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1、第4章 电能质量控制技术,4.1 电能质量控制技术的研究意义,造成电能质量现状主要有两方面的因素： 由于电力电子技术的迅速发展，大型电力电子设备在电力系统中得到广泛应用。 各种对电能质量要求较高的用电设备不断普及，如微电子产品生产流水线、精密试验仪器和办公设备、高性能家用电器等。电能质量不合格会引发严重后果。,电能质量控制技术研究能够产生巨大的经济和社会效益。它能够改善电力系统电能质量水平，减少电力系统内部因电能质量问题产生的损耗，保证电力系统运行可靠性，提高电力系统在电力市场中的竞争力；能够减少对精密电子设备的影响，使用户能够在最佳的供电条件下进行生产，保证产品质量，从而提高经济效益；能够促
2、进与电能质量控制相关的电力电子新技术的发展。总之，电能质量控制技术对推动电力技术发展和提高人民生活质量都具有极其重要的意义。,4.2 电能质量控制技术的分类,电能质量的概念在一定程度上来自于电磁兼容。电 磁兼容（EMC）是指设备或系统在其电磁环境中符合 要求运行并不对其环境中的任何设备产生无法忍受的电 磁干扰的能力。因此，EMC包括两个方面的要求： 设备对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度； 设备在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰不能超过一定的限值。,电能质量控制技术的分类,1. 提高供电设备和用电设备的技术性能 目前，对电能质量要求较高的行业主要集中在电子工业 领域，尤其是大
3、规模集成芯片生产、精密仪器生产厂商、航 空航天部门等。从提高供电设备和用电设备的技术性能的角 度来减小电能质量问题对于上述工业领域的厂商或者部门的 正常生产和工作的影响是关键的。 2. 采用电能质量控制装置 具有不同特性的非线性用户应采用不同的措施来抑制对 电力系统电能质量的不良影响。,电力系统中的谐波源主要分为两种： 非线性电磁耦合装置：主要包括电力变压器和静止补偿装置中的饱和电抗器等。这些设备在正弦电压作用下也会使电流波形畸变，其中以3次谐波为主，一般变压器和电抗器的空载合闸涌流可达额定电流的68倍，此时谐波分量极为明显。 换相装置：对称换相装置（如三相对称桥）和不对称换相装置,目前电能质
4、量控制装置的种类很多，根据特性主要分为两大类： 无源设备：主要是指由容性和或感性元件构成的设备，如无功补偿电容器、LC滤波器等； 有源设备：主要是指采用可控的开关器件实现电能质量治理的设备，如有源电力滤波器（APF）等。,4.2 电能质量控制装置原理,4.3.1 无功补偿电容器和LC滤波器 电力系统除了负担负荷的有功功率P，还要为负荷 提供无功功率Q。两者与负荷的视在功率S之间 负荷的功率因数是衡量负荷是否充分利用网络传 输容量的指标之一，其定义为负荷有功功率与视在功 率之比,负荷功率因数越高，说明大部分视在功率被用来提供有功功率，从而减少无功功率的消耗。提高功率因素可以改善设备的利用率，充分
5、发挥系统设备的生产能力，减少电压损失和线路损失，改善电压质量，提高电力网的传输能力。 目前使用最广泛的无功补偿装置是并联电容器，或者并联电容器中串联电抗器，同时作为LC滤波器使用。串联和并联滤波器的原理电路如图4-1所示。,LC滤波器不仅可以提供全部或部分非线性负荷所需的无功功率，还可以降低电网的谐波电压或减少进入系统的谐波电流并达到或接近可接受的水平。 LC滤波器的安装位置一般在整流负荷的一次侧或专门为滤波装置设计的变压器的第三绕组上。 LC滤波器的设计流程主要考虑其谐振频率及电容器耐压，电抗器耐流。,1. LC滤波器的分类,1）按接入系统的方式，可分为以下两种类型： 串联滤波器：它串入系统
6、，通常通过LC并联谐振的高阻抗来阻碍谐波进入系统； 并联滤波器：它并入系统，通常通过LC串联谐振的低阻抗来使谐波源产生的谐波与系统分流。 有时并联滤波器和串联滤波器可混合使用。 并联滤波器性价比要好于串联滤波器。 并联滤波器和串联滤波器都是调谐滤波器。,1. LC滤波器的分类,2）按调谐锐度可把并联滤波器分为 调谐滤波器：其串联（等效）电阻很小，也称高Q（品质因数）滤波器，它几乎调谐在某较低次谐波（基波、2次谐波）上； 阻尼滤波器：其（等效）电阻较大，也称低Q滤波器，它往往在某一宽频带上呈现低阻抗，常用的是高通阻尼滤波器 。 3）按阶数可把并联滤波器中的阻尼滤波器分为一阶、 二阶、三阶等阻尼滤
