配电网谐波电流抑制技术

配电网谐波电流抑制技术卓放西安交通大学2012年6月20日/73目录1.配电网中的谐波污染2.谐波是怎么产生的3.谐波电流的控制方法a.基于无源滤波技术的解决方法b.基于有源滤波技术的解决方法c.基于混合滤波技术的解决方法4.储能调节稳定系统电压/73配电网中的谐波问题发电厂侧电压用户侧电压电压怎么畸变了？/73谐波是怎么产生的？电网供电用户负载电网阻抗/73谐波是怎么产生的？6000V400V磨床厚剪合卷分切变压器518电压电流/73谐波是怎么产生的？谐波电流的源头电力电子装置变压器iuuiti(t)iittф(i)ффф(t)000112233445566其他负载/73谐波是怎么产生的？某写字楼电流波形与频谱/73谐波是怎么产生的？最大值最小值最大值最小值22~77KV电压总谐波畸变率6KV电压总谐波畸变率电视收视率电网电压畸变率和电视收视率1983年10月和1988年4月《谐波抑制与无功功率补偿》/73谐波是怎么产生的？谐波起源于声学概念；18--19世纪，傅立叶提出谐波分析法；一个周期电气量中频率为基波频率大于1整数倍的正弦波分量。注意：暂态现象和谐波是不同的/73谐波是怎么产生的？谐波对电力系统和其他用电设备的主要危害可归纳为：(1)电力危害方面：1)使公用电网中的设备产生附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率增加电网线损。在三相四线制系统中，零线会由于流过大量的3次及其倍数次谐波电流造成零线过热，甚至引发火灾。2)谐波会产生额外的热效应从而引起用电设备发热，使绝缘老化，降低设备的使用寿命。3)谐波容易使电网与补偿电容器之间发生并联谐振或串联谐振。使谐波电流放大几倍甚至数十倍，造成过电流，引起电容器、与之相连的电抗器和电阻器的损坏。(2)在信号干扰方面：1)谐波会引起一些保护设备误动作，如继电保护，熔断器等。同时也会导致电气测量仪表计量不准确。2)谐波通过电磁感应和传导耦合等方式对邻近的电子设备和通信系统产生干扰，严重时会导致它们无法正常工作。/73谐波是怎么产生的？IEEE60519标准于1981年制订，并于1992年进行了修订，该标准是从电网的角度来对公共连接点的电压和电流的波形畸变进行限制。IEC60555—2标准于1982年制订，并在1995修订，该标准则是对负载产生的谐波进行限制，使负载注入电网的谐波在规定的范围内。修订后的标准为IEC61000—3—2。在我国，原水利电力部于1984年根据国家经济委员会批转的《全国供用电规则》的规定，制定并发布了SD126—84《电力系统谐波管理暂行规定》。国家技术监督局于1990年和1993年分别颁布了电能质量、谐波方面的国家标准GB12325—90（电能质量-供电电压允许偏差）、GB12326（电能质量-电压允许波动和闪变）和GB/T14549—93《电能质量-公用电网谐波》，该标准已于1994年3月1日起在我国全面开始实施。/73谐波电流的控制方法控制原则：不使非线性负载产生的谐波电流流入电网。/73谐波电流的控制方法----基于无源滤波器的控制方法电网供电用户负载电网阻抗无源滤波支路控制思路：为谐波电流提供低阻抗分流回路。/73无源电力滤波器的电路结构（a）单调谐滤波器；（b）双调谐滤波器；（c）一阶高通滤波器；（d）二阶高通滤波器；（e）三阶高通滤波器；（f）C型阻尼滤波器。C1L1C2L2R1R2CLR(a)(b)(c)(d)(e)(f)CHLHC1CL2R2R2C1C2C2LRHR实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。谐波电流的控制方法----基于无源滤波器的控制方法/73谐波电流的控制方法----基于无源滤波器的控制方法CLRRnS)210ZfnZRjnLnCfnfnSS()1(a)单调谐滤波器电路原理图(b)单调谐滤波器阻抗频率特性单调谐滤波器原理及特性nLCS1/73谐波电流的控制方法----基于无源滤波器的控制方法C1C1C2C2LRa)一阶b)二阶c)三阶d)C型高通滤波器ZjnCRjnLnSS1111()RZn/73ABB公司的无源滤波器CHARMModelsBP,HPorCVoltage1-500kVPower1MvarFundamentalfrequency50or60HzTuningfrequencyOptionalInstallationIndoororoutdoorReactorAirorironcore应用举例（1）/73应用举例（2）5thHarmonicFilter,36Mvar,145kV,Sweden./73应用举例（3）应用于HVDC12/73应用举例（4）中国龙泉换流站交流滤波器组现场图片（三峡至常州输变电工程）/73应用举例（5）Twothree-phaseACfilterbanksfor400kVattheTjeleHVDCconverterstation,Denmark.500kVDC-filterwithsuspendedcapacitor/73无源滤波器所存在的问题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电网频率会有一定波动，这将导致滤波器失谐电网阻抗变化对单调谐滤波器的滤波效果有较大影响更为严重的是，电网阻抗与滤波装置有发生并联谐振的可能/73谐波电流的控制方法----基于无源滤波器的控制方法串联谐振的起因与现象LPLSCPUSFUSHZS(s)US(s)+-IS(s)IF(s)ZC(s)ZL(s)SFSSCLSSPP()()111()()()()()()IsIsUsUsZsZsZssLLsC结构示意图等效电路图电压激励下串联结构下无源支路电流的放大倍数示意图/73谐波电流的控制方法----基于无源滤波器的控制方法并联谐振的起因与现象LPLSCPILFILHIS(s)IF(s)IL(s)ZS(s)ZC(s)ZL(s)P2SCLPLCLSSP2P1()()()1()()()()()LIsZsZsCIsZsZsZsLLC频率/Hz放大比例结构示意图等效电路图负载谐波电流成分激励下电网电流放大倍数示意图/73由谐振引起的电容器损坏举例/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法电网供电用户负载电网阻抗有源滤波装置控制思路：对消负载产生的谐波电流成分。