（机械电子工程专业论文）港口变电所无功补偿和谐波治理的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着电力电子技术的发展，大量的非线性电力电子器件广泛地使用于电力 系统中，电力系统结构的日益复杂，给系统的运行带来了一系列的问题，其中 最为严重的就是功率因数降低和谐波污染问题。功率因数过低，将会导致大量 电能的浪费；谐波电流的存在，可能会引起装置的谐振，从而损害元器件。港 口电气系统中也存在着大量的非线性负荷，这些负荷功率因数较低，谐波电流 较大，既浪费了电能，也对港口电气系统带来了潜在的危害。总之，无功功率 的补偿和谐波电流的抑制已经成为港口电气系统设计中最重要的问题之一。 目前大部分港口主要采用需要系数法来计算负荷的无功功率，采用母线上 并联电容器的方式来补偿无功功率。需要系数法是将设备功率直接乘以需要系 数和同时系数来计算负荷的有功功率和无功功率，虽然计算简单，但是难以计 算动态的负荷变化，给补偿带来不便。并联电容器的补偿方式可以有效的补偿 静态无功功率，但是对于港口电力系统中变化的无功功率，补偿得并不好，而 且该方法可能会导致额外的谐波。谐波理论与无功补偿理论相比较而言发展较 慢，由于最近电容和电力电子装置发生谐振而损害的事故时有发生，所以越来 越多的港口设计者开始注意该问题，谐波抑制装置已经进入部分港口成为生产 中必要的设备，因此对于港口电力系统动态无功补偿和谐波抑制的研究是有实 际意义的。 本文全面地论述了非线性负荷对无功功率和谐波的影响，以及无功功率和 谐波所带来的影响。利用动态无功功率理论详细的研究了无功电流和谐波电流 的实时检测，在准确的检测出无功电流和谐波电流的基础上，研究动态补偿方 法，介绍了先进的静止无功补偿装置和有源电力滤波器的原理，并结合实际港 口的情况，进行无功功率和谐波电流的计算。通过计算可以发现，无功补偿和 谐波抑制的效果良好，均能达到实际要求。最后利用m a t l a b 中的s i m u l i n k 仿 真库，对动态无功补偿和谐波补偿方式进行仿真，仿真结果表明基于瞬时无功 功率理论设计的有源滤波器装置能够有效检测出谐波分量，并可以滤除谐波分 量，完成抑制谐波的作用。 关键词：电力系统谐波，无功补偿，谐波抑制，m a t l a b 仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t a st h et e c l m o l o g yo fp o w e re l e c t r o n i c sd e v e l o p s , al o to fn o n - l i n e a rp o w e r d e c t r o n i cc o m p o n e n i sa r ea p p l i e dw i d e l y i n t h ee l 洲cp o w e rs y s t e m t h e m p l i c a c i e so fe l e c t r i cp o w e rs y s t e ms t r u c t u r ea l s og i v er i s et oas e r i e so fp r o b l e m a m o n gt h e m ，t h em o s ts e r i o u sp r o b l e mi sh o w t or e d u c ep o w e r - f a c t o ra n dp o l l u t i o n o fh a r m o n i c p o w e rf a c t o rb e i n go v e r l yl o ww i l lc 丑u s en i a s sw a s t eo fe l c c t r i ce n e r g y t h ee x i s t e n c e0 fh a r m o n i cc u r r e n tw i l lp o s s i b l yl e e dt oh a r m o n i cv i b r a t i o no f e q u i p m e n t , w h i c h 伽i m p a i rc o m p o n e n t s p o r tp o w e rs y s t e mh a v eal o to f n o n - l i n e a rp o w e re l e c t m n i cc o m p o n e n 坞t h e ya r el o wp o w e r - f a c t o r , a n dl e a dt o h a r m o n i cc u r r e n t t h c yn o to n l yw a s t ep o w e rb u ta l s ob r i n gl a t e n c yh a r m i naw o r d , r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n dh a r m o n i cc u r r e n tr e s t r a i nh a v eb e c o m eo n eo ft h e m o s ti m p o r t a n tp r o b l e m s n o w a d a y s , m o s tp o r t st r a d i t i o n a l l ya d o p tp a r a l l e lc o n n e c t e dc a p a c i t o r sl d c o m p e n s a t er e