谐波与无功补偿技术原理

波功功率补偿术波功功率补偿术谐波和无功功率补偿技术基本原谐波和无功功率补偿技术基本原基本原理基本原理西安交通大学王兆安2006年5月22日1第1章绪论第1章绪论第1章绪论第1章绪论11电能质量控制技术简介1.1电能质量控制技术简介12谐波与无功简介1.2谐波与无功简介3/电力电子技术与电力系统、电能质量控制的关系控制的关系1.1.5用于电能质量控制的新型电力电子装置用能质控制新力子装4/幅值的问题–稳态过电压、欠电压及电压波动–闪变（flicker）–幅值凹陷（sag，dip）、凸升（swell）、短时中断（interruption）z波形和对称度的问题–三相不对称（imbalance）–谐波（harmonics）–缺口（notching）–暂态脉冲（impulsivetransient）、暂态振荡（oscillatorytransient）5/py电能质量问题的典型危害和影响电压频率不稳，不对称，以及稳态过电压、欠电压及电压波动、闪变等的危害。z谐波z谐波–使产生、传输和利用电能的效率降低；使电气设备过热振动产生噪音或绝缘老化缩短–使电气设备过热、振动、产生噪音或绝缘老化，缩短其寿命，甚至发生故障、烧毁；–使继电保护和自动装置误动作；–对通信和电子设备产生干扰。z电压骤降对精密仪器设备的危害6/–对精密仪器设备的危害；–给高产值的连续生产过程造成的损失。电能质量控制技术分类稳态电能质量问题源头附近稳态电能质量问题稳态过电压、欠电压和电压波动闪变源头确定源头附近就地补偿闪变三相不对称谐波源头确定时间持续设置于系统统补偿缺口统一补偿暂态电能质量问题电压幅值凹陷凸升源头不明重点用户电压幅值凹陷、凸升短时中断暂态脉冲、暂态振荡源头不明时间不定重点用户单独保护7/电力电子技术与电力系统电能质量控制的关系系统、电能质量控制的关系系统、电能质量控制的关系电力电子技术的飞速发展使得在电力系电力电子技术的飞速发展使得在电力系统中实现响应快速的控制元件，或者在电力系统中实现响应快速功率适宜能产生任系统中实现响应快速、功率适宜、能产生任意波形的受控电源成为可能。用电发电电能质量控制电力电子技术在电力系统中应用在电力系统中应用配电输电8/配电输电用于电能质量控制的新型电力电子装置新型电力电子装置新型电力电子装置可解决的问题晶闸管投切电容器（TSC）可解决的问题稳态过电压、欠电压（）晶闸管控制电抗器（TCR）无功功率电压波动闪变TCR+TSC无功功率补偿装置三相不对称静止无功发生器（SVG，ASVC，STATCOM）9/用于电能质量控制的新型电力电子装置新型电力电子装置新型电力电子装置可解决的问题谐波(缺口)有源电力滤波器(缺口)稳态过电压、欠电压(电压波动)有源电力滤波器（APF）(电压波动)闪变三相不对称三相不对称10/用于电能质量控制的新型电力电子装置新型电力电子装置新型电力电子装置可解决的问题电幅度陷动态电压恢复器电压幅度凹陷电压幅度凸升动态电压恢复器（DVR）(短时中断)11/谐波问题及研究现状1.2.1谐波问题及研究现状谐波问题及研究现状谐波问题及研究现状“谐波”“谐波”——起源于声学。–18--19世纪，傅立叶提出谐波分析法;–20世纪20年代，电力系统谐波问题出现(静止汞弧变流器在德国使用);–1945年，J.C.Read经典论文发表;–50—60年代，大量相关论文发表(E.W.Kimbark作了总结);年代以来世界各国充分关注–70年代以来，世界各国充分关注;–我国对谐波问题的研究起步较晚。13/谐波研究的意义–谐波的危害十分严重；谐波的危害十分严重；–影响电力电子技术自身发展；环保建立“绿色”电力系统–环保，建立绿色电力系统。z谐波问题的研究方向)谐波相关的功率定义和功率理论1)谐波相关的功率定义和功率理论；2)谐波分析以及谐波影响和危害的分析；3)谐波的补偿和抑制；4)谐波相关的测量和限制谐波标准问题。