1、从无源到有源电能质量谐波与无功控制第1章 电能质量定义和标准第2章 电能质量中的可靠性问题第3章 电能质量中的电压问题第4章 电能质量中的谐波抑制第5章 电能质量中的无功补偿第6章 电能质量控制中的电力电子技术第1章 电能质量定义和标准1.1 电能质量定义和内容1.2 电能质量标准1.3 电力电子技术对电能质量的影响1.4 本书的组织1.1 电能质量定义和内容狭义的定义1)电力系统可以通过提供电能维持负荷正常运行，而不对负荷造成干扰或损坏的能力；该能力主要以接入点电压的质量作为标志；2)负荷可以在不对电力系统造成扰动或降低电力系统效率条件下运行的能力，该能力主要(但不唯一)以电流波形的质量进行
2、衡量。1.2 电能质量标准1.3 电力电子技术对电能质量的影响表1-1 电能质量与用户要求1.3 电力电子技术对电能质量的影响图1-1 俄亥俄州Delaware（特拉华）优质电能园区接线图OH：架空线路（Over Head）UG：地下电缆（Under Ground）1.3 电力电子技术对电能质量的影响图1-2 Brownfield用户电力园区与分布式发电系统1.3 电力电子技术对电能质量的影响图1-3 美国市场电能质量相关设备的销售额1.4 本书的组织第2章专门对由于电力系统扰动造成的配电系统可靠性问题，包括其原因、危害、相关标准以及对策进行了详细的讨论。第3章中进行了较为深入地分析。特别是，
3、对其中影响配电系统用户最大的稳态电能质量问题（如谐波和闪变），以及暂态电能质量问题，如电压暂降和瞬间停电的机理、分析和计算方法，以及传统补偿措施进行了详细的分析和讨论。第4章介绍的是影响电能质量的谐波问题及其控制方法，对改善谐波源的PWM技术和多重化技术进行了分析，接着对各种无源滤波器分别进行了描述，介绍了其设计方法，最后由瞬时功率理论引出了有源滤波器工作原理与设计方法。1.4 本书的组织第5章介绍了各种静止无功补偿器及STATCOM原理及装置。详细分析了各种TCR、TSC、SVC的工作原理和控制方法，并由电压源逆变器的原理介绍引出了STATCOM的工作特点分析。第6章介绍了电力电子技术在电能
4、质量控制中的应用。详细描述了电力电子变流器的基本原理，并着重介绍了大功率的开关器件阀和几种常用的网络重构设备，旨在为从事用户电力技术控制器的研究开发人员和从事配电系统电能质量规划和工程实施的人员提供实用的参考。第2章 电能质量中的可靠性问题2.1 电能质量现象分类2.2 配电系统可靠性2.3 配电系统可靠性指标2.4 提高可靠性的措施2.1 电能质量现象分类2.2 配电系统可靠性2.2.1 配电系统可靠性原理电力系统按可接受的质量标准和所需数量不间断地向电力用户供应电力和电能量能力的度量。电力系统可靠性包括充裕度和安全性两个方面。图2-1 配电系统示意图2.2 配电系统可靠性图2-2 采用预防
5、性维护前后的失效率曲线注：实线为设备的固有失效率曲线；虚线为采用预防性维护后的失效率曲线。2.2 配电系统可靠性“浴盆曲线”（Bath-tub Curves），即失效率随时间变化曲线，可分为三个阶段：(1)早期失效期 此期间失效率曲线为递减型。(2)偶然失效期 失效率曲线为恒定型，即近似为常数。(3)耗损失效期 此期间失效率是递增型的，随时间延长上升较快，这是因为设备上的某些元件已经老化，因而失效率上升。2.2.2 配电系统停电的原因恶劣的天气，比如暴风（Wind Storms）、雷雨（Lightning Storms）、冰暴（Ice Storms）等，往往是许多电力公司中用户停电的主要原因。
6、2.2 配电系统可靠性图2-3 日本企业停电和瞬时电压跌落原因2.2 配电系统可靠性图2-4 美国3家公司用户停电的主要原因2.3 配电系统可靠性指标图2-5 瞬时和持续停电的算例2.4 提高可靠性的措施1.设备的预防维护表2-1 工业电力设备的可靠性2.4 提高可靠性的措施图2-6 锯齿状浴盆曲线2.4 提高可靠性的措施2.采用智能化的状态监测控制系统3.采用高可靠性的结构图2-7 两种典型供电回路2.4 提高可靠性的措施4.采用备用电源(1)自备发电机 通常为数千瓦到数兆瓦的柴油、汽油或天然气发电机。(2)机械或固态转换开关 比如采用双电源供电，在主电源故障时，将系统切换到备用电源，从而使
