電能質(zhì)量分析-黃長(zhǎng)亮

1、電能質(zhì)量分析報(bào)告報(bào)告題目：有源電力濾波器技術(shù)與電能質(zhì)量的提高姓 名：黃長(zhǎng)亮指導(dǎo)老師：劉會(huì)金班 級(jí)：電氣六班學(xué) 號(hào)：79有源電 力濾波器技術(shù)與電能質(zhì)量的提高我在未來(lái)的研究生階段的方向是電力電子方向，所以我選了有源電力濾波器技術(shù)與電能質(zhì)量這一題目。其一，這與我未來(lái)的研究方向電力電子專業(yè)相關(guān)；其二，有源電力濾波器進(jìn)行諧波和無(wú)功補(bǔ)償以提高電能質(zhì)量技術(shù)是今后一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。一什么是電能質(zhì)量？IEEE Std 1159 1995給出的定義：合格電能質(zhì)量的概念指給敏感設(shè)備提供的電力和設(shè)備的接地系統(tǒng)是均適合于該設(shè)備正常工作的；IEC給出的定義是：電能質(zhì)量是指描述電能特性的參數(shù)的集合,與供電的連續(xù)性和電壓特性相關(guān)

2、。由此，我們可以看出，電能質(zhì)量有以下幾個(gè)要素：頻率、電壓和供電連續(xù)性。其中，電壓質(zhì)量包括電壓偏差、電壓頻率偏差、電壓不平衡、瞬變現(xiàn)象、波動(dòng)與閃變、暫降（暫升）與間斷、電壓諧波、電壓陷波、欠電壓、過(guò)電壓等；電流質(zhì)量包括電流諧波、間諧波、次諧波、相位超前與滯后、噪聲等；波形質(zhì)量包括畸變波形或非正弦波形，主要有諧波電壓、諧波電流、陷波等。二什么是有源電力濾波器呢？有源電力濾波器（APF：Active power filter）是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無(wú)功的新型電力電子裝置，它能夠?qū)Σ煌笮『皖l率的諧波進(jìn)行快速跟蹤補(bǔ)償，之所以稱為有源，是相對(duì)于無(wú)源LC濾波器，只能被動(dòng)吸收固定頻率與大小的諧波而言，

3、APF可以通過(guò)采樣負(fù)載電流并進(jìn)行各次諧波和無(wú)功的分離，控制并主動(dòng)輸出電流的大小、頻率和相位，并且快速響應(yīng)，抵消負(fù)載中相應(yīng)電流，實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，而且可以既補(bǔ)諧波又補(bǔ)無(wú)功和不平衡。三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論是APF發(fā)展的主要APF；APF有并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，前者用的多；并聯(lián)有源濾波器主要是治理電流諧波，串聯(lián)有源濾波器主要是治理電壓諧波等引起的問(wèn)題。有源濾波器同無(wú)源濾波器比較，治理效果好，主要可以同時(shí)濾除多次及高次諧波，不會(huì)引起諧振，但是價(jià)位相對(duì)高！實(shí)際應(yīng)用安全系數(shù)很低，國(guó)際普遍做法是以變壓器升壓，來(lái)保證可靠性，國(guó)家相關(guān)部門(mén)也要求以變壓器升壓的形式和有源濾波器結(jié)合，治理高壓諧波！ 三有源電力濾波

4、器技術(shù)的發(fā)展歷程20世紀(jì)70年代初，有源電力濾波器的基本原理和電路結(jié)構(gòu)就已確定,但由于受當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件限制而未能得以實(shí)施。80年代后,新型電力電子器件的出現(xiàn)、PWM控制技術(shù)的發(fā)展以及瞬時(shí)無(wú)功功率理論的提出,極大地促進(jìn)了有源電力濾波器技術(shù)的發(fā)展。交流電網(wǎng)中用于對(duì)諧波、無(wú)功功率和中線電流進(jìn)行補(bǔ)償?shù)挠性措娏V波器技術(shù)已經(jīng)日趨成熟。在過(guò)去的25年中,提出了大量的有關(guān)有源電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。有源電力濾波器已在提高電能質(zhì)量、消除三相電力系統(tǒng)中的電壓諧波、調(diào)節(jié)終端電壓、抑制電壓波動(dòng)和改善電壓平衡等技術(shù)中得到應(yīng)用。電力電子裝置的廣泛應(yīng)用,使電能質(zhì)量問(wèn)題變得更加突出。國(guó)內(nèi)外已有大量的有關(guān)電能質(zhì)量問(wèn)題

