（电力系统及其自动化专业论文）配电网静止无功补偿系统的优化设计研究.pdf

华北电力大学硕士学位论文 摘要 对干扰性负荷进行静止无功补偿，是改善和提高电能质量的歪要措施。在设计阶段 确保静止无功补偿系统( s v c ) 安全可靠经济运行，成为s v c 工程设计的研究热点。 建立合理的数学模型，以m a t l a b 软件作为开发平台，独立开发s v c 优化设计软 件。完成系统阻抗计算和短路容量计算等基奉计算：优化s v c 参数选择，包括晶闸管控 制电抗器( t c r ) 的优化容量以滤波电容器组容量分配等：校核s v c 参数，满足运行t 况要求：对s v c 稳态运行方式及滤波器的组合运行方式等s v c 运行效果进行仿真：同时 评估干扰性负荷对公用电网电能质量的影响，确定所设计安装的s v c 合理有效。 结合实例论述了设计思想和展示了模块主要功能，算例结果与现场实际运行情况 相吻合，验证了软件的合理性与有效性。 关键词：静l r 无功补偿器，电能质量，优化设计，晶闸管控制电抗器，仿真验证 a b s t r a c t l o a dc o m p e n s a t i o nu t i l i z i n gs t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) i st h em o s ti m p o r t a n t m e t h o dt oi m p r o v ep o w e rq u a i l t y t h e r e f o r e ，o p t i m a ld e s i g nf o rs v c ，w h i c hi n s u r e s s v co p e r a t i o ns e c u r i t ya n de c o n o m i z a t i o n ，b e c o m e sr e s e a r c hh o t s p o t b a s e d0 1 1m a t l a bs o f t e r w a r ea n dm a t h e m a t i c a lm o d e l ，t h eo p t i m a ld e s i g np r o g r a m f o rs v ci s d e v e l o p e d t h ep r o g r a mc o m p l e t e db a s i cc a l c u l a t i o n ，s u c ha si m p e d a n c e c a l c u l a t i o na n ds h o r tc i r c u i tc a p a b i l i t yc a l c u l a t i o n s v cp a r a m e t e r sw e r eo p t i m i z e d ， i n c l u d i n gt h ec a p a b i l i t yf o rt h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ，t h ec a p a c i t ya l l o c a t i o nb e t w e e n p a s s i v ef i l t e r sa sw e l l ，t h e s ep a r a m e t e r sw e r ec a l i b r a t e di no r d e rt om e e tt h ep e r a t i o n t h ep r o g r a ms i m u l a t e dt h eo p e r a t i o nr e s u l t sa n de v a l u a t e de f f e c t so np o i n to fc o m m o n c o u p l i n gf r o md i s t u r b i n gl o a da sw e l l f i n a l l y ，w i t ho n ed e s i g nc a s e ，t h ed i s s e r t a t i o n e x h i b i t e dt h em a i nf u n c t i o no fb l o c k s ，a n dd e m o n s t r a t e dh o wt