7、设备能继续正常运行，其停电时间就是开关转换时间，故可以大大地提高可靠性。(3)飞轮储能装置 系统正常时，通过电动机驱动飞轮旋转，将电能转换为机械能存储在飞轮中；停电时，则通过飞轮驱动发电机将机械能转换为电能回馈系统。(4)静止或旋转的UPS(不间断电源)根据电池中所存储的能量的大小，它通常可以使系统经受数秒以内的停电，在系统恢复供电过程中起到缓冲的作用。2.4 提高可靠性的措施图2-8 飞轮储能系统第3章 电能质量中的电压问题3.1 电压质量3.2 电压瞬变3.3 电压变动3.4 电压波形失真3.5 电能质量标准3.1 电压质量表3-1 IEEE 11591995对电能质量的分类3.1 电压质
8、量图3-1 电能质量问题分类和持续时间的关系3.1 电压质量图3-2 各种电压质量问题的波形3.1 电压质量图3-3 用电负荷干扰的来源（包括内部和外部）3.2 电压瞬变图3-4 故障电压、持续时间、变化率和对设备的影响之间的简化关系3.2 电压瞬变图3-5 100kHz振铃波形3.2 电压瞬变图3-6 典型瞬变测试波形的频谱3.2 电压瞬变图3-7 浪涌的不同定义3.2 电压瞬变3.2.1 脉冲瞬变脉冲瞬变用来描述一种在电压、电流或者两者都处在稳态条件下突然发生的非电源频率的改变，该变动通常是单极性的（即是正极性或者负极性）。图3-8 ATP仿真软件给出的雷击引起的瞬变电流波形3.2 电压瞬
9、变图3-9 雷电浪涌的直接和间接耦合a）直接耦合 b）间接（感性）耦合3.2 电压瞬变图3-10 实际电力系统中雷击引起的脉冲瞬变电流波形3.2 电压瞬变图3-11 背靠背电容投入的仿真波形（EMTDC/PSCAD）曲线相电流Is 曲线合闸接入的电容器组电流I1-波形3.2 电压瞬变图3-12 背靠背电容器组合闸产生的低频振荡频谱3.2 电压瞬变图3-13 瞬变电压的变化率与瞬变电压的关系3.2 电压瞬变3.2.2 振荡瞬变电力系统中包括一系列感性和容性元件，如变压器、输电线以及电机的电感，输电线路和负荷的电容，它们构成一系列谐振回路，在开关操作或发生故障时，有的谐振回路就可能和外加电源构成串
10、联谐振。图3-14 开关器件关断过程引起的振荡瞬变3.2 电压瞬变图3-15 电容器组投入的等效电路3.2 电压瞬变图3-16 电容器组投入时的电压与电流波形（EMTDC仿真结果）3.2 电压瞬变图3-17 电容投入时的电流频谱3.2 电压瞬变图3-18 某医院电容投入时电压波形3.2 电压瞬变图3-19 铁心电抗器（变压器）磁化曲线3.2 电压瞬变图3-20 电压互感器的接线和产生铁磁谐振时的低频振荡瞬变电流、电压波形a）互感器接线 b）产生铁磁谐振时的电流和电压波形3.3 电压变动3.3.1 电压变动及其对设备的影响图3-21 方均根电压直方图3.3 电压变动图3-22 相对电压变动特性3
11、.3 电压变动图3-23 电压降低程度、电压暂降持续时间与危害程度的关系9a）电压降低程度 b）电压暂降持续时间3.3 电压变动图3-24 设备对电压暂降和持续时间的耐受程度3.3 电压变动图3-25 不同标准对电子设备电压暂降耐受能力的要求3.3 电压变动3.3.2 长时间电压变动图3-26 电压变动的等效电路与相量图3.3 电压变动表3-2 国家标准规定的供电电压偏差3.3 电压变动图3-27 电动机起动功率与变压器二次电压之间的关系3.3 电压变动表3-3 用户电压降落与故障类型之间的关系3.3 电压变动图3-28 中压线路故障引起的电压降落和中断a）瞬时故障对用户电压的影响 b）永久性
12、故障对用户电压的影响3.3 电压变动(1)对照明设备的影响图3-29 单相对地短路故障及对地短路电压向量图a）单相对地短路故障电路 b）A相发生对地短路电压相量图零序阻抗，为零序电流，UN标称电压3.3 电压变动图3-30 白炽灯性能与外加电压的关系（平均特性）3.3 电压变动(2)对异步电动机的影响表3-4 端电压变动对异步电机性能的影响123.3 电压变动(3)对同步电动机的影响 (4)对配电线路的影响 (5)对电气设备的影响 (6)对半导体器件和计算机等电子设备的影响3.3 电压变动表3-5 主要负荷和控制设备电压允许偏差3.3 电压变动为了应对长时间的电压变动，常规的解决方法包括：1.
