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1、华中科技大学 硕士学位论文 新型无功功率补偿装置及混合滤波器研究 姓名：叶刚 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：任士焱 20060501 I 摘摘 要要 本论文包含两方面的内容： 新型无功功率补偿装置的工作原理和特性研究以及综 合电力滤波器的研究。 无功补偿技术对提高电能质量，保证电网安全、稳定运行有重要的意义。在原有 的传统无功功率补偿装置的基础上，提出一种新型无功功率补偿装置相控电容， 使得电阻、电感和电容这三大类无源元件相控技术趋于完备化，介绍了电力电 容器的新型相位控制技术，阐述了相控电容的工作原理和主电路结构特点。从数学上 分析了相控电容上的电压、电流波形，当晶闸
2、管导通角从90?到180?范围内变化时， 电流的基波值作连续变化，在拓扑结构上与 TCR 具有一定的对称性。同时通过 MATALB 软件进行仿真，调节可关断晶闸管的导通角，改变电容上的电压和电流， 一个周期内电容上的电流连续变化，实现动态补偿无功功率的目的。通过编程分析， 得出系统电流中仅含有奇次谐波的结论，可采用电力滤波器针对性地对其进行滤除。 介绍了混合型滤波器的构成形式及设计准则， 对整个谐波抑制装置的性能特点做 了总结。最后，通过对以某厂的中频炉整流系统为例进行了滤波器设计及其仿真 研究，该系统加入谐波滤波装置后，电流畸变率从原来的 21.4%降低到 5.19%，且没 有谐波放大现象，
3、从而确定了该方法的正确性和可行性。 文章末尾对全文的研究工作做了总结，并提出了展望。 关键词：关键词： 相控电容器 动态无功补偿 导通角 谐波抑制 混合滤波器 II Abstract This thesis includes two sections: one is the research on a novel reactive power compensation which concludes its structure characterization of main circuit and principle of operation; the other is the study
4、of hybrid filter. It is great significance of the technique of dynamic reactive power compensation to improve the quality of electric energy， protect the safety control of power line and steady operation. Based on the tradition of the dynamic reactive power compensation， a novel technique of control
5、lable power capacitor is presented, When simulated by Matlab, the flow angle of Gate Turn-Off Thyristor is adjusted, the voltage and current of the capacitor is changed, the continued current is derived in a period which can lead the equivalent electric capacity to change periodically. The voltage w
6、aveform is analysed on mathematic， the flow angle of Gate Turn-Off Thyristor changes form 90?to180?，the equivalent capacitance is continuously changed form C/2 to C， then it can realize the purpose of dynamic reactive power compensation. Though programming in the Matlab， we find the system current o
7、nly has odd harmonic which can be filtered by the power filter. This paper gives a detailed analysis of the form and design guideline of the hybrid power filter， then describe the structure characterization of the main device. At last， Taking a commutating system for example， simulation result shows
8、 that the distortion factor of the current reduces from 21.4 percent to 5.19 percent after assembling the filters and there is no phenomenon of harmonic amplifying. So the correctness and feasibility of this method is further confirmedThe research is summarized in the end of the thesis and gives a p
