谐波抑制和无功功率补偿(王兆安)-第八章
钢铁企业电力系统的电能质量问题
191钢铁企业的用电设备大多数为感性负荷、冲击大等特点，大量使用直流电机、变压器、电力电子装置等非线性负荷。
会出现电网电压波动和闪变、三相不平衡，引起无功频繁波动、功率因数低、谐波含量超标等问题，使电网供电质量下降，严重影响到电网的运行。
由于电力电子装置的广泛应用，使得谐波和无功问题引起越来越多的关注。
同时，也由于电力电子技术的迅猛发展，在谐波治理和无功补偿方面也取得了一些突破性进展。
１ 谐波及其危害各种电力电子器件在人们的生产及生活中的广泛应用，及整流、变频、逆变等非线性负荷设备的应用，诸如谐波干扰、放大等谐波问题也随之产生。
谐波影响供配电系统设备和用电设备的正常工作，影响电力测量和电能计量的准确性，同时对自动控制系统等产生干扰与危害，严重时会造成设备的损坏和电力系统事故。
２ 钢铁企业负荷及其引起的电能质量问题根据生产及工艺要求，钢铁企业的用电设备如大量的电弧炉、中频炉、轧机等非线性负荷，在工作过程中产生大量的谐波，导致电流波形发生畸变，严重影响系统电能质量。
同时产生的电压闪变和波动、电压暂降等问题也对电能质量造成很大的影响。
以下仅着重分析电弧炉（ＥＡＦ）、精炼炉（ＬＦ）、中频炉、轧机冲击负荷的特点及其引起的电能质量问题。
2.1 电弧炉引起的电能质量问题电弧炉包括交直流电弧炉，冶炼过程主要分两个阶段，即熔化期和精炼期。
在熔化期，电弧阻抗不稳定，电流波形不规律，故谐波含量大，具有较多的３次及３的倍数次谐波，还存在一定的偶次谐波。
对交流电弧炉来说，其中２－７次谐波幅值较大。
电弧炉产生的电能质量主要有三方面：谐波问题、电压闪变及波动问题、三相不平衡问题。
2.2 精炼炉引起的电能质量问题钢包精炼炉属含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。
是用来对初炼炉所熔钢水进行精炼，要求具有较大的变压器容量、较大的电流波动范围、三相电流很不平衡，对供电质量及用电设备也存在很大的影响。
2.3 中频炉引起的电能质量问题中频炉是一种将工频５０Ｈｚ交流电转变为中频的电源装置，把三相工频交流电，整流后变成直流电，再把直流电变为可调节的中频电流，在感应圈中产生高密度的磁力线，切割感应圈里盛放的金属材料，在金属材料中产生很大的涡流。
谐波抑制和无功功率补偿(王兆安) 第六章
第6章瞬时无功功率理论及应用三相电路瞬时无功功率理论自80年代提出以来，在许多方面得到了成功的应用。
该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。
以该理论为基础，可以得出用于电力有源滤波器的谐波和无功电流实时检测方法。
本章将首先论述瞬时无功功率理论，然后介绍基于该理论的谐波和无功电流实时检测方法，最后介绍瞬时无功功率理论在其它方面的应用。
6.1 三相电路瞬时无功功率理论[131, 132, 133]三相电路瞬时无功功率理论首先于1983年由赤木泰文[31, 32]提出，此后该理论经不断研究逐渐完善。
赤木最初提出的理论亦称pq理论，是以瞬时实功率p和瞬时虚功率q的定义为基础，其主要的一点不足是未对有关的电流量进行定义。
下面将要介绍的是以瞬时有功电流i p和瞬时无功电流i q为基础的理论体系，以及它与传统功率定义之间的关系。
设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为ea 、eb、ec和ia、i b 、ic。