13、减小配电变压器和线路的电抗2.采用有载或无载调压变压器图3-32 10kV级三相中性点无载调压分接开关a）结构 b）原理图3.3 电压变动3.利用并联电容器对无功功率进行补偿图3-33 有载分接头转换开关的自动控制原理图3.3 电压变动3.3.3 短时间电压变动3.3.3.1 电压暂降(Sag)图3-34 负荷变化引起的电网电压变化a）等效电路 b）相量图3.3 电压变动图3-35 电动机起动引起的相电压暂降3.3 电压变动图3-36 稳态和动态电压变动Uc稳态电压变动 Udyn动态电压变动3.3 电压变动图3-37 工业企业电压暂降的分布3.3 电压变动图3-38 单相对地短路故障引起的瞬时
14、电压暂升a）电压方均根值变化的百分数 b）电压暂升波形3.3.3.2 电压暂升3.3 电压变动3.3.3.3 短时间电压变化的对策1.不间断电源(UPS)图3-39 UPS的结构型式a）在线式双变换UPS电源 b）备用式双变换UPS电源 c）单变换式UPS电源3.3 电压变动2.铁磁谐振调压器(Ferroresonant图3-40 铁磁谐振调压器a）串联式 b）串并联式3.3 电压变动图3-41 CVT的典型电路3.3 电压变动图3-42 CVT负荷率与可以补偿的输入电压之间的关系3.3 电压变动图3-43 MCTR原理图3.3 电压变动负荷侧的对策则大体分为下述三类：1)如果发生短时电压变化
15、时，负荷仍然可以在不损害其原来功能的情况下继续运行。2)电压发生短时变化时，负荷自动安全停机，而在电源恢复后，手动或自动启动。3)除了上述硬件防护手段外，利用软件可以将电压变化发生的时刻，以及对用户的影响进行评估，并对可能造成损害的设备发出警告或停机。3.3 电压变动表3-6 电压调节设备的性能比较3.3 电压变动3.3.4 电压闪变1.闪变的基本概念图3-44 三相四线电源供电的测试电路3.3 电压变动图3-45 矩形电压波动，3.3 电压变动图3-46 为利用IEC推荐的闪变仪对电弧炉Pst的测试结果2.电弧炉中的闪变3.3 电压变动图3-47 典型的电弧炉供电系统简图U0无限大电源母线电
16、压 PCC公共连接点（或称公共供电点）Fb电弧炉变压器一次侧母线T1钢厂主变压器 C钢厂进线 D电弧炉变压器进线 T2电弧炉变压器 F电弧炉E短网，电弧炉变压器二次侧至电弧炉电极的引线3.3 电压变动图3-48 电弧炉典型工作曲线3.3 电压变动图3-49 电弧炉等效电路单线图和功率圆图a）等效电路单线图 b）功率圆图3.3 电压变动3.电压闪变对策图3-50 常规的闪变抑制措施3.4 电压波形失真3.4.1 三相电压不平衡3.4.1.1 不平衡的定义图3-51 某工厂由于电气化铁路引起的三相电压不平衡3.4 电压波形失真图3-52 住宅小区三相电压不平衡3.4 电压波形失真图3-53 电弧炉
17、22kV馈线的负序电流3.4 电压波形失真表3-7 相电压不平衡对异步电动机温升的影响3.4.1.2 电压不平衡的影响3.4 电压波形失真3.4.1.3 不平衡分析与计算1.对称分量法图3-54 三相不对称电压的分解过程3.4 电压波形失真2)三相负荷三角形联结3)接于相间的单相负荷IEC建议可以用下式去计算负序电流：1)三相负荷星形联结3.4 电压波形失真图3-55 典型的三相不对称电压利用对称分量法分解的结果a）不对称三相电压 b）对称分量法分解（由上至下：正序，负序，零序）3.4 电压波形失真图3-56 采用单相变压器的电气化铁路接线图3.4 电压波形失真图3-57 单相短路时三相电流包
18、络2.瞬时值分析3.4 电压波形失真为了快速计算系统基波电压的正序分量、负序分量和零序分量，可以利用瞬时功率理论中计算电流基波正序分量同样的方法。具体步骤如下：1)定义基波瞬时正序分量2)定义0变换矩阵3.4 电压波形失真图3-58 三相电压(平面上的矢量图3.4 电压波形失真表3-8 用户侧电压不平衡的抑制措施3.4.1.4 不平衡补偿3.4 电压波形失真表3-9 单相负荷连接方法3.4 电压波形失真图3-59 三相平衡化电路a）单相电阻负荷 b）平衡化三相系统3.4 电压波形失真图3-60 三角形联结不平衡负荷的平衡a）三角形联结的不平衡负荷 b）补偿后的三相负荷3.4 电压波形失真图3-