5、的調(diào)查報(bào)告關(guān)注這方面的問(wèn)題。在這些報(bào)告中,通過(guò)對(duì)諧波和無(wú)功的測(cè)量、分析,來(lái)認(rèn)識(shí)諧波和無(wú)功等電能質(zhì)量問(wèn)題對(duì)電網(wǎng)和用戶的影響。按照用電設(shè)備的使用場(chǎng)合,諧波源有單相、三相三線和三相四線等多種形式。單相負(fù)載,如家用日光燈、微波爐、電視、計(jì)算機(jī)開(kāi)關(guān)電源、空調(diào)、激光打印機(jī)和復(fù)印機(jī)等等,均是非線性負(fù)載;在三相負(fù)載中,各種變頻調(diào)速裝置等都會(huì)引起電能質(zhì)量問(wèn)題的發(fā)生。自1980年起,已有大量論著論述了有源電力濾波器的研究工作,其中包括并聯(lián)型、串聯(lián)型及混合型。與無(wú)源濾波器混合使用的串聯(lián)型、并聯(lián)型有源電力濾波器是其中的典型裝置。許多控制方法,如瞬時(shí)無(wú)功功率理論,同步d-q坐標(biāo)系原理,同步檢測(cè)方法和陷波濾波器方法等都被

6、用來(lái)發(fā)展三相有源電力濾波器。在三相四線制系統(tǒng)中,一些論著主要研究了由非線性不平衡負(fù)載,如計(jì)算機(jī)電源、熒光燈等引起的中線電流過(guò)大的問(wèn)題。對(duì)各種解決中線電流和不平衡負(fù)載電流的方法也作了嘗試,主要內(nèi)容包括:消除或減少中線電流、諧波補(bǔ)償、負(fù)載平衡、無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)?。四有源電力濾波器與電能質(zhì)量的關(guān)系在輸電系統(tǒng)和配電網(wǎng)中,大量非線性負(fù)荷的使用,使電網(wǎng)存在電壓閃變、波動(dòng)、頻漂、三相不平衡、諧波等影響電能質(zhì)量和效率的問(wèn)題,尤其是以開(kāi)關(guān)電源和交流調(diào)速設(shè)備為代表的各種電力電子裝置的大量使用,對(duì)其他用戶產(chǎn)生擾動(dòng),威脅電網(wǎng)和用電設(shè)備的安全運(yùn)行,使得電力系統(tǒng)中無(wú)功功率和諧波補(bǔ)償成為迫切需要解決的問(wèn)題。以往,這一方面的問(wèn)題

7、主要是靠使用無(wú)源濾波器裝置來(lái)解決。傳統(tǒng)的無(wú)源LC濾波器可以減少諧波,使用的電容器可以改善交流負(fù)載的功率因數(shù),但存在明顯的不足與缺陷:設(shè)計(jì)的無(wú)源濾波器通常選定特定頻率,濾除指定次諧波;存在與電網(wǎng)發(fā)生諧振的可能性;對(duì)電網(wǎng)阻抗和頻率變化十分敏感,同時(shí),也存在體積大、損耗大等問(wèn)題。如何進(jìn)一步提高電能質(zhì)量,有效地抑制電網(wǎng)中的諧波和無(wú)功功率,這一問(wèn)題已引起廣泛的關(guān)注。許多專家和學(xué)者一直在研究和開(kāi)發(fā)動(dòng)態(tài)可調(diào)裝置來(lái)解決電能質(zhì)量的問(wèn)題,其中具有代表意義的是有源電力濾波器。從目前國(guó)外的情況來(lái)看,利用有源電力濾波器進(jìn)行諧波和無(wú)功補(bǔ)償以提高電能質(zhì)量的技術(shù)是今后的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。五有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)與類型有源電力濾波器

8、可以按照所使用的變流器類型、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電源相數(shù)來(lái)進(jìn)行分類。變流器類型分為CSI(電流型)和VSI(電壓型)結(jié)構(gòu);拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為并聯(lián)型、串聯(lián)型和串、并聯(lián)混合型;第三類是根據(jù)電源相數(shù)來(lái)分,如單相、三相三線或三相四線等。根據(jù)使用的變流器類型分類：有源電力濾波器的主電路有兩種類型的變流器,即電流型PWM逆變電路和電壓型PWM逆變電路。它的作用是產(chǎn)生非正弦電流來(lái)補(bǔ)償非線形負(fù)載的諧波電流。電流型有源電力濾波器雖有較高的可靠性,但卻有較高的損耗并且在交流側(cè)需要并聯(lián)數(shù)值較大的電感,因此在一般場(chǎng)合下使用較少。而電壓型PWM變流器在它的直流側(cè)帶有一個(gè)大電容,因?yàn)槠漭p便且特性較好,所以現(xiàn)在主要使用的是這種裝置。根據(jù)拓

