電力系統(tǒng)諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償方法的研究

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文 獻(xiàn) 綜 述 報(bào) 告研 究 方 向 ： 電力系統(tǒng)諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償方法的研究研究生： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 專(zhuān) 業(yè)： 電氣工程文獻(xiàn)綜述21 世紀(jì)能源與環(huán)境問(wèn)題成為人類(lèi)發(fā)展必須面對(duì)的重要問(wèn)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(lèi)提供安全可靠、優(yōu)質(zhì)經(jīng)濟(jì)的電能，是電力系統(tǒng)面臨的主要問(wèn)題。國(guó)家“十一五”規(guī)劃《綱要》提出推進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)信息化，切實(shí)走新型工業(yè)化道路，堅(jiān)持節(jié)約發(fā)展、清潔發(fā)展、安全發(fā)展，實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。綱要明確指出：通過(guò)開(kāi)發(fā)推廣節(jié)能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)節(jié)能。為電力工業(yè)的建設(shè)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(wú)功功率使電網(wǎng)的供電質(zhì)量惡化，公用電網(wǎng)中的諧波電流和諧波電壓是對(duì)電網(wǎng)環(huán)境影響最嚴(yán)重的一種污染。 [2]一方面是因?yàn)殡娏﹄娮友b置自身的非線(xiàn)性使得電網(wǎng)電壓、電流發(fā)生畸變，產(chǎn)生了嚴(yán)重的諧波污染；另一方面是因?yàn)榇蠖鄶?shù)電力電子裝置本身功率因數(shù)很低，其無(wú)功需求給電網(wǎng)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)，會(huì)嚴(yán)重影響電網(wǎng)供電質(zhì)量。[3]無(wú)功、諧波給電力系統(tǒng)和用戶(hù)帶來(lái)的負(fù)面影響主要有增大各類(lèi)電氣設(shè)備的額定電壓和額定電流，引起額外的功率損耗，導(dǎo)致設(shè)備用電效率降低；“諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)控制裝置的誤動(dòng)作；對(duì)通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，使其無(wú)法正常工作；諧波會(huì)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(wú)功問(wèn)題日益突出，整個(gè)供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行存在較大的隱患。世界各國(guó)電力系統(tǒng)近年來(lái)紛紛采用了動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置和諧波治理裝置來(lái)提高電網(wǎng)的電能質(zhì)量。 [5]電力電子裝置的廣泛應(yīng)用,不但要消耗大量的無(wú)功功率,還有產(chǎn)生大量的諧波電流。因此,進(jìn)一步深入無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制的研究具有非常重要的意義，對(duì)無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制的方法研究是今后一個(gè)重大研究課題。 [6]1.國(guó)內(nèi)外無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制的研究1.1 國(guó)內(nèi)外無(wú)功補(bǔ)償?shù)难芯繜o(wú)功功率補(bǔ)償技術(shù)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(fù)荷的多樣性而不斷進(jìn)步。電力系統(tǒng)發(fā)展到現(xiàn)在已出現(xiàn)三代無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)：同步發(fā)電機(jī)補(bǔ)償、同步調(diào)相機(jī)補(bǔ)償、并聯(lián)電容器補(bǔ)償、并聯(lián)電抗器補(bǔ)償?shù)葘儆诘谝淮a(bǔ)償技術(shù)；基于自然關(guān)斷晶閘管技術(shù)的 SVC（相控電抗器（TCR） 、磁控電抗器(MCR)）屬于第二代無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)；基于IGBT、IGCT 等大功率可控器件的補(bǔ)償裝置 SVG(Static VAR Genarator)屬于第三代無(wú)功補(bǔ)償技術(shù)。SVG 是當(dāng)前世界上最先進(jìn)也是最復(fù)雜的補(bǔ)償技術(shù)產(chǎn)品，它不再采用大容量的電容器、電抗器，而是通過(guò)大功率電力電子器件的高頻開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)無(wú)功補(bǔ)償?shù)淖儞Q，在響應(yīng)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(guó)內(nèi)，目前機(jī)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(fù)荷波動(dòng)幅度和頻率變化不大，對(duì)響應(yīng)速度要求不高的配電網(wǎng)絡(luò)中，MSC 以其優(yōu)良的性?xún)r(jià)比，依然具有廣泛的市場(chǎng)。