14/)谐波问题及研究现状121谐波问题及研究现状1.2.1谐波问题及研究现状1.2.1谐波问题及研究现状z谐波的测量–谐波问题研究的主要依据、出发点；–电子技术的引入；功率电能的测量–功率、电能的测量；存在的问题标准不统一–存在的问题：标准不统一。16/谐波抑制122谐波抑制1.2.2谐波抑制1.2.2谐波抑制zLC调谐滤波器既可补偿谐波又可补偿无功结构–既可补偿谐波，又可补偿无功，结构简单；简单；–补偿特性受电网阻抗和运行状态影响；–只能补偿固定频率的谐波，补偿效果不甚理想不甚理想。18/基本思想在六七十年代就已经形成–基本思想在六、七十年代就已经形成；–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；变流电路可分为电压型和电流型；–变流电路可分为电压型和电流型；–与补偿对象的连接方式——并联&串联；–可与LC调谐滤波器混合使用。19/其他的补偿方法单位功率数变流–单位功率因数变流器采用多重化技术–采用多重化技术–PWM整流器整流器–功率因数校正电路PFC–矩阵式变频器…20/无功功率–概念清楚，极其重要，定义不统一对供电系统和负荷的运行都十分重要–对供电系统和负荷的运行都十分重要–要像有功功率那样传输无功功率么？无功补偿的作用z无功补偿的作用–提高供用电系统及负荷的功率因数，降低设备容量减少功率损耗容量，减少功率损耗；–稳定受电端及电网的电压，提高供电质量–在电气化铁道等三相负荷不对称的场合，通过适当的无功补偿可以平衡三相的有功及无功负荷21/荷。无功补偿装置同步调相机–同步调相机–并联电容器并联电容器–静止无功补偿装置SVC–静止无功发生器SVG22/谐波和谐波分析21谐波和谐波分析2.1谐波和谐波分析2.1谐波和谐波分析2.1.1谐波的基本概念212谐波分析2.1.2谐波分析2.1.3公用电网谐波电压电流限值24/谐波的基本概念正弦波电压可表示为：正弦波电压施加在线性无源元件上其电)t(Usin2)t(uαω+=正弦波电压施加在线性无源元件上，其电流和电压仍为同频率的正弦波.流和电压仍为同频率的正弦波.正弦波电压施加在非线性电路上时呢？非正弦电压施加在线性电路上时呢？25/=2π/ω的非正弦电压u(ωt)，一般满足狄里赫利条件可分解为如下形式的傅里叶级足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里叶级数：∑∞)i()(b∑=++=10)sincos()(nnntnbtnaatuωωω)()(12∫πωωtdt其中,)(cos)(1)()(2200==∫∫πωωωωωπttdntuatdtuan其中,)(sin)(1)()(200=∫∫πωωωππttdntubnn26/....321n、、=π谐波的基本概念或∑∞=−++=10)32()sin()(nnntncatuϕωω式中，cn、ϕn和an、bn的关系为1nnnnbac22+=nnnbaarctgϕi)/(=nnncbcaϕϕcossin==27/nnncbϕcos（harmonicratio）(2-4)=×100(%)nnUHRUUn次谐波电流含有率以HRIn(2-5)1U=×100(%)nIHRI(25)谐波电压含量UH和谐波电流含量IH=×1100(%)nHRII(2-6)(2-7)电压谐波总畸变率THDU（totalharmonicdistortion）和电流UUHnn==∞∑22IIHnn==∞∑22电压谐波总畸变率THDU（totalharmonicdistortion）和电流谐波总畸变率THDi(2-8)(2-9)THDUH×100(%)THDIn=×100(%)28/(28)(29)THDUuH=×1100(%)THDIi=×1100(%)谐波的基本概念谐波一个周期电气