19、61 利用TSC不平衡控制原理图3.4 电压波形失真图3-62 换相电压缺口波形a）相电压 b）线电压 c）换相过程电流波形3.4.2 波形缺口电压波形缺口是指电力电子装置正常运行时，在电流由一相换相到另一相时产生的周期性的电压干扰。3.4 电压波形失真图3-63 三相全控桥式整流电路和计算换相缺口面积的等效电路a）桥式整流电路b）等效电路图3.4 电压波形失真表3-10 系统换相过程分类和失真限值3.4 电压波形失真图3-64 直流传动系统换相缺口面积计算实例（1hp=745.7W）3.5 电能质量标准将电能质量问题划分为三类：源自供电系统的电能质量问题对工厂的影响；源自工厂自身的电能质量问
20、题对工厂本身的影响；工厂产生的电能质量问题对电网的影响。图3-65 电能质量问题的来源3.5 电能质量标准解决方法包括：1)供电系统方面降低电源的变化；2)制造厂商和终端用户提高用电设备对电能变化的耐受性；3)终端用户在电源和敏感电子设备之间插入接口设备，如各种电能控制设备，以隔离相互之间的影响。ITI曲线可以分为8种情况进行描述：(1)稳态工作区 这里指电压的有效值维持恒定或变化非常缓慢，且其变化范围为标称电压的10%以内，该电压是额定负荷和配电系统损耗的函数。(2)电压增高区 对应图中电压有效值的增高不超过120%，而持续时间不超过0.5s的区域。3.5 电能质量标准图3-66 信息技术工
21、业委员会3.5 电能质量标准(3)低频减幅振荡区 该区域对应一个减幅振荡的状态过程，它通常出现在向交流配电系统接入功率因数补偿电容时的过程中。(4)高频脉冲与振荡区 该区域对应的暂态过程产生的原因最典型的是由于雷电脉冲引起。(5)电压跌落区 这里包括两个具有不同有效值的电压跌落。(6)失电压区 失电压包括严重的电压跌落和电源电压完全中断，随之又迅速重新恢复标称电压的供电。(7)无损害区 该区域对应的现象包括较(5)、(6)所列条件更为严重的电压跌落和失电压，以及所施加的电源电压长期低于稳态电压允许范围的下限。(8)禁止区 该区域包括可能的浪涌或电压超过设备的上限。3.5 电能质量标准1.源自电
22、网的电能质量问题与标准1)供电系统和紧急/备用电源必须良好地接地；2)在变电所、工厂进线和加工与控制设备，采用多层次过电压保护；3)电气设计上，采用可靠的供电接线和将问题负荷与敏感负荷隔离；4)设计、确定和实现满足表3-11中的ITI和SEMI标准所要求的紧急处理和控制设备。表3-11 相关标准3.5 电能质量标准2.源自工厂的自身电能质量问题对工厂本身的影响1)确定问题所在，找出解决方法，并加以优化。进行彻底调查，包括对所有的接线和接地，以发现问题所在；监测电力系统可能的扰动；调查设备对电力系统扰动的敏感性，选择具有足够抗扰度的设备；研究电源和负荷之间的相互作用；确定负荷停运条件及后果。2)
23、补偿设备与电网的兼容性：用户必须确定计划采用的补偿设备与电网兼容，从而可以正常工作，并且不会对邻近负荷发生相互干扰。3.5 电能质量标准 对可能的电网电压暂降、暂升、瞬间停电和浪涌的耐受性，以及设备本身；对起动或突入电流进行限制，以阻止其运行引起馈线电压跌落；限制谐波失真电流；限制换相缺口。3.5 电能质量标准3)校验补偿装置与负荷的兼容性：用户必须了解计划保护的负荷对环境的要求，从而选择具有适当输出性能的电能质量控制设备，特别是根据要求确定容量和精度。图3-68 电能质量控制器的补偿效果3.5 电能质量标准4)根据相关标准对设计进行评估：与设备电能质量相关的主要标准见表3-12。表3-12
24、电能质量问题相关标准3.5 电能质量标准表3-12 电能质量问题相关标准3.5 电能质量标准图3-69 电能质量控制设备设计流程图第4章 电能质量中的谐波抑制4.1 谐波定义及危害4.2 谐波抑制及无源滤波装置4.3 有源电力滤波器4.1 谐波定义及危害图4-1 三相电流的波形和频谱4.1 谐波定义及危害4.1.1 谐波定义目前一个普遍接受的谐波定义为：“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”。4.1 谐波定义及危害2)在开关电源等电力电子装置的讨论中，功率因数通常定义为有两个常用的定义值得注意：1)IEC标准中对总谐波电流的方均根值定义，仅限于40次及以下的谐波，即4.
