1、 辽宁工业大学硕士研究生 文 献 综 述 报 告 研究方 向 ： 电力系统谐波抑制 及无功补偿方法的研究 研究生： + 学 号： 11+ 指导教师： + 专 业： 电气工程 辽宁工业大学研究生学院 文献综述 21 世纪能源与环境问题成为人类发展必须面对的重要问题，如何在保证可持续发展和保持良好环境的前提下为人类提供安全可靠、优质经济的电能，是电力系统面临的主要问题。国家“十一五”规划纲要提出推进国民经济和社会信息化，切实走新型工业化道路， 坚持节约发展、清洁发展、安全发展，实现可持续发展。纲要明确指出：通过开发推广节能技术，实现技术节能。为电力工业的建设提出了明确要求。 1电力系统也是一种“环
2、境”， 面临着污染， 各种电力电子装置 所消耗的无功功率使电网的供电质量恶化 ， 公用电网中的谐波电流和谐波电压 是对电网环境 影响 最严重的一种污染。 2一方面是因为 电力电子装置自身的非线性使得电网电压、电流发生畸变，产生了严重的谐波污染；另一方面是因为 大多数电力电子装置本身功率因数很低，其无功需求给电网带来额外负担，会严重影响电网供电质量。 3 无功、谐波给电 力系统和用户带来的负面影响主要有增大各类电气设备的额定电压和额定电流，引起额外的功率损耗，导致设备用电效率降低；“谐波影响各种电气设备的正常工作，导致继电保护和自动控制装置的误动作；对通信系统产生干扰，使其无法正常工作；谐波会引
3、起公用电网中局部的并联和串联谐振” 4电网的谐波和无功问题日益突出，整个供配电系统的安全运行存在较大的隐患。世界各国电力系统近年来纷纷采用了动态无功 补偿装置和谐波治理装置来提高电网的电能质量 。 5电力电子装置的广泛应用 ,不但要消耗大量的无功功率 ,还有产生大量的谐波电流。因此 ,进 一步深入无功补偿和谐波抑制的研究具有非常重要的意义 ，对无功补偿和谐波抑制的 方法 研究是今后一个重大研究课题。 6 1.国内 外 无功补偿和谐波抑制的研究 1.1 国内外无功补偿的研究 无功功率补偿技术随着电力系统的出现而出现，并随着电力工业的发展和电力负荷的多样性而不断进步。电力系统发展到现在已出现三代无
4、功补偿技术：同步发电机补偿、同步调相机补偿、并联电容器补偿、并联电抗器补偿等属于第一代补偿技术；基于自然关断晶闸管技术的 SVC（相控电抗器（ TCR）、磁控电抗器 (MCR)）属于第二代无功补偿技术；基于 IGBT、 IGCT等大功率可控器件的补偿装置 SVG(Static VAR Genarator)属于第三代无功补偿技术。 SVG 是当前世界上最先进也是最复杂的补偿技术产品，它不再采用大容量的电容器、电抗器，而是通过大功率电力电子器件的高频开关实现无功补偿的变换，在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、降低谐波和减少占地面积等多方面具有更加优越的性能。 7
5、 在国内，目前机械投切电容器的方 式比较普遍。尤其加入控制系统后，在负荷波动幅度和频率变化不大， 对响应速度要求不高的配电网络中， MSC 以其优 良的性价比，依然具有广泛的市场。目前国内比较先进，且占据一定市场份额的动态无功补偿装置是 SVC。 8SVC 接入系统中 ,电容器提供固定的容性无功 Qc,补偿电抗器通过的电流决定了补偿电抗器输出感性无功QTCR 的大小 ,感性无功和容性无功相抵消 ,只要能做到系统无功 Qn=Qv(系统所需 )-Qc+QTCR=常数 (或 0),则能实现电网功率因数 =常数 ,电压几乎不波动 ,关键是准确控制晶闸管的触发角 ,得到所需的流过补偿电抗器的电流 ,晶闸
6、管变流装置和控制系统能够可使 TCR 既能吸收感性无功功率也能吸收容性无功功率。 91995 年清华大学和河南省电力局共同研制我国首台作为工业试验装置的 300 kvarSVGtl9， 1999 年清华大学和河南省电力局研制出具有工业应用水平的采用 GTO 的 20 Mvar SVG 且并网成功。 10该装置在建模、主电路及参数设计方法、分布式链节控制与保护、系统控制策略等方面取得重大突破，核心技术达到了国际领先水平。11SVG 与 SVC 相比， SVG 具有 5个优点：调节速度快。 SVC 内部的电力电子开关元件多为晶闸管，晶闸管导通期间处于失控状态，使 SVC 每步补偿时间间隔至少约达工
7、频的半个周期，而 SVG 采用 GTO 作为开关元件， GTO 可在 0.001s 左右关断，因而其补偿速度更快；运行范围宽。在欠压条件下， SVG 可通过调节其变流器交流侧电压的幅值和相位，使其所能提供的最大无功电流维持不变，仅受其电力半导体器件的电流量限制。而对 SVC 系统，由于其所能提供的最大电流受其并联电抗器的阻抗特性限制，因而随着电压的降低而减小；可以在从感性到容性的整个范围中进行连续的无功调节； SVG不需大容量的电容、电感等储能元件，其直流侧所使用的电抗器和电容元件的容量远比 SVC 中使用的要小，这将大大缩小装置的体积和成本；谐波含量小。 SVG在采取多重化技术、多电平技术或
