畢業(yè)論文--電力系統(tǒng)諧波及其抑制技術

1、<p><b>　　編號　　　　　　</b></p><p>　　畢　業(yè)　設　計　報 告</p><p>　　設計題目：　　電力系統(tǒng)諧波分析及抑制技術的研究　　　　　　　　　　　　　　　　　</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>　　內容摘要</b></p><p>　　隨著電子技術的迅猛發(fā)展和電力電子裝備的廣泛應用，人們對電能的使用及電能的質量提出更高的要求。本文根據對龍海電網的簡介了

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行分析和總結. 利用無源濾波器的基本原理、系統(tǒng)構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成和優(yōu)缺點。指出了其相應的諧波管理原則和綜合治理方法，并對實際諧波治理工作進行總結。</p><p>　　關鍵詞：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 諧波的產生及其危害……………………………………

5、…………………3</p><p>　　1.4 鷹潭市電網諧波情況………………………………………………………8</p><p>　　2 諧波抑制技術……………………………………………………………………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 無源濾波器的設計…………………………………………………………22</p><p>　　3.5 設計參數值的計算及校驗…………………………………………………24</p><p>　　4 結論………………………………………………………………………………26</p><p>　　參考文獻………………………………………………………………

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用也使電網的諧波污染問題日趨嚴重，影響了供電質量。目前諧波與電

10、磁干擾、力系統(tǒng)功率因數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、電能用戶及其周邊電磁環(huán)境帶來了嚴重的危害。諧波已成為國內外電力工作者和用戶普遍關注的問題。 隨著電力電子技術的高速發(fā)展，電力網中非線形負載的逐漸增加是全世界共同的趨勢，如變頻驅動或晶閘管整流驅動設備,計算機，重要負載所用的不間斷電源，節(jié)能熒光燈系統(tǒng)等 ,這些非線性負載將導致電網污染,電力品質下降,引起供電設備故障,甚至引發(fā)嚴重火災。因而了解諧波產生

11、的機理，研究消除供配電系統(tǒng)中的高次諧波問題對改善供電質量和確保電力系統(tǒng)安全經濟運行有著非常積極的意義。</p><p><b>　　1.1 緒論</b></p><p><b>　　電能質量</b></p><p>　　電能既是一種經濟、實用、清潔、容易控制和轉換能源形態(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

12、量的一種特殊產品。如今，電能作為走進市場的商品，與其它商品一樣，無疑也應講求質量。電力系 統(tǒng)供電的電能質量是電力工業(yè)產品的重要指標，涉及發(fā)、供、用三方權益。優(yōu)良的電能 質量保證電網和廣大用戶的電氣設備和用電設備安全、經濟運行?，F(xiàn)代社會中，電能作 為一種廣泛使用的能源，其應用程度成為一個國家發(fā)展水平的主要標志之一。隨著科學技術和國民經濟的發(fā)展，對電能的需求量日益增加，同時對電能質量的要求也越來越高。 電能質量問題的提出由來已久，衡量電能質

13、量的指標也是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而備 受關注陣l刪。在電力系統(tǒng)的發(fā)展早期，電力負荷的組成比較簡單，主要由同步電動機、 異步電動機和各種照明設備等線性負荷組成，衡量電能質量的指標主要有：頻率偏移和 電壓偏移兩種。20世紀80年代以來，隨著電力電子技術的發(fā)展，非線性電力電子器件 和裝置在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應用，不少用戶對電能的利用都要經過電力電子裝置的轉 換和控制，這些裝置給人們生產和生活帶來方便和效率的同時，使電力系統(tǒng)的非線性負 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行傅立葉級數分解，除了得到與電網基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網基波頻率的分量，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備、變頻設備、中頻感應爐、電弧爐、軋鋼機、電解槽和電解化工設備、大容量電弧焊機等負載。諧波實際上就是一種干擾盆，使電網受到“污染”。</p><p>　　1.3諧波的產生及其危害</p><p>　　1.3.1 諧波產生的原因</p><p>　　諧波產生的根本原因是由于非線性負載