a c t i v ep o w e r a l t h o u g ht h i sm e t h o dc a na f f e c t i v e l yc o m p e n s a t es t a t i c r e a c t i v ep o w e r , i ti sn o tg o o d 啪u g hf o rt h ed y n a m i cr e a c t i v ep o w e ri nt h ep o r t p o w e rs y s t e m i na d d i t i o n , t h i sm e t h o dm a yc a u s ee x t r ah a r m o n i c c o m p a r et o r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nt h e o r y , h a r m o n i cr e s t r a i nt h e o r yd e v e l o p e ds l o w e r , b e c a u s et h eh a r mo fh a r m o n i ci sf o u n di nt h ep a s ty e a r s , m o s tp o r t sh a v e n ta d o p t h a r m o n i cr e s t r a i nd e v i c e ，t os t u d yd y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n d h a r m o n i cr e s t r a i no f p o r tp o w e rs y s t e mi so f p r a c t i c a l l yi m p o r t a n c e t h i sp a p e rt h o r o u g h l yd i s c u s s e dt h ee f f e c t so fr e a c t i v ep o v 4 e ra n dh a r m o n i c , a n ds t u d i e dt h er e a c t i v ec u r r e n ta n dh a r m o n i cc u r r e n tw i t hd y n a m i cr e a c t i v ep o w e r t h e o r ya p p l i e d b a s e do nt h ea c - u r a t es u r v e yo fr e a c t i v ec u r r e n ta n dh a r m o n i c c u r r e n t , i tt h e ns t o d i e dt h em e t h o do fd y n a m i cc o m p e n s a t i o n , i n t r o d u c e da d v a n c e d t h e o r yo fs t a t i cv a rg e n e r a t o ra n da c t i v ep o w e rf i l t e r , a n dc o m p u t i n ga c c o r d i n gt ot h e c i r c u m s t a n c e so fp o r t t h cr e s u l to fc o m p u t i n gi sb e t t e r , a n dc 翘m a k ei tt of a c t f i n a l l y i te x p l i c a t e dt h es i m u l a t i o no fd y n a m i cr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o na n d h a r m o n i cc o m p e n s a t i o nm e t h o di nm a t l a bw i t hs i m u l i n ks i m u l a t i o nl i b r a r y r e s u l to ft h i ss i m u l a t i o ni n d i c a t e dt h a tt h ea c t i v ep o w e r 丘i t e rd e s i g n e da c c o r d i n gt o t h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yc a ne f f e c t i v e l vs u n ，e ya n df i l t e rh a r m o n i c c o m p o n e n t t or e s t r a i nh a r m o n i c k e y w o r d s ：h a r m o n i c ，r e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o n ，h a r m o n i cr e s t r a i n ，m a t l a b s i m u l a t i o n n 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 港口配电系统和其他配电系统一样，是电力系统的一个组成部分。