为分析问题方便，把它们变换到α-β两相正交的坐标系上研究。
由下面的变换可以得到α、β两相瞬时电压eα、eβ和α、β两相瞬时电流iα、iβeeCeeeabcαβ⎡⎣⎢⎤⎦⎥=⎡⎣⎢⎢⎢⎤⎦⎥⎥⎥32(6-1)iiCiiiabcαβ⎡⎣⎢⎤⎦⎥=⎡⎣⎢⎢⎢⎤⎦⎥⎥⎥32(6-2)216217其中，C 32231121203232=---⎡⎣⎢⎤⎦⎥。
i qϕiϕe ϕαi pi αqi βqi αii αp i βpi βee αe ββ图6-1 α-β坐标系中的电压电流矢量在图6-1所示的α-β平面上，矢量e α、e β和i α、i β分别可以合成为（旋转）电压矢量e 和电流矢量i :e e e =+=∠αβϕe e (6-3)i i i =+=∠αβϕi i(6-4)式中，e 、i 为矢量e 、i 的模。
ϕe 、ϕi 分别为矢量e 、i 的幅角。
定义1 三相电路瞬时有功电流i p 和瞬时无功电流i q 分别为矢量i 在矢量e 及其法线上的投影。
《电力电子技术》-王兆安-第四版习题解答
第一章 电力电子器件１．使晶闸管导通的条件是什么？答：使晶闸管导通的条件是：晶闸管承受正向阳极电压，并在门极施加触发电流（脉冲）。
即：U AK ＞ 0且U GK ＞ 0。
２．维持晶闸管导通的条件是什么？怎样才能使晶闸管由导通变为关断？答：维持晶闸管导通的条件是使晶闸管的阳极电流大于能保持晶闸管导通的最小电流，即：维持电流。
使晶闸管由导通变为关断，可利用外加电压和外电路的作用使流过晶闸管的阳极电流降到接近于零的某一数值以下，即：降到维持电流以下，便可使导通的晶闸管头断。
３．图1－43中阴影部分为晶闸管处于通态区间的电流波形，各波形的电流最大值均为I m ，试计算各波形的电流平均值I d1、I d2、I d3与电流有效值I 1、I 2、I 3 。
解：a ） m m m d I .I )t (d t sin I I 2717012222141≈⎰）＋（＝＝πωωπππm m m I .I )t (d )t sin (I I 476702143221241≈⎰πωωπππ＋＝＝b ） m m m d I .I )t (d t sin I I 54340122142≈⎰）＋（＝＝πωωπππm m m I .I )t (d )t sin (I I 674102143221242≈⎰πωωπππ＋＝＝c ） m md I )t (d I I 4121203＝＝ωππ⎰m mI )t (d I I 21212023＝＝ωππ⎰４．上题中如果不考虑安全裕量，问100A 晶闸管能送出的平均电流I d1、I d2、I d3各为多少？这时，相应的电流最大值I m1，I m2，I m3 各为多少？解：额定电流I T （A V ）＝100A 的晶闸管，允许的电流有效值I ＝157A ，由上题结果，根据电流有效值相等的原则可得： a ） I 1＝157A ＝0.4767I m ∴ I m1＝157/ 0.4767＝329.35（A ）I d1 ＝0.2712 I m1＝89.48（A ）b ） I 2＝157A ＝0.6742I m ∴ I m2＝157/ 0.6742＝232.88（A ）I d2 ＝0.5434 I m1＝126.56（A ）c ） I 3＝157A ＝0.5I m ∴ I m3＝157/ 0.5 ＝314（A ）I d3 ＝0.25 I m1＝78.5（A ）５．GTO 和普通晶闸管同为PNP 结构，为什么GTO 能够自关断，而普通晶闸管不能？ 解：1）GTO 器件α2较大，模型中的V 2控制灵敏。