ou s et h es o f t w a r e t h e c a s er e s u l t so fi sc o n s i s t e n tw i t ht h eo p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，w h i c hv e r i f i e st h er a t i o n a l i t y a n dv a l i d i t yo f t h i sp r o g r a m c u iz h e n g p a i ( p o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f z h a n gj i a n h u a k e yw o r d s ：s t a t i cv a rc o m p e n s a t o r ( s v c ) ，p o w e rq u a l i t y ，o p t i m a ld e s i g n t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ( t c r ) ，s i m u l a t i o nv e r i f i c a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文配电网静止无功补偿系统的优化设计 研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位 或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名日期：2 翌! 童! p 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文：学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：导师签名 华，i l 电力大学硕士学位论文 1 1 课题背景 1 1 1电能质量现状 第一章引言 电能质量一般是指导致用户设备故障或不能正常工作电压、电流或频率偏差。 历史上，电力系统中许多机电设备都能在上述参量相对较大的变化范围内正常地工 作。但是扯近年来，随着高新技术见其是信息技术的飞速发展，基于计算机、微处 理器控制的用电设备和电力电子设备在系统中被大量投入使用，它们比机电设备更 容易受干扰，因此对供电质量的要求也更高【2j 。一旦出现电能质量问题，轻则造成 设备故障，重则造成整个系统的损坏，由此带来的损失是难以估量的。另一方面， 为提高生产效率，节约能源和减少环境污染而大量采用的电力f 乜子技术装置和设备 正成为影响电能质量的主要因素。以电气化铁路机车牵引式负荷为例，它属于整流 负荷，是典型的谐波源；它采用工频单相式交流供电，又是典型的负序濒；同时它 又具有波动性和不确定性，是典型的电压波动源和闪变源。此外，普通用户中大量 使用的开关式电源，公共照明系统中荧光照明负荷也止逐渐成为配电系统巾重要的 谐波源和波动源。可以说，在这些新技术成功解决实际生活环境中原有污染问题的 同时，如不加防范则会造成电力系统中新的污染问题。污染的问题不是得到根本解 决，而是进行了形式上的转换。第三，随着市场经济在我国的逐步建立。人们认识 到电能也是。种商品，而商品的质量决定了商品在生产交换中的价值，为了提高竞 争力，适应电力市场发展的要求，提供高质量的电能也是必然趋势。 随着对电能质量问题研究的不断深入人们发现电能质量问题正呈现出如下几 个新的特点”j ： ( 1 ) 电能质量问题的来源发生了较大变化 以| j i 的电能质量问题主要来源于系统侧，包括：系统正常运行状态改变，如电 源投入、有计划的无功补偿电容器的投入或切除等；非正常的系统状态改变，如系 统元件故障、人员误操作等它们将给系统带来较大的冲击；自然环境的雷击、大 风和雨雪天气也会造成相应的电能质量问题。而近年米，用户端人嚣干扰性负荷的 j 、t 川正成为电能质量恶化的重要因素。例如从低压小容量家用电器到高压大容量的 。r 业交直流变换装置中广泛应用的各种静止变流器，其开灭动作的运行特性会引起 电网电流、电压波形的畸变。其次，大型电弧式设备，如屯弧熔炉，弧焊设备等， 也成为重要的冲击源和谐波源。