港口配 电系统的设计，主要是根据港口电力负荷的使用要求和特点，在满足供电安全、 可靠的前提下，实现电能的合理利用和节约，减少投资费用，提高港口的经济 效益。如果电气系统谐波和无功电流太多，就可能造成港区生产的非正常停产 或者设备的损坏从而带来相当大的经济损失，而无功补偿和谐波治理作为其中 最突出的问题，其重要性不容忽视i l “。 1 1 研究的背景 近年来，随着国民经济的跨越式发展，港口行业也得到快速发展，特别是 港口日益复杂，负荷的快速增长对无功功率的需求也大幅上升。港口变电所作 为整个供电系统的核心，它肩负着使整个港口的电力系统安全稳定运行的重担， 在设计过程中，应该充分考虑到各种负荷的特性和可能出现的谐波污染情况， 并把先进的对无功功率的补偿和对谐波的治理结合起来1 3 在理想的港口电力系统中，电能是以单一恒定的工业频率( 5 0 h z ) 和规定的 电压水平给设备供电，电能质量也只是用频率和电压来衡量。但是在实际中， 由于各类非线性负荷的作用，会使电压电流的波形发生畸变，从而在电力系统 中产生高次谐波和无功电流，这就给港口变电所设计带来了新的问题。过去由 于各类非线性负荷所占比例很小，谐波对电力系统的影响不是很明显，因此没 有引起港口设计者的注意，而所带来的无功电流对电网的影响比较大，由于功 率因数过低而造成的大量电能浪费使设计者不得不增添各种补偿方式。但是近 年来，各种大功率可控硅整流设备、变流设备、电弧炉、感应炉和各种电力电 子设各不断地接入电网，还有港区的各类家用电器以及其它非线性负荷也大量 她投入使用，从而使电网中的高次谐波显著增加，而无功电流也进一步增大， 原来的无功补偿方式已经很难满足电网中复杂的负载所带来的冲击，必须需要 改进补偿方式以达到提高功率因数和抑制谐波双重功效1 4 j 。 非线性负载既是造成功率因数过低的重要因素又是系统谐波的主要来源， 要解决好系统的无功补偿和谐波治理问题首先必须对各种谐波源进行深入研 究。目前港口常见的谐波源有以下几种： 武汉理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 电动机。各种港口装卸机械中都有电动机，电动机的励磁线圈需要吸 收大量的无功功率，其中也包含了感性负载，给系统带来了谐波。 ( 2 ) 照明设备目前港口中用的许多照明设备都是感性设备，例如高压钠 灯和日光灯，这就给电网带来了许多无功电流和谐波。 ( 3 ) 电力电子装置。电力电子装置近年来迅猛发展，是最严重的谐波源。 它有多相和单相之分。大型的有达百万千瓦级的i i 、，d c 装置和大型的整流装置， 小型的有电动机节能器，一些家用电器。 谐波的危害表现为引起电气设备( 电动机、变压器和电容器等) 附加损耗 和发热：使同步发电机的额定输出功率降低、转矩降低、变压器温度升高、效 率降低，绝缘加速老化、使用寿命缩短甚至损坏，降低继电保护、控制，以及 检测装置的工作精度和可靠性等。谐波注入电网后还会使无功功率加大，功率 因数降低，甚至有可能引发并联或串联谐振，损坏电气设备以及干扰通信线路 的正常工作。从目前情况来看，港口电力系统的谐波“污染”问题已经到了必 须采取有效措施进行治理的时候了l ”。 1 2 国内外相关的研究现状及发展趋势 1 2 1 无功补偿的研究现状及发展趋势 人们对有功功率的理解非常容易，而要深刻认识无功功率却并不是轻而易 举的。在正弦电路中，无功功率的概念是清楚的，而在含有谐波时，至今尚无 获得公认的无功功率定义。但是，对无功功率这一概念的重要性，对无功补偿 重要性的认识，却是一致的。无功补偿应包含对基波无功功率的补偿和对谐波 无功功率的补偿，后者实际上就是谐波补偿1 6 j ， 无功功率对供电系统和负荷的运行都是十分重要的。电力系统网络元件的 阻抗主要是电感件的。因此，粗略地说，为了输送有功功率，就要求送电端和 受电端的电压有一相位差，这在相当宽的范围内可以实现：而为了输送无功功 率，则要求两端电压有一幅值差，这只能在很窄的范围内实现，不仅大多数网 络元件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功率。网络元件和负载所需 要的无功功率必须从网络中某个地方获得。显然，这些无功功率如果都要由发 电机提供并经过长距离传送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法应是 2 武汉理工大学硕士学位论文 在需要消耗无功功率的地方产生无功功率，这就是本文所要讨论的无功补偿忉。 当然要进行无功补偿就需要先进行负荷计算，目前主要的负荷计算方法是 需要系数法和二项式法嗍。 需要系数法是用设备功率乘以需要系数和同时系数，直接求出计算负荷。 这种方法比较简便，应用广泛，尤其适用于配、变电所的负荷计算。其计算方 法如下： k 。p - ( 1 - 1 ) q j , - 巳t a n 4 , ( 1 2 ) - 露+ q ；( 1 - 3 ) 小惫 1 4 式中： 圪有功计算负荷，k w ； q - 无功计算负荷，k v a r , s 。视在计算负荷，k v a ： j 丘计算电流，a 只一用电设备的总容量，k w ； 七。需要系数； t a n 妒用电设备功率因数的正切值； u 。用电设备额定电压，v 二项式法是考虑用电设备的数量和大容量用电设备对计算负荷影响的经验 公式一般应用在用电设备数量较少和容量差别大的配电箱及支干线的负荷计 算，弥补需要系数法的不足之处。但是，二项式系数过分突出最大用电设备容 量的影响，其计算负荷往往较实际偏大。 在港口电气设计中，需要系数法是负荷计算的主要方法，而二项式法仅作 为负荷计算的辅助方法。