電力系統(tǒng)諧波抑制及無功補償方法的研究

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文 獻 綜 述 報 告研 究 方 向 ： 電力系統(tǒng)諧波抑制及無功補償方法的研究研究生： 學 號： 指導教師： 專 業(yè)： 電氣工程文獻綜述21 世紀能源與環(huán)境問題成為人類發(fā)展必須面對的重要問題，如何在保證可持續(xù)發(fā)展和保持良好環(huán)境的前提下為人類提供安全可靠、優(yōu)質經(jīng)濟的電能，是電力系統(tǒng)面臨的主要問題。國家“十一五”規(guī)劃《綱要》提出推進國民經(jīng)濟和社會信息化，切實走新型工業(yè)化道路，堅持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。綱要明確指出：通過開發(fā)推廣節(jié)能技術，實現(xiàn)技術節(jié)能。為電力工業(yè)的建設提出了明確要求。 [1]電力系統(tǒng)也是一種“環(huán)境” ，面臨著污染，各種電力電子裝置所消耗的無功功率使電網(wǎng)的供電質量惡化，公用電網(wǎng)中的諧波電流和諧波電壓是對電網(wǎng)環(huán)境影響最嚴重的一種污染。 [2]一方面是因為電力電子裝置自身的非線性使得電網(wǎng)電壓、電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生了嚴重的諧波污染；另一方面是因為大多數(shù)電力電子裝置本身功率因數(shù)很低，其無功需求給電網(wǎng)帶來額外負擔，會嚴重影響電網(wǎng)供電質量。[3]無功、諧波給電力系統(tǒng)和用戶帶來的負面影響主要有增大各類電氣設備的額定電壓和額定電流，引起額外的功率損耗，導致設備用電效率降低；“諧波影響各種電氣設備的正常工作，導致繼電保護和自動控制裝置的誤動作；對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，使其無法正常工作；諧波會引起公用電網(wǎng)中局部的并聯(lián)和串聯(lián)諧振” [4]電網(wǎng)的諧波和無功問題日益突出，整個供配電系統(tǒng)的安全運行存在較大的隱患。世界各國電力系統(tǒng)近年來紛紛采用了動態(tài)無功補償裝置和諧波治理裝置來提高電網(wǎng)的電能質量。 [5]電力電子裝置的廣泛應用,不但要消耗大量的無功功率,還有產(chǎn)生大量的諧波電流。因此,進一步深入無功補償和諧波抑制的研究具有非常重要的意義，對無功補償和諧波抑制的方法研究是今后一個重大研究課題。 [6]1.國內外無功補償和諧波抑制的研究1.1 國內外無功補償?shù)难芯繜o功功率補償技術隨著電力系統(tǒng)的出現(xiàn)而出現(xiàn)，并隨著電力工業(yè)的發(fā)展和電力負荷的多樣性而不斷進步。電力系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在已出現(xiàn)三代無功補償技術：同步發(fā)電機補償、同步調相機補償、并聯(lián)電容器補償、并聯(lián)電抗器補償?shù)葘儆诘谝淮a償技術；基于自然關斷晶閘管技術的 SVC（相控電抗器（TCR） 、磁控電抗器(MCR)）屬于第二代無功補償技術；基于IGBT、IGCT 等大功率可控器件的補償裝置 SVG(Static VAR Genarator)屬于第三代無功補償技術。SVG 是當前世界上最先進也是最復雜的補償技術產(chǎn)品，它不再采用大容量的電容器、電抗器，而是通過大功率電力電子器件的高頻開關實現(xiàn)無功補償?shù)淖儞Q，在響應速度、穩(wěn)定電網(wǎng)電壓、降低系統(tǒng)損耗、增加傳輸能力、提高瞬變電壓極限、降低諧波和減少占地面積等多方面具有更加優(yōu)越的性能。 [7]在國內，目前機械投切電容器的方式比較普遍。尤其加入控制系統(tǒng)后，在負荷波動幅度和頻率變化不大，對響應速度要求不高的配電網(wǎng)絡中，MSC 以其優(yōu)良的性價比，依然具有廣泛的市場。目前國內比較先進，且占據(jù)一定市場份額的動態(tài)無功補償裝置是 SVC。 [8]SVC 接入系統(tǒng)中,電容器提供固定的容性無功 Qc,補償電抗器通過的電流決定了補償電抗器輸出感性無功 QTCR 的大小,感性無功和容性無功相抵消,只要能做到系統(tǒng)無功 Qn=Qv(系統(tǒng)所需)-Qc+QTCR=常數(shù)(或 0),則能實現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)=常數(shù),電壓幾乎不波動,關鍵是準確控制晶閘管的觸發(fā)角,得到所需的流過補償電抗器的電流,晶閘管變流裝置和控制系統(tǒng)能夠可使 TCR 既能吸收感性無功功率也能吸收容性無功功率。 [9]1995 年清華大學和河南省電力局共同研制我國首臺作為工業(yè)試驗裝置的±300 kvarSVGtl9，1999 年清華大學和河南省電力局研制出具有工業(yè)應用水平的采用 GTO 的±20 Mvar SVG 且并網(wǎng)成功。 [10]該裝置在建模、主電路及參數(shù)設計方法、分布式鏈節(jié)控制與保護、系統(tǒng)控制策略等方面取得重大突破，核心技術達到了國際領先水平。 [11]SVG 與 SVC 相比，SVG 具有 5 個優(yōu)點：①調節(jié)速度快。SVC 內部的電力電子開關元件多為晶閘管，晶閘管導通期間處于失控狀態(tài)，使 SVC 每步補償時間間隔至少約達工頻的半個周期，而 SVG 采用 GTO 作為開關元件，GTO 可在 0.001s 左右關斷，因而其補償速度更快；②運行范圍寬。在欠壓條件下，SVG 可通過調節(jié)其變流器交流側電壓的幅值和相位，使其所能提供的最大無功電流維持不變，僅受其電力半導體器件的電流量限制。而對 SVC 系統(tǒng)，由于其所能提供的最大電流受其并聯(lián)電抗器的阻抗特性限制，因而隨著電壓的降低而減??；③可以在從感性到容性的整個范圍中進行連續(xù)的無功調節(jié)；④SVG 不需大容量的電容、電感等儲能元件，其直流側所使用的電抗器和電容元件的容量遠比 SVC 中使用的要小，這將大大縮小裝置的體積和成本；⑤諧波含量小。SVG 在采取多重化技術、多電平技術或 PWM 技術等措施后，可大大減少補償電流中的諧波含量。 [12]在國外，1967 年,第一批靜補裝置在英國制成以后,受到世界各國的廣泛重視,西德、美國、瑞士、瑞典、比利時、蘇聯(lián)等國竟先研制,大力推廣,使得靜止補償裝置比調相機具有更大的競爭力,廣泛用于電力、冶金、化工、鐵道、科研等部門,成為補償無功、電壓調整、提高功率因數(shù)、限制系統(tǒng)過電壓,改善運行條件經(jīng)濟而有效的設備 [13]。1986 年美國研制出基于GTO 的 1 Mvar SVG，1991 年和 1994 年日本和美國分別研制出采用 GTO 的80Mvar100MvarSVG1997 年德國研制出采用 GTO 的 8Mvar SVG。統(tǒng)一潮流控制器的概念是由美國西屋科技中心的 Gyugyi L 于 1992 年提出，被認為是 FACTS 裝置中最具代表性的裝置。世界上許多國家都在開展這方面的研究工作。美國、法國都在加緊實際裝置的研究工作，美國Inez 變電站已于 1998 年在 138 kV 系統(tǒng)上安裝了 UPFCt271。我國也開展了 UPFC 的研究，但大多數(shù)僅限于理論研究和數(shù)字仿真研究。 [14]1.2 國內外諧波抑制技術的研究早在 20 世紀 20 年代和 30 年代電力系統(tǒng)的諧波問題就引起了人們的注意，當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變，并提出了電力諧波干擾問題。1945 年 J.C.Read 發(fā)表的有關變流器諧波的論文是早期有關諧波研究的經(jīng)典論文 [15]，1969年 B．M．BIRD 和 J．F．Marsh 發(fā)表的論文中，描述了通過向交流電網(wǎng)注入三次諧波電流來減少電源電流的諧波成分，從而改善電源電流波形的新方法。70 年代以來，由于諧波所造成的危害也日趨嚴重，世界各國都對諧波問題予以充分的關注，國際上召開了多次有關諧波問題的學術會議。不少國家和國際學術組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設備諧波的標準和規(guī)定。 [16]1971 年，H．SasakiT．Machida 發(fā)表的論文中，首次完整地描述了 APF 的基本原理。