目前國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)，且占據(jù)一定市場(chǎng)份額的動(dòng)態(tài)無(wú)功補(bǔ)償裝置是 SVC。 [8]SVC 接入系統(tǒng)中,電容器提供固定的容性無(wú)功 Qc,補(bǔ)償電抗器通過(guò)的電流決定了補(bǔ)償電抗器輸出感性無(wú)功 QTCR 的大小,感性無(wú)功和容性無(wú)功相抵消,只要能做到系統(tǒng)無(wú)功 Qn=Qv(系統(tǒng)所需)-Qc+QTCR=常數(shù)(或 0),則能實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)功率因數(shù)=常數(shù),電壓幾乎不波動(dòng),關(guān)鍵是準(zhǔn)確控制晶閘管的觸發(fā)角,得到所需的流過(guò)補(bǔ)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(wú)功功率也能吸收容性無(wú)功功率。 [9]1995 年清華大學(xué)和河南省電力局共同研制我國(guó)首臺(tái)作為工業(yè)試驗(yàn)裝置的±300 kvarSVGtl9，1999 年清華大學(xué)和河南省電力局研制出具有工業(yè)應(yīng)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(shè)計(jì)方法、分布式鏈節(jié)控制與保護(hù)、系統(tǒng)控制策略等方面取得重大突破，核心技術(shù)達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平。 [11]SVG 與 SVC 相比，SVG 具有 5 個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①調(diào)節(jié)速度快。SVC 內(nèi)部的電力電子開(kāi)關(guān)元件多為晶閘管，晶閘管導(dǎo)通期間處于失控狀態(tài)，使 SVC 每步補(bǔ)償時(shí)間間隔至少約達(dá)工頻的半個(gè)周期，而 SVG 采用 GTO 作為開(kāi)關(guān)元件，GTO 可在 0.001s 左右關(guān)斷，因而其補(bǔ)償速度更快；②運(yùn)行范圍寬。在欠壓條件下，SVG 可通過(guò)調(diào)節(jié)其變流器交流側(cè)電壓的幅值和相位，使其所能提供的最大無(wú)功電流維持不變，僅受其電力半導(dǎo)體器件的電流量限制。而對(duì) 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?。虎劭梢栽趶母行缘饺菪缘恼麄€(gè)范圍中進(jìn)行連續(xù)的無(wú)功調(diào)節(jié)；④SVG 不需大容量的電容、電感等儲(chǔ)能元件，其直流側(cè)所使用的電抗器和電容元件的容量遠(yuǎn)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(shù)、多電平技術(shù)或 PWM 技術(shù)等措施后，可大大減少補(bǔ)償電流中的諧波含量。 [12]在國(guó)外，1967 年,第一批靜補(bǔ)裝置在英國(guó)制成以后,受到世界各國(guó)的廣泛重視,西德、美國(guó)、瑞士、瑞典、比利時(shí)、蘇聯(lián)等國(guó)竟先研制,大力推廣,使得靜止補(bǔ)償裝置比調(diào)相機(jī)具有更大的競(jìng)爭(zhēng)力,廣泛用于電力、冶金、化工、鐵道、科研等部門(mén),成為補(bǔ)償無(wú)功、電壓調(diào)整、提高功率因數(shù)、限制系統(tǒng)過(guò)電壓,改善運(yùn)行條件經(jīng)濟(jì)而有效的設(shè)備 [13]。1986 年美國(guó)研制出基于GTO 的 1 Mvar SVG，1991 年和 1994 年日本和美國(guó)分別研制出采用 GTO 的80Mvar100MvarSVG1997 年德國(guó)研制出采用 GTO 的 8Mvar SVG。統(tǒng)一潮流控制器的概念是由美國(guó)西屋科技中心的 Gyugyi L 于 1992 年提出，被認(rèn)為是 FACTS 裝置中最具代表性的裝置。世界上許多國(guó)家都在開(kāi)展這方面的研究工作。美國(guó)、法國(guó)都在加緊實(shí)際裝置的研究工作，美國(guó)Inez 變電站已于 1998 年在 138 kV 系統(tǒng)上安裝了 UPFCt271。我國(guó)也開(kāi)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(guó)內(nèi)外諧波抑制技術(shù)的研究早在 20 世紀(jì) 20 年代和 30 年代電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題就引起了人們的注意，當(dāng)時(shí)在德國(guó)，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(wèn)題。1945 年 J.C.Read 發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)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(guò)向交流電網(wǎng)注入三次諧波電流來(lái)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(lái)，由于諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重，世界各國(guó)都對(duì)諧波問(wèn)題予以充分的關(guān)注，國(guó)際上召開(kāi)了多次有關(guān)諧波問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì)議。