【word】 浅谈谐波治理技术的发展

【word】 浅谈谐波治理技术的发展 浅谈谐波治理技术的发展 专家论述 浅谈谐波治理技术的发展 李宏张仰维董瑾党恩山 (1.西安石油大学,陕西西安710065) (2.西安西瑞保护控制设备有限责任公司,陕西西安710075) 摘要:本文在回顾了谐波治理技术发展历史的基础上,概述了谐波的治理措施,进而探讨了谐波治理技 术的发展现状及趋势. 关键词:谐波抑制;电力滤波器;谐波检测 DevelopmentoftheHarmonicTreatmentTechnology LIHong,ZHANGYingwei,DONGJin., DANGEnshan f1.Xi’anShiyouUniversity,Xi’an710065,China) f2.XI’ANXIRUIprotectionandcontrolCo.Ltd.,Xi’an710075,China) Abstract:Thispaperreviewsthedevelopmenthistoryofthetreatmenttechnol ogyofharmonics,discussesits controlmeasures,andtheninvestigatesthepresentsituationandthedevelopm enttrendofthecontrolmeasuresof harmonics. Keywords:HarmonicSuppression;ElectricPowerFilter;HarmonicMeasur ement 中图分类号:TN713文献标识码:C文章编 号:0219-2713(2011)02—0009-06 0引言 随着电力电子技术的飞速发展,特别是在供 电网络中非线性负荷(如变频调速装置,电机软启 动装置,磁饱和稳压装置,大型整流装置,电弧 焊机组等用电设备)的日趋增多,这些设备在电网 中运行,产生了大量的谐波电流,不仅增加了电 收稿日期:2010-11—16 网的供电损耗,而且干扰电网保护装置与自动化 装置的正常运行,直接威胁电网的安全.谐波造 成的危害可列举如下: (1)由于谐波频率较高,使导线的集肤效应加 重,不但造成铜损急剧增加,又因变压器铁芯不 能适应急剧变化的磁通而导致铁损急剧增加. (2)谐波在影响表计计量精度的同时,对精密 电子设备(包括电子式电能表)产生严重干扰,导致 其不能正常工作,甚至烧毁. 9 第14卷第2期 2011年2月 奄涤彳i左阕 P0WERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS Vol_14NO.2 Feb201l (3)谐波引起所有接于电网中的设备的损耗增 加,温升加快,特别是对含有电容器的设备影响 最为严重,甚至可能导致设备损坏以及电容器爆 炸等事故. (4)电机类负荷由于谐波的逆序作用而导致输 出扭矩下降. (5)继电保护机构可能会由于谐波而产生误动 或拒动故障. 为了保证电力系统的安全运行,对谐波必 须进行治理,使谐波分量不超过国家标准.本文 在回顾了电力系统谐波治理技术发展历史的基础 上, 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了我国电力系统谐波治理技术的发展现 状及存在的技术难 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,进而探讨了谐波治理技术 的发展趋势…. I谐波治理技术的发展历史 谐波问题在20世纪20年代未就引起了人们 的注意,到了20世纪50年代,随着科学技术的进 步,大量的非线性负载给电力系统带来了严重的 谐波干扰,于是有关电力系统谐波问题的大量论 文开始出现在各种期刊杂志上.20世纪70年代以 来,由于谐波所造成的危害日趋严重,世界各国 对谐波问题都予以充分的关注,国际上召开了多 次有关谐波问题的学术会议.最近30年,对电力 系统谐波问题的研究已超过了电力系统自身的研 究范畴,并取得了前所未有的进展. 电力系统谐波治理技术的发展历史可分为以 下几个阶段. 