16、所致。當電流流經非線性負載時，與所加的電壓不呈線性關系，就形成非正弦電流，從而產生諧波。其中諧波源大多是非線性元件，工作波形為非正弦波，有的用電設備是切割正弦波進行工作的，如可控硅整流設備等；有的是將直流電源變換成方波工作，如變頻器等。這些設備與電力系統(tǒng)發(fā)生關系時，都能使電力系統(tǒng)的基波產生畸變。而非線性阻抗設備常利用感抗渦流工作或利用容性電離做功，如中頻感應爐、電弧爐等，這些用電設備在運行時可使電流產生大幅度的浪涌、尖脈沖，造成電力系統(tǒng)

17、的基波產生畸變，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，當在阻感負載且串聯(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成反比，且與基波有效值的

19、比值為諧波次數的倒數。</p><p>　　基波電流有效值為： ，i2的有效值I=Id，</p><p>　　結合上式可得基波因數為：</p><p>　　電流基波與電壓的相位差就等于控制角，故位移因數為</p><p>　　所以，功率因數為： </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系為：&

21、lt;/p><p><b>　　圖1-2輸出波形圖</b></p><p>　　帶阻感負載a =30時的波形</p><p>　　由變壓器二次側電流諧波分析可知，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）次諧波。</p><p>　　各次諧波有效值與諧波次數成

22、反比，且與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。</p><p>　　基波因數：，位移因數仍為：</p><p><b>　　功率因數為：</b></p><p>　　通過非線性元件裝置的整流使得設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、供和用電設備的額外附加損耗，使設備的溫度過熱，降低設備的利用率和經濟效益。由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數倍，高頻電流流過導體時，因集膚效應的作用，使導體對諧波電流的有效電阻增加，從而增加了設備的功率損耗、電能損耗，使導體的發(fā)熱嚴重。</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。當注入電網的諧波頻率位于在網絡諧振點附近的諧振區(qū)內時，對輸電線路會造成絕緣擊穿。由于諧波次數高頻率上升，再加之電纜導體截面積越大集膚效應越明顯，從而導致導體的交流電阻增大，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，當繞組中性點接地，而該側電網中分布較大或者裝有中性點接地的并聯(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，引起電容器過負荷甚至爆炸，同時諧波還可能與電容器一起在電網中造成諧波諧振，使故障加劇。</p&g

26、t;<p>　　5：對用電設備的危害。電力諧波會使電視機、計算機的圖形畸變，并使機內元件溫度出現(xiàn)過熱，使計算機及數據處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯誤，嚴重甚至損害機器。和變壓器中的道理一樣，諧波畸變會加大電動機中的損耗。使電動機的力矩下降，造成電機的振動而降低電機壽命。</p><p>　　6：影響電網的質量。電力系統(tǒng)中的諧波使電網的電壓與電流波形發(fā)生畸變，從而降低電網電壓，浪費電網的容量。</p>

27、<p>　　1.4 鷹潭市電網諧波源情況</p><p>　　1.4.1 鷹潭市電網諧波源的分布</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，多數不采取任何治理措施直接接入電網，使得我市成為諧波污染較嚴重的地區(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 鷹潭市電網諧波污染情況</p><p>　　諧波污染的主要計算方法。1993年頻發(fā)的國家標準GB/T14549-1993《電能質量 公用電網諧波》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（用百分數表示），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（用百分數

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超過公用電網諧波電壓（相電壓）限值，公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量（方均根值）不應超過規(guī)定的允許值。</p><p>　　鷹潭市電網有110kV變電站7座，35kV變電站3座。經過對全市110kV變電所、35kV變電所的10kV母線進行諧波測試，10kV母線電壓總諧波畸變率均超標。</p><p>　　1.4.3 對電網的危害</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、熔絲等保護裝置經常動作，根本無法正常運行。另一方面，由于電容器獨特的容性阻抗特性，容易和電網中大部分都是感性阻抗的電氣設備配合而構成諧振和諧波電流（諧波電壓）成倍地放大，導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上的放大。若構成并聯(lián)諧振，嚴重的諧波過電壓及過電流將導致電氣

