电力系统谐波的检测毕业论文.doc
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1、燕山大学毕业设计(论文)摘 要随着电力系统的发展以及电力市场的开放,电能质量问题越来越引起广泛关注。由于各种非线性负载(谐波源)应用普及,产生的谐波对电网的污染日益严重。谐波是目前电力系统中最普遍现象,是电能质量的主要指标。电力系统谐波是电能质量的重要参数之一,随着电力电子技术的发展,大量的非线性负载和各种整流设备被广泛的应用于各行各业,使电网谐波含量大大增加,电能质量下降。谐波给供电众业的安全运行和经济效益带来了巨大影响。所以,抑制谐波污染、改善供电质量成为迫切需要解决的问题。因此,谐波及其抑制技术己成为国内外广泛关注的课题。对电力系统谐波的治理,需要电力部门和用户共同参与。一方面,用户需要
2、电力部门公共电网电能质量能确保用户正常生产用电;另一方面,电力部门也要求用户的生产用电不影响公共电网的正常供电,特别是对于一些会对公必电网电能质量造成睡大影响的大型用户,从源头上进行电能质量的治理是必须的。本文介绍了谐波的概念、检测及危害,详细介绍了谐波产生的来源于,电力系统中的谐波来自电气设备。也就是说来自发电设备和用电设备。同时介绍了谐波的危害,包括对电网运行和用电设备的危害,还包括对继电保护和自动装置的影响。为了有效补偿负荷产生谐波电流,首先对谐波的成分有精确认识,因而需要实时检测负载电流中的谐波。本文着重介绍了基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波测量的理论。 进而研究了电力系统谐波的抑制
3、措施,消除或抑制谐波的对策,可以有效地减小谐波对电网的影响,以消除和防止谐波的影响。关键词:电力系统谐波;危害;p、q检测方法,; ip、iq检测方法 - 40 -燕山大学毕业设计(论文)目 录摘要I目录I第1章 绪论31.1 谐波的提出及意义31.2国内外研究状况及进展41.2.1国外研究现状41.2.2国内研究现状61.3本文主要研究的内容7第2章 电力系统谐波的分析82.1 谐波的基本概念82.1.1 谐波的定义82.1.2 电力系统谐波的表达式82.1.3 电力系统谐波的标准92.2 电力系统谐波的产生102.3 电力系统谐波的危害122.3.1 对电机的危害122.3.2对变压器的危
4、害122.3.3 对线路的危害132.3.4 对电容器的影响132.3.4 对继电保护、自动装置工作的影响142.3.5 对其通信系统的影响142.4 本章小结14第3章 电力系统谐波的检测163.1谐波检测的几种方法比较163.2基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波测量183.2.1 瞬时有功功率和瞬时无功功率183.2.2 瞬时有功电流和瞬时无功电流203.2.3 基于瞬时无功功率的p、q检测方法213.2.4 基于瞬时无功功率的ip、iq检测法223.2.5 检测示例243.3本章小结26结论27参考文献28附录129附录232致谢37燕山大学毕业论文评审意见表.38个人简介.40燕山大学
5、毕业设计(论文)第1章 绪论1.1 谐波的提出及意义“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析早在18世纪和19世纪就己奠定了良好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍在广泛采用。电力系统的谐波问题早在20世纪的20年代和30年代就引起人们的关注。当时在德国,由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1945年J.C.Read发表的有关变流器谐波的论文是早期关于谐波研究的经典论文。到了50年代和60年代,由于高压直流输电技术的发展,发表了大量有关变流器引起的电力系统谐波问题的论文。E.W.Ximbark在其著作中对此进行了总结70年代以来,由于电力电子技术的快速发展,各种电力电子
6、装置在电力系统、工业、交通及家庭中的应用日益广泛,谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题给予充分关注,定期召开有关谐波问题的学术讨论会。国际电工委员会 (IEC)和国际大电网会议都相继组成了专门的工作组,制定包括供电系统、各项电力设备和用电设备以及家用电器在内的谐波标准,并将谐波干扰问题列入电磁兼容范围内。我国对谐波问题的研究起步较晚,吴竟吕等人1988年出版的电力系统谐波一书是我国有关电力谐波问题较有影响的著作。夏道止等与1994年出版的高压直流输电系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作。林海雪、孙树勤等在1998年出版的电力网中的谐波对谐波进行了详细的分析。此外,唐统一等人和
