电力系统谐波及其抑制方法的研究(可编辑)

电力系统谐波及其抑制方法的研究(可编辑) 电力系统谐波及其抑制方法的研究 单位代码: 分类号: 丁/刁 密级: 学 号:夕名如彩弓吕 ‖《力番 硕士学位论文专业学位 论文题目:电力条多屯瑶改辰乒仰酬高弦囟勺膨泌 。“一“队乃膨厂妒切协凡古够/凡疋 工切‰胪心讽乃“,。如‖ 乏云毯 作者姓名 培养单位焦皇狸錾刍竺丝萝施 专业 名 称 屯寺铲通罐乙经 三澎男教旋 指导 教 师 合作导师』幽牡强丝矿 加哆年//月原创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外,本论 文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名: 越日期:型业: 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和 电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权山东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 或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 保密论文在解密后应遵守此规定 论文作者签名:垂堕 期:型哆? 导师签名:.乏丝臣日 论文作者签名:垃导师签名:盈缳日山东大学硕士学位论文 目 录 摘:??.】?.. 第一章绪论? .研究背景??. .谐波的提出?.. .谐波的产生?一 .本文的主要工作内容. .论文的组织结构??. 第二章无功功率及谐波?。 .无功功率及影响??. .谐波..谐波的定义..谐波的特性..谐波源及谐波产生的机理. 谐波危害??.. ..谐波对电网的影响?. ..谐波对变压器的影响. ..谐波对电容的影响?.. .谐波的治理方式.三相电路瞬时无功功率理论 .. 、检测方法??..? .. 谐波检测方法第三章密炼机谐波治理 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 。 .密炼机负荷的主要电能质量问题??...? ..国家电压和电流谐波标准?.. ..密炼机供电模式??一山东大学硕士学位论文 .谐波分析..全控整流电路. .. /仿真??.. ..实地测量??. .无功补偿技术 ..无功补偿方式一 ..滤波器简介?.. .治理方案提出 第四章系统设计.高速动态无功补偿设备总体设计? ..补偿柜一次系统设计. ..补偿柜检测单元和执行单元. ..消谐无功补偿柜技术指标?. .电容器安全运行校验 ..电容器扫描工作模式. ..补偿电容器安全运行校验?. ..高通滤波电容器安全运行校验??.. .系统仿真分析 第五章结论与展望。 .结论? .展望? 参考文献致 谢??.山东大学硕士学位论文 ....??.??.?...??..?.?.?..??. .?. . ...? . .?..?...?.?.. ..??.. .. ?.. . ..?.......?.?. .? .................. .. . ..?... ? .?. ... :;.. ?.??.??.?.?.?..?.??.?.??.??. 山东大学硕士学位论文 :;. ..?.?.?..?..??.?..?.?.?.?.?.?.?.??.?... ..??.. .. 脚/:;.. .?.??..?.?.??..?..?.??..?.?.?...?.. :;. .?.??.?.?.??.?.?.?..?.?. ..:;.:;. ............................................. ................................... ...?..?..??.?....?..?.?..?..?. . ?.. 曲 ..?. ..??. .. .?..?..?.?..??.?.??..?..??.?.?.??..??..?.?..?.?.?.? ... ..?.... ..?.. ..?.??..?.?..??..?.??.??..?.?..?.?.?.?...? ;.? .??.. 蠢?..??..??.?山东大学硕士学位论文 摘要 世纪年代以来,随着电力电子技术的开发,电力系统的发展及电 力市场 的开放,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,电能质量问题越来越引起广泛关注。因此,谐波及其抑制技术 己成为国内外 广泛关注的课题。 轮胎制造企业目前大量使用的直流驱动密炼机,普遍采用大功率整流装置。 装置一般为六脉冲整流方式,将会产生大量的次谐波,这些谐波对轮胎制造 企业供电系统本身及电力网形成了巨大的威胁,严重威胁企业的安全稳定运行, 同时由于功率因数不高,还要承担额外的调整电费,增加企业的支出。 本文首先简单分析了电力系统无功功率及谐波的产生原因和危害,介绍了当 前电力系统谐波抑制的几种方法,并对各种谐波抑制方法的优点和缺点做了简要 的评述。其次从对六脉冲整流装置进行了仿真,并对某轮胎企业用电设备 谐波及无功进行了现场测试,得出了实际无功损耗和谐波含有量。从而更加清楚 的分析了该企业谐波分布及供电系统存在的问题。 