1.1无功补偿与有源滤波概述在线视频

各位同学好

我是来自华北电力大学的李健文

第一节无功补偿与有源滤波概述

电力系统中存在大量的非线性负载

谐波与无功问题日益严重

近年来

电力电子技术迅猛发展

谐波抑制和无功补偿取得了一些突破性进展

本章围绕PWM逆变电路

在无功补偿与有源滤波方面展开研究

了解电力系统中存在的谐波源

无功源的性质与特点

认识到其危害

从而有目的的提出进行

谐波补偿与无功抑制的方法

第一部分

谐波与无功的产生

谐波与无功产生的源头主要有

含铁磁材料的非线性设备

如含电弧类设备

电力电子装置

电气化铁路等

含铁磁材料的非线性设备

主要为电机

如异步电机

其等效电路图如一所示

电机通过感性无功电流

建立了磁场

进行了机电能量的转换

而电力系统中机械负荷的拖动

电能的转换和传输

都广泛使用的变压器与异步电机

因此电机消耗的无功功率

在电力系统中占有很高的比例

铁磁非线性设备同时是谐波源

例如变压器产生的谐波

是由其铁心励磁回路的非线性引起的

和铁心的饱和程度有关

其励磁电流的

为四分之一周期对称的尖顶波

含全部的奇次谐波

其中三次谐波最大

电弧炉以废钢作为主要原料

是现在炼钢的主要手段

其技术性和经济性上有很大的优势

在炼钢工业中占的比重越来越大

而电弧炉工作在熔化期

电弧电阻为非线性的

使得电弧变化很不规则

具有很大的随机性

因而产生大量的谐波

并伴随三相不平衡

电弧炉产生的无功功率的原因

为未得到稳定的电弧

电弧炉需要特制的降压变压器

和串联大容量电抗

以限制短路电流

因此

电弧炉等效为阻感性非线性负载

可见电弧炉既为谐波源又为无功源

电力电子装置本质上是一种非线性负荷

各种相控整流电路和二极管不控整流电路

作为电力电子装置和电网的接口

不仅消耗大量的无功

而且产生大量的谐波

已成为电力系统最大的谐波源

如图三所示的12脉动整流桥

注入到交流侧谐波电流次数为12k±1

功率因数为0.9886cosα

其中

其中a为触发延迟角

改变α角便改变了功率因数

无功也随之变化

电气化铁路中电力机车是谐波源

也与无功源

如图四所示

其三段为单相桥式半控整流电路

其谐波次数为2k±1次

功率因数的大小也直接与触发延迟角相关

第二部分

无功影响与谐波危害

上述是电力系统中

四种主要的谐波源和无功源

它们给电力系统造成了巨大的危害

无功的影响包含无功功率增加

会导致电流增加

视在功率增加

使发电机

变压器

导线等设备容量增大

无功功率的增加

也会使输电线路的线路损耗增加

无功功率对电网电压质量的影响严重

一般线路中电抗远大于电阻

从公式一

我们可以看出有功功率的波动

对电网电压影响较小

而无功功率的波动对电网影响较大

冲击性无功功率会使电网电压剧烈波动

严重影响电网的供电质量

因此

稳定的无功功率和合理的无功补偿

对电网稳定运行至关重要

下面我们通过电能传输图片五

来介绍一下谐波对电网及电气设备的影响

一谐波使电网中的电气设备产生附加损耗

降低了发电

输电及用电设备的效率

谐波影响各种电气设备的正常运行

如电机

变压器

电容电缆等

谐波会引起公用电网发生局部并联谐振

或串联谐振

引起严重事故

谐波会引起继电保护

和自动装置误动作

计量误差

谐波会对通讯产生干扰

使通讯系统无法正常工作

谐波与无功对电网造成剧烈的冲击

甚至使得同一电网上的其他用户

无法正常运行

因此我们需要对其进行治理

第三部分

无功补偿的措施

首先我们来定性看一下无功补偿的效果

图六左是三相负载不平衡

造成了电网电压的不平衡

图六右是通过合理的无功补偿

平衡了电网的三相电压

那无功补偿

有哪些措施呢

第一种方式是采用同步调相机

通过调节励磁就可动态补偿无功

但其体积大

安装地点不灵活

反应速度慢

在配电网中一般很少采用

目前针对惯量较小的高压直流输电的

无功补偿

学者们展开了应用调相机

来进行系统稳定性调节的深入研究