7、容健纲等人分别独立翻译了J.Atrilaga等的著作电力系统谐波一书,也在国内外有较大的影响。谐波的研究是很有意义的。首先是因为谐波的危害十分严重,谐波可使电能的生产、传输和利用的效率降低;使电气设备过热、产生振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁;谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振,使谐波含量放大,造成电容器设备烧毁;谐波还会引起继电保护和自动装置误动作,对通信设备产生严重干扰等。谐波研究的意义,还在于其对电力电子技术自身发展的影响。但是,现在电力电子装置产生的谐波污染己经成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍,它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研
8、究。谐波研究的意义,还可以上升到治理环境污染、维护绿色环境来考虑。对电力系统来说,无谐波就是“绿色”的主要标志之一。因此消除谐波污染,己成为电力系统,尤其是电力电子技术中的一个重大课题。谐波研究及其抑制技术己日益成为人们关注的问题。1.2国内外研究状况及进展1.2.1国外研究现状国外对电力谐波问题的研究大约开始于五六十年代,当时的研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。七八十年代随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用,谐波问题日趋严重,从而引起各国的高度重视。近几十年间电力谐波的研究,渗透到了数字信号处理、计算技术、系统仿真、电工理论、控制理论与控制技术
9、、电网络理论、电力电子学等其它学术领域,已经越过了电力系统的范畴,并且形成了自己特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、限制标准与管理制度等弘。目前,谐波研究仍是一个非常活跃的领域。抑制谐波可以从治理谐波源本身入手,使其不产生谐波,且功率因数为,单位功率因数变流器就是可以实现这种功能的电力电子装置。但由于谐波源的多样性,在电网中一般还是加装滤波器的方法来抑制高次谐波,这些装置一般可分类为无源滤波器和有源滤波器两种。1)无源滤波装置在电力系统中,装设无源电力滤波器(PFPassive Filter)一直是传统补偿谐波的主要手段,其突出的优点是结构简单、运行可靠性高、运行费用
10、低。但是设计出滤波性能理想的无源滤波器也不是一件简单的事。无源滤波器的滤波原理是使负载谐波电流在电网支路和滤波器支路分流,因此其滤波性能受系统阻抗的影响较大。为了减小电网支路中的谐波,滤波器支路的阻抗须远远低于电网支路阻抗。由于电网阻抗原本就不是很大,若要使滤波器支路阻抗在主要谐波频率处远小于电网谐波支路阻抗,需加装多个无源滤波器,它们的调谐频率设计在电网的主要谐波频率处,且所有调谐滤波器必须拥有较高的品质因数,否则,加装无源滤波器就起不到明显的谐波抑制作用。然而,这样设计的无源滤波器对电网频率的变化是极其敏感的,电网频率稍微偏离额定频率点,无源滤波器的滤波性能将大幅度下降。此外,电网阻抗的变
11、化、滤波器元件的生产容差、老化或其它原因引起的参数偏离理想设计值,也将导致无源滤波器滤波性能的下降。为了使无源滤波器在这些情况下也具有一定的滤波效果,往往以牺牲在电网主要谐波频率处的滤波效果为代价来适当地降低品质因数。并且,安装LC无源滤波器很有可能在系统中形成串并联谐振回路,导致电网谐波电流的传播和放大,造成电网电压波形的畸变。为了避免在主要谐波频率处发生串并联谐振,无源滤波器的调谐频率往往设计成稍偏离主要的谐波频率,而这又将影响无源滤波器的滤波性能。即使可以成功地解决以上问题,因电网电压谐波和其它负载产生的谐波电流流人无源滤波器而造成的无源滤波器过载,也是比较棘手的问题。因此,采用无源滤波