32、設備的損壞，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：諧波對繼電保護和自動裝置的影響。諧波的嚴重超標容易引起繼電保護和自動裝置誤動和拒動，使微機保護動作頻繁。</p><p>　　5：諧波對網損的影響。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，從而造成網損的增大。</p><p><b>　　2.諧波抑制技術</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，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、度地避免諧波的產生。這種方法比較積極，能夠提高電網質量，可大大節(jié)省因消除諧波影響而支出的費用。具體方法有：2.1.1增加整流器的脈動數</p><p>　　整流器是電網中的主要諧波源，其特征頻譜為：n＝Kp±1，則可知脈沖數p增加，n也相應增大，而In≈I1／n，故諧波電流將減少。因此，增加整流脈動數，可平滑波形，減少諧波。如：整流相數為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脈寬調制法</p><p>　　采用PWM，在所需的頻率周期內，將直流電壓調制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達到抑制諧波的目的。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）內開關角α＝0，γ1，γ2，……，γm，π－γm，……，π－γ2，π－γ1。PWM波形按傅里葉級數展開，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備的交流側，由L、C、R元件構成諧振回路，其工作原理是：當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。</p><p>　　無源濾波器可分為單調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單調諧波濾波器</p><p>　　單調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>　　又因為</b></p><p><b>　　推出<

41、/b></p><p>　　為角頻率，下標fn表示第n次單調諧濾波器，n為諧波次數，當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，結構簡單，工程應用較多，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，實際應用較少。</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雙調諧濾波器</p><p>　　雙調諧濾波器及阻抗頻率特性</p><p>　　如圖2-5所示為雙調諧濾波器的原理圖，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)的單調諧濾波器。雙調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>　　采用雙調諧濾波器代替兩個單調諧濾波器，可以減少基波的損耗，降低L2上的沖擊電壓。雙調諧濾波器正常運行時，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小于串聯(lián)支路所承受的基波電壓。由于雙調諧濾波器比兩個單調諧濾波器成本低，近年來在一些高壓電流輸電工程中得到了應用。</p><p>　　由于具

46、無源濾波器具有投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點，無源濾波是目前采用的抑制諧波及無功補償的主要手段。但無源濾波器存在著許多缺點，如濾波易受系統(tǒng)參數的影響；對某些次諧波有放大的可能；耗費多、體積大等。因而隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器。</p><p><b>　　2.3有源濾波器</b></p><p>　　即利用可控

47、的功率半導體器件向電網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，達到實時補償諧波電流的目的。</p><p>　　與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應性，能補償各次諧波，可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點；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；具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。目前在國外高低壓有源濾波技術已應用到實踐，而

48、我國還僅應用到低壓有源濾波技術。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術作為改善電能質量的關鍵技術，其應用范圍也將從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)的電能質量的方向發(fā)展。</p><p>　　有源諧波調節(jié)器的基本工作原理如下圖</p><p>　　有源諧波調節(jié)器的基本工作原理</p><p>　　有源諧波調節(jié)器工作原理框圖如下圖</p><p>

49、　　有源諧波調節(jié)器工作原理框圖</p><p>　　指令電流檢測電路從負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)生補償電流的指令信號。電流跟蹤控制電路的功能是根據主電路產生的補償電流，計算出主電路各開關器件的觸發(fā)脈沖，此脈沖經驅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，從而達到消除諧波與進行無功補償的目的。根據同樣的原理，電力有源濾波器還能對不對稱三相電路的負序電流分量進行