最后依据测试数据及企业实际情况提出了改造方案,放弃投资较大的有源滤 波器,设计使用以无源滤波器为基础的系列高速动态消谐无功补 偿设备进 行无功补偿和谐波消除,通过对方案的可行性验证,验证了该动 态补偿装置具有 良好的电流跟进性能和补偿性能,在有限的投入下获得最大的效 益,很好的解决 了企业内谐波及无功的影响。 关键词:密炼机;整流装置;谐波抑制;动态无功补偿;仿真山东大 学硕士学位论文 ,,, , ., .曲 .士 , , , . , ,.,. , ., , ,, , 山东大学硕士学位论文廿 . . ; :;; ; 山东大学硕士学位论文 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 .研究背景 世纪年代以来,国际上越来越关注电能质量问趔?。电能既是一种经济、 实用、清洁、容易控制和转换能源形态,又是电力部门向电力用户提供发、供、用 三方共同保证质量的一种特殊产品同样具有产品的若干特征,如可被测量、预估、 保证和改善。如今,电能作为走进市场的商品,与其它商品一样,无疑也应讲求质 量。电力系统供电的电能质量是电力工业产品的重要指标,涉及发、供、用三方权 益。优良的电能质量保证电网和广大用户的电气设备和用电设备安全、经济运行】。 现代社会中,电能作为一种广泛使用的能源,其应用程度成为一个国家发展水平的 主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展,对电能的需求量日益增加,同时 对电能质量的要求也越来越高。电能质量问题的提出由来已久,衡量电能质量的指 标也是随着电力系统的发展而备受关注。在电力系统的发展早期,电力负荷的组成 比较简单,主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成,衡量 电能质量的指标主要有:频率偏移和电压偏移两种【】。世纪年代以来,随着电 力电子技术的发展,非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到广泛应用,不少 用户对电能的利用都要经过电力电子装置的转换和控制,这些装置给人们生产和生 活带来方便和效率的同时,使电力系统的非线性负荷明显增加。 .谐波的提出 世纪年代和年代,静止汞弧变流器的使用造成电网的电压和电流波 形发生畸变,引起了人们的注意和研究。年,..发表的有关汞弧变流 器谐波的论文是早期有关谐波研究的经典论文,其结论至今仍被工程界采用。到 了年代和年代,高压直流输电技术的发展,推动了变流器谐波研究的进一 步深入,这一时期发表了有关变流器谐波的论文, ..在其著作中对此进 行了详细的 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 。随着电力电子技术的迅猛发展,各种电力电子设备在电力系统、 工业部门、家庭和民用事业部门得到了日益广泛的应用,其产生的谐波以及造成山东大学硕士学位论文 的危害日益严重,使世界各国对谐波问题给予了十分的关心和重视。 .谐波的产生 自上世纪年代,各种电力电子装置在电力系统、工业部门以及家庭中的应 用迅速普及,使得由电力电子装置所产生的谐波污染日益严重,目前电力电子装 置已成为电力系统的首要谐波源。 电力电子装置中,整流装置所占的比重最大,几乎均采用二极管整流或晶闸 管相控整流电路。相控整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后是众所周知的, 几乎在整流装置普及应用的同时,对由于他所造成的谐波的功率因数滞后问题便 引起了人们的重视,一些简单的无源滤波器和无功补偿器被设计出来用于解决上 述问题。近年来,随着逆变器、斩波器、开关电源、不间断电源等的不断出现, 由此类负载引起的谐波问题开始受到重视。这类负载在直流侧均皆有滤波用的大 电容,其整流大多采用二极管整流电路,谐波含量很大,并造成总的功率因数降 低,随着人们在认识上的提高,诸如此类的谐波和无功问题越来越受到重视,人 们陆续采取措施克服和解决这些问题【】。另外值得一提的是,在农村,随着国家对 农政策方针的不断实施,农民的收入提高,生活水平明显改善,家电下乡、以旧 换新等政策的下达,农民家中电视机、电脑等娱乐设施、空调、电暖器、电饭锅 等生活电器的推广使用,这些设备虽然单个的功率较小,但是数量大,对电网造 成的谐波污染问题也不容忽视。 目前来讲抑制谐波主要有两种途径:一种是设置谐波补偿装置,如各种无源、 有源滤波装置,抑制由各种非线性负载所产生的谐波:另外一种就是在电力电子 装置完成自身主要功能的同时,对电力电子装置本身进行改造, 使其同时也不产 生谐波,同时也不消耗无功功率,或者根据需要能对其功率因数进行校正【】。 .本文的主要工作内容 某橡胶厂密炼车间生产用各种型号密炼机设备,具有耗电功率大、功率因数 低、谐波含量高、负荷电流周期性大幅度快速波动等特点。设备工作时功率因数 仅有.?.,由于负荷电流快速频繁波动、电流谐波含量高达%一%,无法山东大学硕士学位论文 用常规无功补偿设备进行无功补偿。 目前该种设备均采用专用/.配电变压器供电,配电容量为设备电机功 率的倍左右,配电设施利用率低。设备工作时对供配电系统产生大幅度电流冲 击和无功功率冲击,不利于供配电系统的稳定运行,并导致电压大幅波动,电压 波形严重畸变,影响系统内各种供用电设备的安全运行与可靠性。