但由于當時是采用線性放大的方法產(chǎn)生補償電流，其損耗大，成本高，因而僅在實驗室中研究，未能在工業(yè)中實用。1976 年，L．Gyugyi 提出了采用 PWM 控制變流器構成的APF，確立了 APF 的概念，確立了 APF 主電路的基本拓撲結構和控制方法。進入 80 年代，隨著電力電子技術以及 PWM 控制技術的發(fā)展，對 APF 的研究逐漸活躍起來，是電力電子技術領域的熱點研究之一。這一時期的一個重大突破是，1983 年赤木泰文提出了“三相電路瞬時無功功率理論” ，以該理論為基礎的諧波和無功電流檢測方法在 APF 中得到了成功的應用，極大地促進了 APF 的發(fā)展。目前，三相電路瞬時無功功率理論被認為是 APF 的主要理論基礎之一。近年來隨著電力電子技術、控制技術和數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，特別是近年來隨著電力電子技術、控制技術和數(shù)字信號處理技術的發(fā)展，特別是 GTO、IGBT 等自關斷器件的出現(xiàn)和高性能 DSP 芯片的應用，有源電力濾波器己經(jīng)進入實用階段，在歐美一些國家和日本已經(jīng)開始大量使用有源電力濾波器來補償電網(wǎng)中的諧波以提高電能的質量。 [17]我國對諧波問題的研究起步比較晚。吳競昌等在 1 988 年出版的《電力系統(tǒng)諧波》一書是有關諧波問題比較有影響的專著。夏道止等在 1994 年出版的《高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波分析和濾波》是有關諧波問題研究代表性的著作。 [18]傳統(tǒng)的 LC 無源電力濾波器由于其存在只能吸收固定頻率的諧波，并且容易發(fā)生并聯(lián)諧振的缺點，使得其必將被有源電力濾波器取代。我國在 APF 方面的研究仍處于起步階段，到 1989 年才有這方面的文章。研究 APF 主要集中在并聯(lián)型、混合型。研究最成熟的是并聯(lián)型，主要以理論聯(lián)系實驗研究為主。1991 年得放交通大學王良博士研制出 3KVA 的無功及諧波的動態(tài)裝置。同年，華北電力科學院和冶金自動化研究院聯(lián)合研制了用于 380V 三相系統(tǒng)的 33KVA 雙極面結型電壓型濾波器；采用多重化技術，西安交通大學研制出 120KVA 并聯(lián)型有源濾波器的實驗樣機。1992 年在北京木材廠中心變電站投入工業(yè)運行，該裝置采用了三個單相全控橋逆變器，用于低壓電網(wǎng)單個諧波源的諧波補償，且只能補償幾個特定次數(shù)的諧波（5、7、11、13 次） ，調制載波的頻率（3.3KHZ）不高；河南電力局與清華大學聯(lián)合開發(fā)的 20MVA 精致無功補償發(fā)生器（包含有緣濾波器）在鄭州孟若變電站進行 300KVA 中間工業(yè)樣機試運行。 [19]總的來說，我國的有源電力濾波技術的工業(yè)應用，仍處于試驗和攻堅階段，特別是在既治理諧波又補償無功功率的HAPF 系統(tǒng)方面。與國外相比，我國的有源濾波技術還處在研究階段，工業(yè)中只有少數(shù)幾臺投入運行。隨著我國國民經(jīng)濟的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)高次諧波問題的日益嚴重，對有源電力濾波器的研究與應用要提高到一個新的認識高度。伴隨著我國電能質量治理工作的深入開展，利用 APF 進行諧波治理將會具有巨大的市場應用潛力，有源濾波技術必將得到廣泛的應用。[20]2.無功補償和諧波抑制綜合補償方法的研究不論是諧波還是無功，從物理本質上看，都可以歸結為波形的問題。諧波是工頻正弦波畸變，無功是電壓電流波形相位不同。正是由于這種物理本質的統(tǒng)一性，可以對電力系統(tǒng)中的諧波和無功進行綜合補償。有源電力濾波(ActivePwoerFilet)r 就是一種諧波和無功的綜合補償系統(tǒng)，APF 的優(yōu)點是能夠對諧波和無功進行快速連續(xù)補償，穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能良好，不易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振、所需貯能元件容量很小 [21]。