冉次，为了减少重要设备对电能质量问题的敏感度， 没备制造商努力进行设备的丌级平改进，用户则采用锋种保护性装置而这些改进 华北电力大学硕十学位论文 措施和保护装置常常顾此失彼对公共供电的电能质量造成更人的危宵。日r 以说， 用户负荷止成为电能质量问题尤其是各种新的电能质量问题的主要来源。一! 信息 设备和公用设备的谐波含量4 1 见表1 1 。 表1 1。些信息设备和公用设备的电流谐波含景 、道波含量 趔旃霜露、3571 ll324 六脉冲整流器 1 7 5 1 1 1 4 5 2 9 卜咏冲整流器 2 6 1 6 4 5 2 9 交i 漉电弧炉 1 6 8 4 5 2 5 1 1 1 7 6 六相整流供电直流电 1 7 5 1 1 1 4 5 2 9 弧炉 某综含负荷 6 0 8 3 3 7 1 6 9 1 8 3 o ( 2 ) 电能质量问题的形式发生了较大变化 随着社会7 f a k 的发展，电能质罱问题的形式发生了较大变化。通常的电能质晕问 题( 如谐波，i 相不对称等) 继续存在，而且严重性正在增加。值得注意的是，近 年来随着供屯可靠性的不断提高，人们逐步将对传统的如供电中断，电压长时间偏 高或偏低等传统问题归入供电质量范畴，从狭义上讲这些已不属于电能质量问题。 现在人们更多关注的是所谓动态电能质量问题，如持续时间为周波级的动态电压升 高( s w e l l s ) 、脉冲( i m p u l s e s ) 、电压跌落( s a g s ) 和瞬时供电中断( m o m e n t a r y i n t e r r u p t i o n s ) 等。几种常见的动态电能质量问题波形”1 见图1 1 。这些都是近年柬 随着社会信息化的快速发展而逐渐暴露出来的新的电能质量问题。对这些动态电能 质量问题的研究还刚刚开始，如何界定这些问题，用什么样的特征进行描述，如何 制定相应指标进行评估等都还没有较为成熟的方法。这些都需要相关人员进一步的 探讨。 图卜1 儿种动态电能质量问题的示意罔波形 ( 3 ) 电能质量问题造成的危害越来越大 电能质量问题造成的危害是多方面的。从电力系统而吉，电能质量问题给电力 系统的安伞稳定运行造成很大的影响，例如电气化铁道瘁，b i 负荷，。：牛的谐波年负序 2 华北电力大学硕士学位论文 分量可能造成相差高频保护和负序电流保护装置误动作，引起系统解列运行造成 无功补偿电容器组不能安全投入运行，此类负荷的波动性还会造成的小容量电网频 率波动范罔异常，降低了系统运行稳定性。从负荷而言，各种新出现的电能质量问 题也给用户带米巨大经济损失。电压跌落和瞬叫供电中断已被、认知是影响许多崩电 设备正常、安全运行的最严重动态电能质量问题。谐波问题造成的变压器、感应电 机等重要设备寿命的缩短，三相电流不对称造成的中线烧毁而导致用户设备损害的 事件也时有报道。在现代工业中，由于任一设备的作业中断都将可能导致整个流水 线、甚至全厂作业的中断，造成的损失非常巨大，因此工业用户对供电质量的要求 比单个敏感用电设备更高。图1 2 是电压跌落对各行业造成的损失数量等级图【j j ， 图中$ m = l 百万美元。总之，动态电能质量问题已成为目前影响供电可靠性的主要 原因，是信息化社会供电质量问题不同于以往任何时代的卜要特征。因此改善动态 屯能质量问题将是提高供电质量至一个全新水平的关键。 13 l 偶次 dl11 21 4 1 81 92 2 1 2 注入p c c 点谐波电流计算 两个谐波源的同次谐波电流在同一条线路的同一丰f 1 上迭加计算如下 当相位角已知时： fh = t i k + i j 2 + 2 l ih ! c o s o h 式中，。；一一谐波源l 的第h 次谐波电流 ，。，一一谐波源2 的第h 次谐波电流 o h 一一谐波源1 和谐波源2 的第h 次谐波电流之间的相位角 当相位角未知时： i h = 喙+ l ：2 + kh 1 1 、lh 1 式中k 。系数按表2 - 3 选取。 表2 - 3公式( 2 4 ) 中的系数值 ( 2 3 ) ( 2 4 ) h 3 57 l l 1 3 9 1 13 1 偶次 1 6 21 2 8o 7 2 0 1 8o 0 80 当两个以i ：同次谐波电流迭加时，首先先将两个谐波电流迭加，然后再与第- 一 个谐波电流相迭加，以此类推。当个及以卜| 谐波源在同一节点统一相上引起的i 司次 谐波电压迭加的计算公式与式( 2 - 3 ) 或( 2 4 ) 类同。 2 1 3 谐波电压畸变率计算 第h 次谐波电压含有率h r u 为： h r 卟鲁- o 。 