50、補償。</p><p>　　電力有源濾波器的主電路一般由PWM逆變器構成。根據逆變器直流側儲能元件的不同，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電容電壓控制，使直流側電壓維持不變，因而逆變器交流側輸出為PWM電壓波。而電流型APF在工作時需對直流側電感電流進行控制，使直流側電流維持不變，因而逆變器交流側輸出為PWM電流波。電壓型APF的優(yōu)點是損耗較少，

51、效率高，是目前國內外絕大多數APF采用的主電路結構。電流型APF由于電流側電感上始終有電流流過，該電流在電感內阻上將產生較大損耗，所以目前較少采用。但是電流型APF由于開關器件不會發(fā)生直通短路現(xiàn)象，隨著超導儲能磁體研究的進展，也將促進多功能電流型APF投入實用。</p><p>　　2.4防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大</p><p>　　在電網中并聯(lián)電容器組起改善功率因數和調節(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，不會產生諧振。當諧波存在時，在一定的參數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>　　又因為U´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，通

54、常在電容器支路串接電抗器，其感抗值的選擇應使在可能產生的任何諧波下，均使電容器回路的總電抗為感抗而不是容抗，從根本上消除了產生諧波的可能性，或將電容器組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加裝靜止無功補償裝置</p><p>　　快速變化的諧波源，如：電弧爐、電力機車和卷揚機等，除了產生諧波外，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，嚴重影響公用電網的電能質量。</p><p>　　靜止無功補償器是一種沒有旋轉部件，利用可控硅等電子開關投切電容，快速、平滑可控的動態(tài)無功功率補償裝置。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）。通過對電抗器進行調節(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（或反向進行），并且響應

56、快速。</p><p>　　在諧波源處并聯(lián)裝設靜止無功補償裝置，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，還可補償功率因數。它的缺點是本身產生諧波，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。為了實現(xiàn)雙向連續(xù)調節(jié)，克服并聯(lián)電容調節(jié)效應的弱點，要求增大補償容量。</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補償到0.97。每個電容器柜由10個三相電容器并聯(lián)而成，共補償無功40*25=1000 kvar。功率因素雖然很高，但是無功補償裝置工作情況不穩(wěn)定，低壓無功補償裝置經常出現(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，負荷變化情況比較平穩(wěn)；所以可以使用短時間

59、的測量數據來估計長期的負荷諧波情況。對總線、電容柜、#1動力柜、#2動力柜和#3動力柜進行了連續(xù)半小時的監(jiān)測。監(jiān)測電壓為低壓側母線和地線間的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>　　采集到的數據如下：</

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，電流畸變嚴重，其中以5次諧波電流為主。</p><p><b&g

61、t;　　2 無功補償裝置</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重，5次和7次最為嚴重。大量的高次諧波是造成無功補償裝置（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、電流為實際電容電流的一半。</p><p><b>　　負荷</b></p><p>　　造紙負荷主要是各種動力裝置，如制漿動力，造紙動力，鍋爐動力等，總容量占到全廠的81%。</p><p><b>　　3.2諧波分析</b></p><p>　　該廠由于設備改造后投入新設備大量的采用了變頻裝置，

63、產生了大量的諧波，在母線上測得的數據反應出諧波主要以5次諧波為主，而在無功補償裝置上出現(xiàn)的5次、7次諧波超標，主要是由于并聯(lián)電容器組對諧波進行了放大，造成電容柜的電流畸變十分嚴重。</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償裝置上串聯(lián)電抗器，因為這樣可能會使電容器過流和過壓，要通過計算重新設計改造、重新分配電容器組。</p><p>　　根據廠方的實際情況，從較少投入，獲得最大收益角度來設計，決定在母線上加裝一組單調濾波器器來抑制諧波的污染。<