/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法用有源电力滤波器主动补偿谐波的思想最早可以追溯到20世纪60年代末。1969年BMBird和JFMarsh等发表论文，首次提出了通过向交流电网注入3的倍数次谐波电流，来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的方法。1971年，HSasaki和TMachida发表的论文中首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理。1976年，美国西屋电气公司的LGyugyi和ECstrysula提出了采用PWM变流器构成的有源电力滤波器，确立了现代有源电力滤波器的概念，并建立了有源电力滤波器主电路的基本拓扑结构。/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法loadAPFsourceiLicis电网电流负载电流补偿电流补偿前补偿后并联有源滤波器运行原理/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法LLLCL电压源型逆变器电流源型逆变器变流器的结构/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法APF负载并联型有源滤波器APF负载串联型有源滤波器有源滤波器的结构/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法有源滤波器的关键技术：1.谐波检测分离技术2.补偿电流控制技术3.变流器系统控制方法/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法谐波检测分离技术+++C23C32LPFLPFC---+++uaiaibiccossiniipiqi_pi_qiiahibhichiafibficfCcossinPLL基于IRPT的ip、iq检测算法示意图1）利用模拟陷波器的检测方法2）基于瞬时无功功率理论的检测方法/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法谐波检测分离技术3）基于傅里叶变换理论的检测方法4）其他诸如模糊、自适应检测方法、基于小波变换和基于神经网络的检测方法PLLDFTIDFTaibici*ai*ci*biSINCOSau基于DFT理论的检测算法示意图/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法谐波检测分离技术5）基于时域的电流检测算法为采样点的计数值为采样点的计数值SPLLiabcuabc*ifabc计算矩阵&LPF223223sin[()]cos[()]nNlnNlkk223223sin[()]cos[()]nNlnNlkk基于时域的电流检测算法TTA的结构图《独立小电网用有源电力滤波器的研究》--李红雨博士学位论文/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法谐波检测分离技术基波正序基波负序5次负序7次正序13次正序11次负序被检测信号/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法补偿电流控制技术uAuBuCiAiBiCEoabcNL/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法非线性负载有源滤波器开关纹波滤波器CT滤波器系统控制技术非线性负载有源滤波器CTPTCTCT开关纹波滤波器前馈控制方式方法复合控制方式方法/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法有源电力滤波器的特点1.受电网阻抗的影响不大，不易和电网阻抗发生谐振；2.能跟踪电网频率的变化，补偿性能不受电网频率变化的影响；3.即使补偿对象电流过大，APF也不会发生过载，并能正常发挥补偿作用；4.动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，对补偿对象的变化响应快；5.可同时补偿谐波和无功，且补偿无功的大小可做到连续调节；6.变流器容量受到电力电子器件的限制，制造成本高。/73谐波电流的控制方法----基于有源滤波器的控制方法NobiPower-PQ系列3EM-PW-APF系列CL6150系列PQC-S系列/73谐波电流的控制方法----基于混合滤波器的控制方法单独使用无源滤波器的特点：成本低、易实现。补偿效果欠佳。易与系统发生谐振。控制思路：将二者结合起来，相互取长补短，充分发挥各自的优势，无疑是一种好的选择。使用混合滤波器的必要性单独使用APF的特点：可以动态补偿谐波，补偿效果好。投资大、成本高。/73谐波电流的控制方法----基于混合滤波器的控制方法APF与PF混合使用串联型并联型APF与PF直接并联APF与PF串联后再与负载并联注入电路式HPFLC并联谐振注入式LC串联谐振注入式混合滤波器的分类/73谐波电流的控制方法----基于混合滤波器的控制方法APF和PF混合使用的HPF可以增强滤波效果；可以抑制谐振现象。需要在供电传输线中串入设备。通过改变输出基波电压控制能量流动。1988F.Z.Peng/73/73谐波电流的控制方法----基于混合滤波器的控制方法LOADXSUSAPFZFAPF与PF相并联APF和PF混合使用的HPF可以增强滤波效果；可以抑制谐振现象。变流器需要承受全部电网电压。通过改变输出基波电流控制能量流动。/73无源滤波器5次7次iLiSiC有源电力滤波器电网负载CTC指令电流计算电流跟踪控制驱动保护A相电压负载电流直流侧电压控制电路有源滤波器输出电流主电路无源投切控制uSaZS负载电流检测CTuSbuSc并入式混合型并联电力滤波器/73实验地点：江苏省启东市神通钢丸有限公司实验补偿负载：一吨中频炉实验时间：2005年3月23日-3月24日装置在工业现场装置在实验室无源滤波器有源电力滤波器中频炉/73实验结果分析混合滤波器投入后负载投入后无源滤波器投入后负载投入前电网电压电网电流电网电压电网电流电网电压电网电流电网电压电网电流/73实验