1)2O世纪70年代之前单纯的无源滤波器(PF) 时代 LC滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的 主要乎段.无源滤波器的理论研究早在20世纪70 年代以前就已获得满意的结果,其特点是结构简 单,运行可靠,价格低廉,但是性能不够理想. 2)20世纪70年代,有源滤波器(APF)的开发 研究时代 用有源电力滤波器(APF)~I除谐波的思路可 以追溯到20世纪70年代SasakiH和IMachidaT 等人提出的用磁补偿消除谐波的 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 .1976年, Gyugyil等人提出了用电力晶体管PWM变换器构 1O 成APF,并正式提出有源滤波的概念.有源电力 滤波器的思路是给谐波电流或谐波电压提供一个 在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等 效阻抗无穷大的串联网络,因此可以分为并联有 源滤波器和串联有源滤波器.按照PWM逆变电路 电源的性质又可以分为电压型有源滤波器和电流 型有源滤波器. 3)20世纪8O年代末期,串联APF与并联PF混 合 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 出现 1988年PengFZ等人首先提出串联APF;t/I并 联PF的结构.这种方案结合了无源滤波器和有源 滤波器各自的优点,装置容量可以做得很大.由 于大部分谐波由相对廉价的无源滤波器滤除,装 置成本相对较低.使用中串联APF相当于一个谐 波隔离装置,强制将负载的谐波电流流入无源滤 波器,同时也阻止电源的谐波电压串入负载侧; 无源滤波器是负载谐波电流的唯一通道,对谐振 频率处的谐波,无源滤波器呈极低阻抗. 4)20世纪90年代初,APF与PF串联后与电网 并联的混合型方案诞生 1990年,FujitH等人提出将APF与PF相串 联后与电网并联的混合型方案.其中APF为电流 控制电压源,产生与线路中谐波电流分量成比例 的电压,阻止谐波电流流人电网.该方案方便保 护和隔离,因此更适合于高电压系统应用,不足 之处是该电路对电网中的谐波电压非常敏感. 5)20世纪90年代中后期,并联APF与串联 APF的混合型方案得以突破 1994年,AkagiH等人提出一种综合了串联 APF(APFI)和并联APF(APF2)的混合型滤波器. APF1将电源和负载隔离,阻止电源谐波电压串入 负载端和负载谐波电流流入电网.APF2提供一 个零阻抗的谐波支路,把负载中的谐波电流吸收 掉.该方案在电网与公共连接点之间同时实现了 电压和电流的净化. 6)SVC~IIPF相结合是补偿无功和抑制谐波的 优选方案 近年来,为减少无功和谐波给电网带来的危 害,采用电力电子装置就近吞吐无功和吸收谐波 源所产生的谐波电流,是提高功率因数和抑制谐 专家治述 波污染的有效措施.该方案以svc~J应速度快的 特点有效解决了电压闪变和波动问题,而且可通 过分相调节对三相不对称负载进行平衡化补偿以 消除负序分量,并通过并联无源滤波器提供容性 无功的同时滤除固定次谐波. 7)2O世纪末至今,采取主动治理措施是治理 谐波的最理想方案 20世纪末至今,通过增加电力电子变流装 置输入与输出电压或电流的脉动数,使得变流装 置产生的谐波次数相应增高,因此一系列次数较 低,幅值较大的谐波得到了消除,谐波源产生的 谐波电流同时得到很好的控制.如大电流输出的 整流装置大多数采取的是晶闸管直接调压整流的 形式,通过增加整流装置的脉波数,使得整流器 产生的谐波次数也相应增高,因而从根本上减少 了电网中谐波的含量. 2我国谐波治理技术的发展现状浅析 国内对有源电力滤波器的研究始于20世纪80 年代末期.经过20多年的发展,我国在谐波治理 技术上取得了不小的成就,现所用的谐波治理技 术和亟待解决的问题如下: 1)电力系统谐波污染十分严重,其中5次,7 次,11次谐波电流含量对电网危害很大 通过对电力系统谐波状况的测试,可知目前 谐波污染十分严重,尤其是早些年因经济的高速 发展,大量投入运行变频器和电化学用特大功率 大电流直流电源时根本未考虑滤波措施,而其所 产生的5次,7次,11次谐波电流的含量分别占基 波的20%,11%,6%.