其计算方法如下： ( 1 ) 单个用电设备组的计算负荷 也- c 只+ 犯 ( 1 5 ) q a 一匕t a n 4 , ( 1 - 6 ) 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 多个用电设备组的计算负荷 巳一) 一+ 峨( 1 - 7 ) 以- ) 一t a n 妒+ ( 屹t a n 妒) ( 1 - 8 ) ( 3 ) 计算负荷的视在功率及计算电流 - + q ； ( 1 9 ) 它 ，。一善 ( 1 - 1 0 ) q 如h 式中： 匕、q 扣、用电设备组的有功、无功、视在计算负荷，单位 分别为k w 、k v a r 、k v a 。 ，。计算电流，a 只一用电设备组的设备功率，k w ； 只一用电设备组中厅台最大功率用电设备的设备功率，k w ： c 、6 一二项式系数： t 姐一用电设备组的功率因数角的正切值； ，。一额定电压，k v 无功补偿的作用主要有以下几点： ( 1 ) 提高供用电系统及负载的功率因数，降低设备容量，减少功率损耗。 ( 2 ) 稳定受电端及电网的电压，提高供电质量。在长距离输电线中合适的 地点设置动态无功补偿装置还可以改善输电系统的稳定性，提高输电能力。 ( 3 ) 在出现三相负载不平衡的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的 有功及无功负载1 9 1 1 0 l 。 早期无功补偿装置的典型代表是同步调相机，同步调相机不仅能补偿固定 的无功功率，对变化的无功功率也能进行功态补偿，至今在无功补偿领域中这 种装置还在使用，而且随着控制技术的进步，其控制性能还有所改善。由于从 总体上说这种补偿手段已显陈旧，成本也很高，不能适应现代港口电力系统的 复杂情况。 并联电容器的成本较低。把并联电容器和同步调相机比较，在调节效果相 近的条件下，前者的费用要节省得多。因此，电容器的迅速发展几乎取代了输 电系统中的同步调相机。但是，和同步调相机相比，电容器只能补偿固定的无 4 武汉理工大学硕士学位论文 功功率，在系统中有谐波时，还有可能发生并联谐振，使谐波放大，电容器因 此而烧毁的事故也时有发生【1 l l 【1 2 1 。 静止无功补偿装置( s v c ) 近年来获得了很大发展，已被广泛用于输电系 统波阻抗补偿及长距离输电的分段补偿，也大量用于负载大功补偿其典型代 表是固定电容器+ 晶闸管控制电抗器( f i x e dc a p a c i t o r + t h # s t o rc o n t r o l l e d r e a c t o r f c + t c r ) 晶闸管投切电容器( t h y r i s t o rs w i t c h i n gc a p a c i t o r - - - t s c ) 也获得了广泛的应用静止无功补偿装置的重要特性是它能连续调节补偿装置 的无功功率这种连续调节是依靠调节t c r 中晶闸管的触发延迟角得以实现的 【廿1 t s c 只能分组投切，不能连续调节无功功率，它只有和t c r 配合使用， 才能实现补偿装置整体无功功率的连续调节由于具有连续调节的性能且响应 迅速，因此$ v c 可以对无功功率进行动态补偿，使补偿点的电压接近维持不变。 因t c r 装置采用相控原理，在动态调节基波无功功率的同时，也产生大量的谐 波，所以，固定电容器通常和电抗器串联构成谐波滤波器，以滤除t c r 中的谐 波 比s v c 更为先进的现代补偿装置是静止无功发生器( s t a t i cv a rg c n c m t o r s v g ) 。s v g 也是一种电力电子装置。其最基本的电路仍是三相桥式电压型 或电流型变流电路，目前使用的主要是电压型。s v g 和s v c 不同，s v c 需要 大容量的电抗器、电容器等储能元件，而s v g 在其直流侧只需要较小容量的电 容器维持其电压即可。s v g 通过不同的控制，既可使其发出无功功率，也可使 其吸收无功功率采用p w m 控制，即可使其输入电流接近正弦波1 1 4 j i “。 1 2 2 谐波抑制的研究现状及发展趋势 “谐波”一词起源于声学有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经 奠定了良好的基础：博里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代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。1 9 4 5 年j c r c a d 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。 到了5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流 器引起电力系统谐波问题的大量论文。e w k i m b a r k 在其著作中对此进行了总 结。7 0 年代以来、由于电力电子技术的弋速发展。各种电力电子装置在电力行 s 武汉理工大学硕士学位论文 业、交通行业及家庭中的应用日益广泛，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1 1 6 11 1 7 1 。 我国对谐波问题的研究起步较晚吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐 波一书是我国有关谐波问题较有影响的著作，夏道止等1 9 9 4 年出版的高压 直流输电系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作。