式中 u 。第h 次谐波电压的方均根值； u 基波电压( 方均根值) 。 谐波电压含量u 。为： u = ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) 电压总谐波畸变率 ，d 。： 池= u u t t l 。 ( 2 7 ) 第h 次谐波电压含有率h r u 。( ) 与第h 次谐波电流分量，。的关系为： 华北电力大学硕士学位论文 瑚u 。：盟 ” 1 0 u 工程上按下式近似计算，即 h r u 。：! 坠竺 1 1 0 s 。 式中，【，。一一电网的标称电压，k v ； s 。一一公共连接点的三相短路容量，m v a 。一一第h 次谐波电流，a ； z 一一系统的h 次谐波阻抗，q 。 公用电网谐波电压限值如表2 - 4 所示。 表2 - 4国标公用电网谐波电压( 相电压) 电网标称电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率 k v 奇次偶次 0 3 8504 o 3 o 6 4 o3 21 6 1 0 3 5 3 o2 41 2 6 6 l l o 2 ol6 08 2 1 4 谐波电流测量注意事项【1 3 l ( 2 - 8 ) ( 2 9 ) - 谐波电压( 或电流) 应选择在电网正常供电时可能出现的最小运行方式，且应 在谐波源工作岗期中产生谐波最大的时段内进行，例如电弧炉应该在熔化期测 晕。当测晕点附近安装有电容器时，应在电容器的各种运行方式下进行测阜：。 _ 测量的谐波次数一般为第2 到第2 5 次，根据谐波源的特点或测试分析结果，可 以适当变动谐波次数测量的范围。 - 刘于负荷变化快的谐波源，例如电弧炉、晶闸管变流设备供电的电机( 轧钢机) 、 电力机车等，测量的时间间隔不大于2 m i n ，测量次数心满足数理统计的要求， + 般不少十3 0 次。对于负荷变化较慢的谐波源，例如化工整流器、直流输电换 流站等，测量间隔和持续时间不作规定。 谐波测景的数据应取测量时段内再实测值的9 5 概率值中最大的相值，作为 判断谐波足行超过允许值的依据。但对负荷变化慢的谐波源，可选百个接近的 实测值，取其算术平均值。 为了使用方便，实测值的9 5 概率值可按卜述方法近似选取：将实测值拨南人 4 华北电力大学硕士学位论文 到小次序排列，舍弁前面5 的大值，取剩余实测值中的最大值。 2 2 冲击( 波动) 负荷的评估标准 变化幅度人，变化周期短( 小于1 0 s ) 的负荷称为冲击性负荷【i s ，例如电弧炉、 电动机频繁启动的负荷以及问歇通电的负荷等。冲击性负荷既可引起系统的有功冲 击，导致系统频率波动；也可引起系统的无功冲击导致供电点的电压波动和闪变。 由于现在电网规模较大，有功冲击引起的频率波动对系统影响较小，而无功冲击引 起的电压波动和闪变影响较大。 电压波动和闪交的主要危害有： 照明灯光闪烁，引起人的视觉疲劳甚至难以忍受； _电视机屏幕图像失真、摆动翻滚和亮度变化； - 电动机转速跃变，产生噪声影响产品质量甚至损害电动机： 电了计算机、监测和控制设备等工作不正常。 在波动负荷中，以电弧炉引起的电压波动和闪变最为严重。许多国家制定的闽 变标准，通常足针对电弧炉负荷的，因为其他类型的波动性负荷影响相对较小。现 对国内外制定的闪变标准简介如下d 3 ： ( 1 ) h 本从2 0 世纪的6 0 年代就有几种闪变仪问世，1 9 7 8 年h 本电加热技术协会 和i 乜弧炉技术委员会制定日本国内统一的闪变标准，并协调a v , 。闪变仪的规格。我 国初期制作的闪变仪，多以日本的k 。闪，变仪作参考。 ( 2 ) 国际电热协会( u i e ) 于1 9 8 2 年制定闪变仪的功能和设计规范，首先在英、 法、德、意和比利时等五国试行，1 9 8 6 年国际电工委员会( i e c ) 正式颁布。1 9 8 8 年u i e 对波动性负荷的供电作了较为详细的论证，制定和推荐了闪变标准和预测计 算方法。据此，1 9 9 4 到1 9 9 6 年，i e c 先后颁布了有关电压波动和闪变的电磁兼容 标准和技术报告。 ( 3 ) 我同于1 9 9 0 年同家技术监督局发布标准电能质量一一电压允许波动和闪变 ( g b l 2 3 2 6 9 0 ) ，其中，闪变标准部分参考日木k 。标准，不太适合我围的供j = f 】电 情况。