7、波器。 本书重点讨论并联滤波器，如无特殊说明，LC滤波器均指 并联滤波器。,2. 常用LC滤波器及其特性,调谐滤波器常见的有单调谐和双调谐两种，可以滤除某一次(单调谐)或两次(双调谐)谐波，该谐波的频率称为调谐滤波器的谐振频率。 用于吸收单一次数谐波(如单独滤3、5、7次谐波)的滤波器称为单调谐滤波器。 单调谐滤波器的电路和相对阻抗-频率特性曲线如图4-2所示，其中相对阻抗-频率关系为 式中fr-单调谐支路的固有频率，f=fr时发生串联谐振。,双调谐滤波器的电路和相对阻抗-频率特性曲线如图4-3a、b所示，图4-3c是其X(f)-R(f)极坐标特性曲线。 图中所示双调谐滤波器在5次和7次谐波上
8、发生串联谐振。在接近谐振频率时，双调谐滤波器可等效成两个并联的单调谐滤波器。,对阻尼滤波器，常见的有一阶阻尼和二阶阻尼 两种。图4-4和图4-5所示分别为一阶、二阶阻尼电 路和阻抗模值-频率特性曲线。,图4-6表示三阶阻尼和C形阻尼滤波器的电路， 与一阶和二阶滤波器相比，其高通滤波性能都欠佳， 但由于三阶阻尼滤波中加入C2，以及C形滤波器使 C2与L在基波下调成串联谐振，从而分别使基波下R 中的功率损失变小和变为最小，在经济上当然是以 附加C2的费用为代价的。,比较调谐滤波器和阻尼滤波器，前者对自身元件参数准确度要求更高。环境温度引起的元件参数变化以及电网频率偏移都会使调谐滤波器失谐，因此，不
9、能使调谐滤波器正好设计在某一次谐波的谐振点上，而是要向感性区做适当偏移。,3. 系统阻抗与滤波的关系,设非线性负荷为谐波电流源，其与系统和滤波器 组成的网络模型如图4-7所示。 分流关系为 式中，In-n次谐波电流源,ZFn-谐波器n次谐波阻抗，IFN-滤波器 通过的n次谐波电流，ZSn-系统n次谐波阻抗，Isn-注入系统的 n次谐波电流。 系统谐波电压为,由上式可知，当滤波器为理想滤波器，即ZFn =0时， 进入系统的n次谐波电流和对系统造成的谐波电压为0.但 实际上，即使调谐滤波器也做不到理想调谐，并且对单调 谐而言，通常ZFn对n次谐波表现为一定量的感性，故实际 滤波效果取决于系统阻抗情
10、况。一般有 ； 1）若n次谐波下，ZSn为感性，则能取得好的滤波效果。减小 Usn的效果取决于系统阻抗与滤波器阻抗的并联效果。 2）若n次谐波下，ZSn为容性时会造成n次谐波的放大，这时应 取消n次及以上的调谐滤波，但是可以考虑采用阻尼滤波方式。,LC滤波器具有结构简单、成本低廉、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，至今仍是应用广泛的被动谐波治理方法。但是它在实际使用时仍然存在一些未能解决的固有问题，如谐振频率主要取决于元件参数，当元件参数变化时，无源电力滤波器的谐振频率将偏离目标频率，导致滤波效果变差等，请参见教材P73 74。,4.3.2 静止无功补偿器,随着电力系统的发展，对无功功率进行
11、快速动态补偿的需求越来越大。 传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机Synchronous Condenser ，缩写为SC）。它是专门用来产生无功功率的同步电机，在过激磁或欠激磁的不同情况下，可以分别发出不同大小的容性或感性无功功率。自二、三十年代以来的几十年中，同步调相机在电力系统无功功率控制中一度发挥着主要作用。然而，由于它是旋转电机，因此损耗和噪声都较大，运行维护复杂，而且响应速度慢，在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求。所以七十年代以来，同步调相机开始逐渐被静止型无功补偿装置（Static Var Compensator ，缩写为SVC）所取代，目前有些国家甚至已不再使用同步
12、调相机。,静止无功补偿器是一种利用电容器和电抗器组成的无功补偿装置，能够根据需要提供变化的容性和感性无功。SVC具有快速调节无功的特点，广泛适用于一切冲击负荷用户和要求快速进行无功功率动态补偿的场合。目前SVC技术已经成熟，采用晶闸管控制代替断路器（或其它有触点开关），能够平滑控制动态无功功率，跟踪补偿电网中的无功负荷，在一定范围内调节其连接的系统的节点电压。,SVC功能包括：,1）减少母线电压波动，稳定母线电压，包括校正由负 荷变化造成的电压缓慢变化和由事故引起的电压突变；减少 冲击负荷造成的电压波动和闪变。 2）提高电力系统的稳态和暂态稳定性。降低各种情况 下过电压水平，抑制系统振荡。 3
