1、第二章 諧波抑制和無功補(bǔ)償裝置,2.1 概述,2.3 靜止無功發(fā)生器（SVG）,2.2 靜止無功補(bǔ)償裝置（SVC）,2.4 有源電力濾波器（APF）,2.1 概述,一、諧波和無功功率的產(chǎn)生 阻感負(fù)載必須吸收無功功率才能工作； 電力電子裝置等非線性也要消耗無功功率； 用電裝置的非線性造成畸變電流；,二、無功功率的影響和諧波的危害,1、無功功率的影響 （1）使設(shè)備容量增大，從而造成設(shè)備投資費(fèi)用增大； （2）設(shè)備及線路損耗增加； （3）引起供電點(diǎn)電壓波動(dòng)。,2、諧波的危害 （1）諧波使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加諧波損耗，降低了發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率； （2）諧波影響電器設(shè)備正常工作； （3）諧波會(huì)

2、導(dǎo)致公用電網(wǎng)局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而更放大了諧波，加劇了危害； （4）諧波導(dǎo)致自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，使測量儀表不準(zhǔn)確，干擾通信系統(tǒng)等。,三、補(bǔ)償無功、抑制諧波的途經(jīng),1、提高用電設(shè)備自身的功率因數(shù)、減小諧波 （1）增加整流電路相數(shù)，使網(wǎng)側(cè)電流正弦化； （2）盡量使整流裝置在較小的下運(yùn)行； （3）采用多重化技術(shù)波形迭加，消除低次諧波； （4）利用D技術(shù) （5）PWM整流器,2、加補(bǔ)償裝置 在電力系統(tǒng)中，常見的無功補(bǔ)償裝置有： （1）同步發(fā)電機(jī) 調(diào)整勵(lì)磁電流，使其在超前功率因數(shù)下運(yùn)行，輸出有功功率的同時(shí)輸出無功功率。 （2）同步調(diào)相機(jī) 一種專門用來產(chǎn)生無功功率的同步電機(jī)，是一種不帶機(jī)械負(fù)載的可以過勵(lì)

3、磁（經(jīng)常的運(yùn)行狀態(tài)）或欠勵(lì)磁（較少的運(yùn)行狀態(tài)）運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)。,（3）并聯(lián)電容器 可提供超前的無功功率，多裝設(shè)于降壓變電所內(nèi)，也可就地補(bǔ)償。 （4）并聯(lián)電抗 用在超高壓系統(tǒng)線路上吸收無功功率，防止末端電壓升高。 （5）靜止無功補(bǔ)償裝置 具有調(diào)相機(jī)的功能，使用廣泛，但投資大。,在電力系統(tǒng)中，常見的諧波抑制裝置有： （1）LC濾波器 （2）有源電力濾波器,本章主要介紹適合于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)撵o止無功補(bǔ)償裝置和適合于動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償、諧波抑制的有源電力濾波器。,2.2 靜止無功補(bǔ)償裝置(SVC),一、并聯(lián)電容器補(bǔ)償無功功率的原理,二、靜止無功補(bǔ)償裝置 靜止無功補(bǔ)償裝置，適用于無功負(fù)荷頻繁變化的場合,它要求

4、補(bǔ)償裝置具有快速性和無過渡過程。 按其元件與結(jié)構(gòu)的不同，主要有以下幾種型式：,1.自飽和電抗器型(Saturated ReactorSR）,靜止無功補(bǔ)償裝置,固定電容器組,自飽和電抗器,自飽和電抗器工作原理 自飽和電抗器無功補(bǔ)償裝置依靠電抗器自身固有的能力來穩(wěn)定電壓，它利用鐵心的飽和特性，使滯后的無功功率隨端壓的升降而增減。工程上，一般將飽和電抗器的鐵心設(shè)計(jì)在超過磁化曲線轉(zhuǎn)折處運(yùn)行，此時(shí)鐵心完全飽和，飽和電抗器就象空心電抗器一樣，電壓與電流保持線性關(guān)系。 當(dāng)母線電壓升高時(shí)，按特性曲線滯后電流增加，該電流在網(wǎng)絡(luò)電抗XS上產(chǎn)生壓降，從而維持系統(tǒng)電壓不變；反之，當(dāng)母線電壓波動(dòng)下降時(shí)，則超前電流增加，