65、/p><p>　　3.4無源濾波器的設計</p><p>　　單調濾波支路參數計算主要包括確定C、L、R的大小，額定電流，額定電壓等部分。</p><p>　　1．根據系統(tǒng)諧波電流情況確定單調諧支路的諧振頻率f；</p><p>　　2．根據諧波電流的大小計算所需電容器C的容量，計算公式為</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)考慮無功補償要求，可以按平均分配的原則增大，滿足系統(tǒng)的無功補償需要；</p><p>　　3．根據計算出所需電容C的大小，計算公式為</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C和支路諧振頻率計算電感L的大小，計算公式為</p><p>　　

67、其中n為諧波電流次數，為了增加系統(tǒng)穩(wěn)定性，計算時基波頻率取49.7Hz；</p><p>　　5．根據濾波效果選取濾波支路品質印數Q，一般Q選取范圍是30－60，假設電抗器電阻為，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C、L、R之后，計算出率特性，根

68、據圖4所示模型計算流入電網的諧波電流</p><p><b>　　諧波源負載模型</b></p><p>　　圖中諧波源等效為一個電流源并聯(lián)其內阻，即負載電抗的形式。流入濾波裝置電抗Z的諧波電流為，流入電網電抗的諧波電流為，其中等效電抗</p><p>　　流入電網的諧波電流為</p><p>　　若流入電網的諧波電流滿

69、足國家標準，則進行下一步的校核，若不滿足要求，則降低R的大小，并對C、L參數進行微調，進一步減少流入電網的諧波電流；</p><p>　　7．計算濾波器正常失諧情況下，濾波性能是否能夠達到標準，若不能達到標準需要進一步調整C、L、R參數；</p><p>　　8．計算電網阻抗和濾波支路的等效并聯(lián)阻抗，檢驗是否在特征頻率下發(fā)生并聯(lián)諧振，若發(fā)生并聯(lián)諧振則需要進一步微調C、L、R參數；</

70、p><p>　　9．當C、L、R參數滿足上述所有要求的情況下，進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C1，Ch，CN依次為基波、諧波和額定值。</p><p>　　3.5設計參數值的計算及校驗</p><p>　　3.5.1 設計參數值的計算：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>　　負荷容量為1.12MVA，若系統(tǒng)的短路阻抗為25%，所以負荷的短路容量為</p><p>　　Sd1= 1.12/25%=4.48MVA</p><p>　　高壓側短路容量估計為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>　　如果不考慮補償電容的影響，5次諧波電流約為250A</p><p>　　設定此濾波器濾掉70%的諧波電流，Ih5取250A即250

73、×70%=175A。設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>　　所以設計單相補償320kvar(由無功補償裝置生產廠家提供的型號選擇)，三相共補償960kvar，電容器組額定電壓取300V</p><p

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

75、<p><b>　?。?）過電壓校驗</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>　?。?）過電流校驗</b

76、></p><p>　　Icn=125A，Ic1=1250A</p><p><b>　　≈=1280</b></p><p><b>　?。?.3Icn</b></p><p><b>　　滿足過電流的要求</b></p><p><b&g

77、t;　　（3）容量平衡校驗</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 結論</b></p><p>　　隨著我國電能質量治理工作的深入開展，通過無源濾波器進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的無功功率補償問題，是電力企業(yè)當前面臨的一大課題。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，在設計、制造和

79、使用非線性負載時，采取有力的抑制諧波的措施，減小諧波侵入電網，從而真正減少由于諧波污染帶來的巨大經濟損失。</p><p><b>　　參考文獻</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》，2005年第三期</p><p>　　[2] 陳振生，《電網諧波的危害及抑制技術》</

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83、;　　[12]劉進軍，陳瑞安．瞬時無功功率與傳統(tǒng)功率理論的統(tǒng)一數學描述及物理意義．電工技術學報，1998，（12）</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　本文是在導師xxx老師的悉心指導下完成的。鄭老師誨人不倦的工作作風，一絲不茍的工作態(tài)度，嚴肅認真的治學風格給我留下深刻的影響，讓我終生受益，值得我永遠學習.x老師從一開始的論文方向的選定，