9、rospect of the future effort. Key words：Phase Control of Capacitor Dynamic Reactive Power Compensation Flow Angle harmonic suppression hybrid filter 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师的指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。近我所知，除文中已标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他人或集体已经发表或撰写过的研究成果。 对本文的研究做出 贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明 的法律结果由本人
10、承担。 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅。 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保 密，在_年解密后适用本授权数。 本论文属于 不保密。 （请在以上方框内打“” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 1 1 绪绪 论论 1.1 课题的来源、目的、意义课
11、题的来源、目的、意义 本课题包括两个方面的研究内容：其一是新型无功功率补偿装置的理论研究，通 过对这种新的拓扑结构进行建模和计算机仿真，研究其特性；其二是混合型滤波器研 究， 在实验室模拟装置的设计基础上， 为湖北某公司研究开发电力系统谐波抑制装置。 随着国民经济的发展和现代化技术的进步， 电力网负荷急剧增大， 特别是如轧机、 电弧炉等非线性负荷的不断增加，加上电力电子技术的普遍应用，严重的无功冲击使 电网功率因数降低，产生高次谐波，使得电力网发生了电压波形畸变、电压波动、闪 变和三相不平衡、功率因数低、高次谐波含量超标等危害，造成了电能质量降低、网 络损耗增加等不良影响1。因此解决好电网的无
12、功功率补偿和谐波滤波问题，对于提 高电能质量、安全运行、降低损耗、节能、充分利用电气设备的出力等具有重要的意 义。 电能质量可定义为2：导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率偏 差，其内容涉及频率偏差、电压偏差、电磁暂态、供电可靠性、波形失真、三相不平 衡以及电压波动和闪变等。 某些电能质量问题的危害是破坏性的。例如，雷电波冲击、电容器和电缆线路投 切时因谐波谐振而引起的过电压往往造成电气设备的绝缘和机械损坏， 从而影响电力 系统的正常运行； 继电保护装置因谐波和负序干扰引起误动造成电网大面积停电会造 成巨大的经济损失； 短时的供电中断或电压跌落可能导致生产混乱和工业冶炼产品的 大量
13、报废甚至危害人身安全。 另一方面， 某些电能质量问题影响电气设备的性能指标。 例如，不正常的电压和频率偏差会引起异步电动机负荷的转速和功率变化，导致传动 机械的效率降低，使纺织、造纸等产品的质量受到影响；谐波电流在旋转电机、输电 线路、变压器等输配电设备中流通，使这些设备因产生附加损耗而过热，从而降低了 这些设备的寿命或容量。然而，并不能据此说明前一种电能质量问题就比后一种显得 重要，实际情况是后一种电能质量问题由于涉及的电气设备很广泛，其产生的影响足 2 可同前一种电能质量问题相提并论。 所谓补偿就是吸收或供给适度可变的无功功率， 通过对无功功率进行调度以改善 交流电力系统的供电质量，其中包
14、括功率因数校正、负荷平衡。无功功率校正通常是 指应尽可能在靠近需要无功功率的负荷处产生无功功率， 而不应向遥远的电站去取用 无功功率3。大多数工业负荷的功率因数是滞后的，就是说它们吸收无功功率。所以 负荷电流大于单纯供给有功功率时的值，在能量转换过程中，有功功率才是真正有用 的，多余的电流，对用户而言只是一种浪费4。电力部门同样不希望向负荷输送不必 要的无功功率，否则，一方面他们的发电机和配电网络得不到充分有效的利用，另一 方面，电网电压的控制也会变得更为困难。因此，多年来对低功率因数负荷的用户实 行惩罚性的收费标准，其结果是各类工厂研制出了大量的功率因数校正系统。 无功功率的增加，会导致电流
15、增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其 电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的启动及控制设备、测量仪表的尺寸 和规格也要加大。无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路损耗增加。无 功功率的增加，使线路及变压器的电压降幅增大，如果使用冲击性无功功率负载，还 会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。 负荷补偿的目的有三： 1功率因数校正。 2改善电压调节。 3负荷平衡。 这三者之间是相互关联的， 特别是功率因数校正与相位平衡本身将有助于改善电 压调整。根据这三个主要功能，理想补偿器可以详细说明如下： 1根据负荷的要求，无延迟、可控、精确地提供所需的无功功率； 2其端电压具有恒定
16、的特性； 3三相可独立运行。 那么，什么样的负荷需要进行补偿呢？像电弧炉、感应炉、电焊机、感应焊机、 轧钢厂、矿井卷扬机、特大型电动机(尤其是频繁起停者)、露天采矿的挖掘机锯木厂 和需要供给脉冲大功率电源的高能物理试验(如同步加速器)等都是需要补偿的典型。 3 这些负荷分成两类：一类负荷在运行过程中本来就呈非线性，一类负荷当它们投入和 切除时对配电网产生较大干扰。总之，这些负荷都是因其运行引起较严重的电能质量 问题而被要求进行补偿的。 无功功率控制这一课题与谐波有密切关系， 因为需要无功功率补偿和控制常常是 和负荷有关的，而负荷也就是谐波源。国际上公认，谐波是一个周期电气量的正弦波 分量，其频率为基波频率的整数倍。无功功率补偿几乎总是影响到电力系统的谐振频 率，至少是局部的影响到电力系统的谐振频