5、該電流在網(wǎng)絡(luò)電抗XS上產(chǎn)生壓升，從而維持系統(tǒng)電壓不變。,靜止無功補(bǔ)償裝置,2.可控飽和電抗器型(Controlled Saturated ReactorCSR）,靜止無功補(bǔ)償裝置,工作原理：它通過改變控制繞組中的電流大小來控制鐵心的飽和程度，從而改變工作繞組的感抗，以改變交流工作電流iL的大小。,3.晶閘管控制電抗器型（Thyrist Controlled Reactor TCR）,工作原理：通過改變晶閘管的觸發(fā)相位角來控制了通過電抗器的電流，從而控制了裝置吸收的無功功率。,5.晶閘管開關(guān)電容器組加晶閘管控制電抗器（TSC+TCR）,工作原理：按所需的無功補(bǔ)償量投入適當(dāng)組數(shù)的的TSC并略有過補(bǔ)

6、償，再通過TCR吸收的感性無功來抵消這部分過補(bǔ)償?shù)臒o功功率，實(shí)現(xiàn)全補(bǔ)償。（TSC、TCR的工作原理與前面所述的相同）,2.3 靜止無功發(fā)生器（SVG）,一、SVG的發(fā)展史 靜止無功發(fā)生器（SVG）又稱為全半導(dǎo)體型無功補(bǔ)償器。 1972年，日本學(xué)者首先提出了用半導(dǎo)體變流器實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)幕舅枷耄?1976年，美國學(xué)者L.Gyugyi提出了SVG的拓樸結(jié)構(gòu)； 1980年，日本研制出了20MVA(SCR)無功補(bǔ)償裝置； 1987年，美國研制出了1MVA(GTO)無功補(bǔ)償裝置； 1991年，日本研制出了80MVA(GTO)無功補(bǔ)償裝置； 1994年，美國研制出了100MVA(GTO)無功補(bǔ)償裝置； 清

7、華大學(xué)研制出了300KVA(GTO)無功補(bǔ)償裝置。,2.3 靜止無功發(fā)生器（SVG）,二、SVG的基本結(jié)構(gòu) 所謂靜止無功發(fā)生器（SVG）是指采用自換相橋式變流器來進(jìn)行動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)难b置。其拓樸結(jié)構(gòu)如下：,用于減小交流側(cè)諧波電流,用于吸收換相過電壓,用于提供直流電壓,用于提供直流電流,三、基本原理（以電壓型為例） SVG基本原理 通過調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或發(fā)出滿足要求的無功電流，從而實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償。,新型靜止無功發(fā)生器（SVG）,電壓型SVG可等效為幅值與相位均可以控制的、與電網(wǎng)同頻率的交流電壓源，它通過交流電抗器連接到電網(wǎng)上。,新型靜止無

8、功發(fā)生器（SVG）,1、理想系統(tǒng)（不考慮SVG的損耗）工作情況分析,(b) 圖： 當(dāng)SVG輸出電壓的幅值大于系統(tǒng)電壓幅值時(shí)，為實(shí)現(xiàn)逆變電壓與交流系統(tǒng)間的耦合，電抗壓降起著抵消逆變電壓的作用，系統(tǒng)電流必超前電網(wǎng)電壓900運(yùn)行，因此，SVG吸收超前的無功功率，起著電容器的作用； c)圖：而當(dāng)SVG輸出電壓的幅值小于系統(tǒng)電壓幅值時(shí)，電抗壓降起著補(bǔ)償逆變電壓的作用，系統(tǒng)電流必滯后電網(wǎng)電壓900 運(yùn)行，SVG吸收滯后的無功功率，起電抗器的作用。 當(dāng)SVG輸出電壓的幅值與系統(tǒng)電壓幅值相等時(shí)，SVG與交流系統(tǒng)之間沒有無功功率的交換。,2、實(shí)際系統(tǒng)工作情況分析 在實(shí)際的系統(tǒng)控制中，考慮到存在功率損耗，并將總的