不少?lài)?guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)準(zhǔn)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(dāng)時(shí)是采用線(xiàn)性放大的方法產(chǎn)生補(bǔ)償電流，其損耗大，成本高，因而僅在實(shí)驗(yàn)室中研究，未能在工業(yè)中實(shí)用。1976 年，L．Gyugyi 提出了采用 PWM 控制變流器構(gòu)成的APF，確立了 APF 的概念，確立了 APF 主電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。進(jìn)入 80 年代，隨著電力電子技術(shù)以及 PWM 控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì) APF 的研究逐漸活躍起來(lái)，是電力電子技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)研究之一。這一時(shí)期的一個(gè)重大突破是，1983 年赤木泰文提出了“三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論” ，以該理論為基礎(chǔ)的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法在 APF 中得到了成功的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了 APF 的發(fā)展。目前，三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論被認(rèn)為是 APF 的主要理論基礎(chǔ)之一。近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來(lái)隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的發(fā)展，特別是 GTO、IGBT 等自關(guān)斷器件的出現(xiàn)和高性能 DSP 芯片的應(yīng)用，有源電力濾波器己經(jīng)進(jìn)入實(shí)用階段，在歐美一些國(guó)家和日本已經(jīng)開(kāi)始大量使用有源電力濾波器來(lái)補(bǔ)償電網(wǎng)中的諧波以提高電能的質(zhì)量。 [17]我國(guó)對(duì)諧波問(wèn)題的研究起步比較晚。吳競(jìng)昌等在 1 988 年出版的《電力系統(tǒng)諧波》一書(shū)是有關(guān)諧波問(wèn)題比較有影響的專(zhuān)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(guān)諧波問(wèn)題研究代表性的著作。 [18]傳統(tǒng)的 LC 無(wú)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(diǎn)，使得其必將被有源電力濾波器取代。我國(guó)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(shí)驗(yàn)研究為主。1991 年得放交通大學(xué)王良博士研制出 3KVA 的無(wú)功及諧波的動(dòng)態(tài)裝置。同年，華北電力科學(xué)院和冶金自動(dòng)化研究院聯(lián)合研制了用于 380V 三相系統(tǒng)的 33KVA 雙極面結(jié)型電壓型濾波器；采用多重化技術(shù)，西安交通大學(xué)研制出 120KVA 并聯(lián)型有源濾波器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。1992 年在北京木材廠(chǎng)中心變電站投入工業(yè)運(yùn)行，該裝置采用了三個(gè)單相全控橋逆變器，用于低壓電網(wǎng)單個(gè)諧波源的諧波補(bǔ)償，且只能補(bǔ)償幾個(gè)特定次數(shù)的諧波（5、7、11、13 次） ，調(diào)制載波的頻率（3.3KHZ）不高；河南電力局與清華大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)的 20MVA 精致無(wú)功補(bǔ)償發(fā)生器（包含有緣濾波器）在鄭州孟若變電站進(jìn)行 300KVA 中間工業(yè)樣機(jī)試運(yùn)行。 [19]總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)的有源電力濾波技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，仍處于試驗(yàn)和攻堅(jiān)階段，特別是在既治理諧波又補(bǔ)償無(wú)功功率的HAPF 系統(tǒng)方面。與國(guó)外相比，我國(guó)的有源濾波技術(shù)還處在研究階段，工業(yè)中只有少數(shù)幾臺(tái)投入運(yùn)行。隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，電力系統(tǒng)高次諧波問(wèn)題的日益嚴(yán)重，對(duì)有源電力濾波器的研究與應(yīng)用要提高到一個(gè)新的認(rèn)識(shí)高度。伴隨著我國(guó)電能質(zhì)量治理工作的深入開(kāi)展，利用 APF 進(jìn)行諧波治理將會(huì)具有巨大的市場(chǎng)應(yīng)用潛力，有源濾波技術(shù)必將得到廣泛的應(yīng)用。[20]2.無(wú)功補(bǔ)償和諧波抑制綜合補(bǔ)償方法的研究不論是諧波還是無(wú)功，從物理本質(zhì)上看，都可以歸結(jié)為波形的問(wèn)題。諧波是工頻正弦波畸變，無(wú)功是電壓電流波形相位不同。正是由于這種物理本質(zhì)的統(tǒng)一性，可以對(duì)電力系統(tǒng)中的諧波和無(wú)功進(jìn)行綜合補(bǔ)償。有源電力濾波(ActivePwoerFilet)r 就是一種諧波和無(wú)功的綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，APF 的優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)χC波和無(wú)功進(jìn)行快速連續(xù)補(bǔ)償，穩(wěn)態(tài)和動(dòng)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(wú)功抑制方法相比，有源電力濾波器具有以下一些特點(diǎn) [22]:(1)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。