同时,由于负 荷功率因数低,谐波电流含量高,视在电流约为有功电流的倍左右,实际线损 可达必有线损有功电流线损的倍以上,特别是高含量的谐波电流, 由于频 率高,趋肤效应和邻近效应等涡流效应比工频电流严重得多,会在在配电线路和 配电变压器等电力设施中产生更大的损耗,导致更多的电能损失。 本文采用系列高速动态消谐无功补偿设备能够对密炼机类设备进行高 速跟踪无功补偿与谐波抑制,通过对负荷配电系统和运行状况实测结果进行分析 计算,确定了无功补偿和谐波治理需求,在此基础上提出了动态消谐无功补偿的 技术方案。 .论文的组织结构 全文共分为五章,每章内容如下: 第一章绪论,简要介绍本文研究的背景,谐波的提出及产生的原因,应用的 主要技术、设备。 第二章无功功率及谐波,首先介绍无功及谐波的原理、特性,重点是对谐波 对电网、设备的影响及主要治理措施做详细介绍。其次是简要介绍了三相电路无 功功率理论,形成本文的理论基础。 第三章密炼机谐波治理方案,首先介绍密炼机工作是负荷特性、谐波特性等, 其次介绍了无功补偿技术及谐波抑制技术,得出了本文的工作目标,使用 高速动态消谐无功补偿设备进行无功补偿及谐波抑制。 第四章系统设计,分别从软硬件方面对无功补偿设备进行设计,通过实验, 达到了很好了无功补偿及谐波抑制的目的。 第五章为结论及展望,无源滤波器由于造价较有源滤波器便宜,存在价格优 势,在工业应用中仍有很大的市场空间。山东大学硕士学位论文 第二章无功功率及谐波 .无功功率及影响 无功功率主要用于电路内电场与磁场的交换,并用来在电气设备中建立和维 持磁场的电功率,它不对外作功,而是转变为其他形式的能量。凡是有电磁线圈 的电气设备,要建立磁场,就要消耗无功功率。 无功功率对共用电网影响主要有以下几个方面: .增加设备容量。无功功率的增加,会导致电流增大和视在功率增加,从而使 发电机、变压器及其他电气设备和导线容量增加,同时,电力用户 的起动及控制 设备、测量仪表的尺寸和规格也要增加。 .设备及线路损耗增加,无功功率的增加,使总电流增大,从而使设备及线路 的损耗增加,这是显而易见的。设线路总电流为歹,线路电阻为,则线 路损耗为 ’ 凹笋尺 式中,等尺这一部分损耗就是由无功功率引起的。 .使线路及变压器的电压降增大,如果是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。如图是一个电源系统和负载的等效电路图 图. 电源系统和负载的等效电路图 山东大学硕士学位论文 / 。广姐/。 图电源系统与负载的向量图 从图.可以看出,引起的电压降?为 ? 另外,负载电流为 学铲 将式.代入.中,可得 ?学广 等产 从图.中可以看出,和之间的夹角非常小,因此, ???? . 在输配电网中,一般情况下,比小得多,因此,可以知道无功功率的波 动是电网电压波动的主要原因。我们知道电动机在刚启动的时候,产生冲击性的 无功功率,功率因数比较低,会使电网电压产生剧烈的波动,有时可以使接在同 一节点上的其他负载无法正常工作。电弧炉、轧钢机等大型设备也是产生冲击性 无功功率的主要设备,如果不合理处理,会严重影响电网供电质量。 .谐波 ..谐波的定义 国际上通行的谐波定义为“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。”谐波次数必须为正整数‘刀。山东大学硕士学位论文 在供电系统中,总是希望电压和电流呈正弦波形。正弦电压可表示为 . 压 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上,其电流和电压分别为比 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线性电路上 时,电流就变成非正弦波,非正弦电流在电网阻抗上产生压降,会使电压波形也 变成非正弦波,对于周期为的非正弦电压,一般满足狄里赫利条件, 可分解为如下形式的傅里叶级数: ?.” 式中 烈 瓦 “硝砌烈 ?.烈烈’,’? . 或?锄知 式中,伞和孙的关系为 厢 . 在式.或式.的傅里叶级数中,频率为厂的分量称为基波,频率 为大于的整数倍基波频率的分量成为谐波,谐波次数为谐波频率和基波频率的 整数比。 ..谐波的特性 对称性 奇对称性的特点是..【,展开为傅立叶级数时没有余弦项。山东大学硕士学位论文 偶对称性的特点是.,展开为傅立叶级数时没有正弦项而只有余弦项。 半波对称的特点是/,没有直流分量而且偶次谐波被抵消。这个特点 可以使我们忽略电力系统中的偶次谐波因为电力系统一般是由双向对称的元件 组成的,这些元件产生的电压和电流具有半波对称性。 相序性 在一个平衡的电力系统中,单频率谐波分量只能是完全正序的,或完全负序 的,或完全零序的,这一点可以从相电压的傅立叶级数展开式中看出:... .。一。?’’ 一‘‘? 一’。‘ ‘? 。?’’‘ ‘?‘.... ’’。 ‘? 由式.可以看出, 基波以及次、次等次数的谐波是正序的 次、次、次等次数的谐波是负序的 次谐波是零序的。由于平衡的倍数次谐波是零序的,因此不能流入三角形 连接电路中或中性点小接地的星形连接电路中 如果存在谐波,即使系统是平衡的,也存在零序和负序电流 独立性 平衡电力系统中的线性网络对不同谐波的相应是相互独立的,因此可以将各 次谐波分别处理,也就是说,对各次谐波分别建立等效电路求解电流和电压。