13、）改善所连接系统的三相不平衡状况，前提是SVC必 须单相控制。 4）降低输电线路损耗，提高输电线路的输送能力。 5）改善功率因数，效果取决于SVC对无功功率的跟踪 能力和补偿能力。,早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器（ Saturated Reactor 缩写为SR）型的。1967年，英 国GEC公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止 无功补偿装置。此后，各国厂家纷纷推出各自的产 品。饱和电抗器与同步调相机相比，具有静止型的 优点，响应速度快；但是由于其铁芯需磁化到饱和 状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电 路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负荷的 不平衡，所以未能占据静止无功补偿
14、装置的主流。,电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管器件的静止无功补偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了使用晶闸管的静补装置。1978年，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公司制造的使用晶闸管的静补装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出了各具特点的系列产品。我国也先后引进了数套这类装置。西安电力机械制造公司已具备自行设计制造这类装置的能力，自八十年代末以来，已先后承接了十多个此类工程，并向泰国出口。,由于使用晶闸管器件的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近十多年来，在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，
15、已占据了静止无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置（或SVC）这个词往往是专指使用晶闸管器件的静补装置，包括晶闸管控制电抗器（缩写为TCR）和晶闸管投切电容器（缩写为TSC），以及这两者的混合装置（TCR+TSC），或者晶闸管控制电抗器与固定电容器（Fixed Capacitor ，缩写为FC）或机械投切电容器（缩写为MSC）混合使用的装置（如TCR+FC、TCR+MSC等）。,随着电力电子技术的进一步发展，八十年代以来，一种更为先进的静止型无功功率补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功功率补偿装置（静止无功发生器SVG）。,SVC投切元件主要分为两种： 传统的有触点开关，如
16、断路器等； 有源器件，如晶闸管等。由于使用晶闸管的SVC具有优良的性能，而且晶闸管制造工艺日趋成熟，因此晶闸管控制的SVC获得广泛应用。,SVC的基本无功元件是并联电抗器和并联电容器，其中至少有一类元件能够实现动态调节，即能够根据补偿的要求快速变化无功出力。采用不同类型或控制方式的并联电抗器和并联电容器可以组合成多种SVC。 并联电抗器主要包括直流励磁饱和电抗器（DCMSR，最早使用的电抗器，由于其响应时间和性价比方面的不足，目前已基本被淘汰）、自饱和电抗器（SR）、晶闸管相控电抗器（TCR）。并联电容器主要包括固定电容器（FC）和晶闸管相控电容器（TCR）。上述各类电抗器和电容器可构成多种类型的SVC。,1. SR+FC型SVC,SR是一种较早形式的动态无功补偿装置。 SR+FC 型SVC通常由一台饱和电抗器和一组并联电容器组成， 其典型电路如图4-8所示 ，图中Cp为固定电容器，是一个基 波无功电源，主要作用是提高功率因数，同时与Lp配合还兼有滤 波作用。Ls是自饱和电抗器，Cs称为斜率校正电容器，用以校正 自饱和电抗器伏