25、1 谐波定义及危害4.1.2 谐波源与其危害电力系统中的各种非线性元件是产生谐波的主要原因。按照非线性元件的类型，电力系统谐波源可以分为两大类：1.作为非线性设备的电力电子装置4.1 谐波定义及危害表4-1 典型设备的电流波形和畸变率4.1 谐波定义及危害图4-2 机车交流驱动的典型电力电子电路4.1 谐波定义及危害表4-2 SS-8型电力机车谐波实测数据4.1 谐波定义及危害2.含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源(1)旋转电机 发电机和电动机是电力系统中应用最为广泛的电力设备之一。(2)变压器和铁心电抗器 变压器广泛存在于各级电网中，用以联系不同电压等级的电网，正常运行条件下，如不考虑磁滞及铁
26、心饱和时，它基本是线性的。(3)电弧炉、交流电焊机等冲击性负荷 电弧炉利用其电极和炉料之间产生的电弧的热量冶炼金属，是钢铁产业的重要设备。4.1 谐波定义及危害图4-3 电弧炉电流/电压特性曲线和电流幅频特性a）电流/电压特性曲线 b）电流幅频特性4.1 谐波定义及危害表4-3 某交流电弧炉谐波含量4.1 谐波定义及危害图4-4 谐波源的行业分布4.1 谐波定义及危害谐波电流、谐波电压对电力系统和用户的影响及危害：1)由于谐波的存在，增加了系统中元件的附加谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的使用效率。2)谐波影响各种电气设备，特别是电机类设备的正常工作。3)电力系统中电容器的应用可能会导致的谐
27、振，是一个需要非常重视的问题。4)谐波电流除了会增加继电器的发热和损耗之外，还会导致动作特性改变，以致造成保护装置的拒动或误动。5)电力线中的谐波，特别是电能变换装置所产生的谐波电流和电压，会产生相应的电场和磁场，从而对邻近的通信系统造成明显的杂音干扰，降低通信的质量。6)对计算机和各种电子设备产生干扰。4.1 谐波定义及危害4.1.3 谐波标准表4-4 IEC61000-3-2低压设备的限值4.1 谐波定义及危害图4-5 A与D类设备限值之比与输入功率的关系4.1 谐波定义及危害图4-6 试验电路输入电流频谱和标准限值4.1 谐波定义及危害表4-5 第一级设备(SequSsc/33)谐波电流
28、发射限值4.1 谐波定义及危害表4-6 公用电网谐波电压(相电压)限值4.1 谐波定义及危害表4-7 注入公共连接点的谐波电流允许值4.1 谐波定义及危害表4-8 配电系统电流失真限值(12069000V)44.2 谐波抑制及无源滤波装置表4-9 抑制谐波的主要技术措施4.2 谐波抑制及无源滤波装置表4-9 抑制谐波的主要技术措施4.2 谐波抑制及无源滤波装置4.2.1 谐波源治理(1)多重化技术图4-7 12脉波换流桥4.2 谐波抑制及无源滤波装置(2)脉宽调制整流技术 除上述措施外，还通常有如下几方面措施来抑制谐波对设备的影响：1)提高设备对谐波干扰的耐受能力，比如让变压器、电机降低额定值
29、使用，以留有足够的裕量。2)利用安装位置适当的、特别是安装在谐波源附近的无源滤波器来吸收谐波源发生的谐波电流，从而有效地减少在系统中传导的谐波电流。3)采用有源滤波技术可以有效地抵消非线性负荷产生的谐波电流，近年来结合有源和无源滤波器两者优点的混合滤波器正得到越来越广泛的关注。4.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-8 并联滤波器对谐波源的分流作用a）系统单线图 b）谐波等效电路4.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-9 常用的无源电力滤波器结构a）单调谐带通滤波器 b）高通滤波器 c）C型阻尼滤波器 d）桥式滤波器4.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-10 模型系统原理图与PSCAD仿真结果a）系统单
30、线图 b）PSCAD仿真原理电路 c）5次谐波仿真电流波形 d）7次谐波仿真电流波形4.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-11 电路参数与电流之间的关系a）0 b）1 0 c）=1 d）14.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-12 电路参数与谐波放大的关系4.2 谐波抑制及无源滤波装置表4-10 串联电抗器容量和相应的谐波特性4.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-13 某工厂供电系统单线图4.2 谐波抑制及无源滤波装置4.2.2 滤波器的设计方法表4-11 谐波分析用电力系统元件模型4.2 谐波抑制及无源滤波装置表4-11 谐波分析用电力系统元件模型4.2 谐波抑制及无源滤波装置第1步：决定滤波器无