此外，唐统一等 人和容键纲等人分别独立翻译了j a r r i l l a g a 等的电力系统谐波一书，也在 国内有较大的影响i 埔i 。 谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、 传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化， 使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串 联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和 自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备 和电子设备会会产生严重干扰。 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技 术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运功控制将和计 算机技术一起成为2 1 世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐 波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究 人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。 谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来 认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是。绿色”的主要标志之一在电 力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对地 球环境的保护已成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的治理也已成为电工 科学技术界所必须解决的问题f 1 9 1 。 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一 条是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对 电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为l ，这当然 只适用于作为主要谐波源的电力电子装置。 装设谐波补偿装置的传统方法就是采用l c 调谐滤波器。这种方法既可补 偿谐波，又可补偿无功功率，面且结构简单，一直被广泛使用。这种方法的主 6 武汉理工大学硕士学位论文 要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致 谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波， 补偿效果也不甚理想。尽管如此，【c 滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段l 捌。 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r 一 p f ) 。有源电力滤波器也是一种电力电子装置。其基本原理是从补偿对象中 检测出谐波电流，由补偿装置产生个与该谐波电流大小相等而极性相反的补 偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对频率和幅值都变化的 谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视， 并且已在日本等国获得广泛应用。 有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就已经形成。年代以来，由于 大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n - - p w m ) 控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法 的提出，有源电力滤波器才得以迅速发展 有源电力滤波器的变流电路可分为电压型和电流型，目前实际应用的装置 中，以上是电压型。从与补偿对象的连接方式来看，又可分为并联型和串 联型，目前运行的装置几乎都是并联型。上述类型都可以单独使用，也可以和 l c 滤波器混合使用 对于作为主要谐波源的电力电子装置来说，除了采用补偿装置对其谐波进 行补偿外，还有一条抑制谐波的途径，就是开发新型变流器，使其不产生谐波， 且功率因数为1 ，这种交流器被称为单位功率因数变流器。高功率因数交流器 可近似看成为单位功率因数变流器。 大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术，即将多个方波叠加， 以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦波的阶梯波。重数越多，波形越接 近正弦波，当然电路结构也越复杂。因此这种方法一般只用于大容量场合。多 重化技术如果能与p w m 技术相配合，可取得更为理想的结果【2 l j1 2 2 1 。 几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用p 删整流技术。迄今为止， 对p w m 逆变器的研究已经很充分，但对p w m 整流器的研究则较少。