冷轧连退线供电质量分析与改善措施研究;自动化

第1页共2页冷轧连退线供电质量分析与改善措施研究自动化专业惠飞翔（099064329）指导教师：陈乐柱教授摘要现代生产对电能质量的要求越来越高。随着电力电子技术的飞速发展，各种非线性电力电子装置得到了广泛的应用。这些装置在带给我们方便的同时也向公用电网内注入了大量的电流谐波。有源电力滤波器是治理电力系统谐波问题、改善电能质量的有效手段，有着广阔的应用前景。本文首先系统地介绍了电能质量的相关问题，谐波的产生，危害和治理方法。其次通过分析马钢某厂连退线主传动系统和测量数据，得到谐波电流的大小，设计出200A有源电力滤波器的治理方案。然后概括了有源电力滤波器的特点、分类，分析了并联型有源滤波器的结构、工作原理；对谐波检测原理和电流控制跟踪方法进行讨论，介绍了采用基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法和有源滤波器的补偿控制。文章最后设计并计算出滤波器主电路参数。关键词：电能质量；谐波；变频器；并联有源滤波器第1页共34页AbstractThedemandsofpowerqualityformodernproductionisgettinghigherandhigher.Withthedevelopmentofpowerelectronicstechnology，asharplyincreasingnumberofpowerelectronicsdeviceshavebeenwidelyusednowadays.Althoughthesepowerelectronicsdevicesmakeourlifeconvenient,theyalsoinjectmuchharmoniccurrenttothepowergridfortheirnonlinearcharacteristics.ActivePowerFilterisoneoftheeffectivemeansforharmoniccurrentcompensationandpowerqualityimproving.TheuseofshuntActivePowerFilterhasbroadapplicationprospectsimproving．Atfirst,thethesissystematicallyintroducestherelatedquestionsofpowerquality,harmonicgeneration,harmandtreatmentmethods.Secondly,throughanalysisofMa-steelandSteelcold-rolledsiliconsteelonthe1stlineofthemaindrivesystemandmeasurementdata,thethesisanalyzeharmoniccurrentsizeanddesign200AAPFgovernanceprograms.Thenthethesissummarizesthecharacteristicsofactivepowerfilter,sort,analyzetheshuntactivefilterstructure,workingprinciple;principleforharmonicdetectionandtrackingmethodsarediscussed;introducecurrentcontrolbasedoninstantaneousreactivepowertheoryharmoniccurrentdetectionmethodandtheactivefiltercompensationcontrol.Atlast,thethesisdesignsandcalculatesthedataofthefiltermaincircuitparameters.Keywords：Powerquality；Harmonic；Inverter；ShuntActivePowerFilter；1绪论1.1课题研究背景电能质量是指通过公用电网供给用户端的交流电能的品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。同时，在三相交流系统中，各相电压和电流的幅值应大小相等、相位对称且相差120。但由于系统中的发电机、变压器和线路等设备非线性或不对称，负荷性质多变，加之调控手段不完善及运行操作、外来干扰和各种故障等原因，这种理想的状态并不存在，因此产生了电网运行、电力设备和供用电环节中的问题，也就产生了电能质量的概念。近年来，人们越来越关心电能质量。一方面，工业、信息社会对电能质量要求越来越高，大量基于计算机系统的控制设备和电子装置广泛应用，这些装置对电能质量非常敏感。另一方面，电能质量问题日益严重。大量的非线性负荷和扰动负荷接入公用电网对电能质量造成干扰和污染，造成电能品质下降。在我国，虽然总体经济和技术水平还比较落后，但在部分经济发达地区电能质量问题的影响已比较突出。而且，由于各种原因，在供电可靠性和电网电压幅度的稳定水平等指标上，我国的情况尤其落后。如何提高和保证电能质量，已成为国内外第2页共34页电工领域迫切需要解决的重要课题之一。许多工业生产过程中有着大量的非线性设备，直接接入供用电网，使得电网的电能质量受到严重的污染，超高功率生产设备的非线性、不对称性与冲击性导致公用电网和工厂配电网的电能质量问题更加严重。钢铁工业是电网最大的污染源，钢铁生产的连续性和产品精细化对电能质量与供电的安全可靠性提出了更高的要求。本文根据马钢某厂冷轧硅钢电气传动系统电能质量特点，收集现场测试分析报告数据，分析其电能质量存在的问题，提出治理方案的建议。通过这些了解电网的谐波的危害；了解谐波的产生；了解谐波治理的方法，主要是应用现状。1.2电能质量电力系统运行的的三大基本要求，第二条就是要保证优质的电能质量，可见保证电能质量的重要性。