谐波治理研究现状

第一章 绪论 本章简述电能污染产生的原因，以及无功和谐波对电力系统的危害。并介绍了电能质量治理常用的方法，以及本文所做的工作。

1.1 课题研究背景 电压质量问题包括两个方面：一方面是电压幅值不符合电能质量的要就，既电压偏高或偏低，这主要是无功调节不力的原因，电网在小负荷水平下因无功过剩，导致电网电压普遍上扬，需断开输电距离长又近视空载的运行线路或安装电抗器来抑制系统电压的过分偏高；而当负荷水平上升的时候，电网电压就普遍偏低，相当一部分站点电压甚至会超越电压的允许的偏差范围下，造成这种现象的主要原因是电网的无功补偿不足。为了改善电能质量，降低电力网络的损耗，就必须在低负荷时可以吸收一定的无功功率，在高负荷时发出足够的无功负荷。 另一方面是三相电压不平衡，这主要是由三相负荷分布不均引起的。电网中各种不平衡工业负荷尤其是用于铁路系统的单相馈线等，都会导致电压的不对称，这样会造成中性点位移和负荷断点上难以预知的电压，而过高的中性线电流导致目前变压器普遍运行在违反运行规范的状况下。有必要通过先进的输配电技术对负序进行补偿，以解决三相不平衡的问题。 谐波是指电压、电流波形发生畸变，这主要是负荷的非线性造成的，随着电力电子装置的广泛使用以及空调、大型电动机等电器的普及，电网中的谐波含量也不断的上升，谐波污染对电力系统安全、稳定、经济运行构成潜在的威胁，给周围电气环境带来极大的影响，被公认为电网的一大公害。 在20世纪20年代或30年代的德国，研究者由静止变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波的概念。当时最有影响的是Rissik H.所著的《The Mercury Arc Current Converter》，另一篇有关静止变流器产生谐波的经典论文是Read J.C.在1945年发表的《The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics》，至今还被研究者广泛引用。50年代和60年代在高压直流输电方面推进了变流器谐波的研究，在这一时期发表了大量的论文。Kimbark E.W.在其著作《Direct Current Transmission》中对此进行了总结，概述包括了电力系统谐波方面60篇以上的参考文献。70年代以后，国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议。从1984年开始，没两年召开一次的电力系统谐波国际会议（ICHPS）极大地推动了谐波领域的研究和交流，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波及用电设备谐波的标准和规定，同时对谐波治理问题的研 究也蓬勃发展起来。我国对谐波问题的研究起步于80年代，在90年代有了长足的发展，与国外研究水平的差距正在不断减小。 谐波的污染与危害主要表现在对电力与信号的干扰和影响上，可概括为： 1. 在电力危害方面：消耗电力系统的无功储备；增加输电线路损耗；增加了旋转设备的负载谐波损耗，使其发热，缩短使用寿命；谐波谐振过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏，运行安全性下降；使电能测量产生较大误差。 2. 在信号干扰方面：对通信系统产生电磁干扰，是电话和网络通讯质量下降；造成敏感的自动化控制和保护装置工作紊乱，误动作和拒动现象增加，导致可靠性下降；影响功率处理器的正常运行。导致电压质量和谐波问题日益严重的主要原因就是输配电技术的落后，对无功、谐波和三相不平衡不能实施有效、灵活的控制，进而不能改善电压质量、降低谐波含量，导致电网运行环境日益恶劣。同时，随着现代工业技术的不断发展和计算机技术的广发应用，用电设备对电能质量更加敏感。特别是通信系统、微机保护和计量及控制装置对电网的干扰和异常更敏感，甚至几十毫秒的不正常就可引起制造系统的混乱，低劣的供电质量将导致低劣的产品质量。因此，广大用户对电能质量提出了比以往更为严格的要求。