对于电流型 p w m 整流器，可以直接对各开关器件进行正弦p w m 控制，使得输入电流接近正 弦波且和电源电压同相位。这样，输入电流中就只含与开关频率有关的商次谐 波，这些谐波频率很高，因而容易滤除。同时，也得到接近l 的功率因数。对 于电压型p w m 整流器，需要通过电抗器与电源相连。其控制方法有直接电流控 7 武汉理工大学硕士学位论文 制和闻接电流控制两种。直接电流控制就是设法得到与电源电压同相位、由负 载电流大小决定其幅值的电流指令信号，并据此信号对p 删整流器进行电流跟 踪控制。间接电流控制就是控制整流器的入端电压，使其为接近正弦波的p w m 波形，并和电源电压保持合适的相位，从而使流过电抗器的输入电流波形为与 电源电压同相位的正弦波。 p w g 整流器配合p 喇逆变器可构成理想的四象限交流调速用变流器，即双 p 喇变流器。这种交流器，不但输出电压、电流均为正弦波，输入电流也为正 弦波，且功率因数为l ，还可实现能量的双向传送，代表了这一技术领域的发 展方向。 小容量整流器，为了实现低谐波和高功率因数，通常采用二极管加p w g 斩 波的方式这种电路通常称为功率因数校正电路，已在开关电源中获得了广泛 的应用。因为办公和家用电器中使用的开关电源数量极其庞大，因此这种方式 必将对谐波污染的治理做出巨大贡献例1 2 4 1 。 1 3 本论文的主要研究工作 本文以港口变电所为对象，针对港口电气系统的非线性负荷的实际情况， 将无功问题和谐波污染结合起来，研究一种既带滤波功能，又可补偿无功的补 偿器。其中主要的研究工作在以下几个方面： ( 1 ) 结合功率因数的基本理论，研究非线性负荷的性质，深入探讨它对无 功功率的影响和对谐波的影响。 ( 2 ) 利用瞬时无功功率理论，研究无功电流和谐波电流的检测，并且具体 分析单相和三相的检测方法 ( 3 ) 研究无功功率动态补偿的方法，研究晶闸管控制电抗器和晶闸管投切 电容器的工作原理，将两者有机的结合在一起。 ( 4 ) 研究谐波抑制的方法，研究有源电力滤波器，并且比较其与传统滤波 器之间的区别。 ( 5 ) 将晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器结合起来，针对港口实例， 进行分析计算，并用 l a t l a b 来仿真无功功率的补偿电路和谐波电流的补偿电 路。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章非线性负荷对电网的影响 非线性负荷是产生无功功率的主要原因，也是产生谐波电流的主要来源， 它使经过其的正弦电压发生畸变，对电能质量的影响较大【2 5 i 。 2 1 非线性负荷对功率因数的影响 2 1 1 无功功率 直流电路的功率等于电流与电压的乘积，但交流电路则不然。在交流电路 中，由电源供给负载的电功率有两种；一种是有功功率，一种是无功功率。 有功功率是保持用电设备正常运行所需的电功率，也就是将电能转换为其 他形式能量( 机械能、光能、热能) 的电功率比如：5 5 千瓦的电动机就是把 5 5 千瓦的电能转换为机械能，带动水泵抽水或脱粒机脱粒；各种照明设备将 电能转换为光能，供人们生活和工作照明。有功功率的符号用p 表示，单位有 瓦( w ) 、千瓦( k 1 ) ，兆瓦( m w ) 无功功率比较抽象，它是用于电路内电场与磁场的交换，并用来在电气设 备中建立和维持磁场的电功率。它不对外傲功，而是转变为其他形式的能量。 凡是有电磁线圈的电气设备，要建立磁场，就要消耗无功功率。比如4 0 瓦的日 光灯，除需4 0 多瓦有功功率( 镇流器也需消耗一部分有功功率) 来发光外，还需 8 0 乏左右的无功功率供镇流器的线圈建立交变磁场用。由于它不对外做功，才 被称之为“无功”。无功功率的符号用口表示，单位为乏( v a t ) 或千乏( k v a r ) 闭。 无功功率决不是无用功率，它的用处很大电动机需要建立和维持旋转磁 场，使转子转动，从而带动机械运动，电动机的转子磁场就是靠从电源取得无 功功率建立的。变压器也同样需要无功功率，才能使变压器的一次线圈产生磁 场，在二次线圈感应出电压。因此，没有无功功率，电动机就不会转动，变压 器也不能变压，交流接触器不会吸合。在正常情况下，用电设备不但要从电源 取得有功功率，同时还需要从电源取得无功功率。如果电网中的无功功率供不 应求，用电设备就没有足够的无功功率来建立正常的电磁场。那么，这些用电 设备就不能维持在额定情况下工作，用电设备的端电压就要下降，从而影响用 9 武汉理工大学硕士学位论文 电设备的正常运行。 无功功率对供、用电产生一定的不良影响，主要表现在： ( 1 ) 降低发电机有功功率的输出 ( 2 ) 降低输、变电设备的供电能力。 ( 3 ) 造成线路电压损失增大和电能损耗的增加。 “) 造成低功率因数运行和电压下降，使电气设备容量得不到充分发挥。 从发电机和高压输电线供给的无功功率，远远满足不了负荷的需要，所以 在电网中要设置一些无功补偿装置来补充无功功率，以保证用户对无功功率的 需要，这样用电设备才能在额定电压下工作这就是电网需要装设无功补偿装 置的道型2 7 1 2 1 2 非线性负荷的无功功率 非线性负荷的主要特点就是电压和电流的波形都会发生畸变。为了便于分 析和计算，可以将电压和电流写成傅立叶级数的形式( 保留前n 项) 。即 啪芝厨s i n 伽“帆) ( 2 - 1 ) 啪窆扫s i n ( n “+ 成) ( 2 - 2 ) 式中：u 和口分别表示 次谐波电压的有效值和初相角。l 和成分别表 示一次谐波电流的有效值和初相角。