一种35kV大容量无功补偿与谐波抑制综合系统
的 电压 。正 常运行 时 ， 绕 组末 端 的 电压 为 一个 很 两 小 的恒定 值 。 当电容 器 发生 故 障 时 ， 绕组 末 端 的 两
３ 源波检 制法 有滤器 控方
为实现 有源 滤波 器 的 谐 波抑 制 功 能 ， 通过 检 测
萎
２所示 。
鼍 装
电 网谐 波 电流 ， 制逆 变器输 出 电压 ， 它对 电 网电 控 使
图 ２ 有 源 滤 波 器 的 检 测 和 控 制方 法
Ｆｉ． Ｄｅｅ ｔｏ ｎｄ ｃ ｎ ｒｌｍｅ ｈ ｄ ｏ ｃｉｅ ｐｏ ｒｆｌ ｒ ｇ２ ｔ ｃｉｎ ａ ｏ ｔｏ ｔ ｏ ｆａ ｔｖ ｗｅ ｔ ｉ ｅ
产 生补偿 电流 。
４ 系统 保 护 措 施
对 于工作 在高 压 系统 的滤 波 器 而言 ， 供 完 善 提 的保护 功能 对装置 的安 全和 可靠运 行具 有非 常重要 的意义 。系 统无源 滤波 器 的保 护包 括 电容 器不 平衡
保 护和 电抗 器匝 间短路保 护 。 电容 器不平 衡保 护用
第 ３ 卷 第 ２期 １ ２１ ０ ２年 ４月
电 工 电 能 新 技 术
Ａｄｖ ｎｃ ｄ Ｔｅ ｈ ｌｇ ｆＥｌｃｒｃ ｌＥｎ ｉ ｅ ｒｎｇ ａ ｅ ｇ ａ ｅ ｃ ｎｏｏ ｙ ｏ ｅ ｔｉａ ｇｎ ｅ ｉ ｎｄ Ｅｎ ｒ ｙ
Ｖｏ ． １．ＮＯ ２ １３ ．
Ａｐ ． ２ ２ ｒ ０１
进行 过 压 、 过流 判 断 ， 当采 样 信 号 超过 设 定 值 ， 序 程
将 产生 Ｐ ＷＭ 封锁脉 冲 ， Ｓ Ｄ Ｐ控制 器 停 止发 波 ， 现 实 软 硬件 双重保 护 。
作差， 就会 得 到所有 的谐 波 电流 。 电流 ， 用 无差 拍控 制 算法 ， 制逆 变 器 ＩＭ 模 块 ， 采 控 Ｐ
电网中谐波产生的原因、危害及治理措施
电网中谐波产生的原因、危害及治理措施作者：黄贤丽张金刚来源：《科技资讯》 2015年第9期黄贤丽张金刚(华能集团济宁运河发电有限公司山东济宁 272000)摘要:随着我国经济的快速发展,电力用户中大量非线性电力设备的应用,谐波问题越发引起人们的广泛关注。
在电网诞生之初,谐波就存在,因为发电机和变压器本身就能够产生谐波,但由于量小,并不会产生危害。
然而,随着用电设备种类的增多,以及具有谐波放大效应的并联电容器的广泛应用,谐波的危害变得越来越严重。
大量谐波的存在会污染电网、影响电网中的设备和负荷,因此问题不容忽视。
了解谐波产出的原因及危害,有助于我们更好地制定治理措施。
文章对谐波产生的原因及危害进行了分析,并出了若干治理措。
关键词:基波谐波源谐波治理中图分类号:TM73 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2015)03(c)-0255-011 谐波源如果电网中的电压或电流波形是不理想的正弦波,表明其中有频率高于50Hz的电压或电流成分,该成分即为谐波。
随着非线性电力电子器件组成的电气传动自动化装置的广泛应用和容量的不断增加,谐波污染给公用电网和其他用电设备的带来的影响日益显著。
所以必须考虑谐波产生的原因和它带来的危害,以及如何将危害减少到最小。
凡是能向电网注入谐波电流或谐波电压的电气设备统称为谐波源。
例如:换流设备、电弧炉、铁芯设备、照明设备、某些生活日用电器等非线性电气设备。
整流器、逆变器和变频装置等这一类电气设备,这些设备的用途就是强行切断或连通电流,因此通常要用整流元件的导通、截止特性,而正是这一过程会导致了大量谐波电流的产生。