31、功容量1)根据已知的接入点电压和谐波电流计算对应于每个滤波器电容器最小安装容量时输出的无功功率，如果其和满足(即不小于)给定的无功功率要求时，并且超出部分也在允许范围之内，则可以将各滤波器的最小安装容量作为其安装容量。2)工业应用中，为了防止谐波放大和限制电容器组的合闸涌流，很少采用纯电容器进行无功补偿，往往均在电容器上串联限流电抗，从而构成实际上的滤波器。第2步：选择滤波器的调谐频率1)谐振时的低阻抗会导致几乎所有相应频率的谐波电流都流经滤波器，这样会加大对滤波器容量的要求。4.2 谐波抑制及无源滤波装置2)如前所述，滤波器与系统阻抗之间的相互作用会导致系统在一个低于调谐频率的频率上产生并联
32、谐振，这会导致需要对滤波器参数进行重新调谐。此外：1)滤波器部分电容单元失效导致总体电容值的减少，从而导致滤波器的谐振频率增高。2)滤波器电抗和电容在制造过程中的误差：通常商品电容器的误差范围为20%，而电抗器的偏差为5%。3)电力系统结构的变化所导致的系统短路容量与负载阻抗变化。4.2 谐波抑制及无源滤波装置第3步：优化滤波器配置，以满足谐波守则1)分级投切时滤波器的组数及不同组合时的性能；2)采用多个滤波器时，其中一个滤波器故障所产生的影响；3)系统电压和负荷的变化范围；4)电力系统正常时和故障时的结构；5)系统频率变化、元件制造误差、恶劣气温下的容量变化和滤波器电容器单元的停用所引起的滤
33、波器的失谐；6)特征和非特征谐波。第4步：确定元件额定值1)电容的额定值：电容器的额定值通常是由其工作电压和发出的无功功率确定的。4.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-14 电容的瞬变过电压能力4.2 谐波抑制及无源滤波装置2)滤波器电抗额定值3)滤波器电阻额定值4.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-15 单调谐滤波器a）结构 b）RX特性 c）阻抗频率特性4.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-16 单调滤波器性能、宽带和渐近线与频偏的关系4.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-17 单调谐滤波器阻抗和相位频率特性4.2.3 偏谐振式滤波器及滤波器组1.单调谐带通滤波器设计4.2 谐波抑制及无源滤波装置
34、图4-18 PSPICE中的仿真电路4.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-19 5、7次单调谐滤波器组频率特性4.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-20 双调谐滤波器及频谱特性a）两个单调谐滤波器构成的单调谐滤波器组 b）双调谐滤波器 c）频谱特性2.双调谐滤波器设计4.2 谐波抑制及无源滤波装置图4-21 高通(阻尼)滤波器电路a）一阶 b）二阶 c）三阶 d）C型3.高通滤波器设计4.2 谐波抑制及无源滤波装置问题：1)无源滤波器由于其调谐频率和容量均是固定的，不能适应系统参数和运行条件的变化，而元件的老化、变质和温度影响均可能导致滤波器失谐，甚至引起谐波放大。2)滤波器的设计受到系统阻抗的影
35、响，对于需要无功补偿容量很大的场合，滤波器的投入可能会导致系统过补偿和过电压，而其切除又可能引起欠电压。3)由于单调谐滤波器只能消除特定的某次谐波，实际系统中往往由于谐波含量丰富而需要多组滤波器并联。4)滤波器和系统之间或滤波器组间可能会产生并联谐振，从而导致对特征或非特征谐波电流的放大。5)对于大容量滤波器而言，其串联电阻可能产生可观的有功损耗。4.3 有源电力滤波器表4-12 各装置对解决不同电能质量起的作用4.3 有源电力滤波器4.3.1 纯有源滤波器1.有源滤波器的结构与性能图4-22 反馈型有源滤波器等效电路a）电流检测电压补偿（I型）b）电流检测电流补偿（型）c）电压检测电流补偿（
36、型）d）电压检测电压补偿（型）4.3 有源电力滤波器图4-23 前馈型有源滤波器等效电路a）电流检测电流补偿型（型）b）电压检测电压补偿型（型）4.3 有源电力滤波器表4-13 有源滤波器的插入损耗和谐波改善率4.3 有源电力滤波器2.并联有源滤波器(1)原理与结构图4-24 并联有源滤波器原理图4.3 有源电力滤波器图4-25 并联有源电力滤波器等效电路4.3 有源电力滤波器特性：逆变器应当包括一个辅助的、频带达1kHz的电流环，并且采用载波频率为25kHz的PWM方法，对补偿电流进行控制。控制电路应当能从非线性负荷电流中利用数字信号处理的方式，尽可能精确地瞬时提取欲补偿的谐波分量的幅值和相
37、位的信息。为了从补偿电流中消除PWM逆变器开关频率的脉动，所以一般与逆变器并联一个小容量的无源滤波器。其安装位置应当尽可能靠近逆变器。4.3 有源电力滤波器(2)控制系统 有源电力滤波器控制系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路。1)补偿信号的检测方法：实际上，补偿器的补偿特性取决于由负荷电流中提取谐波的算法，即在很大程度上，APF的有效性依赖于是否能得到没有失真地表示欲补偿的谐波分量的参考信号。负荷电流检测 电源电流检测 母线电压检测4.3 有源电力滤波器图4-26 基于陷波器的有源滤波器结构图4.3 有源电力滤波器图4-27 自适应噪声滤波器4.3 有源电力滤波器图4-2