这种负荷在用电容量较小 时,危害还不太大,但对于大功率的用户来说, 危害就很大了,以至于当功率因数很低时,使用 常规的无功补偿根本无法运行.有的用户用常规 的单纯电容器进行无功补偿,投入电容器无法工 作,有的即便投入了,也对5次谐波电流放大了 1.8,3.8倍以上,使得电动机,变压器等用电 器的铜损,铁损大大增加,缩短了设备的使用寿 命,多交了电费,这种状况亟待解决与完善. 2)无源滤波器技术成熟,性价比高,但有其 固定缺陷 无源滤波器的工作原理决定了它存在着:谐 振频率依赖于元件参数,因此只能对主要谐波进 行滤波,且LC参数的漂移会导致滤波特性改变, 使滤波性能不稳定;滤波特性依赖于电网参数, 而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工 况随时改变,因而LC网络的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 较困难;电网的 参数与LC可能产生并联谐振使该次谐波分量放 大,使电网供电质量下降;电网中的某次谐波电 压可能在LC网络中产生很大的谐波电流等固有缺 陷. 3)有源滤波器因成本高及单柜容量小,阻碍 了其在国内的推广 对于严峻的谐波污染问题,有源滤波器是提 高电能质量的有效工具.有源滤波作为高科技技 术,正在不断完善和发展中.由于国内有源滤波 器的电力电子器件几乎全靠进口,因此决定了其 成本较高,另因控制技术复杂,单柜容量小,自 身损耗大,加之目前国际上大容量有源滤波器技 术还不十分成熟,所以当前国内可实用化常见的 有源滤波器容量仍不超过600kVar,且其运行可靠 性也不及无源滤波装置,因此有源滤波技术还需 进一步地改善和提高. 4)谐波检测准确性有待提高 在谐波和无功的实时检测方面,现有的方 法都难以同时满足检测精度和检测的快速响应性 能,只能在这两者之间采用折中的方式,在满足 一 定的检测精度的基础上尽可能提高检测的动态 响应速度.另外,现有的检测方法没有考虑到基 波电流远大于谐波电流的实际情况,也没有考虑 到基波电流波动对谐波电流检测的影响,因此, 在谐波含量很小和基波电流波动较大时会有较大 的检测误差. 5)电网参数分析不够全面 在系统分析方面,电网参数的时变性是谐波 滤波器研究和应用的主要难题,现有的分析方法 一 般只考虑了负载谐波电流的时变性或者是电源 谐波电压的时变性,而没有考虑电网其他参数如 电网等效阻抗和电网频率等的时变性. 6)控制策略应更灵活 在控制策略方面,电力系统以及有源滤波器 第14卷第2期 2011年2月 电涤艘左罔 POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS V01.14NO.2 Feb2011 的非线性特性和各个控制参数之间的耦合作用使 得有源电力滤波器难以获得很好的补偿性能,为 此,需研究诸如自适应控制,非线性控制以及控 制参数之间的解藕控制等先进控制算法.另外, 现有的控制策略都是自始至终都采用同种控制规 律,不能根据电网参数的变化自动选择更为优越 的控制策略. 7)基于自适应滤波器的动态谐波电流预测方 法已获应用 自适应滤波技术目前己经广泛应用于通信, 自动控制,雷达等系统辨识及信号处理领域,在 谐波检测方面的应用可归结为自适应噪声对消 (ANC—adaptivenoisecancelling)和自适应有限 脉冲响应(FIR)预测滤波器.采用ANC法进行谐波 电流检测时,只能实时检测谐波电流,不具备提 前预测能力.采用自适应FIR预测滤波器能够提前 1个采样周期预测谐波电流信号,但是目前己有的 算法计算量都太大,难以在现有的控制器硬件条 件下实现. 8)高压直流输电系统的谐波治理仍以无源滤 波器为主,有源滤波已有研究和探讨 高压直流输电具有高电压,大容量,远距 离输电的特点,而自身工作原理又决定了其整流 器和逆变器在运行过程中都不可避免地要产生大 量的谐波,这些谐波必须通过滤波装置来加以抑 制.