12、器技术是很难将电网谐波限制在国际或国家标准以内的。此外,由于无源滤波器由大容量的电抗器和电容器组成,整机体积庞大,造价高,虽然在某些大型炼钢厂仍有使用,但必将被效率高、动态补偿特性好的新型有源滤波器所取代。2)有源滤波装置目前谐波抑制的趋势是采用有源电力滤波器(APFActive Power Filter),它是一种电力电子装置,能对频率和大小都变化的谐波进行动态补偿,补偿特性不受电网阻抗和频率变化的影响,可获得比无源滤波器更好的补偿效果,是一种理想的谐波补偿装置。而且,通过改变控制算法可以实现多种功能,如抑制谐波、补偿无功、抑制闪变、补偿相间不平衡等,因而引起了人们极大的关注。随着20世纪6
13、0年代以来新型电力半导体器件的出现,脉宽调$1J(PWM)技术的发展,以及基于瞬时无功功率理论的提出,针对无源滤波器的缺陷在1969年Bird和Marsh等人提出了向电网中注入三次谐波电流以减少电源系统中电流的谐波成分,这是(Active Power Filter)APF思想的萌芽。之后,1971年,HSasaki和TMachida首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理,但是由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流,其损耗大,成本高,因而仅在实验室研究,未能在工业中实用。1976年Gyug),i等人提出了用大功率晶体管PWM变换器构成有源滤波器,并正式提出了有源滤波的概念,提出了有源滤波器的
14、主电路的基本拓扑结构和控制方法,从原理上阐明了有源电力滤波器是一种理想的谐波电流发生器,并讨论了实现方法和控制原理,奠定了有源电力滤波器的基础。在20世纪80年代由于大功率全控型功率器件的成熟,大功率晶体管(GTR)、大功率可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶闸管(STH)、功率场效应管(MOSFET)及绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)等新型快速大容量功率开关器件相继何世,脉宽调制(PWM)控制技术的发展,尤其是1983年日本的HAkagi等人提出了“三相电路瞬时无功理论川(Instantaneous Reactive Power Theo刚又称“pq理论”、“Aka垂Nabae理论一,以该理论
15、为基础的谐波电流瞬时检测方法的在三相电力滤波器中得到了成功的应用,在高性能DSP芯片也得到了应用,使有源电力滤波器APF得以迅速发展。APF通过向电网注入谐波及无功或改变电网的综合阻抗频率特性,以改善波形,除了具有相应速度快,具有很好的动态实时补偿功能等优点外,还具有可进行无功补偿,抑制电压闪变等多种功能。因此APF逐渐成为了一种具有很大潜在应用价值的谐波补偿装置,并开始得到迅速的发展。但由于全控型功率器件的成本及性能,制约了APF的实际应用,目前只有在日本得到比较广泛的推广。电力系统的谐波及抑制研究问题近几十年来在世界范围内得到了十分广泛关注,国际电工委员会(IEC)、国际大电网会议(CIG
16、RE)、国际供电会议(C也D)及美国电气和电子工程师学会(IEEE)等国际性学术组织,都相继成立了专门的电力系统谐波工作组,并己制定除了限制电力系统谐波的相关标准。从1984年开始,每两年召开一次的电力系统国际谐波会议(ICHPS)为这个领域的国际交流提供了直接的渠道,正推动着谐波研究工作深入开展。1.2.2国内研究现状我国在有源电力滤波器的应用研究方面,继日本、美国、德国等之后,得到学术界和企业界的充分重视,并投入了大量的人力和物力,但和电子工业发达的国家相比有一定的差距。我国从80年代开始大量采用硅整流设备,尤其是铁路电气化的迅速发展,推动了硅整流技术的发展和应用。目前,非线性负荷的大量增
17、加,使我国不少电网的谐波成分以大大超过了有关标准,并出现了一些危及电网安全、经济运行的问题。于此同时,我国许多科研和生产单位,一些高等院校相继开展了谐波研究工作,在多次学术会议上交流了这一方面的成果。但是,我国在APF方面的研究仍处于起步阶段,到1989年才有这方面文章。研究APF主要集中在并联型、混合型,也开始研究串联型。研究最成熟的是并联型,而且主要以理论研究和试验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、谐波电流的检测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。1991年北方交通大学王良博士研制出3kVA的无功及谐波的动态补偿装置;同年,华北电力科学院和冶金自动化研究院联合研制了用于380