38、8 谐波解耦组合滤波器a）带通滤波器 b）FFT解耦方法4.3 有源电力滤波器图4-29 自适应噪声滤波器原理图与传递函数a）自适应检测电路原理图 b）数字实现原理图 c）频率特性4.3 有源电力滤波器图4-30 基于同步坐标系的瞬时电流计算方法4.3 有源电力滤波器图4-31 并联有源滤波器控制系统框图4.3 有源电力滤波器2)控制系统结构 基于负荷电流检测的控制系统图4-32 基于负荷电流检测的控制系统a）系统框图 b）波特图4.3 有源电力滤波器图4-33 基于电源电流检测的控制系统a）系统框图 b）波特图 基于电源电流检测的控制系统4.3 有源电力滤波器图4-34 基于母线电压检测的控
39、制系统a）系统框图 b）波特图 基于母线电压检测的控制系统4.3 有源电力滤波器图4-35 纯并联有源滤波器电路图4.3 有源电力滤波器图4-36 纯并联有源滤波器控制系统框图4.3 有源电力滤波器图4-37 纯并联滤波器仿真波形4.3 有源电力滤波器图4-38 四重化串联有源滤波器的结构和控制框图4.3 有源电力滤波器图4-39 串联有源滤波器原理图3.串联有源滤波器4.3 有源电力滤波器图4-40 统一电能质量控制器（UPQC）结构4.统一电能质量控制器4.3 有源电力滤波器图4-41 DCI-UPQC单相拓扑结构4.3 有源电力滤波器图4-42 UPQC原理框图4.3 有源电力滤波器图4
40、-43 串联单元和并联单元所处的位置a）串联单元位于电源侧 b）并联单元位于负荷侧4.3 有源电力滤波器对上述串联单元位于电源侧和负荷侧两种UPQC结构的分析表明：1)前者可以工作在零功率交换模式，后者不能。2)前者可以通过调节并联补偿器输出的无功补偿电流使负荷端的功率因数为1，后者则取决于负荷本身。3)前者的并联部分可以直接提供负荷所需的全部无功功率，而后者由于并联部分只能对接入点的无功功率进行直接补偿，所以只能提供负荷所需的平均无功功率。4.3 有源电力滤波器图4-44 串联单元位于电源侧的UPQC单相等效电路4.3 有源电力滤波器图4-45 串联单元位于负荷侧的UPQC单相等效电路4.3
41、 有源电力滤波器图4-46 电压暂降和恢复时负荷端电压、电流波形a）、c）电压暂降时负荷端电压、电流波形 b）、d）电压恢复时负荷端电压、电流波形4.3 有源电力滤波器图4-47 三相不平衡暂降时系统响应4.3 有源电力滤波器4.3.2 混合滤波器图4-48 两单元混合滤波器拓扑a）串联连接的串联无源滤波器（PFss）和串联有源滤波器（AFss）b）并联连接的串联无源滤波器（PFss）和串联有源滤波器（AFss）c）并联无源滤波器（PFsh）和串联有源滤波器（AFss）d）并联有源滤波器（AFsh）和串联无源滤波器（PFss）e）并联连接的并联无源滤波器（PFsh）和并联有源滤波器（AFsh）
42、f）串联连接的并联无源滤波器（PFsh）和并联有源滤波器（AFsh）g）串联无源滤波器（PFss）和并联有源滤波器（AFsh）h）串联有源滤波器（AFss）和并联无源滤波器（PFsh）4.3 有源电力滤波器下面主要对两种主要类型的混合滤波器的功能加以适当的说明(1)并联连接的并联无源滤波器PFsh和并联有源滤波器AFsh图4-49 并联连接AFsh和PFsh等效电路4.3 有源电力滤波器图4-50 用于电弧炉补偿的21MVA有源滤波器4.3 有源电力滤波器(2)串联连接的并联无源滤波器PFsh和并联有源滤波器AFsh图4-51 串联连接的PFsh和AFsh的结构及等效电路a）结构 b）等效电路
43、4.3 有源电力滤波器图4-52 串联连接的AFsh和PFsh原理图及控制系统框图a）原理图 b）控制系统框图4.3 有源电力滤波器图4-53 混合滤波器的滤波特性a）正序分量 b）负序分量4.3 有源电力滤波器图4-54 3.3kV、300kW模型系统的仿真结果4.3 有源电力滤波器图4-55 200V、5kW整流器负荷的实验室补偿结果第5章 电能质量中的无功补偿5.1 变阻抗型静止无功补偿器5.2 瞬时无功与DFACTS装置5.3 STATCOM5.1 变阻抗型静止无功补偿器5.1.1 晶闸管控制电抗器(TCR)图5-1 TCR的结构原理单线图5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-2 ABB
44、公司TCR阀体和电抗器的外观图5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-3 TCR的基频电压-电流特性曲线5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-4 TCR电流的基波和各次谐波的幅值与触发延时角的关系5.1 变阻抗型静止无功补偿器表5-1 TCR正常运行时的最大特征谐波电流值1.六脉波TCR图5-5 六脉波晶闸管控制电抗器5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-6 十二脉波晶闸管控制电抗器2.十二脉波TCR5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-7 晶闸管控制的高阻抗变压器3.晶闸管控制的高阻抗变压器(TCT)5.1 变阻抗型静止无功补偿器5.1.2 晶闸管投切电容器(TSC)图5-8 TSC的原理结构和工作波