8、 PWM 技术等措施后，可大大减少补偿电流中的谐波含量 。 12 在国外， 1967 年 ,第一批静补装置在英国制成以后 ,受到世界各国的广泛重视 ,西德、美国、瑞士、瑞典、比利时、苏联等国竟先研制 ,大力推广 ,使得静止补偿装置比调相机具有更大的竞争力 ,广泛用于电力、冶金、化工、铁道、科研等部门 ,成为补偿无功、电压调整、提高功率因数、限制系统过电压 ,改善运行条件经济而有效的设备 13。 1986 年美国研制出基于GTO的 1 Mvar SVG， 1991年和 1994年日本和美国分别研制出采用 GTO的 80Mvar100MvarSVG1997年德国研制出采用 GTO 的 8Mvar
9、SVG。统一潮流控制器的概念是由美国西屋科技中心的 Gyugyi L于 1992 年提出，被认为是 FACTS 装置中最具代表性的装置。世界上许多国家都在开展这方面的研究工作。美国、法国都在加紧实际装置的研究工作，美国 Inez 变电站已于 1998 年在138 kV 系统上安装了 UPFCt271。我国也开展了 UPFC 的研究，但大多数仅限于理论研究和数字仿真研究。 14 1.2 国内外谐波抑制技术的研究 早在 20 世纪 20 年代和 30 年代电力系统的谐 波问题就引起了人们的注意，当时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变，并提出了电力谐波干扰问题。 1945年
10、J.C.Read 发表的有关变流器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文 15， 1969 年B M BIRD 和 J F Marsh 发表的论文中，描述了通过向交流电网注入三次谐波电流来减少电源电流的谐波成分，从而改善电源电流波形的新方法。 70 年代以来，由于谐波所造成的危害也日趋严重，世界各国都对谐波问题予以充分的关注，国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议。不少国家和国际学术组织都制定了限 制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。 161971 年， H SasakiT Machida 发表的论文中，首次完整地描述了 APF 的基本原理。但由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其
11、损耗大，成本高，因而仅在实验室中研究，未能在工业中实用。 1976 年， L Gyugyi 提出了采用 PWM 控制变流器构成的 APF，确立了 APF 的概念，确立了 APF 主电路的基本拓扑结构和控制方法。进入 80 年代，随着电力电子技术以及 PWM 控制技术的发展，对 APF 的研究逐渐活跃起来，是电力电子技术领域的热点研究之一。这一时期的一个重 大突破是， 1983 年赤木泰文提出了“三相电路瞬时无功功率理论”，以该理论为基础的谐波和无功电流检测方法在 APF 中得到了成功的应用，极大地促进了 APF的发展。目前，三相电路瞬时无功功率理论被认为是 APF 的主要理论基础之一。近年来随
12、着电力电子技术、控制技术和数字信号处理技术的发展，特别是近年来随着电力电子技术、控制技术和数字信号处理技术的发展，特别是 GTO、 IGBT 等自关断器件的出现和高性能 DSP 芯片的应用，有源电力滤波器己经进入实用阶段，在欧美一些国家和日本已经开始大量使用有源电力滤波器来补偿电网中的谐波以提 高电能的质量。 17 我国对 谐波问题的研究起步比较晚。吴竞昌等在 1 988 年出版的电力系统谐波一书是有关谐波问题比较有影响的专著。夏道止等在 1994 年出版的高压直流输电 系统的谐波分析和滤波是有关谐波问题研究代表性的著作。 18传统的 LC 无源电力滤波器由于其存在只能吸收固定频率的谐波，并且
13、容易发生并联谐振的缺点，使得其必将被有源电力滤波器取代。我国在 APF 方面的研究仍处于起步阶段，到 1989 年才有这方面的文章。研究 APF 主要集中在并联型、混合型。研究最成熟的是并联型，主要以理论联系实验研究为主。 1991 年得放交通大学王良博士研制出 3KVA 的无功及谐波的动态装置。同年，华北电力科学院和冶金自动化研究院联合研制了用于 380V 三相系统的 33KVA 双极面结型电压型滤波器；采用多重化技术，西安交通大学研制出 120KVA 并联型有源滤波器的实验样机。 1992 年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用了三个单相全控桥逆变器，用于低压电网单个谐波源的谐波