一般来讲电能质量包括电压质量、频率质量和波形质量三个方面。电压质量和频率质量一般都以偏移是否超过给定值来衡量，例如给定的允许电压偏移为额定值的±5%，给定的允许频率偏移为±（0.2~0.5）Hz等。波形质量则以畸变率是否超过给定值来衡量。所谓畸变率（或正弦波形畸变率），是指各次谐波有效值平方和的方根值与基波有效值的百分比。给定的允许畸变率常因供电电压等级而异，例如，以380、220V供电时为5%，以10kV供电时为4%，等等。因此国家有关部门也制定了相应的电能质量国家标准，来规范和治理电能质量问题。对电压和频率质量的保证，我国电力工业部门多年来早已有要求，并已将其作为考核电力系统运行质量的重要内容之一。在当前条件下，为保证这些质量指标，必须做到大量增加系统中的有功功率、无功功率的电源，充分发挥现有电源的作用，合理调配用电，节约用电，不断提高系统自动化程度等。在我国，对波形质量的要求只是在系统中谐波污染日益严重的情况下才开始注意的，有关规定还有待继续完善。所谓保证波形质量，就是指限制系统中的电流、电压的谐波，而其关键在于限制各种换流装置、电热电炉等非线性负荷向系统注入的谐波电流。至于限制这类谐波电流的方法，则有更改换流装置的设计、装设滤波器、限制不符合要求的非线性负荷的接入等。在低压配电网中，由于负荷电流的特性直接影响供电电压的质量，因此还可以将电能质量问题分为电压质量问题和电流质量问题两个方面。其中电压质量问题是指电压波动和闪变、电压谐波、电压三相不平衡、电压下跌和电压中断等问题。电流质量问题则是指电力电子设备等非线性负荷给电网带来的电流畸变，一些效率较低的电机设备引入的大量无功电流，单相负荷引入的不平衡电流（负序电流和零序电流），低频负荷变化造成的闪烁等。在实际中电压质量和电流质量是紧密相连互相影响的，例如，非线性负荷引起的谐波电流流经系统会造成电压畸变从而影响其他用户。概况的讲，在配电网中最主要的电能质量问题有如下三个方面：第3页共34页⑴谐波含量高；⑵功率因数低；⑶三相负荷不平衡。1.3谐波来源和危害1.3.1谐波的来源在供用电系统中，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ttusin2（1.1）对于周期为2T的非正弦电压)(tu，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里叶级数：10sincosnnntnbtnaatu（1.2）式中tdtua20021ttdntuancos120ttdntubnsin120,3,2,1n谐波是指一个周期电气量的正弦波分量，它的频率为基波频率的整数倍。式中频率为2nn的项即为谐波项。n次谐波电压含有率以nHRU（harmonicratio）表示，(%)1001UnUHRUn(1.3)式中nU——第n次谐波电压有效值（方均根值）；1U——基波电压有效值。n次谐波电流含有率以nHRI表示，(%)1001InIHRIn(1.4)式中nI——第n次谐波电流有效值；1I——基波电流有效值。谐波电压含量UH和谐波电流含量IH分别定义为22nnUUH(1.5)第4页共34页22nnIIH(1.6)电压谐波总畸变率uTHD（totalharmonicdistortion）和电流谐波总畸变率分别定iTHD义为(%)1001UHUuTHD(1.7)(%)1001IHIiTHD(1.8)当正弦基波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负载上时，电流就变为非正弦波，产生谐波电流。负载谐波电流通过与电网的公共联结点注入电网中。谐波的来源主要是非线性负载，那么常见的非线性负载有哪些呢？一般来说系统中的谐波源可分为两大类：含半导体非线性元件的谐波源；含电弧和铁磁非线性设备的谐波源。归纳起来，主要有以下几种：a：静止变流器。如整流器、逆变器、交流调压器、通用变频器等。它们产生的谐波对电网影响最为严重，被称为电网中“公害”。b：工业用电弧炉、交流电焊机等。虽然它们数量不多，但容量较大，产生的谐波成分十分丰富，对电网的危害极大。c：电力变压器，发电机及铁磁谐振设备等。d：各种民用电力电子设备。如：各种家用电器、荧光灯、计算机开关电源等，虽然它们的容量不大，但数量众多，它们对电网造成的谐波污染也越来越严重。其中a属于第一大类，b、c属于第二大类，d分属上述两类谐波源。1.3.2谐波的危害理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还不严重，没有引起足够的重视。随着科学技术的发展，各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起了人们高度的关注。谐波电流、电压对电力系统和用户的影响及危害，概括起来，大致有以下几个方面：(1)由于谐波的存在，增大了系统中元件的附加损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率，大量的3次谐波通过中线时会使线路过热甚至发生火灾。在电力系统中，因为趋肤效应，高的谐波频率增加了导线的谐波电阻。因此谐波电流会增加线路损耗，并降低线路的传输能力。此外，在采用电缆的输电系统中，谐波问题还可能加速电缆绝缘的老化，缩短电缆的使用寿命。系统中的断路器也会受到谐波的影响，在谐波电流严重的情况下，断路器可能无法正常工作以致损坏。谐波对电网的危害除第5页共34页造成线路损耗外，更重要的是使电网波形受到污染，供电质量下降，危及各种用电设备的正常运行。在电力系统用户中，大量的3次谐波流过中线时，容易导致电线过载发热、绝缘损坏，进而发生短路，引起火灾。(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。例如：谐波对变压器的影响主要是引起附加损耗和过热，高