18、V三相系统的33KVA双极面结型晶体管(BJT)电压型有源滤波器;采用多重化技术,西安交通大学研制出 1ZOKVA并联型有源滤波器的试验样机。此外,清华大学、华北电力大学、重庆大学等高等院校也对APF展开了深入的理论和实验研究。我国虽然在理论上取得了一定的进展,由于多方面条件的限制,我国的有源滤波技术还处在研究试验阶段,工业应用上只有少数几台样机投入运行,至今未有并联型有源电力滤波器正式产品用于实际。因此我国有源滤波技术具有广泛的发展和应用前景.从近年的研究和应用中我们可以看出APF具有如下的发展趋势:l)通过采用PWM调制技术和提高开关器件等效开关频率的多重化技术,实现对高次谐波的有效补偿和
19、系统大容量的实现:2)从经济上考虑,可以采用妙APF与PF组成的混合型滤波系统,以减少APE的容量,达到降低成本、提高效率的目的;3)从长远角度看,随着半导体器件制造水平的迅速发展,混合型滤波系统低成本的优势将逐渐消失,而串并联APF由于其功能强大、性价比高,将是很有发展前途的有源滤波装置。1.3本文主要研究的内容随着电力系统电能质量的恶化和电力用户对电能质量越来越高的要求,公用电网谐波污染已经起了有关部门的广泛关注,电力系统谐波的监测、控制和抑制已成为当前电力系统研究的一个重要课题。本文主要工作如下:本文介绍了谐波的概念及危害,详细介绍了谐波产生的来源于,电力系统中的谐波来自电气设备。也就是
20、说来自发电设备和用电设备。介绍了谐波的危害,包括对电网运行和用电设备的危害,还包括对继电保护和自动装置的影响。为了有效补偿和一种负荷产生谐波电流,首先对谐波的成分有精确认识,因而需要实时检测负载电流中的谐波本文讲介绍本文着重介绍了基于三相电路瞬时无功功率理论的谐波测量的理论。进而研究了电力系统谐波的抑制措施,消除或抑制谐波的对策,可以有效地减小谐波对电网的影响,以消除和防止谐波的影响。第2章 电力系统谐波的分析2.1 谐波的基本概念2.1.1 谐波的定义国际上公认的谐波含义是:“谐波是一个周期电气量的正弦波的分量,或者说谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的h次分量其频率为基波频率的整数倍”州
21、。谐波次数必须是个正整数,例如我国电力系统的额定频率是50HZ,2次谐波为100Hz,3次谐波为150HZ,有些国家电力系统的额定频率为60Hz,基波为60Hz,2次谐波为120Hz,3次谐波为180Hz。谐波次数不能为非整数,因此也不能有非整数谐波。就谐波的概念可见谐波有以下特征:1)谐波的次数n必须是整数倍即1、2、3、4,5。2)谐波和暂念现象必须加以区别,谐波的波型是周期性的和不变的,而暂态现象的的波形每个周波都在发生着变化,为了区别暂念现象和谐波一般在计算电压(电流)畸变率时,采用谐波电压(电流)的平均有效值或畸变率,其时间区阃取3秒。3)短时问谐波和暂态中的谐波分量,短时间谐波问题
22、是指大功率晶闸管在工作时产生的短时间突发电流脉冲,这种突发的脉冲包含着暂念分量和谐波分量,如果它引起的电压畸变是间断性的持续时间不超过2s,两个脉冲不小于30ms,这种暂念分量和谐波分量是允许的。暂态过程的实测波形是一个带有明显高频分量的畸变波形,但尽管暂态过程中含有高频分量,暂态和谐波却是丽个完全不同的现象:谐波按其定义束说是在稳态情况下出现的,并且其频率为基波频率的整数倍。产生谐波的畸变波形是连续的,或至少持续几秒钟,而暂念现象则通常在几个周期后就消失了。暂念常伴随着系统的变化,例如投切电容器组等,而谐波则与负荷的连续运行有关。2.1.2 电力系统谐波的表达式供用电系统中,通常认为电网稳态
23、交流电压和交流电流呈正弦波形。在进行谐波分析时,正弦电压通常由下数学式表示: (21)式(21)中:U为电压有效值,为初相角,为角频率。正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上,其电源和电压分别为比例、积分和微分关系,仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非正弦电路上时,电流就变为非正弦波,非正弦电流在电网阻抗上产生压降,会使电压波形也变为非正弦波。当然,非正弦电压施加在线性电路上时,电流也是非正弦波。理论上任何周期性波形都可以分解成傅立叶级数形式,称为谐波分析或频域分析。谐波分析是计算周期性畸变波形的基波和谐波的幅值和相角的基本方法。对于周期为T=2的非正弦电压,一般满足狄力赫利条件,可
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