总 的相应可以通过时域中将所有谐波分量相加来得到。山东大学硕士学位论文 ..谐波源及谐波产生的机理 高次谐波产生的基本原因是由于电力系统中的某些设备和负荷 的非线性特性 所造成的,即所加电压与其产生的电流不是线性关系而造成的电压畸变。 电力网谐波源主要源自三个方面: 一是发电电源质量不高产生谐波:发电机是产生电能的装置,由于三相绕组 在制作上很难做到绝对对称,铁心也很难做到绝对均匀和其他一些原因,致使电 源多少也会产生一些谐波。 二是输配电系统中产生谐波:输配电系统中主要是电力变压器产生谐波,由 于变压器铁心的饱和,磁化曲线的非线性,加上设计变压器时考虑经济性,其工 作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上,这样就使得磁化电流呈尖顶波形,因而含 有奇次谐波。大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越 高,变压器工作点偏离线性越远,谐波电流也就越大,其中次谐波电流可达额 定电流的.%。变压器在超出其正常的工作条件如运行在高于额定电压时, 也可能产生加大的非正弦波形的励磁电流。 电源和输配电系统虽然产生谐波,但这两方面产生的谐波所占的比例是很小 的。 三是用电设备产生的谐波。这方面的谐波所占的比例很大,是电网主要的谐 波源。包括各种换流装置、电力电子调整设备、电弧炉、感应炉以及现代工业设 备为节能和控制使用的各种电力电子设备,还有各种家用电器和照明设备等。 ?晶闸管整流设备 由于晶闸管整流在电机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到 了越来越广泛的应用,给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置主要采用移相 控制,从电网吸收的是缺角的正弦波,而馈送回电网的却含有大量的谐波。例如 空调用压缩机、高层建筑用的大型电梯等,大都是晶闸管、小功率的整流装置等 电力电子元件,有的电器带小容量的变压器、其励磁电流所占比例较大,虽然其 单个容量小,数十瓦到数千瓦,但数量较多且分布较广,所产生的高次谐波也会 对电力系统造成影响,加重电力网的谐波污染。 ?变频装置山东大学硕士学位论文 变频装置常用于水泵、风机、电梯等设备中,由于采用了相位控制,谐波成 分很复杂,除含有整次谐波外,还含有分数次谐波,这类装置的功率一般较大, 随着变频调速技术的发展,变频空调、变频洗衣机和变频电冰箱应用已日益广泛, 变频装置的谐波含量与分布更大,对电网造成的谐波也越来越多。 ?电弧灯、电石炉 由于加热原料时,电炉的三相电机很难同时接触到高低不平的炉料,使得燃 烧不稳定,引起三相负荷不平衡,产生谐波电流,经变压器的三角形连接线圈而 注入电网。 ?气体放电类电光源 荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。高 压气体放电灯利用有一定压力的汞和金属卤化物的蒸汽,放电时有负电阻特性, 故串联非线性的镇流器、高压钠灯和汞灯用的加多,高压气体放 电灯主要用于街 道、广场、露天矿等处的照明,其谐波特征是主要产生、、次谐波,其谐波 量随灯具的容量增大而幅度增大。分析与测量这类电光源的伏安特性,可知其非 线性十分严重,有的还含有负的伏安特性,它们会给电网造成奇次谐波电流。 ?家用电器 又不少家用电器含有非线性元件,会产生谐波电流,主要有电视机、各种节 能灯、电冰箱、洗衣机、空调、微波炉、电磁炉、录像机、计算机、激光打印机、 充电器、调光灯具、调温炊具等,因具有调压整流装置,会产生奇次谐波。 这些具有非线性特征的用电设备、即使共给他非常标准的正弦波电压,他也 产生谐波电流并注入系统,使系统各处电压产生谐波分量,有些局部还可能因系 统参数问题而产生放大,这些设备产生谐波电流的大小只取决于设备本身的参数 和工作状态,与系统的结构和参数无关。 电力系统中能产生谐波的设备即为谐波源【】。 .谐波危害 ..谐波对电网的影响 谐波电流在电网输配电线路上造成有功功率损失,它是电网线损的重要组成山东大学硕士学位论文 部分。虽然谐波电流所占比例不大,但谐波频率高,在导线中的集肤效应使得谐 波电阻增大,引起的附加线损也增大。对于架空线路来说,电晕的产生和电压峰 值有关,虽然电压基波未超过规定值,但由于谐波的存在,其电压峰值可能超过 允许值而产生电晕,引起电晕损耗,影响供电公司的经济效益。 对于采用电缆的输电系统,谐波除了引起附加损耗外,还可能使电压波形出 现尖峰,从而加速电缆绝缘的老化,引起浸渍绝缘的局部放电,也使介质损耗增 加和温升增高,缩短了电缆的使用寿命。通常情况下电缆的额定电压越高,谐波 对电缆的危害也越大。电缆的分布电容对谐波电流有放大作用,会使上述危害更 为严重。 流过电网中断路器的电流里含有较大的谐波时,在电流过零点处的/可能 要比正常时大得多,从而使断路器的遮断能力降低。有的断路器的磁吹线圈在谐 波电流严重的情况下将不能正常工作,从而使断路器无法遮断以至损坏。 除此之外,最重要的一点是使电网波形受到污染,供电质量下降,危及各种 用电设备的正常运行,威胁着公司输配变设备的安全。 ..谐波对变压嚣的影响 变压器励磁电流中的谐波电流通常不大于额定电流的%,且其作用是使磁通 为正弦波,因此并不引起变压器铁损增大?。