9、損耗集中作為連接電抗器的電阻考慮。,新型靜止無功發(fā)生器（SVG）,改變角，則電流的相位和大小也隨之改變，SVG從電網(wǎng)吸收的無功功率也因此得到調(diào)節(jié)。,四、 SVG與SVC的性能比較,新型靜止無功發(fā)生器ASVG）,1、直流側(cè)電容容量相對較小，成本較低 對于三相平衡系統(tǒng)，無功功率瞬時(shí)值之和等于零。因此直流側(cè)電容只是為SVG提供一個(gè)直流電壓，并不與交流側(cè)交換無功能量，只要開關(guān)頻率足夠高，直流側(cè)電容容量就可以足夠小。,2、補(bǔ)償范圍大 從補(bǔ)償器的電壓電流特性看，SVC的補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)電壓的影響，即使在系統(tǒng)電壓很低的情況下，仍能吸收額定無功電流。,3、諧波分量小 采用先進(jìn)的控制方式，SVG的輸出電壓諧波含

10、量可以很小。由于諧波含量小，因此SVG輸出端一般不需要采用濾波器，這樣可減小整個(gè)裝置的成本和體積。,4、調(diào)節(jié)速度快 SVG有更快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，在抑制系統(tǒng)的功率震蕩和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性方面，SVG的效果很好。,五、有關(guān) SVG的主要研究課題,新型靜止無功發(fā)生器ASVG）,1、無功電流的檢測理論、檢測方法 要求準(zhǔn)確、快速。,2、無功電流參考值的獲?。ㄋ惴ǎ?要求準(zhǔn)確、快速。,3、PWM控制方式 在不犧牲系統(tǒng)性能指標(biāo)的情況下，減小開關(guān)頻率。,4、控制理論 提高動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、控制精度。,5、主電路研究,六、 SVG的主要應(yīng)用領(lǐng)域,新型靜止無功發(fā)生器ASVG）,除了用于一般電氣系統(tǒng)的無功補(bǔ)償之外，靈活交流

11、輸電系統(tǒng)（FACTS）將是SVG的主要應(yīng)用領(lǐng)域。,柔性交流輸電系統(tǒng)（FACTS）簡介,柔性交流輸電系統(tǒng)的定義(1995年）：一類以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)并具有其它靜止控制器的交流傳輸設(shè)備，它們能夠增強(qiáng)電網(wǎng)的可控能力并增大輸電容量。 FACTS實(shí)際上是一類快速控制功率設(shè)備的集合，它們能夠控制電網(wǎng)的有功、無功、電抗及相角等參數(shù)。,FACTS的種類：表1中的STATCOM、SSSC及UPFC是FACTS家族中最關(guān)鍵的設(shè)備。STATCOM問世于20世紀(jì)80年代，將會(huì)取代較早出現(xiàn)的SVC。,FACTS部分設(shè)備的功能：表1中部分設(shè)備作用于電網(wǎng)的功能如表2所示。,FACTS典型應(yīng)用實(shí)例：FACTS家族部分設(shè)備的

12、應(yīng)用實(shí)例如表3所示。,一、問題的提出 ： 電力電子裝置的使用給電力系統(tǒng)帶來了諧波污染問題。,2.4 電力有源濾波器（APF）,例：,從電力系統(tǒng)來看，整流電路是消耗基波有功電流的負(fù)載，同時(shí)又是基波無功電流和諧波電流的發(fā)生源。,問題的提出,解決電力電子裝置和其他諧波源諧波污染問題的基本思路： 對裝置本身進(jìn)行改造，使其不產(chǎn)生諧波、不消耗無功功率、或控制其功率因數(shù)； 裝設(shè)補(bǔ)償裝置，補(bǔ)償其產(chǎn)生的諧波。,本節(jié)主要討論第二種思路,目前的趨勢是，利用電力電子裝置的優(yōu)良控制特性來濾波和補(bǔ)償無功，這種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置就是電力有源濾波器，它能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償

13、。,電力有源濾波器原理,二、電力有源濾波器的基本原理(以并聯(lián)型為例）,三、電力 有源濾波的兩個(gè)核心問題 作為電力有源濾波器的方式雖有各種方案，但控制上可歸結(jié)為兩個(gè)問題： 檢測器能從畸變電流中取得與補(bǔ)償電流相應(yīng)的指令值 ； 變流裝置能追隨指令值產(chǎn)生補(bǔ)償電流。,電力有源濾波的核心問題,（一）補(bǔ)償電流指令的獲得（諧波和無功電流檢測） 1、模擬檢測方法 （1）采用陷波器將基波分量濾除而得到諧波分量,利用高通濾波器對負(fù)載電流中的基波分量產(chǎn)生陷波作用，使輸出信號(hào)僅含除基波分量以外的諧波分量，以此作為有源濾波的電流指令信號(hào)。,（2）采用帶通濾波得到基波分量，再與被檢測電流相減，得 到諧波分量。,模擬檢測方法