固家标准g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 重新作了修训，将闪变标准改为i e c 的短时间闪变 值( 记为只，) 和长时间闪变值( 记为异，) ，以便与国际电工标准接轨，也更适合我 国国情。 2 。2 。1电压波动和闪变的跟值 l 乜鹾波动的影响和危害主要取决于其波动幅值和频度。如果每天电压变动少于 一次，尽管他可能对一些供电系统有较大的影响，但不属于国标涉及的范围，这里 t 爱讨沦频繁m 现的电爪变动。崮标对电压波动利闪变的限值与1 e c 的规定致。 华北电力大学硕士学位论文 供电电压波动和闪变引起白炽灯照度波动，对人的视感较易觉察的频率范围为 0 5 2 5 h z 。在此频率范围的电压波动限值，丰要由闪变来限定。为此，对于低爪 供电，i e c 6 10 0 0 一3 3 规定电压波动限值d 。= 4 ；而对丁巾高压供电， e c 6 1 0 0 0 。3 。7 规定正常运行时不同频度的电压变动d 的限值如表2 - 5 所示。综合f ： 述规定，国标中对各级电压变动的限值作了下述的规定，低压( l v ) 和中压( m v ) 规定 相l 叫。 表2 5不同频度动态电压变动的限值 d ( )d ( ) r ( 一) h v r ( h 1 ) m vm v h v r 1 43 1 0 r 1 0 0 21 5 1 r 1 0 32 5 1 0 0 ，1 0 0 0 1 2 5l 对于随机性不规则电压波动，围标中规定依9 5 概率大值，电压变动的限值如 下： h v ：d h i ，= i 53 5 u 1 1 0 k v m v ：d w = 2 0l 2 3 0 k v ) 的输电系统的闪变标准，则与高 压( h v ) 规定的闪变标准相蚓。闪变干扰在符级电力网的传递，遵守十分简单的规律： 高压传递至q 1 压和低压的传递系数n 。，和n ，稍低于1 ，一般取0 8 l ；而巾压传 递至低压的传递系数瓦，则接近于l ，典型值为瓦。= o 9 5 1 。 由于高电爪等级电力网的短路容量较大，由低电压级的闪变干扰传递只高电l i 级的作用实际上可以忽略故低压传递j i 高压或t i ，压以及。p 压传递至高压 的传递系数等丁0 华北电力人学硕士学位论文 2 2 3 同一供电母线上短时闪变值的合成 ”个波动性负荷各自引起的闪变及背景闪变在同一公共供电母线上产生的p 合 成算，的一般形式为 只，= 叫( 只，) ”+ ( 只，：) ”+ + ( 只。) ” ( 2 1 0 ) 式中，只。为第i 个波动性负荷所引起的短时间闪变值，m 值取决于主要闪变源的性 质及其 t 况的重叠可能性：m = 1 用于波动性负荷引起电压变动同时发牛晕叠频率很 高的工况：m = 2 用于随即波动性负荷引起电压变动同时发生的工况( 例如熔化期重 叠的电弧炉) ；= 3 用于波动性负荷引起的电压变动同时发生的可能小较小的工况； m = 4 仅用于熔化期不重叠电弧炉所引起的电压变动合成。 针对一般波动性负荷，常采用m = 3 ，故多个闪变干扰源的合成一般为 只= ；瑶= 露。+ 露：+ + 珐 yo 2 2 4 波动性负荷引起的电压波动的评估 ( 2 1 1 ) ( 1 ) 全部波动用户引起电压变动的评估 设接于p c c 点m 个波动负荷的最大无功功率波动按大小依次排列分别为 q i ，a q ：a q 。各波动负荷最大无功波动频度为，肛：p c c 的最小短路容量为s 。， 则接于p c 所有波动负荷总的最大无功波动为： 旦 q = 6 q , + k r a q , ( 2 1 2 ) 式中，k ，为波动负荷的同时系数，典型省岛k ，= 0 2 0 7 。 最大电压变动“。；：垒譬竺1 0 0 o 女 电压变动的9 5 概率大值d 。，= 0 9 d 。 根据电压等级和无功波动频度确定电压变动限值d ，d 。与d 。，比较后确定乩， 是否超标。 ( 2 ) 单个波动用户引起的电压变动的评估 最人电压变动和电压变动9 5 概率大值的计算同i ：。 全部波动用户引起的电压变动限值为d 。甲个波动用户引起的电压变动为d 。 国标没有规定算法，建议用下式计算： d ，= d ( 睾) 拍 ( 2 1 3 ) 2 2 5 波动性负荷引起的电压闪变的评估 设接于p c c 点m 个波动负荷的最大无功功率波动按大小依次i t 列分别为 华北电力大学硕士学位论文 a o ，a q 2 q 册各波动负荷最大无功波动频度为 ；p c c 的最小短路容最为s 。