以往的高压直流输电工程无论交流侧还是直 流侧都采用无源滤波器,近年来,由于高电压, 大功率的电力电子元件的出现,已有高压直流输 电工程开始研究与探讨有源滤波器的应用.现在 多数高压直流侧均用两组双调谐滤波器进行滤 波,这种滤波方式基本能够满足滤波的技术性能 要求,但其经济性不太理想. 9)用于特高压直流输电系统的滤波器研究至 今仍只局限于理论研究 鉴于目前世界上还没有一条特高压直流输电 工程正式投入运行,因此针对特高压直流输电系 统的滤波器研究只局限于理论研究,只能以高压 直流输电的研究成果为基础,再结合特高压直流 输电的特点,进行模拟实验,从而推导出可能适 用于特高压直流输电工程的结论. 12 3国内谐波治理技术的发展趋势 1)较长时间内将仍以无源滤波器为主要滤波 装置 LC无源滤波器在滤除谐波的同时,还可以在 基波对系统进行无功补偿,而且性价比很高,加 之其技术相对而言已经十分成熟,因此在较长的 时间内,这种滤波装置将仍是滤波系统的中坚力 量.但是针对目前无源滤波器存在的投切方式不 甚合理,滤波支路单一等问题,需组织研发新型 的无源滤波补偿装置拓扑结构,以改进其性能. 2)大功率滤波装置可采用混合型有源滤波系统 当前大功率滤波装置从经济上考虑,可以采 用有源滤波器与LC无源滤波器并联使用的混合型 有源滤波系统,以减小有源滤波系统的容量,达 到降低成本,提高效率的目的.其中LC滤波器用 来消除高次谐波,有源滤波器用来补偿低次谐波 分量. 3)有源滤波系统的成本将逐步降低,并逐步 成为主要滤波装置 从长远角度看,随着大容量有源滤波技术的 成熟及大功率电力电子器件价格的下降,有源滤 波器的价格必然下降;同时,随着大功率电力电 子器件制造水平的迅速发展,尤其是IGBT的广泛 应用,无源滤波器及混合型有源滤波系统低成本 的优势将逐渐消失,而串一并联有源滤波器系统 由于其功能强大,性价比高,将是一种很有发展 前途的有源滤波装置. 4)智能控制将引入有源滤波器中 现在的智能控制方法虽然已经逐渐应用到有 源滤波器的研究中(如无差拍控制,神经网络控制 等),但现阶段还没有真正用于实际的例子.因 此,建立统一的,能用于实际工程的有源滤波器 模型是智能控制需要解决的问题. 5)采用多电平或多重化主电路来实现大容量 有源滤波器是必由之路 近几年,多电平逆变技术以及多电平并联技 术由于其在改善输出波形质量,降低开关损耗, 缓解器件应力等方面的突出优点,引起了广泛的 关注.随着更大功率及更高电压的电力电子器件 专家沦述 的发展和多电平逆变器技术的不断进步,可以预 见,有源滤波器将会有更大的发展空间,从而取 代无源滤波器.而采用多电平或多重化主电路来 实现大容量有源滤波器是必由之路. 6)谐波滤波器在工程应用过程中,拓扑结构 等还需进一步研究 在工程应用方面,如何结合现场的实际情 况,采用合理的拓扑结构,选择合理的滤波器参 数以及过流过压保护和电磁兼容等问题,都需要 进一步的研究. 7)基于自适应滤波器的动态谐波电流预测方 法将获得改进 与传统的自适应预测滤波算法相比,改进后 的预测算法不但应具有迭代过程输入信号不直接 采用电流采样值,以避免采样误差带来的对滤波 器参数辨识的扰动,使预测算法更为灵活,可以 预测任意时刻的电流,而不仅仅是整采样周期时 刻的电流的特点;而且还需满足为了预测动态冲 击负荷电流,在调整滤波器参数时可以采用带遗 忘因子的RLS算法,以提高电网谐波电流的预测 精度;同时应具备预测算法需要辨识的参数少于 传统的自适应FIR预测滤波算法,减少计算量,便 于数字化实现. 8)高压直流输电系统的谐波治理将更加经济 更加合理 对于高压直流输电系统的换流站来说,滤波 装置在换流站的投资和占地面积中均占有相当大 的比重.因此,在保证滤波性能达到标准要求的 基础上需对滤波装置进行优化设计,对包括平波 电抗器,直流滤波器,中性点冲击电容器等各部 分的参数进行统筹考虑,使得其投资费用及年运 行费用(主要考虑有功损耗费用)最小.这样做不仅 具有重要的工程实用价值,而且还能提高高压直 流输电系统的竞争能力. 9)针对特高压直流输电系统的滤波器研究将 更深入 目前,国内外学者对高压直流输电系统产生 电力线载波干扰和无线电干扰的机理都做了较为 深入的研究,但是针对特高压直流换流器高频模 型的研究还不深入,导致不能准确定量计算换流 器产生的电力线载波干扰和无线电干扰,进而影 响到高频滤波器型式和参数的选择研究工作.