工业上钢铁企业中所用的电弧炉也是一个很大的谐波源。
电弧炉的熔化过程中,会发生填料不完全融化并结焦成块状固体的现象,这会导致电弧阻抗不稳定。
当电极插入熔化金属时,电极间会产生金属性短路,此时,短路电流的限制通常要依靠电炉变压器的阻抗和所串连的电抗器来完成。
如果电弧的负阻抗特性(电弧的阻抗随电流的增大而急剧减小)和熔化期三相电极出现反复不规则短路以及断弧现象,那么此时电弧炉就会产生谐波电流。
无功补偿装置在10kV配电网节能工程中的应用
Ａ Ｃ
适应系统无功负荷容量不 断增长 的要求 ，在 配 电网系 统 中应该预 留足够 多无功容量作 为系统备用 容量， 以 确保整个系统 中所有无功功率源发 出的无功 容量 能够
图 １ ０Ｖ 配 电 网无 功 优 化 控 制 示 意 图 １ｋ
Ｐ Ｒ＋Ｑ Ｘ
Ｉ ｉ
—
Ｕ
、ｌ （ １ ）
当配 电 网系统 并 联无 功 补偿 电容器 后 ，这 整个 配 电 网系 统 的 电压波 动 又可 以近 似 表示 为：
△Ｕ — （ Ｑ－Ｑ ） ｘ
ｃ
—
不相 同，从大量实际工作经验可知 ，不同无功补偿模式
ｆ ９、
下其单位容量的综合投资经济效益情况大致如表２ 所示：
网络系统 ，同时也是连接发 电厂 、高压输配 电网络 、 以及 终端 电力用 户 的重要环 节 。 由于 １ ｋ 中低 压 配 ｖ Ｏ 电网作为配 电线路末端直接与终端 电力用户相连 ，其
运 行 可 靠 性 、节 能 经 济 性 直 接 影 响到 电力 企 业 电 能供
应 的综合服务水平 。加上用户对 电能容量和供 电可靠 性 要求 的不 断提 高 ，用 户对 １ ｋ 中低压 配 电网运行 ０Ｖ 的安全、经济、 以及优质服务等方面也提 出了更 高的
等进行 完善统计分析，并结合配 电网实际结构特性 ，
以 电动 机 随 机 补 偿 和 低 压 变 压 器 随 器 补 偿 为主 要 无 功 补 偿 模 式 ，辅 助 变 电站 高 压 集 中补 偿 和 线 路 集 中补 偿 等 多 种 模 式 ， 从 而 构 筑 完 善 的 １ ｋ 配 电网无 功 补偿 优 ０Ｖ 化策 略 ，从 而达 Ｎ ｌｋ 配 电网系 统节 能 降耗 的 目的 。 ｏｖ
学习GB 51309-2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》
o GB51309-2018学习GB51309-2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》国家标准GB51309-2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》自2019年3月1日起实施，由应急管理部负责日常管理，应急管理部沈阳消防研究所负责具体技术内容的解释。
GB51309-2018国家标准编制组委托建筑电气杂志社组织全国宣贯活动，并收集整理宣贯过程中大家反映比较集中的问题，由GB51309-2018国家标准编制组以“GB51309-2018问答”的形式陆续在《建筑电气》杂志及建筑电气杂志微信公众号上发布，以帮助大家正确理解和执行GB51309-2018国家标准。
问题1：GB51309-2018《消防应急照明和疏散指示系统技术标准》（以下简称《技术标准》）第3.3.7条要求灯具采用口带蓄电池供电时，防烟楼梯间/封闭楼梯间应急照明配电箱应/宜独屯设置，集中电源是否也应如此设计？解答：蓄电池电源是就地电源，被认为是最可靠的电源；应急照明配电箱电源来自于变电所，可能经过了2级或3级配电，其输入电源一旦失去，则所有的支路都同时失电。