， 则接于p c 第i 个负荷产生的电压闪变为： 只。：k ? _ a q e ( 2 - 1 4 ) j h n o k 。典型组合值为1 0 6 0 ，与波动负荷的波动频率有关，对于交流电弧炉 k ，；5 0 ，直流电炉k ，“4 0 ，轧机k ，= 2 0 3 0 。m 个波动负荷各自引起的电压闪变 在p c c 点上相互叠加，总的短时间电压闪变值可以按照式( 3 - 1 4 ) 进行计算。 电压闪变只的9 5 概率大值只，。，= o 9 只。，只，。，与限值比较确定只。，是否超 标 2 3 不平衡负荷的评估标准 在i 相i 线制供电系统中，三相相量大小相等、相位依次相差1 2 0 0 时，称为i 相对称系统，否则称为三相不对称”1 。不对称三项系统中，三相相量中有正序分量 和负序分量。一般把负序分量有效值和正序分量有效值之比成为升：对称度或不平衡 度，用符号表示，即 电压不平衡度 ，= 1 0 0 u i 电流不平衡度 s ，= 孚1 0 0 l 式中u ，、j ，一电压、电流的负序分量方均根值： u 、，一电压、电流的正序分量方均根值。 电压不平衡度允许值： 电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2 ，短时不得超过4 ； _ 接十公共连接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1 3 。 国标中有关不对称度的求取方法如下： 若2 相相昂= 分别为a 、b 、c ，令s = f 爿+ b 十c ) 2 ( a 、b 、c 为对应相景的 模值) 则有 坚：一丝：兰皇：兰： ：d ( 2 15 ) 1 一s 2 4 4 3 s ( s 一爿) ( s b ) ( s c ) 、 则可得 或 丽 ”f 而 、掣! 三丝x 1 0 0 v 1 + 厕 ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 a q l ，a q ：蛾各波动负荷最大无功波动频度为r h ；p c c 的最小短路容量为s 。， 则接于p c 第i 个负荷产生的电爪闪变为： t 3 , 。：k p 。a q , ( 2 - 1 4 ) o t | ( 典型组合值为1 0 6 0 ，与波动负荷的波动频率有关，对于交流电弧炉 k ，* 5 0 。直流电炉k ，z 4 0 ，轧机k ，* 2 0 3 0 。m 个波动负荷各自引起的电压闪变 在p c c 点上相互叠加，总的短时间电压闪变值可以按照式( 3 1 4 ) 进行计算。 电压闪变只的9 5 概率大值只。，= o 9 e ，只。，与限值比较确定只。，是否超 标 2 3 不平衡负荷的评估标准 存j 相i 线制供电系统中，三相相量大小相等、相位依次相差1 2 0 。时，称为i 相对称系统，否则称为三相不对称i ”】。不对称三项系统中，三相相量中有正序分量 和负序分量。一般把负序分量有效值和正序分量有效值之比成为不对称度或不平衡 度，用符号表示，即 电压不平衡度 勺= 1 0 0 电流不平衡度 ，= 等1 0 0 1 式l ju ，、，一电压、电流的负序分量方均根值； u 。、，一电压、电流的正序分量方均根值。 电压不平衡度允许值： 电力系统公共连接点正常电压不平衡度允许值为2 ，短时不得超过4 ： _ 按于公共连接点的每个用户，引起该点正常电压不平衡度允许值一般为1 3 。 崮标中有关不对称度的求耿方法如下： 若i 相相晕分别为a 、b 、c ，令s = ( a 十b 十c ) z ( a 、b 、c 为对应相晕的 模值) ，则有 坚：堡：三皇：兰呈! ：d(2-1 5 ) 1 一s 2 4 4 3 s ( s 一一) ( s b ) ( s c ) 则可得 或 s = 厩 ，l 二延互l o o 、f 1 + 3 - 4 y z 瓦” ( 2 一1 6 ) ( 2 - 1 7 ) 华北电力大学硕士学位论文 第三章晶闸管控制电抗器( t o r ) 特性分析与设计计算 如第一章所述，s v c 具有小同类型，目前应用较广的足晶闸管控制电抗器型 ( t c r ) ，这也是本文主要研究的s v c 类型。由于波动性负荷一般产生大量的谐波 电流，同时t c r 自身也要产生大量的谐波，所以t c r 型s v c 通常由几组l c 滤波 回路和一个晶闸管控制电抗器( t c r ) 组成，即t c r + f c 型s v c 。