有源電力濾波器可對(duì)頻率和幅值都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)；(2)可同時(shí)對(duì)諧波和無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，也可單獨(dú)補(bǔ)償諧波或無(wú)功，且補(bǔ)償無(wú)功的程度可連續(xù)調(diào)節(jié)；(3)在實(shí)際應(yīng)用中，有源電力濾波器的貯能元件容量很?。?4)即使需要補(bǔ)償?shù)碾娏鞒^(guò)其額定值，也不會(huì)發(fā)生過(guò)載情況，并能在其額定容量?jī)?nèi)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(bǔ)償性能不受諧波頻率的影響；(7)既可對(duì)特定的諧波源和需要無(wú)功的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波源和需要無(wú)功的負(fù)載進(jìn)行補(bǔ)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(shí)現(xiàn)諧波抑制與無(wú)功補(bǔ)償。與 LC 電路構(gòu)成的阻抗型補(bǔ)償裝置不同，它通過(guò)信號(hào)處理技術(shù)檢測(cè)出負(fù)載中諧波與無(wú)功電流，然后由主電路變換器發(fā)出一個(gè)與之相同的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)只需向負(fù)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(duì)大小及頻率變化的諧波以及變化的無(wú)功功率進(jìn)行補(bǔ)償,并能有效地克服無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)。但電力電子器件隨著容量的增大其所容許的開(kāi)關(guān)頻率卻越來(lái)越低,影響補(bǔ)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(tái) 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(mǎn)足容量要求,也提高等效開(kāi)關(guān)頻率,只需一套控制電路,在經(jīng)濟(jì)上更為合理。采用四重化主電路,四組 PWM 變流器并聯(lián),每個(gè) PWM 變流器的容量為 30kvA,諧波補(bǔ)償容量達(dá)到 120 kvA,在控制電路中,諧波補(bǔ)償電流指令的計(jì)算采用了基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法,將補(bǔ)償電流指令分配至 4 組 PWM 變流器,等效開(kāi)關(guān)頻率為器件開(kāi)關(guān)頻率的 4 倍,獲得良好的補(bǔ)償效果。 [25]目前國(guó)內(nèi)外在中高壓大容量配電系統(tǒng)中主要采用無(wú)源電力濾波器(passive power filter，PPF)抑制諧波，同時(shí)補(bǔ)償固定的無(wú)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(wú)法克服的缺點(diǎn)。 [26]混合有源電力濾波器(hybrid active power filter，HAPF)結(jié)合二者的優(yōu)點(diǎn)，受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注，成為中高壓系統(tǒng)諧波抑制的一個(gè)發(fā)展方向和研究熱點(diǎn)。 [27]混合有源電力濾波器按 APF 與諧波源負(fù)載的聯(lián)結(jié)關(guān)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(duì)混合有源電力濾波器拓?fù)浜涂刂撇呗缘难芯康玫搅丝焖侔l(fā)展。提出一種無(wú)變壓器型混合有源電力濾波器，它由一組單調(diào)諧濾波器和有源電力濾波器直接相連而成，沒(méi)有耦合變壓器，同時(shí)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?fù)洹?[29]以上綜述了目前常用的無(wú)功補(bǔ)償與諧波抑制技術(shù),分析了它們各自的優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用研究現(xiàn)狀。 [30]系統(tǒng)無(wú)諧波時(shí),無(wú)功功率有固定概念和定義。有諧波時(shí),無(wú)功功率的定義和諧波密切相關(guān),諧波除本身的問(wèn)題外,還影響無(wú)功功率和功率因數(shù)。 [31]隨著大功率電力電子器件技術(shù)的高速發(fā)展,未來(lái)的功率器件容量將逐步提高,應(yīng)用有源濾波(APF)及統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償償及諧波抑制,必將成為電力系統(tǒng)自動(dòng)化的發(fā)展方向。 [32]將 APF 與 TSC、PPF 等阻抗型補(bǔ)償裝置相結(jié)合構(gòu)成無(wú)功諧波綜合補(bǔ)償系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了 APF 與 TSC、PPF 優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，在當(dāng)前具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 [33]參考文獻(xiàn)：[1] 郭偉峰. 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