变压器在刚通电过程中谐波电流可 能很大,但历时很短,一般也不会形成危害。但当发生谐振时,直流电流或低频 电流流入变压器时,会使铁芯严重饱和,励磁电流中的谐波电流就会大大增加, 会使变压器受到危害。 谐波源的谐波电流流入变压器时,铜损和铁损增加。随着谐波频率的增高, 集肤效应更加严重,铁芯损耗也更大。因此高次谐波分量比低次谐波分量更易引 起变压器的发热。谐波电流还会引起变压器外壳、外层硅钢片和 某些紧固件的发 热,并有可能引起变压器局部严重过热【】。谐波还会引起变压器的噪声增大,对 运行人员对巡视情况造成误判,影响设备正常运转。 变压器励磁电流的谐波含量和铁芯饱和程度直接相关,即和其所加的电压有 关。正常情况下,所加电压为额定电压,铁芯基本工作在线性范围内,谐波电流 含量不大。但在轻载时电压升高,铁芯工作在饱和区,谐波电流含量就会大大增山东大学硕士学位论文 加。另外,在变压器投入运行过程、暂态扰动、负荷剧烈变化及非正常状态运行 时,都会产生大量的谐波。 ..谐波对电容的影响 谐波对并联电容器的运行具有较大的影响,当谐波电流叠加在电容器的基波 电流上,可使电容器的运行电流有效值增加,温升增高,甚至引起过热而降低电 容器的使用寿命或使电容器损坏;叠加在电容器基波电压上的基波电压,不仅使 得电容器的运行电压的有效值增大,而且会使电容器的峰值电压增大,使电容器 在运行中发生局部放电,这往往是电容器损坏的主要原因,据统计由于谐波而损 坏的电气设备中,电容器约占%,其串联电抗器约占%,而其他被损坏的电 气设备也有一部分与电容器有很大关系。因此,电容器对电网谐波电流的放大是 一个不可忽视的问题。具体的有以下三种形式: 电容器由于谐波电流而过载,因为电容器的容抗随着频率的升高而减 小,这似的电容器成为谐波的吸收点,同时,谐波电压产生的谐波电流会引起电 容器熔丝熔断 谐波往往会增加介质损耗增加,其直接后果是使电容器组的发热量增 加,使用寿命缩短 电容器有可能与电网中的电感结合,对某一频率构成并联谐振,是谐 波被严重放大,最终的电压会大大高于电压额定值,并导致电容器损坏 .谐波的治理方式 目前谐波治理的基本方法有以下三种,在治理过程中可以采用变电站所集中 治理和非线性用电设备处分散处理两种方法。按谁污染谁治理的原则,应该在非 线性用电设备处分散处理。但对于电脑、空调、节能灯等民用设备,则只能进行 集中治理。 、减少非线性用电设备与电源间的电气距离,也就是减少系统阻抗,换句话 说就是提高供电电压等级。例如,在山东浩信集团就取得了不错效果。该铸造厂 原使用供电,由围子站和辛立站各一条线路专线供电, 而它的主要用电设备是电弧炉,虽然在厂变电站内进行了五次、七次谐波治理,山东大学硕士学位论文 但在两个上级变电站内 母线上测得的谐波分量仍超国家标准,但自从供电 公司在宋庄境内兴建一座变电站,且该站距离铸造厂仅,使用回专 线供电,使母线的谐波分量控制在国家标准之内。 、谐波的隔离。非线性用电设备产生的谐波,它不仅直接影响到本级电网, 而且经过变压器后,还会影响到上几级电网。如何把这些非线性用电设备产生的 谐波不影响或影响其他几级电网,这也是谐波治理的一个基本方 法。这一方法在 电网中广泛应用。发电机发出的电能经过/、/、/等接线组别的变压 器,把发电机产生的三次、九次等零序分量的谐波与上级电网隔离开来,因此, 在以上高压电网上,、次谐波分量很小,几乎是零。而由于大多 数配变为/接线,也有很少/接线的直配变,因此在和 系统中、次谐波分量会比高压电网大。为了减少低压对电网的影响,现 在配电系统中推广使用了接线组别的配电变压器,有效的减少了、 次谐波的影响。 、安装滤波器。电容器、电感器和电阻元件进行串并联就构成了无源电力滤 波器,其工作原理是在某一谐振频率下谐振时的低阻抗状态对谐波形成分流,从 而使注入电网的谐波电流减小。无源滤波器的成本比较低,是最广泛的补偿装置, 虽然它在抑制电压偏差和不平衡度难以协调,而且对于波动性负荷有时会产生无 功倒送,但是从技术性和经济性两者考虑,无源滤波还是能为各方面所接受的抑 制谐波方案。系统运行参数对无源滤波器滤波有很大影响。在某一谐波频率串联 谐振时形成低阻抗对谐波分流时,会在相邻的较低频率和系统阻抗并联谐振形成 高阻抗。如并联谐振点发生在整数次谐波且该次谐波有相当数量的谐波电流,就 可能产生高电压和大电流,产生高频放电、过流跳闸等问题。 .三相电路瞬时无功功率理论 .. 、检测方法 三相电路瞬时无功功率理论由.、.和哂等提出,随后得到 了广泛深入的研究‘】。该理论系统的定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时 功率量。山东大学硕士学位论文? , \ 。:/’ \//// ? 图小坐标系中的电流电压矢量图图三相.两相坐标变换原理图 在三相电路中,各项电压电流的瞬时值为。,,。和。,,。,进行变换得到【.平 面上的?和.四 . % :。 . 小: 一三一土. 舯信 笪一鱼 山东大学硕士学位论文 口 口 . 压怄 %印 ?....。........。..。............ ,??????? 』鱼 鱼 ?一? ?.................................. 口 一? . 压怄 ?..........。。....?。................ 