装置,就是,电力有源滤波器,，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿。,电力有源滤波器原理,二、电力有源滤波器的基本原理,(,以并联型为例）,三,、电力,有源滤波的两个核心问题,作为电力有源滤波器的方式虽有各种方案，,但,控制上可归结为两个问题,：,检测器能从畸变电流中取得与补偿电流相应的指令值；,变流装置能追随指令值产生补偿电流。,电力有源滤波的核心问题,（一）补偿电流指令的获得,（谐波和无功电流检测）,1,、模拟检测方法,（,1,）,采用陷波器将基波分量滤除而得到谐波分量,利用高通滤波器对负载电流中的基波分量产生陷波作用，使输出信号仅含除基波分量以外的谐波分量，以此作为有源滤波的电流指令信号。,（,2,）,采用带通滤波得到基波分量，再与被检测电流相减，得 到谐波分量。,模拟检测方法的优点：,快速、实时性强。,缺点：,难设计、误差大、对电网频率波 动和电路元件参数敏感。,现已极少采用,2,、数字计算检测方法,根据采集的一个电源周期的电流值进行计算而得到谐波和无功电流。,数字检测方法的缺点：,存在检测延迟，实时性稍差。,（二）电流跟踪控制电路,功能,根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的关系，得出控制补偿电流发生电路各开关器件通断的,PWM,信号，保证补偿电流跟踪其指令信号变化,。,控制方法,1,、,瞬时值比较方式,基本原理,将指令值和补偿电流实测值进行比较，两者的偏差作为滞环比较器的输入信号，通过滞环比较器产生控制主电路开关器件的,PWM,信号。,电压型电力有源滤波器,a,相补偿的研究,例：,2,、,三角波比较方式,基本原理,由指令值和补偿电流实测值的偏差得到指令信号，用三角波作为载波对其进行脉宽调制，产生,控制主电路开关器件的,PWM,信号,。,跟踪型,PWM,控制方式,四、有源电力滤波器的分类,从滤波器与补偿对象的连接方式来看，可分为并联型和串联型，目前并联型占实用装置的绝大多数。,有源电力滤波器,并联型,单独使用,与,LC,滤波器混合使用,注入电路方式,串联型,单独使用,与,LC,滤波器混合使用,电力有源滤波器分类,滤波器和被补偿对象并联接入电网，多数情况用于补偿可看作电流源的谐波源。,（一）并联型滤波器,1,、单独使用方式,用于滤除,APF,开关频率附近的谐波,特点：,补偿电流全部由,APF,提供，因此要求,APF,有较大的容量。,2,、与,LC,混合使用方式,主要的谐波和无功分量由,LC,滤波器滤除，,APF,用于改善整体性能。,优点：,所需,APF,的容量较小。,缺点：,LC,滤波器与电网阻抗可能会发生谐振，必须对,APF,进行有效控制以抑制可能发生的谐振。,3,、注入电路方式,分析该电路的工作原理,提示：,这是为降低,