和前面論述的諧波和無功抑制方法相比，有源電力濾波器具有以下一些特點 [22]:(1)實現(xiàn)了動態(tài)補償。有源電力濾波器可對頻率和幅值都變化的諧波以及變化的無功進行補償，對補償對象的變化有極快的響應；(2)可同時對諧波和無功進行補償，也可單獨補償諧波或無功，且補償無功的程度可連續(xù)調節(jié)；(3)在實際應用中，有源電力濾波器的貯能元件容量很小；(4)即使需要補償?shù)碾娏鞒^其額定值，也不會發(fā)生過載情況，并能在其額定容量內繼續(xù)正常工作；(5)受電網(wǎng)阻抗的影響較小，不易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振；(6)能跟蹤諧波頻率的變化，補償性能不受諧波頻率的影響；(7)既可對特定的諧波源和需要無功的負載進行補償，也可對多個諧波源和需要無功的負載進行補償。 [23]有源電力濾波器（Active Power Filter，APF）是一種新興的電力電子裝置，可以實現(xiàn)諧波抑制與無功補償。與 LC 電路構成的阻抗型補償裝置不同，它通過信號處理技術檢測出負載中諧波與無功電流，然后由主電路變換器發(fā)出一個與之相同的補償電流，從而使電網(wǎng)只需向負載提供與電網(wǎng)電壓同相位的基波正序電流。 [24]有源電力濾波器(APF)可以對大小及頻率變化的諧波以及變化的無功功率進行補償,并能有效地克服無源濾波器的缺點。但電力電子器件隨著容量的增大其所容許的開關頻率卻越來越低,影響補償效果。為解決這一矛盾,有三種方案,即采用器件串并聯(lián)方式、多臺 APF 并聯(lián)、多重化主電路方式。多重化主電路最為合理有效,既滿足容量要求,也提高等效開關頻率,只需一套控制電路,在經(jīng)濟上更為合理。采用四重化主電路,四組 PWM 變流器并聯(lián),每個 PWM 變流器的容量為 30kvA,諧波補償容量達到 120 kvA,在控制電路中,諧波補償電流指令的計算采用了基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法,將補償電流指令分配至 4 組 PWM 變流器,等效開關頻率為器件開關頻率的 4 倍,獲得良好的補償效果。 [25]目前國內外在中高壓大容量配電系統(tǒng)中主要采用無源電力濾波器(passive power filter，PPF)抑制諧波，同時補償固定的無功。它存在濾波特性受電網(wǎng)阻抗影響大，易與系統(tǒng)發(fā)生串、并聯(lián)諧振等自身無法克服的缺點。 [26]混合有源電力濾波器(hybrid active power filter，HAPF)結合二者的優(yōu)點，受到學術界的關注，成為中高壓系統(tǒng)諧波抑制的一個發(fā)展方向和研究熱點。 [27]混合有源電力濾波器按 APF 與諧波源負載的聯(lián)結關系可分為串聯(lián)型和并聯(lián)型 2 種 [28]，分別提出串聯(lián)型和并聯(lián)型 2 種混合濾波器之后，對混合有源電力濾波器拓撲和控制策略的研究得到了快速發(fā)展。提出一種無變壓器型混合有源電力濾波器，它由一組單調諧濾波器和有源電力濾波器直接相連而成，沒有耦合變壓器，同時也不需要輸出濾波器，可有效地節(jié)約成本，是一種比較有發(fā)展前景的拓撲。 [29]以上綜述了目前常用的無功補償與諧波抑制技術,分析了它們各自的優(yōu)缺點及應用研究現(xiàn)狀。 [30]系統(tǒng)無諧波時,無功功率有固定概念和定義。有諧波時,無功功率的定義和諧波密切相關,諧波除本身的問題外,還影響無功功率和功率因數(shù)。 [31]隨著大功率電力電子器件技術的高速發(fā)展,未來的功率器件容量將逐步提高,應用有源濾波(APF)及統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)進行無功補償償及諧波抑制,必將成為電力系統(tǒng)自動化的發(fā)展方向。 [32]將 APF 與 TSC、PPF 等阻抗型補償裝置相結合構成無功諧波綜合補償系統(tǒng)，實現(xiàn)了 APF 與 TSC、PPF 優(yōu)勢互補，在當前具有重要的現(xiàn)實意義。 [33]參考文獻：[1] 郭偉峰. 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