如:侈... ?。....。。.................。.... ???????? 』吾 ?一万一 ?一 由两相坐标变换到三相坐标的逆变换为 一? 口 一? 口 ? . 卢 ????喝阱信 嘲 ?一 ???????? ?一 ??一?一 。。一。一.一 班 . 卢 喝卧信 园 ??一 阡 。,一。一 ,一?一 压了压可.压丁压了 分别为在和垂直方向上的投影, , 瞬时有功功率和瞬时无功功率为: 协? 州扣。州乏羔捌 %叩 口 批阳:: ???? 协四 一; :三:三。朝 瞬时有功功率和瞬时无功功率通过低通滤波器滤波后,只剩下直 流分量, 通过式.、式.,可得出负载电流的基波分量, 山东大学硕士学位论文 ,, ;;::。‘琴吉:::三。。琴 有谐波电流之和【 。 协。, 刚?割 图为算法检测部分原理图 图 算法原理图 .. 谣玻莅羽万活 该检测方法由瞬时有功电流和瞬时无功电流代替瞬时有功功率 和瞬时 , 无功功率【 沼,, 卧卧严一 ?。 其逆变换为 弦, 讣‖卧芦剖嘲 瞬时有功电流和瞬时无功电流可分解为直流分量和交流分量,如 下式: ?, ;: 毛孑予善山东大学硕士学位论文 可得到负载电流的基波分量【】,计算公式如下: . ;;::;;::乏, 算法进行谐波检测的有源滤波器检测部分的原理图【】如下: 图 算法谐波检测原理图山东大学硕士学位论文 第三章密炼机谐波治理方案 .密炼机负荷的主要电能质量问题 ..国家电压和电流谐波标准 为使电力系统及其用电设备安全经济运行,国际电工组织规定了谐波标准, 我国也制定了相应的国家标准。 /.《电能质量共用电网谐波》由国家技术监督局于年颁布。 其主要内容是规定了共用电网谐波的允许值及测量方法。该标准适用于交流额定 频率,标称电压及以下的共用电网。 谐波标准是指注入电网的谐波电压或电流允许限值。谐波源注入电网的 谐波电压或电流应控制在谐波标准允许限值以内,表.,?分别给出了我 国的国家电压和电流谐波标准【】。除此之外,谐波标准还包括:谐波源连接点注 入电网的谐波电流允许限值、谐波源产生的谐波电压允许限值等【引。 表我国用户注入电网的谐波电流允许值有效值标准电压/ . 基准短路容量/ . . . . . 谐 . . . . 波 . . . 次. . . . 数 . .】 . . 及. . . . . 谐 波 . . . . . 电. . . . 流 . . . . 允. . . . . 许. . . . . 值 . . . . . . 入 . . . . , . . . . .. . . . . . . . . 。 .山东大学硕士学位论文 表.共用电网谐波电压相电压限值 各次谐波电压含有率/% 电网额定电压/【 电压总谐波畸变率/% 偶次 奇次 . . . . . . . . . . . . . . . . . 。 。 ..密炼机供电模式 密炼机主要用于橡胶的塑炼和混炼,由于其具有混炼容量大,生 产效率高、 易于进行自动化操控等优点,是橡胶厂的主要生产设备,同时也 是橡胶厂中的耗 电大户。如图.所示,车间一次系统图。 舢艟 。淼吉 .母线 图密炼车间一次系统图 目前该车间的设备均采用 /.配电变压器,六脉冲波整流模块 进行整流供电,直流电机功率为。山东大学硕士学位论文 .谐波分析 ..全控整流电路 密炼机为直流驱动,整流装置在换流过程中产生了大量的谐波, 造成电流严 重滞后于电压,功率因数极低,是电能质量受污染的主要原因。 脉冲波整流模块主要构件为三相桥式全控整流电路,如图.所示 珊 【 【 』 . 负 载 . 【 ‘” 图三相桥式全控整流模块电路图 设三个共阴极晶闸管的自然换流点为,,分别触发、、晶 闸管,而在共阳极晶闸管的自然换相点,,时刻,分别触发、、 晶闸管,两相自然换相对应相差为。 在?.期间,相电压较正,相电压较负,在触发脉冲作用下,、 晶闸管同时导通,电流从相经.负载一流回相,负载上得到、相线 电压。 ?开始,相电压仍保持电位最高,但相电压开始比更负,此时使晶 闸 管导通,迫使晶闸管承受反压而关断,负载电流从.. 在一期间,电流从相经一负载.流回相,负载上得到、相线 电压。 在时刻,由于相电压比相电压高,故触发晶闸管导通后,迫使 管关断,电流从中换到,以此类推,.期间、相供电,、管导 通。 .期间、相供电,、管导通,.期间、相供电,.? 期间、相供电,、管导通;?.?期间重复、相供电,、管导通。 由此可知,各晶闸管均导通奶时间,任意时刻都有两个晶闸管同时导通从 山东大学硕士学位论文 而形成供电回路,触发脉冲相位一次关。 .. /仿真 是美国的 博士开发的一套集命令、科学计算于一身的交 互软件,它与年首次推出.中提供了一个动态仿真工具软件包 ,利用它可以对动态系统进行建模、仿真和分析,它支持连续、离散及 两者混合的线性和非线性系统,也支持具有多种采样速率的多速度系统。其 仿真软件包中包含有输入源、输出源、连 续环节、离散环节、数学库、 函数模块 和查表模块、线性环节、非线性环节、信 号和系统模块、模块库和工具箱、例程库等多个模 型库。其中专为电力系统仿真提供的 模块库。 利用中的进行仿真,如图.,所示 图.三相桥式整流电路仿真图 参数设置 、 三相电源频率为,相角相差。 、 通用桥参数设置如下:山东大学硕士学位论文 图.三相整流桥参数 、仿真,将图.中的电流波形与理想的正弦波形相比,我们可以看 到电流 发生了畸变,这个畸变电流是由非线性负载引起的。当非线性负 载越多,电流畸 变的程度愈大。 