本章主要介绍t c r 工作原理、谐波特性以及工程设计中问题。 3 1 工作原理 如图3 1 所示为晶闸管控制电抗器的原理和电流波形图，t h i 与t h 2 为两个反 f 联的晶闸管，分别在电源电压的两个半剧内导通，触发延时角a 在0 x 2 范围内 调节。t 2 为0 时吸收的感性无功最大( 即短路功率) ，口为万2 时吸收的感性无功最 小( 即空载功率) 。由于电抗器几乎是纯感性负荷，因此电流滞后于电雎近似9 0 0 ， 电流基本上是感性无功电流，而触发延时角在一州2 0 之间会产生含有直流分量及 偶次谐波在内的不对称电流产生，故口 r 。，滤波器分流很少。单调谐滤波 器的实质是，只要将滤波器的谐振次数设定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次 谐波将人部分流入滤波器，从而起到滤波的目的。 d 嘶) ( b ) 图4 1单调谐滤波器原砰及阻抗频率特件 ( a ) 电路原理幽i ( b ) 阻抗频率特性 上百旦 华北电力大学硕士学俺论文 4 1 2 高通滤波器 高通滤波器也称为减幅滤波器，图4 - 2 给出四种形式的高通滤波器，即阶、 二阶、三阶和c 型四种。 一阶高通滤波器需要的电容太大，基波损耗也太大，因此一般不采用。 _ 二阶高通滤波器的滤波性能最好，但与三阶的相比，其基波损耗较高。 i 阶高通滤波器比二阶的多个电容c 2 ，c 2 容量与c l 丰目比很小，它提高了滤 波器对基波频率的阻抗，大大减少基波损耗，这是三阶高通滤波器的主要优点。 c 型高通滤波器的性能介于二阶的和三阶的之间。c 2 与工调谐在基波频率上 故叮大大减少基波损耗。其主要缺点是对基波频率失谐和元件参数漂移比较敏感。 以上四种高通滤波器中，最常用的还是二阶高通滤波器和c 型高通滤波器。 ( b ) ( c )( d ) 图4 - 2 高通滤波器 ( a ) 一阶；( b ) 二阶；( c ) 三阶；( d ) c 型 4 1 3 双调谐滤波器 r 除了上述的争调谐滤波器和高通滤波器外，在一些工程中还用到双调谐滤波 器。双调谐滤波器电路如图4 - 3 ( a ) 所示。它有两个谐振频率，| 一j 时吸收这两个频率 的谐波，其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。图4 - 3 ( b ) 示m 了双调谐滤波器的 阻抗频率特性。 双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比，其基波损耗较小，且只有一个电感三j 承受伞部冲击电压。j f 常运行时，串联电路的基波阻抗远火丁并联电路的基波阻抗， 所以并联电路所承受的丁频电压比串联电路的低得多。另外，并联电路p 的电容c 2 容量一般较小，基本上只通过谐波无功容量。由于双调谐滤波器投资较少近年来 n ：国外一些高压直流输电上程巾有所应用。双调谐滤波器主要问题址于结构比较复 杂，调谐闲难，故应用还较少。 华北电力大学硕士学位论文 挂 删 ( b ) 图4 3 双调谐滤波器电路及阻抗频率特性 ( a ) 电路原理图( b ) 阻抗频率特性 4 2 滤波器的设计准则 设置l c 滤波器的主要目的是为了抑制电网中的谐波。为了保证电能质量，许 多国家指定和颁发了谐波管理标准，对谐波源注入系统的谐波电压、电流限值做出 了具体的规定。我国也颁伟了电能质量公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) ( 国家 标准) 。 在设计滤波器时，首先应该满足各种负载水平下对谐波限制的技术要求，然后 再此前提下，使滤波器在经济上最为合理。电能质量国家标准分为电压波形畸变率 和沣入系统的谐波电流允许值两项，两项指标均按星形接法相电压和相电流的均方 根值计算。谐波造成电网电压波形畸变率限值和用户注入电网的谐波电流允许值应 满足电能质量公用电网谐波( g b t1 4 5 4 9 9 3 ) 的要求。具体的标准详见表2 1 和表2 - 6 。公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流( 方均根值) 和公用电嘲 喈波电压的畸变率不应超过表中规定的允许值。如果超f ；，允许范围，就要进行滤 波器的配置，将谐波标准限制在允订范围以内。 