9、撲結(jié)構(gòu)分類：按照拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有源電力濾波器可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和兩者混合使用的統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。串聯(lián)有源和并聯(lián)無(wú)源混合使用的濾波器被稱作復(fù)合型濾波器。圖1給出了有源電力濾波器的分類,圖中APF為有源電力濾波器。從與負(fù)載聯(lián)接形式的角度可分為并聯(lián)型有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器兩大類。目前的研究主要集中在交流有源電力濾波器,直流有源電力濾波器的研究也在逐步開(kāi)展,典型的研究之一是在直流輸電系統(tǒng)中的應(yīng)用。圖2給出了有源電力濾波器與供電系統(tǒng)、負(fù)載之間的聯(lián)線示意圖。圖1 有源電力濾波器的分類圖2 不同形式的有源電力濾波器與負(fù)載之間的聯(lián)接原理圖 根據(jù)電源的類型分類： 有源電力濾波器可以按照單相和三相(三

10、線或四線)電源或負(fù)載系統(tǒng)分類。有許多非線性負(fù)載,如家用設(shè)備,聯(lián)接在單相電源系統(tǒng)中。一些不帶中線的三相負(fù)載由三相電源供電。還有許多單相非線性負(fù)載,如計(jì)算機(jī)、家用電燈等,分布在三相四線制系統(tǒng)中。所以,有源電力濾波器可根據(jù)單相、三相三線和三相四線進(jìn)行分類。六技術(shù)與經(jīng)濟(jì)考慮經(jīng)過(guò)近二、三十年的發(fā)展,至1990年在國(guó)外的許多商業(yè)發(fā)展計(jì)劃已被完成并投入了實(shí)施,這反映了有源電力濾波器在制造技術(shù)上已走向成熟。一些國(guó)家如日本和美國(guó),投運(yùn)的有源電力濾波器容量已超過(guò)1000kVA。近幾年50kVA以下的有源電力濾波裝置迅速增加,反映了社會(huì)對(duì)諧波抑制重要性的認(rèn)識(shí)在提高?？梢詳喽?隨著電網(wǎng)諧波污染的加重,對(duì)有源電力濾波器

11、數(shù)量的需求將會(huì)不斷增加。一些標(biāo)準(zhǔn)的相繼出臺(tái),也使有源電力濾波器的使用大為增加。目前看來(lái),妨礙有源電力濾波器大量使用的主要因素有以下幾個(gè)方面:(1)與無(wú)源濾波器相比,設(shè)備的初期費(fèi)用偏大。目前這兩者的費(fèi)用比大約在71左右。但從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看,隨著電力電子器件價(jià)格的下降,這個(gè)比值會(huì)隨著技術(shù)的成熟而大幅下降。(2)有源電力濾波器的自身?yè)p耗問(wèn)題。有源電力濾波器的主開(kāi)關(guān)器件由于工作在高頻狀態(tài),其開(kāi)關(guān)損耗是不可避免的。與無(wú)源濾波器的24.5W/kVA和同步調(diào)相機(jī)1230W/kVA相比,有源電力濾波器的損耗要達(dá)到5090W/kVA。較高的損耗,即妨礙設(shè)備容量的進(jìn)一步提高,也增加了運(yùn)行成本。因此,如何減少這一部分的損

12、耗,也是今后研究的一個(gè)重點(diǎn)。(3)有源電力濾波器工作在高頻狀態(tài),其產(chǎn)生的電磁干擾、電磁元件的發(fā)熱也是妨礙其使用的一個(gè)因素。七有源電力濾波器的其他功能有源電力濾波器在控制上有相當(dāng)?shù)撵`活性,可以將其用在一些特殊的場(chǎng)合。電流型補(bǔ)償可分為電流諧波補(bǔ)償、無(wú)功功率補(bǔ)償、三相負(fù)載平衡和中線電流抑制等。這些補(bǔ)償可以單獨(dú)進(jìn)行,也可以同時(shí)進(jìn)行。對(duì)于諧波電流補(bǔ)償,并聯(lián)有源電力濾波器是一個(gè)理想的選擇。而無(wú)功功率補(bǔ)償要分情況而定,對(duì)可調(diào)負(fù)載采用并聯(lián)有源電力濾波器,對(duì)固定負(fù)載采用交流電容器。在三相三線或三相四線系統(tǒng)中負(fù)載的平衡通常是由并聯(lián)型有源電力濾波器來(lái)完成的。電壓補(bǔ)償可分為電壓諧波補(bǔ)償、改善電壓調(diào)節(jié)、平衡電壓、減小電壓波動(dòng)、消除電壓傾斜和下陷等。通常采用串聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行電壓補(bǔ)償。目前,有源電力濾波器也可用于短時(shí)間內(nèi)修正電壓的瞬時(shí)傾斜和下陷方面。有許多裝置都需要電壓和電流的聯(lián)合補(bǔ)償。對(duì)此,理想的選擇是串聯(lián)型有源電力濾波器與并聯(lián)型有源電力濾波器混合使用。此外,這樣的混合