图 电源测电流曲线山东大学硕士学位论文 图整流后电流、电压曲线 ..实地测量 表.为实地测量值,测量点位于.低压母线处。首先在密炼机工作 时测 得其负载曲线,如图.所示, 》嚣鍪 一鬟 琴 :嚣 熊? ,,四雌肌~四, 。炒茎 图?密炼机负载曲线山东大学硕士学位论文 如图.所示,测得密炼机工作时有功功率与功率因数等,变压器容 量为设备 电机功率的倍左右,配电变压器出工不出力,典型的大马拉小车。 功率和电能 功率和电能:: 咿 回?::‘ 圈心 卫 .已嫩 . %. 曩; 砣. 佣 己. 曰 筠. 弱 :. 住 己 埘耳暇 . 《?. 明 :. 弧 《《 . . . . .己.己 . 惦委. 哺 朗 明 咖 ? 睫 己 晡 . .己 . 哺 /. 弱. // : : ::嘲 /,? : : ; 口??” ::五 :《: 、. ‘四?‘。’‘?啊四啊 功率和电能 功率和电能:: 回电艘:, 回憧 陷 畦 箜. . 郇 玉培鼻 卫 嵋.芒玛山 己 峒 伯. 卫 岛. 明 .己 《臻 己. 《. 嘲 . 雕玉 晒《妇卫 .舱 口.躬 .屺 啷. .羽 叠. 柏 . .锄 陆 开懈 蔼 鲫 开 鸵舢沿 己:. 弧疆妯 . 孤 / : ‘? ../ : : : ? ???. :考‘ ? 弱甾麓理一 。兰王苤矗整网鼹妊荆??髓“滞嘲 ????黼 %日一 图密炼机无功特性 图所示为系统工作是产生的谐波含量,可以看出含有大量的次谐 波。图密炼机谐波特性山东大学硕士学位论文 根据测量数据,制得下表,如表. 表密炼车间实测数据 备注 序号 项目 指标 交流输入规格 ,相线 标称值 ? 交流输入电流 实测值 电流波动周期 实测值 一 / 电流变化率 芝 实测最大值 .% 实测典型值 电流谐波总含量, 主要谐波次数及含量 次.%,次.% 实测典型值 .咖. 实测值 基波功率因数 . ?. 综合功率因数 实测值 . 最大有功功率 实测最大值实测最大值 最大视在功率 最大无功功率 实测最大值 最大基波无功功率计算值 最大谐波无功功率 计算值 最大谐波电流 计算值 为方便观察,简化负荷变化曲线,如图.所示 图.密炼机工作周期内负荷电流变化曲线图 由表.及图.分析可知,设备工作时的功率因数仅有...,由于负荷 山东大学硕士学位论文 电流快速频繁波动周期大约分钟,在工作时,其负荷电流由左右 上升 到的时间大约在内,同时从电流最高值下降到左右的时间也仅为 。电流谐波含量高达.%,无法用常规无功补偿设备进行无功补偿。设备 工作时对供配电系统产生大幅度电流冲击和无功功率冲击,影响供配电系统的稳 定运行,并导致电压大幅波动,电压波形严重畸变,影响系统内各种供用电设备 的安全运行与可靠性。由于负荷功率因数低,谐波电流含量高,视在电流约为有 功电流的倍左右,实际线损可达必有线损有功电流线损的倍以上,特别 是高含量的谐波电流,由于频率高,趋肤效应和邻近效应等涡流效应比工频电流 大得多,会在在配电线路和配电变压器等电力设施中产生更大的损耗,导致更多 的电能损失。 .无功补偿技术 ..无功补偿方式 为了减少功率损耗和电能损耗,达到节约电能和提高供电质量的目的,一方 面必须设法提高供电系统中各部分的功率因数,充分利用变、用 电设备的容量, 增加输配电能力:另一方面,通过无功补偿提高有功功率的最大传输能力口。无 功补偿可以提高交流系统的稳定性,也对保持各级电力系统的电压稳定有重要作 用,他可以分为串联和并联两种补偿方式,串联补偿实际上改变了输配电系统的 参数,并联补偿实际上改变了负载的等效阻抗。 无功补偿技术是一项投资较少,收效较快的节能降损措施。电网中常用的并 联无功补偿方式有以下四种方式: 集中补偿:在变电站母线集中安装并联电容器组 集中补偿方式是将电容器组装设在用户专用变电所或配电室的低压或高压母 线上,集中补偿的电容器组利用率高,能补偿配电所低压或高压母线前的无功功 率。 分散就地补偿:在高低压配电线路中分散安装并联电容器组 电容器在高压配电装置或动力箱的母线上,对附近的电动机进行无功补偿。优 点是功率因数比较高,节能降损效果比较好,缺点是,因为配电变压器的数量不 山东大学硕士学位论文 较多,安装地点也比较分散,因此补偿工程的投资肯定较大,运行维护成本比较 高,对装置的成本和可靠性有较高要求。 配电线路固定补偿:在配电变压器低压测和用户车间配电屏安装并联补 偿电容器。配电变压器大部分带小区的居民户或工厂的电机、照明等,运行时消 耗大量无功,但是很多共用变压器却没有安装无功补偿装置,这样下来整个电网 产生了很大的无功缺额,这一部分都需要变电站或发电厂来承担。同时变电站的 大量无功沿线路传输使得配电网的网损很高,配电线路固定无功补偿就显得尤为 重要。现在供电企业对小区、工厂的变电所执行例调电价,满足规定的功率因数, 超过的部分实行奖励,达不到的进行惩罚,通过经济手段控制小区、工厂的变电 所加装无功补偿装置,改善配电线路运行环境【。 用电设备随机补偿,即单独就地补偿:在单台电动机处安装并联电容器 等 以下电网的无功消耗总量中,变压器消耗的无功占%左右,低压用电 设备消耗的无功占%以上。所以在低压用电设备上进行无功补偿很重要。低压 设备无功补偿经济效果最佳,综合性能最强,是应该大力发扬的一种节能措施。 不过由于随机补偿的一次性投资比较大,每个用电设备对应的无功补偿参数都需 要单独计算,政策上也没具体强制性措施,再者补偿点较多,维护检修增加了难 度,因此一直没有广泛推广。 ..滤波暑简介 无源滤波器结构简单、造价低,运行费用也低,在吸收高次谐波方面效果明 显。无源滤波器运行中与谐波源并联,除了起滤波外还兼顾无功补偿的需要。但 由于结构原理上的原因,在应用中存在着一些难以克服的缺点: ?抑制较低次谐波的单调谐只对谐振点的谐波效果明显,而对偏离调谐点的谐 波无明显效果,而实际工程设计时考虑设计投资又不可能依靠增加滤波器的办法 解决。 ?当系统中谐波电流增大时,无源滤波器可能过载,甚至损坏设备。 ?滤波效果随系统运行情况而变化,当系统阻抗和频率波动时,滤波效果变差。 ?当系统阻抗和频率变化时,可能与系统发生并联谐振,使装置无法运行,甚山东大学硕士学位论文 ’。 至使整个滤波系统无法正常运行 随着全控型功率器件技术的进步及越来越多敏感负荷对滤波效果要求的提 高,有源滤波器开始受到人们的重视,他采用与无源滤波器完全不同的原理,通 过产生与补偿谐波形状一致、相位相反的电流,来抵消非线性负荷产生的谐波电 流,以使谐波不会流入公共供电回路。有源电力滤波器是一种动态抑制谐波、补 偿无功的新型电力电子装置,它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进 行补偿,其应用可克服无源滤波器等传统谐波抑制和无功补偿方法的缺点。 相较两种滤波器的原理及造价,无源滤波器在价格方面占据很大优势。 .治理方案提出 由于密炼机工作时,负荷的电流变化大且变化周期短,如果采用普通接触器 投切补偿装置对该密炼机进行补偿将很难跟上负荷的变化,让功率因数满足要求。 这是因为普通的接触器投切补偿装置投切时间除了有接触器分合闸外还要考虑补 偿装置中的电容器的放电时间,只有将电容器的残余电容降至一定的数值后,才 允许糌、偿装置再次接入到系统中,否则系统电压与电容器残余电压叠加后,电 容器两端的电压将会超过电容器所允许的安全电压导致电容器的损坏;同时如果 接触器频繁的投切,在接触器的触头产生的热量和拉弧现象,可导致接触器的触 头粘连在一起,使接触器失去分断补偿装置的能力。因此,结合该车间特点及无 功补偿的具体措施,本文提出了采用高速动态消谐无功补偿设备。该设备 采用微处理器无功功率处理器控制晶闸管投切调谐电容器组的高速动态无功补偿 装置,采用微处理器实现无功功率实时监测、晶闸管零过渡过程 快速投切、谐波 电流抑制等先进技术,可以在各种复杂的工业现场环境中应用。特别是设备中以 调谐电容器组和半导体固态开关为核心的补偿系统可以根据被补偿负荷的特征专 门设计制造,构成与负荷特性最佳匹配、性价比最好的专用设备。 该设备有以下特点: ?以、微处理器为检测、控制核心,实时检测负载无功功率,快速计算 补偿容量,按照预置投切逻辑实现迅速判断和控制; ?采用晶闸管构成高速无触点投切开关,响应及时迅速,可靠性高,使用寿命 山东大学硕士学位论文 长; ?自动跟踪选择系统零过渡过程时刻投切调谐电容器组,暂态过程极短,实现 对无功功率和谐波电流的快速动态补偿; ?调谐电容器组投切过程中无涌流冲击,无操作过电压,投切扰动极小,电容 器衰变小,故障率低; ?动态响应速度小于毫秒,功率因数动态补偿至.以上,并可有效抑制 由于无功变化导致的电压波动; ?内含谐波抑制电抗器,电容器工作应力小,无谐波放大和共振危险,在谐波 含量较高的配电系统中也能稳定可靠地工作,并可根据需要部分滤除主要谐波电 流; ?电容器投切控制采用编码加循环工作方式,投切快速、准确,并能进一步降 低电容器工作应力,充分延长电容器寿命; ?可实现分相动态补偿,适用于各种不对称冲击负荷; ?电容器投切阈值和响应时间可编程,并可实现手动投切和自动投切的转换, 调试、检验方便,适用性更广; ?采用多重软、硬件抗干扰措施,抗干扰能力强,工作可靠; ?具有自检功能和过压保护、过流保护等多种硬件保护功能,确保设备的稳定 可靠运行; ?自动监测系统电压、电流、有功、无功、谐波含量和补偿前、后系统功率因 数; ?数字化控制和参数设置,液晶汉字显示,接口,标准通讯 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 ,计算机远程监控功能,历史事件记录功能; ?可多模块并联运行,安装调试简单,维护方便。山东大学硕士学位论文 第四章系统设计 .高速动态无功补偿设备总体设计 根据上一章对密炼车间配电变压器、整流器及密炼机的分析,综合考虑各种 设备之间的关系,首先对高速动态无功补偿装置进行总体设计。 图一为高速动态消谐无功补偿设备运行的原理 图 系列高速动态消谐无功补偿原理图 该设备由检测单元、主控单元,投切执行单元和调谐电容器组四大部分构成。 检测单元通过电压、电流传感器实时检测系统电压和电流的瞬时值,并实时计算 出电压电流有效值、系统所需无功功率功率、电压电流谐波含量等控制参量,由 主控单元完成逻辑判断并发出相应的控制指令,控制投切执行单元投切调谐电容 器组,实现对负载无功功率的动态跟踪补偿。 ..补偿柜一次系统设计 一、滤波器设计的要求 滤波器设计应满足两个基本要求: 以最小的投资使谐波源注入系统的谐波减小到国家标准规定的要求。 满足基波无功补偿的要求 在满足以上两个基本要求的前提下,滤波装置的设计涉及到以下指标口】: 技术指标:包括滤波器构成、谐波电压、谐波电流、无功补偿容量。 安全指标:包括电容器的过电压、过电流、容量平衡。