第二种方式无功补偿并联电容器

由于电力系统中多数负载为感性负载

可以通过并联电容器的方式来进行补偿

其成本低

体积小

安装方便

但只能补偿固定的无功功率

且易和电网发生并联谐振

随着晶闸管的广泛采用

静止无功补偿器是第三种无功补偿方法

可以通过晶闸管的通断控制

投切电容器TSC

只能有机的补偿无功

可以通过晶闸管的相位控制电抗器TCR

从而实现感性无功的连续调节

两者匹配使用

可以实现无功功率的灵活调节

当然

大容量的无功调节时

还可以固定的电容器并联使用

但这种补偿方法

电力电子器件只是利用这些电容器

或电抗器的阻抗进行控制

因此需要大容量的电抗器

和电容器等储能元件

且其无功电流

随着电压的降低而减小

二十世纪八十年代以来

出现了一种更为先进的静止无功补偿装置

及第四种无功补偿的方法

这就是采用PWM自换相

逆变电路的静止无功补偿装置

静止同步补偿器

STATCOM又称为静止无功发生器SVG

SVG可以等效为一个幅值相位可控的电压源

该电压源通过电抗器和电网连接

SVG则是用逆变器换流电路

在三相电路之间转移电量

及无功达到调节功率因数

改变电流波形的目的

因此

在SVG的直流侧只需较小容量的电容器来滤

SVG一般采用多重化

或PWM控制来改进谐波特性

它即可发出无功功率

也可吸收无功功率

后面对无功的补偿

我们主要针对这种方式来展开

第四部分谐波抑制措施

谐波抑制的思路一般有两种方式

一种是被动的方式

先污染后治理

及装设谐波补偿装置来补偿谐波

对已投入运行的电力电子装置等谐波源

可以通过这种方式进行改造

第二种为采取主动的方式

及应用先进的技术

将电力电子装置产生的谐波降至到最低水平

下面我们来定性看一下谐波抑制的目的效果

在无穷大的电力系统中

一般我们认为电压无谐波

其幅值频率固定

而电流含有谐波

如左图七一中

为三相桥式全控整流电路

变压器二次侧的电压电流波形

电流为方波含6k±1次谐波

通过谐波抑制

滤除其谐波

得到如图七二

只含基波电流的波形

谐波抑制的措施有两种

一种为无源滤波

一种为有源滤波

早期使用的补偿器是LC无源滤波器

其主要思想是根据LC的串联谐振原理

为谐波电流提供一个低阻通道

将其旁路

无源滤波器同时提供一定的基波无功补偿

该电路由于其结构简单

一直被广泛使用

但其只能补偿固定频率的谐波

而且补偿特性易受电网阻抗

和运行状态的影响

容易与系统发生谐振

为解决无源滤波器的局限性

人们做出了很多的研究和探索

其中最有代表性的是有源电力滤波技术的提出

有源电力滤波器

APF是一种新型的电力电子装置

有源电力滤波器的基本思想

是从补偿对象中检测出谐波电流等分量

由补偿装置产生一个

与该分量大小相等而极性相反的补偿量

使流入电网中的电流只含基波分量

该装置具有动态响应快

补偿功能多样化

且克服了传统LC滤波器

和无功补偿方法的缺点

是谐波抑制的一个重要发展方向

后面对谐波的补偿

我们主要针对这种方式来展开

与LC滤波器混合使用的有源电力滤波器

其基本思想是利用

LC滤波器

来分担有源滤波器的部分补偿任务

这主要是为了减小有源滤波器的补偿容量

而且LC滤波器的成本低

结构简单

可降低整个设备的造价

采取主动的方式

主要是设计绿色电力电子电源

及应用先进的技术

将电力电子装置产生的无功谐波

降低到最低水平

采用的技术包含

一采用先进的控制技术

实现单位功率因数的变流器

谐波含量几乎为零

针对容量大

电力电子装置采用多电平

多重化的技术的主电路拓扑来提高

功率因数降低谐波

本小结针对PWM逆变电路的无功补偿

与有源滤波中的应用背景知识进行了阐述

分别包含谐波与无功的产生

谐波与无功的危害

无功补偿措施

谐波治理措施四个方面

目前广泛采用的无功补偿方法

为静止无功发生器SVG

谐波抑制措施APF

都采用了PWM逆变电路

除此之外还需要哪些关键技术呢

我们下节来讲述