45、形a）原理结构 b）工作波形5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-9 电容电压等于系统电压峰值时投入TSC5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-10 电容充分放电、无残压情况2.晶闸管端电压为零作为TSC投入时机1.无暂态过程的TSC投切时机5.1 变阻抗型静止无功补偿器5.1.3 静止无功补偿器(SVC)图5-11 SVC的常见形式a）采用TCR、MSC和滤波器组合方式的SVC b）采用TCR、TSC组合方式的SVCc）采用TCR、TSC和滤波器组合方式的SVC5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-12 FC-TCR型SVC的单相原理图和补偿特性a）单相原理图 b）补偿特性5.1 变阻抗型静止无功
46、补偿器图5-13 伏安特性SVC的稳态和暂态运行点5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-14 变电所无功补偿装置的性能5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-15 电路单线图和运行曲线a）电路接线图 b）运行曲线5.1 变阻抗型静止无功补偿器目前常用的控制方法包括如下几种：1)分相控制，对正负半周进行开环预测控制；2)检测供电点的无功功率的相对变化量，对于预测控制的平均值进行闭环补偿控制；3)每个半周对负荷的无功功率预测的结果中，减去基频分量，使静止闪变补偿装置的工作点自动地移到负荷的波动范围，以提高补偿效率为目的的偏置补偿控制。图5-16 SVC的开环控制结构5.1 变阻抗型静止无功补偿器该控制器
47、包括如下部分：1)首先由一个称为电纳计算器的功能模块(SC)，通过测量负荷上的电压和电流，经计算得到负荷的等值电纳，设为2)然后根据维持总电纳恒定的控制目标，计算出SVC应该具有的等效电纳，即 ，其中 为需要维持恒定的电纳参考值。3)再通过非线性变换得到所需的TCR导通角，该非线性变换对应的函数通常被称作SVC的前馈传递函数 ，它是由SVC的运行特性决定的。5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-17 SVC的闭环控制结构（AVR）5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-18 SVC投运前、后的电弧炉电压闪变抑制a）SVC投运前 b）SVC投运后5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-19 CERN可移动
48、SVC项目a）CERN单线图 b）位于集装箱中的阀体5.1 变阻抗型静止无功补偿器图5-20 美国伯克利NUCOR钢铁厂投运的SVC5.2 瞬时无功与DFACTS装置5.2.1 瞬时无功理论1.正弦电压激励的单相线性电路2.正弦电压激励的三相线性电路5.2 瞬时无功与DFACTS装置图5-21 三相四线制系统5.2 瞬时无功与DFACTS装置图5-22 abc和坐标系之间的关系5.2 瞬时无功与DFACTS装置5.2.2 基于瞬时功率理论的补偿算法图5-23 三相四线制系统原理图图5-24 瞬时功率相量图5.2 瞬时无功与DFACTS装置表5-2 同步坐标系上变量的物理意义表5-3 电能补偿器
49、在电力系统中的应用5.2 瞬时无功与DFACTS装置图5-25 补偿器拓扑结构a）并联型 b）串联型 c）串-并联型5.2.3 变流补偿器的主电路结构1.变流补偿器的分类5.2 瞬时无功与DFACTS装置图5-26 放射式配电系统单线图5.2 瞬时无功与DFACTS装置图5-27 并联补偿器的补偿原理a）感性负荷补偿原理 b）容性负荷补偿原理2.变流并联补偿器的原理和功能5.2 瞬时无功与DFACTS装置图5-28 固态并联补偿器原理图5.2 瞬时无功与DFACTS装置电力系统并联补偿具有如下特点：1)并联补偿装置与电力系统并联，通过供电点嵌入系统，不需改变电力系统的结构，所以可以容易地实现所
50、谓的热插接，即可以在系统正常运行时无冲击地投入运行和退出运行。2)并联补偿可以改变系统的导纳矩阵的对角元素或向系统中注入电流，因此通过并联补偿可以方便地向系统注入或从系统吸收有功功率，或向系统中注入无功功率或从系统中吸收无功功率，因此并联补偿可以控制电力系统的有功功率或无功功率的平衡。正是并联补偿的上述两种能力，使得并联补偿对电力系统具有如下作用：5.2 瞬时无功与DFACTS装置 维持或控制供电点电压；向电力系统提供或从系统中吸收无功功率；改变系统的阻抗特性；提高系统的电能质量。该技术一般用于补偿独立和群体负荷，其目的有三：1)功率因数校正；2)电压调节；3)负荷平衡。5.2 瞬时无功与DF