1.2 谐波治理技术的现状 谐波问题的研究可以分为一下四个方面：与谐波有关的功率理论的研究；谐波标准的研究；谐波测量的分析；谐波治理。 当电网电压或电流中含有谐波时，如何定义各种功率是一个至今尚未得到圆满解决的问题，这是一个关系到电量计算、分析及控制的重要问题。如何使定义科学严谨，又能满足各种工程和管理的需要，还有许多问题需要研究。传统的平均功率理论在系统存在谐波时不能完全使用，容易造成诸如电能计量变差等问题。本文就针对有源电力滤波器APF而提出的瞬时无功功率理论，该理论是解决谐波相关问题使用得最为广泛的功率理论，当然该理论也并不是非常完美，也存在一点的问题，本论文就提出了一种改进的瞬时无功功率理论。 由于谐波具有固有的非线性、随机性、分布性、非稳定性和影响因素的复杂性等特征，难以对谐波进行准确测量，为此许多学者对谐波分析问题进行了广泛研究。谐波分析算法中使用最为广泛的是快速傅里叶变换方法及其改进算法，当然基于自适应理论、基于小波变化和基于神经网络的方法今年来也受到了较大关注，但是在有源电力滤波器中应用最为普遍的是基于瞬时无功功率理论测量方法，该理论最大有点在于可以实时分离出各次谐波用于谐波分析。 谐波治理的措施主要有三种： 1. 受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗干扰能力。治理的措施主要有如下几种：选择合理的供电方式，将谐波源由较大的容量的供 电点或由高一级电压的电网供电，可以减小谐波对系统和其他用电设备的影响；避免电容器对谐波的放大。改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器。或限定电容器组的投入容量，可以有效地减小电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行；提高设备的抗干扰能力；改善谐波保护性能。 2. 主动治理，既从谐波源本身出发，是谐波源产生谐波或降低谐波源产生的谐波。治理的方式有：增加变流装置的相数或脉冲数；改变谐波源的配置或工作方式；采用多重化技术，将多个变流器联合起来使用，将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高；谐波叠加技术和PWM技术也是很好的主动治理方法。 3. 被动治理，既外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。现在电能质量治理主要是被动治理。如：采用无功滤波器PF，在谐波附近或公用电网节点装设单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功补偿，运行维护也简单；在谐波源附近和公用电网节点装设并联型和串联型电力有源滤波器APF，可以有效起到补偿或隔离谐波的作用，并联型还可以进行无功功率补偿，但装置造价较高，补偿容量较小，电压等级偏低。而采用混合型有源电力滤波器，可以很好的兼顾PF成本低廉、电压等级高、补偿容量大和APF性能优越的优点，属于APF的分支和发展。本问所论述的就是其许多种类的一种。

1.3 谐波治理技术的发展趋势 由于电力电子技术具有灵活、快速、高效等优点，特别是今年来随着电力电子技术和半导体集成技术的发展，电力电子器件的性能不断的提高，耐压和功率等级迅速增大，加上计算机技术和控制技术的发展，使电力电子装置用于柔性交流输电系统(FACTS)已经成为了一种趋势，下面就介绍几种利用电力电子技术来实现电能质量控制的装置。

1.3.1 静止无功补偿器（SVC） 目前电力系统中应用最多，最为成熟的FACTS设备就是静止无功补偿器（Static Var compensation, SVC）。它通常由负荷并联的电抗器和（或）电容器组合而成，且其中歪歪有一个可调的。可调电抗器包括晶闸管控制的电抗器（TCR）或晶闸管投切的电抗器（TSR）两种形式。电容器则通常包括与谐波滤波器电路结合成一体的固定的电容器（FC）或机械投切的电容器（MSC），或在需对电容进行高速或非常频繁投切时所采用的晶闸管的手段。以日本为例，截止2001年底，共生产了264台容量高达9018Mva的并联无功补偿器，其中92%以上为基 于晶闸管的SVC。全世界截止1999年已有总装机容量超过50000Mvar的装置投入运行。

1.3.2 静止同步补偿器（STATCOM） 静止同步补偿器作为基于电压源变流器的并联补偿装置，其概念自20世纪80年代一经提出立刻得到了各大电器制造公司的广泛关注，纷纷投入巨大的资金和人力进行开发，但由于当时电力电子技术发展的限制一直没有正式的样机投入运行。20世纪90年代高压大功率可关断器件的迅速发展从硬件上为作为电力系统一次回路设备的大功率STATCOM的开发提供了可能，1992年日本三菱公司研制的世界第一台±80Mvar的工业装置于日本犬山投入商业运行，开创了基于同步变流器装置的FACTS技术的新纪元，随后各大公司纷纷推出自己的产品。我国清华大学和河南省电力局合作研制的±20MvarSTATCOM也于1998年投入运行。到目前为止，已有数十台装置投入到了商业运行，是新一代FACTS装置中最早，也是得到最广泛应用的同步补偿装置。

1.3.3 统一潮流控制器（UPFC） 统一潮流控制器（Unified power flow controller，UPFC）将一个由晶闸管换流器产生的交流电压串入并叠加在输电线相电压上，使其幅值和相角皆可连续变化，从而实现线路有功和无功功率的准确调节，并可提高输送能力和阻尼系统振荡。美国西屋电气公司研制出一种简化的UPFC称为串联潮流控制器（Serial power flow controller，SPFC），其基本结构和SVC类似，区别是其输出变压器串联接入输电线。SPFC造价明显低于UPFC，但功能可与之相比且优于SVG。中国电力科学研究院、东南大学、清华大学等单位也进行了理论研究和仿真实验，研究结果表明：UPFC具有良好的效果和功能。

1.3.4 有源电力滤波器（APF） 有源电力滤波器（Active power filter，APF）的交流电路分为电压型和电流型。目前实用的装置90%以上为电压型。从与补偿对象的连接方式来看，有源电力滤波器可分为并联型和串联型。并联型中有单独投入电网使用、LC滤波器混合使用以及注入电路方式，目前并联型占实用装置的大多数。目前有源电力滤波器仍存在一些问题，如电流中有高次谐波、单台容量低、成本较高等。随着电力半导体器件向大容量、高频化方向发展，这种既能无功补偿又能谐波治理的装置必然会有很好的发展前景。本论文就详细地介绍了其中的一种。