表示基波的频率对应的总电压有效值、 总电流有效值和视在功率分别为 u 野 i - 野 ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) i f “1 荟u 刈善c ( 2 - 5 ) 根据有功功率p 的定义，可得： 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 p _ 知“o y o 渺 ( 2 咱) 将式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 代入( 2 6 ) 中，并根据三角函数的正交性可得： p - u i c o s 谚 ( 2 7 ) 式中：九为第n 次谐波电流滞后一次谐波电压的相角，即九一口。一见。 玑lc o s 妒是由一次谐波电压和h 次谐波电流共同作用所产生的 次谐波有功 功率。 对于非线性负荷的无功功率的定义，在一些相关文献中都有沿用由 c b u d e a n u 于1 9 2 7 年仿照式( 2 7 ) 给出的频域无功功率的定义，即： q ，- 玑l 咖九 ( 2 8 ) 显然，式中的玑ls i n 妒是由一次谐波电压和甩次谐波电流共同作用所产生 的一次谐波无功功率。它反映的是按照雅次谐波的频率进行能量交换的最大值。 由式( 2 - 5 ) 可得： n 荟昕荟e - u 2 骆2 善u 一2 量：一2 + 荟e 掣2 。9 由式( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 可得： 尸2 + q ；l ( 荟u c o s 九) 2 + ( 荟u 咖丸) 2 一l 。荟u ：7 ：耐九+ 2 善玑l s 九蝥一i m c o s 九 + 荟u ：露咖2 九+ 2 苫【，i s i n # y 。i s i n # ( 2 1 0 ) o l o i _ - - 1 显然： s 2 p 2 + q ； ( 2 1 1 ) 因此，仅用式( 2 8 ) 计算非线性负荷的无功功率就会产生误差。这说明式 ( 2 - 8 ) 所表示的无功功率是不完整的。将这个误差记为d ，且定义： d 2 一s 2 一( p 2 + q ；) ( 2 1 2 ) 武汉理工大学硕士学位论文 将( 2 9 ) 和( 2 1 1 ) 代入( 2 1 2 ) 可得： d 2 - v ，：( 。2 丸+ s i n l2 丸) - , _ 一一 一 + 善：2 九椭2 九) 罂： 一留 c o s o 警 c o s o , , 一眢 s i n 饥翟 如屯 一三y i m c o s 九一玑i c o s o ) 2 - l 崩- 月+ 1 + 三哆i 。s i n 谚一【，j 。s i n 九) 2 ( 2 1 3 ) d l 历- + l 1 记： 善! ：【，。1 c o s 九一u j c o s 妒) 2 ( 2 1 4 ) d 毛。荟。蚤y l 咖丸- u i , , s i n 丸) 2 2 1 5 则有：d - d 知+ d ( 2 1 6 ) 在式( 2 1 4 ) 中，l s 九为n 次谐波电流的有功分量，p 。中包含了各 次谐波电压与其它不同次谐波电流的有功分量的乘积；在式( 2 1 5 ) 中，i s i n 咖 为n 次谐波电流的无功分量，d 一中则包含了各次谐波电压与其它不同次谐波 电流的无功分量的乘积。它们都是由于电压电流的波形畸变后产生的谐波所致， 故可将d 称为畸变功率。因为谐波电压和谐波电流的频率不同，由三角函数的 正交性可知，对应的瞬时功率在一个周期内的平均值为零，所以畸变功率也具 有无功功率的一个组成部分。 由式( 2 - 1 2 ) 可知： s 2 - p 2 + q ；+ d 2 ( 2 1 7 ) 武汉理工大学硕士学位论文 非线性负荷的无功功率与频域无功功率和畸变功率的关系为： q - 耵 ( 2 1 8 ) 利用上式就可以完整地计算非线性负荷的无功功率。 无功功率反映的是电源与负荷之间进行能量交换的能力，在一个周期内的 不同时刻，能量的大小和流向都会发生周期性的变化。 2 1 3 功率因数 电网中的电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性 负载。电感性负载的电压和电流的相量问存在着一个相位差，通常用相位角的 余弦s 妒来表示。c o s 妒称为功率因数，又叫力率。功率因数是反映电力用户 用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标l 勰l 。三 相功率因数的计算公式为： 螂妒呈喜三 ( 一1 9 ) 7 , - 螂妒。= 。f 2 = ：= = - 一 l 。s p 2 + q 2 4 - 3 u r 式中：s 一功率因数； p 有功功率，k w ； q 一无功功率，k v a r l s 一视在功率，k v a ； c ，一用电设备的额定电压，v ； ，用电设备的运行电流，a 功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数 ( 1 ) 自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或 者说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设 备的负荷性质，电阻性负荷( 白炽灯、电阻炉) 的功率因数较高，等于l ，而电 感性负荷( 电动机、电焊机) 的功率因数比较低，都小于1 ( 2 ) 瞬时功率因数：是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。