14、补偿，且只能补偿几个特定次数的谐波（ 5、 7、 11、 13 次），调制载波的频率（ 3.3KHZ）不高；河南电力局与清华大学联合开发的 20MVA 精致无功补偿发生器（包含 有缘滤波器）在郑州孟若变电站进行 300KVA 中间工业样机试运行。 19总的来说，我国的有源电力滤波技术的工业应用，仍处于试验和攻坚阶段，特别是在既治理谐波又补偿无功功率的 HAPF 系统方面。与国外相比，我国的有源滤波技术还处在研究阶段，工业中只有少数几台投入运行。随着我国国民经济的飞速发展，电力系统高次谐波问题的日益严重，对有源电力滤波器的研究与应用要提高到一个新的认识高度。伴随着我国电能质量治理工作的深入开展，
15、利用 APF 进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将得到广泛的应用。 20 2.无功补偿和谐波抑制 综合补偿方法 的研究 不论是谐波还是无功，从物理本质上看，都可以归结为波形的问题。谐波是工频 正弦波畸变，无功是电压电流波形相位不同。正是由于这种物理本质的统一性，可以对电力系统中的谐波和无功进行综合补偿。 有源电力滤波 (ActivePwoerFilet)r 就是一种谐波和无功的综合补偿系统 ， APF 的优点是能够对谐波和无功进行快速连续补偿，稳态和动态性能良好，不易与电网阻抗发生谐振、所需贮能元件容量很小 21。和前面论述的谐波和无功抑制方法相比，有源电力滤波器具有以下一
16、些特点 22: (1)实现了动态补偿。有源电力滤波器可对频率和幅值都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应 ； (2)可同时对谐波和无功进行补偿，也可单独补偿谐波或无功，且补偿无功的程度可连续调节 ； (3)在实际应用中，有源电力滤波器的贮能元件容量很小 ； (4)即使需要补偿的电流超过其额定值，也不会发生过载情况，并能在其额定容量内继续正常工作 ； (5)受电网阻抗的影响较小，不易与电网阻抗发生谐振 ； (6)能跟踪谐波频率的变化，补偿性能不受谐波频率的影响 ； (7)既可对特定的谐波源和需要无功的负载进行补 偿，也可对多个谐波源和需要无功的负载进行补偿。 23 有源
17、电力滤波器（ Active Power Filter， APF）是一种新兴的电力电子装置，可以实现谐波抑制与无功补偿。与 LC 电路构成的阻抗型补偿装置不同，它通过信号处理技术检测出负载中谐波与无功电流，然后由主电路变换器发出一个与之相同的补偿电流，从而使电网只需向负载提供与电网电压同相位的基波正序电流。 24有源电力滤波器 (APF)可以对大小及频率变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿 ,并能有效地克服无源滤波器的缺点。但电力电子器件随着容量的增大 其所容许的开关频率却越来越低 ,影响补偿效果。为解决这一矛盾 ,有三种方案 ,即采用器件串并联方式、多台 APF 并联、多重化主电路方式。多重化
18、主电路最为合理有效 ,既满足容量要求 ,也提高等效开关频率 ,只需一套控制电路 ,在经济上更为合理。采用四重化主电路 ,四组 PWM 变流器并联 ,每个 PWM 变流器的容量为 30kvA,谐波补偿容量达到 120 kvA,在控制电路中 ,谐波补偿电流指令的计算采用了基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 ,将补偿电流指令分配至 4 组 PWM 变流器 ,等效开关频率为器件开关频率的 4 倍 ,获得良好的补偿效果。 25 目前国内外在中高压大容量配电系统中主要采用无源电力滤波器 (passive power filter， PPF)抑制谐波，同时补偿固定的无功。它存在滤波特性受电网阻抗影响大，
19、易与系统发生串、并联谐振等自身无法克服的缺点。 26混合有源电力滤波器 (hybrid active power filter， HAPF)结合二者的优点，受到学术界的关注，成为中高压系统谐波抑制的一个发展方向和研究热点。 27混合有源电力滤波器按 APF 与谐波源负载的联结关系可分为串联型和并联型 2 种 28， 分别提出串联型 和并联型 2 种混合滤波器之后，对混合有源电力滤波器拓扑和控制策略的研究得到了快速发展。提出一种无变压器型混合有源电力滤波器，它由一组单调谐滤波器和有源电力滤波器直接相连而成，没有耦合变压器，同时也不需要输出滤波器，可有效地节约成本，是一种比较有发展前景的拓扑。 2
20、9 以上综述了目前常用的无功补偿与谐波抑制技术 ,分析了它们各自的优缺点及应用研究现状。 30系统无谐波时 ,无功功率有固定概念和定义。有谐波时 ,无功功率的定义和谐波密切相关 ,谐波除本身的问题外 ,还影响无功功率和功率因数。 31随着大功率电力电 子器件技术的高速发展 ,未来的功率器件容量将逐步提高 ,应用有源滤波 (APF)及统一潮流控制器 (UPFC)进行无 功补偿 偿及谐波抑制 ,必将成为电力系统自动化的发展方向。 32将 APF 与 TSC、 PPF 等阻抗型补偿装置相结合构成无功谐波综合补偿系统，实现了 APF 与 TSC、 PPF 优势互补，在当前具有重要的现实意义 。 33
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