集中电源的每个支路都相当于1级配电，其可靠性高于配电箱。
所以，一台集中电源可以为不同疏散单元内设置的灯具供配电，但是配电回路的设置需符合《技术标准》的相关规定。
问题2：同一防火分区内楼梯是否可以共用一台应急照明呢电箱？如果不行，剪刀梯是否应设两台配电箱？解答：（1）按照建筑安全疏散的设计要求，一般同一防火分区内的人员至少应利用两个不同部位的竖向楼梯间进行疏散，竖向楼梯间分为敞开楼梯间、封闭楼梯间及防烟楼梯间等几种形式。
当采用防烟楼梯间时，楼梯间应单独设置应急照明配电箱；当采用封闭楼梯间时，楼梯间宜单独设置应急照明配电箱；当采用敞开楼梯间时，敞开楼梯间可以与位于同一防火分区的一个楼层或几个楼层共用一个应急照明配电箱，但配电回路的设置需符合《技术标准》的相关规定。
（2）剪刀楼梯间是一种结构形式比较特殊的楼梯间，从安全疏散设计的角度而言，应按两个独立的楼梯间考虑，因此，不同的楼梯间内应分别设置独立的应急照明配电箱问题3：《技术标准》3.3.7条第4款2）：应急照明配电箱的毎个输出冋路对以跨越8个防火分区，这样理解对否？解答：《技术标准》中不允许系统的配电回路跨越防火分区，即同一配电回路不能穿越不同的防火分区为相应防火分区内的灯具供电。
油田电力系统中高次谐波的产生、危害及治理措施
293随着电子技术的发展，许多非线性负载越来越多地用于电网，特别是大功率逆变器和电弧炉。
产生大量高次谐波，对供配电设备造成不良影响，甚至造成危害，使供电质量不断下降，高次谐波污染是影响供电质量的主要因素。
1 高次谐波的产生随着电子技术的快速发展，越来越多的新型电气设备正在安装，高次谐波的污染也越来越严重。
供电和配电系统受到谐波损坏后，会干扰系统的运行效率；此外，它还会损坏设备甚至危及电力系统的安全运行。
高次谐波的产生主要是由两个主要因素造成的：（1）晶闸管整流器和稳压器的广泛使用，晶闸管在大量家用电器中的普遍使用，以及各种非线性负载的增加导致波形失真。
（2） 设备设计理念的改变。
过去倾向于使用在额定条件下工作或具有较大余量的设计。
现在为了竞争，电气设备倾向于在危急情况下采用设计。
例如一些设计节省材料以操作磁化曲线的深饱和部分，并且这些部分内的操作可导致激发材料波形的严重失真。
2 高次谐波的危害表现在以下几个方面：（1）保护装置发生故障或被拒绝，导致区域停电。
（2）引起电网谐振，可能导致电容器和其他相关设备损坏。
（3）对通信和电子设备造成干扰，导致控制系统故障。
（4）降低电源效率，加大线路损失，使电缆过热，绝缘老化，易造成短路、火灾等隐患。
（5）影响设备的效率和正常运行，产生振动和噪音，缩短设备的使用寿命。
3 高次谐波特征量为了便于谐波的测量和管理，通常需要使用数字来集中描述实际工作中失真波形的某些特征。
因此，定义了一些特征量，如失真率，谐波含量，通信干扰指数（TIF），幅度系数，波形系数等。
其中畸变率和谐波含量应用最广泛。
3.1 畸变率表征波形畸变的程度。
它是衡量电能质量的一个指标。
每个谐波电压的均方根值的有效值和额定电压或其基波电压的有效值被称为电压正弦波形失真率。
缩写率（DφU），即许多国家规定低压电源电压的失真率不应超过5％。
3.2 谐波含量在项目中通常需要电压或电流失真波形中的某种谐波量，以便于监测和采取预防措施。
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第8章高功率因数变流器
第4章、第5章和第7章论述的都是设置补偿装置来补偿无功功率和谐波。