因 此,开展特高压直流输电系统换流器高频模型的 研究具有重要的理论意义和工程应用价值,其研 究成果将为特高压直流换流器高频谐波的精确计 算,高频滤波器的配置与设计提供理论依据. 10)高压谐波滤波用控制与执行部件将标准 化.系列化 随着高压,特高压直流输电系统的日益推 广,及电力电子技术的不断发展,高压谐波滤波 用控制部件(如高压平台上的驱动板,高压电力电 子器件等)将逐渐标准化,系列化. 11)谐波测试仪将智能化,系列化廉价 化,国产化 目前,绝大部分谐波测量仪只能检测整数谐 波,只有极少数可以检测分数谐波,并且几乎都 是进口产品.随着国内学者对这一领域研究的深 入,国产的可检测包括分数谐波在内的谐波检测 仪将取代进口产品,并且智能化,系列化,廉价 化. 12)FPGA,CPLD等先进器件的应用,将提升 滤波技术的控制效果 具有编程灵活,集成度高,开发工具先进等 诸多优点的FPGA与CPLD技术在谐波检测环节中 的应用与推广,及基于单片机的控制技术与新型 算法的不断改进,谐波滤除装置的控制效果与及 时性将得到很大的提升. 13)有关谐波治理的国家标准将更权威,更 细化,更严格,更全面 为了确保电网的安全经济运行,并为广大客 户提供合格的电能质量,国家及有关主管部门相 继颁发了一系列有关的标准,条例和规定.随着 谐波治理技术的不断进步,有关谐波治理的国家 标准将更权威,更细化,更严格,更全面. 4结束语 综上所述,随着我国经济的飞速发展,用 电设备数量将成级数倍投入,产生的谐波总量不 可避免要增加,确保电网无污染,绿色稳定运行 已成为关系国计民生与可持续发展的重要问题. 13 电涤艘石al POWERSUPPLYTECHNOLOGIESANDAPPLICATIONS Vo1.14NO.2 Feb2011 因此,利用先进的控制技术及日新月异的电力电 子技术和突飞猛进的谐波治理技术,研究出响应 快,算法简便且廉价的谐波滤除装置是谐波治理 领域亟待解决的课题.文中概述的谐波治理措 施,探讨的谐波治理技术发展现状及趋势有一定 参考价值.可以断言随着国家标准的更严格与各 地电力主管部门执法力度的加大和从事谐波滤除 技术,装置的同仁们的不懈努力,中国电网的绿 色化指日可待,让我们张开双臂迎接这一美好时 刻的到来. 参考文献 【1】林海雪,范明天,薛蕙译.电力系统谐波【M】.北京 中国电力出版社,2008 [2]王兆安,杨君,刘进军,王跃.谐波抑制和无功功 率补偿【M】.北京:机械工业出版社,2005.10 【5]许遐.公用电网谐波的评估和调整[M].北京:中国电 力出版社,20O8 [4]郭锦艳.高压直流输电系统直流滤波装置的优化设计 [D】.北京:华北电力大学,2005.1 [5】徐超.特高压直流输电高频谐波及高频滤波器的研 究【D】.北京:华北电力大学,2009.5 【6】谭甜源,乐健,阮江军.基于自适应滤波器的动 态谐波电流预测方法[J】.电力系统自动化,2010, 54(11):45--47 [7]陈淳,吴延进.电力系统谐波及其抑制[JJ.科技创新 导报,2010,NO.02 [8】钱照明,叶忠明,董伯藩.谐波抑制技术[J】.电力系统 自动化,1997.10 『9】9初航.电力系统谐波污染分析与治理措施【D].山东: 山东大学,2D07.11 [10]王莉娜.厂矿企业配电网谐波治理控制策略和工程应 用研究[D】.湖南:中南大学,2005.06 [11]尹慧,许彦.有源滤波器的研究现状及前景展望 【JJ.电力电容器与无功补偿,2O1o.06 【12]付青.大功率电网谐波有源治理的控制策略和工程 应用研究[D】.湖南:中南大学,2004.12 [15】宋平.并联型混合有源电力滤波器的研究【D】.济南: 山东大学,2005.10 [14]汤赐.新型注入式混合有源滤波器的理论及其应用 研究[D].长沙:湖南大学,2008.07 【15】林斌.自适应滤波器的稳态性能研D】.大连:大连 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