14、的優(yōu)點(diǎn)：快速、實(shí)時(shí)性強(qiáng)。 缺點(diǎn)：難設(shè)計(jì)、誤差大、對電網(wǎng)頻率波 動(dòng)和電路元件參數(shù)敏感。 現(xiàn)已極少采用,2、數(shù)字計(jì)算檢測方法 根據(jù)采集的一個(gè)電源周期的電流值進(jìn)行計(jì)算而得到諧波和無功電流。,數(shù)字檢測方法的缺點(diǎn)：存在檢測延遲，實(shí)時(shí)性稍差。,（二）電流跟蹤控制電路 功能 根據(jù)補(bǔ)償電流的指令信號(hào)和實(shí)際補(bǔ)償電流之間的關(guān)系，得出控制補(bǔ)償電流發(fā)生電路各開關(guān)器件通斷的PWM 信號(hào)，保證補(bǔ)償電流跟蹤其指令信號(hào)變化。 控制方法 1、瞬時(shí)值比較方式 基本原理,將指令值和補(bǔ)償電流實(shí)測值進(jìn)行比較，兩者的偏差作為滯環(huán)比較器的輸入信號(hào)，通過滯環(huán)比較器產(chǎn)生控制主電路開關(guān)器件的PWM信號(hào)。,電壓型電力有源濾波器a相補(bǔ)償?shù)难芯?例：

15、,2、三角波比較方式 基本原理,由指令值和補(bǔ)償電流實(shí)測值的偏差得到指令信號(hào)，用三角波作為載波對其進(jìn)行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生控制主電路開關(guān)器件的PWM信號(hào)。,跟蹤型PWM控制方式,四、有源電力濾波器的分類 從濾波器與補(bǔ)償對象的連接方式來看，可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型，目前并聯(lián)型占實(shí)用裝置的絕大多數(shù)。,有源電力濾波器,并聯(lián)型,單獨(dú)使用 與LC濾波器混合使用 注入電路方式,串聯(lián)型,單獨(dú)使用 與LC濾波器混合使用,電力有源濾波器分類,濾波器和被補(bǔ)償對象并聯(lián)接入電網(wǎng)，多數(shù)情況用于補(bǔ)償可看作電流源的諧波源。,（一）并聯(lián)型濾波器,1、單獨(dú)使用方式,用于濾除APF開關(guān)頻率附近的諧波,特點(diǎn)： 補(bǔ)償電流全部由APF提供，因此要

16、求APF有較大的容量。,2、與LC混合使用方式,主要的諧波和無功分量由LC濾波器濾除，APF用于改善整體性能。,優(yōu)點(diǎn)：所需APF的容量較小。,缺點(diǎn)：LC濾波器與電網(wǎng)阻抗可能會(huì)發(fā)生諧振，必須對APF進(jìn)行有效控制以抑制可能發(fā)生的諧振。,3、注入電路方式,分析該電路的工作原理 提示： 這是為降低APF容量而提出的一種新型電路。,（1）C2、L在電源電壓的基波頻率附近發(fā)生串聯(lián)諧振，基波電壓絕大部分由C1承擔(dān)，APF只承受很小一部分基波電壓。,（2）C1起無功補(bǔ)償作用。,（3）APF不能補(bǔ)償基波無功。,濾波器和被補(bǔ)償對象串聯(lián)接入電網(wǎng)，主要用于補(bǔ)償可看作電壓源的諧波源，使供電點(diǎn)電壓成為正弦。,（二）串聯(lián)型濾波器,1、單獨(dú)使用方式,APF可看作可變阻抗，它對基波的阻抗為零，對諧波呈現(xiàn)高阻抗，即APF起諧波隔離作用。,2、與LC混合使用方式,主要的諧波和無功分量由LC濾波器濾除，APF用于改善整體性能。,五、