4 2 1 原始数据准备 一设计前必须对电力系统的运行进行谐波分析，求出系统中谐波源向电力系统 ( 或p c c 点) 注入的各次谐波电流： 按国家标准的规定，确定各次谐波电流、备次谐波电压含量及电压总谐波畸 变率的极限值： 华北电力大学硕士学位论文 _ 确定滤波装置应提供的无功补偿容量的大小。 确定电力系统中的背景谐波。滤波装置往往是为特定谐波源设计的但系 统中可能存在其他谐波源，它们产生的谐波电流也会流入谐波装置，从而增加滤波 装置的负担，若不考虑这些谐波，则滤波装置较容易发生过载。如缺乏准确的资料， 也应做粗略的估计。例如，在某些工程中，将流经各滤波器的谐波电流增大i o 来 考虑背景谐波的影响。 4 2 2 确定滤波装量的构成 滤波装置的构成主要是指由几组单谐调滤波器构成，是否装设高通滤波器，其 截i r 频率如何选取以及采用何种方式满足无功功率补偿的要求。 单调谐滤波器应根据谐波源大小及所产生的主要特征谐波电流米考虑。对于整 流性谐波源，一般只设奇次滤波器，例如六相整流负荷可以设5 次、7 次、1 1 次等 单调谐滤波器。如要滤除更高次的谐波，可以设一组高通滤波器。对于非特征的3 次谐波是否要设滤波器，应根据3 次谐波电流的大小，以及是否可能发生3 次谐波 谐振( 即3 次电压过高) 来决定( 后者应待滤波器参数初步选定后才能确定) 。电弧炉负 荷电流的频谱是连续的，因此滤波器设计时除了考虑对2 、3 、4 、5 次主导谐波电 流的滤波效果外，滤波器的谐波电流系数在所考虑的频段内不能超过s 。 要使滤波装置满足无功补偿要求，可采用两种方法：一是按滤波要求设计滤波 装置，如其无功容量不满足要求，加装并联电容器；二是加大滤波器容量，使其满 足无功补偿要求。相比之下，一般来说，第一种方法比较简单，运行灵活，投资可 能省些；第二种方法滤波效果较好，如果设计周密，也能做到运行灵活，究竟采用 哪种方法，针对具体工程，可以作技术经济比较后确定。 4 2 3 滤波装置的设计和校榱 初步确定各单调谐滤波器、高通滤波器或c 型高通滤波器巾各元件参数、容量 等。具体设计方法在后面章节加以介绍。 单独设讣好各个滤波器之后，应对以下各方面进行进一步的计算和校核。 计算滤波器之间的丰口互影响。滤波器之间的互相影响扶至会超过系统谐波阻 抗对滤波器的影响。在滤波装置初步确定之后，可对每个滤波器_ 重新设计，设计每 个滤波器时将系统谐波阻抗与其它滤波器的阻抗作为设计失踪的系统谐波阻抗。考 虑并联电容器的影响，进一步修正滤波器参数。 _ 校核滤波装最是否满足谐波抑制的要求。若不满足要求应修订相应滤波器参 数，直至满足要求，便可确定滤波装置的最终参数。 一滤波装置参数确定后，应对系统进行谐波潮流计算，若m 现在低次非特征l 华北电力大学硕士学位论文 波情况下有谐振现象，则应考虑装设3 次谐波滤波器。 一对不同方案进行经济分析，按年费用最小作最佳选择，最终确定滤波方案。 4 3 常用滤波器实用设计计算 除了以上技术要求和经济分析外，设计滤波器要注意如f 两个问题： ( 1 ) 单调谐滤波器的谐振频率会因电容、电感参数的偏差或变化而改变，同时电 网频率会有一定的波动，这将导致滤波器失谐。设计时应保证在正常失谐的情况下 滤波装置仍能满足各项技术要求。 ( 2 ) 电网阻抗变化会对滤波装置特别是单调谐滤波器的滤波效果有很大的影响 而且电m 阻抗与滤波装置有发生并联谐振的可能，设计时必须充分考虑。 但随着电力系统规模的不断扩大和供电可靠件的不断提高电嘲频率波动也越 来越小，由此而带来的设计误差可以满足工程设计的要求；同时，随着电容器和电 抗器制造工艺水平的不断提高，其参数的偏差也在逐步减小。而且现在滤波电抗器 的参数可以连续调节，极大的弥补了电容器制造参数的偏差，可以较为精确地选择 调谐点。以往滤波器设计中需要考虑的等效频率失谐度1 2 4 2 5 1 已小再足设计中的难点 和重点。同时为了获得最优的滤波效果，需要选择最佳粥谐锐度值q 。q 值的确定 又要依赖丁系统谐波阻抗值。由丁系统谐波阻抗难以精确计算，认为伞部谐波阻抗 都在最大阻抗角的范围内，根据经验，最大阻抗角一般在8 0 。8 5 。之间，这样处 理尽管实用，却需要繁琐的计算。特别是有时候需要频繁调整参数以满足设计要 求这种方法显得更为繁琐，实际应用中不方便。 为了减少繁琐的计算，本文提出了一种简单实用滤波器参数计算方法。在基波 补偿容量和安装点电压已知的情况下，只要确定调谐系数利指定调谐锐度( 通常调 谐锐度在3 0 6 0 之间) ，利用该方法就可以计算各类型滤波器的设计参数，具有精 度高、计