第二章：谐波抑制和无功补偿装置

1教学内容及要求教学内容及要求内容：介绍电力系统谐波和无功产生的原因、危害及补偿方法；研究静止无功补偿装置、静止无功发生器和电力有源滤波器的工作原理、补偿特性和控制方法。学习要求及重点：重点掌握静止无功补偿装置、静止无功发生器和电力有源滤波器的工作原理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α下运行；（3）采用多重化技术波形迭加，消除低次谐波；（4）利用DＣ／ＤＣ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(SaturatedReactor——SR）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XS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XS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(ControlledSaturatedReactor——CSR）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iL的大小。3.晶闸管控制电抗器型（ThyristControlledReactor——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900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900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）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APF容量而提出的一种新型电路。（1）C2、L在电源电压的基波频率附近发生串联谐振，基波电压绝大部分由C1承担，APF只承受很小一部分基波电压。（2）C1起无功补偿作用。（3）APF不能补偿基波无功。滤波器和被补偿对象串联接入电网，主要用于补偿可看作电压源的谐波源，使供电点电压成为正弦。（二）串联型滤波器1、单独使用方式APF可看作可变阻抗，它对基波的阻抗为零，对谐波呈现高阻抗，即APF起谐波隔离作用。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。五、电流型电力有源滤波器的多脉宽调制1、基本结构2、调制方式3、变流装置多重化为了提高装置总体开关频率，补偿更高次谐波。补偿电流指令各次谐波分量及等效正弦波合成脉冲模式移动后形成的脉冲模式六、有关APF的主要研究课题1、补偿电流的检测理论、检测方法要求准确、快速。2、补偿电流参考值的获取（算法）要求准