对于作为主要谐波源且功率因数很低的整流器来说，抑制谐波和提高功率因数的另一种方法就是对整流器本身进行改进，使其尽量不产生谐波且电流和电压同相位。
这种整流器称为高功率因数变流器或高功率因数整流器[165]。
当功率因数近似为1时可称为单位功率因数变流器。
与设置补偿装置来补偿谐波和无功功率相比，在某种意义上说，本章介绍的改进变流器自身性能的方法是一种更为积极的方法。
采用整流器的多重化来减少谐波的方法是一种传统方法。
用这种方法构成的整流器还不能称之为高功率因数整流器，但是它对减少谐波是很有效的，并因而也使功率因数有所提高，所以在本章加以介绍。
这种方法目前仍在广泛应用。
采用全控型开关器件构成的PWM整流器功率因数可接近1，已在某些领域获得应用，这种电路适用于中等容量的整流器。
带斩波器的二极管整流电路也可得到接近1的功率因数，适用于小功率范围，已在各种开关电源中获得了广泛的应用。
此外，一种新型的矩阵式变频电路正在受到人们的关注。
这种变频器中没有中间直流环节，属于直接变频器，它也是一种高功率因数变流器。
8.1 整流电路的多重化和自换相整流电路
将几个桥式整流电路多重联结可以减少输入电流谐波，采用自换相整流电路可以提高位移因数。
此外，在晶闸管多重整流电路中采用顺序控制的方法也可提高功率因数。
如把上述方法配合使用，会产生更好的效果。
8.1.1 移相多重联结[101]
整流电路的多重联结有并联多重联结和串联多重联结。
在采
用并联多重联结时，需要使用平衡电抗器来平衡各组整流器的电流。
对于交流输入电流来说，采用这两种多重联结方式的效果是相同的，因此这里只叙述串联多重联结时的情况。
采用多重联结不仅可以减少交流输入电流的谐波，同时也可减小直流输出电压中的谐波幅值并提高纹波频率，因而可减小平波电抗器。
为了简化分析，下面的论述均不考虑变压器漏抗引起的重叠角，并假设整流变压器各绕组的线电压之比为1:1。
1. 移相30︒构成串联2重联结
图8-1是这种电路的原理图。
整流变压器二次绕组分别采用星形和三角形接法构成相位相差30︒、大小相等的两组电压，接到相互串联的2组整流桥。
因绕组接法不同，变压器一次绕组和两组二次绕组的匝比如图所示，为1:1:3。
图8-2为该电路输入电流波形图。
其中图c 的i ’ab 2在图8-1中未标出，它是第II 组桥电流i ab 2折算到变压器一次侧A 相绕组中的电流。
图d 的总输入电流i A 为图a 的i a 1和图c 的i ’ab 2之和。
b 2
a 2i a
b 2i a 2i A
i a 1B A
E l
E l
C
c 2c 1b 1
a 1
i d I II
I
II
u d R
L
3
1
10
o
滞后30
o
▲
▲
▲
●
●
●
*
**
图8-1 移相30︒串联2重联结电路
对图8-2波形i A 进行傅里叶分析，可得其基波幅值A 1和n 次谐波幅值A n 分别如下：
A I I d
d 14323=
π
π
()单桥时为
(8-1)
图8-2 移相30︒串联2重联结电路电流波形
A k I k k d
121112143
123±=±=π
,,, (8-2) 即输入电流谐波次数为11、13；23、25；35、37…，其幅值
与次数成反比而降低。
该电路的其他特性如下：
直流输出电压 U E d L
=62π
αc o s
（单桥时为
32E L
π
αcos ，E L 为输入线电压有效值）
直流输出电压纹波频率 12f
（单桥时为6f ，f 为电源频率） 输入电流有效值 I 1=1.577I d （单桥时为0.8165I d ）。