瞬时功 率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化 ( 3 ) 加权平均功率因数：是指在一定时间段内功率因数的平均值，其计算公 式为： 武汉理工大学硕士学位论文 童丝皇墼(220)cosom u ；= = = = = = = = = = = = = = = = = 一 l z 一 。 有功电能2 + 无功电能2 提高功率因数的方法有两种，一种是改善自然功率因数，另一种是安装人 工补偿装置例 2 2 非线性负荷产生的谐波影响 2 2 1 谐波的定义 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电 压可表示为： 口( f ) m 撕s i n 似 l - 口) ( 2 - 2 1 ) 式中：c 厂一电压有效值； 口- 初相角； 一角频率，一2 巧m 2 u t ； ，颂率； r 一周期。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为 比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电 路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产小压降，会使电压 波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正 弦波。对于周期为tm2 u w 的非正弦电压“( “) ，一般满足狄里赫利条件，可 分解为如下形式的傅里叶级数： “( 耐) - + q c o s 以c o t + b s i n n 耐) ( 2 2 2 ) 式中： ”占“似矽( “) o - l 毛赛h ( o a t ) c o s n 谢 以- 了啦) s i n n w t d ( w t ) 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 ( 弹= 1 ，2 3 ) 或 h ( 甜) 叫。+ 荟。一s 址o “+ ) 式中，c 、和4 、6 _ 的关系为 纯- a r c t g ( 口b ) 4 一a r c t 9 0 。b ) 屯一巳c o s ( 2 2 3 ) 在式( 2 - 2 2 ) 或式( 2 - 2 3 ) 的傅立叶级数中，频率为1 t 的分量称为基波， 频率为大于1 整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频 率的整数比以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也 完全适用，把式中( “) 转成f ( “) 即可 次谐波电压含有率h r u ( h a r m o n i cr a t i oi i ) 表示。 h r u 一u 玑sx 100(2-24) 式中：以一第一次谐波电压有效值( 方均根值) ； u ，基波电压有效值。 n 次谐波电流含有率h r i 表示。 h r i - 等x 1 0 0 ( 2 - 2 5 ) 1 1 式中：l 一第一次谐波电流有效值( 方均根值) ； ，一基波电流有效值。 谐波电压含量u 。和谐波电流含量b 分别定义为 f 一 。j 薹u ： 2 - 6 武汉理工大学硕士学位论文 ”罾 ( 2 - 2 7 ) 电压谐波总畸变率t h d , ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和电流谐波总畸变率 t h d i 分别定义为 ，r t h d - = 互l 100(2-28) 一 c 1 r 刃。- 二邑x 1 0 0 ( 2 - 2 9 ) j l 从上述谐波的基本定义可以看出，谐波是一个周期电气量中频率大于基波 频率且是基波频率的整数倍的正弦波分量。由于谐波频率高于基波频率，有人 把谐波也称为高次谐波。实际上，“谐波”这一术语已经包含了频率高于基波频 率的意思，因此再加上“高次”两字是多余的在本文中，称谐波中频率较高 者为高次谐波，频率较低者为低次谐波。 谐波次数露必须是大于l 的正整数。意为非整数时的正弦波分量不能称为 谐波当疗为非整数的正弦波分量出现时，被分析的电气量已不是周期为t 的 电气量了。但在某些场合下，供用电系统中的确存在一些频率不是整数倍基波 频率的分数次波。在有些关于谐波的著作中，把这些分数次波排除在论述范围 之外。考虑到分数次波产生的原因、危害及抑制方法均和谐波很相似，因此这 些分数次波也在本文的研究范围之内。 2 2 2 谐波源 在港口的电气系统中，向港区电网注入谐波电流或在港区电网上产生谐波 电压的电气设备称为谐波源。具有非线性特性的电气设备是主要的谐波源，例 如带有功率电子器件的交流设备，交流控制器和电弧炉、感应炉、荧光灯、变 压器等。我国港口电气系统中越来越多的使用产生谐波的电气设备，例如晶闸 管电路供电的直流提升机、交交变频装置、轧钢机直流传动装置、晶闸管串 级调速的风机水泵和冶炼电弧炉等。这些设备取用的电流是非正弦形的，其谐 波分量使系统正弦电压产生畸变。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性 及其工作状况，而与电网参数无关，故可视为恒流源i 刈。 武汉理工大学硕士学位论文 各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形成有关，称为电路的特征谐波。 对称三相变流电路的网络特征谐波次数为： 一助1k ：1 、2 、3 ( 正整数) 式中p 为一个电网周期内脉冲触发次数( 或称脉动次数) 除特征谐波外， 在三相电压不平衡，触发脉冲不对称或非稳定工作状态下，上述电路还会