專利名稱：一種用于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種電網(wǎng)供電質(zhì)量治理裝置，具體涉及一種用于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置。
背景技術(shù)：
對于自然環(huán)境的污染問題早已引起世界各國的重視并且都制定了相應(yīng)的環(huán)境保護(hù)法，對各種污染排放的容許量加以限制并進(jìn)行監(jiān)測和管理。然而，在電力系統(tǒng)中各種諧波源產(chǎn)生的諧波也對電力系統(tǒng)環(huán)境造成污染，影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的電氣環(huán)境，包括電力系統(tǒng)本身和廣大用戶，而且其污染影響的范圍大、距離遠(yuǎn)，可能比一個(gè)工廠對大氣環(huán)境的污染距離還要遠(yuǎn)、范圍還要大。電力系統(tǒng)波形畸變并不是一個(gè)新的問題，早在192(Γ1930年間，德國就已提出靜態(tài)整流器產(chǎn)生的波形畸變問題，到5(Γ60年代由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，對換流器諧波問題的研究有大量文章發(fā)表。近年來更由于大容量電力整流、換流設(shè)備以及電子設(shè)備在各工業(yè)部門和電力系統(tǒng)及其自動(dòng)控制中的廣泛應(yīng)用，世界各國都對諧波問題給予十分重視和關(guān)心，定期召開有關(guān)諧波問題的學(xué)術(shù)討論會(huì)，國際電工委員會(huì)(IEC)和國際大電網(wǎng)會(huì)議都相繼組成了專門的工作組，已經(jīng)并正在制定包括供電系統(tǒng)、各項(xiàng)電力和用電設(shè)備以及家用電器在內(nèi)的諧波標(biāo)準(zhǔn)，并已將諧波干擾問題列入電磁兼容范圍之內(nèi)。目前很多國家都相繼制定并頒布了限制電力系統(tǒng)諧波的標(biāo)準(zhǔn)，或者由有關(guān)權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定或?qū)t，以便采取措施把電網(wǎng)中的諧波控制在允許的范圍以內(nèi)，保證電網(wǎng)安全運(yùn)行和用戶的各種用電器具正常工作。我國的國家技術(shù)監(jiān)督局批準(zhǔn)頒發(fā)了國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T14595-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，以促使電力部門和電力用戶共同采取措施，象保護(hù)自然環(huán)境一樣防治諧波干擾，把電網(wǎng)的諧波水平控制在諧波國 標(biāo)允許的范圍內(nèi)，提高供電質(zhì)量，維護(hù)電網(wǎng)安全運(yùn)行，保障接入電網(wǎng)的各種用電設(shè)備正常工作，以獲得良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益，已成為本領(lǐng)域技術(shù)人員有待解決和完善的技術(shù)問題。為了保證諧波源用戶注入系統(tǒng)的諧波電流滿足國標(biāo)的考核要求，就必須對諧波進(jìn)行治理，目前就電網(wǎng)系統(tǒng)中諧波電流的產(chǎn)生原因以及對各類設(shè)備的危害有關(guān)技術(shù)文獻(xiàn)已進(jìn)行詳細(xì)的分析，并提出了一些解決系統(tǒng)中諧波污染問題的技術(shù)方案。目前國外在諧波治理方面要早與我國，但由于國外廠家在設(shè)計(jì)時(shí)有時(shí)會(huì)因?yàn)閷ξ覈娏ο到y(tǒng)了解不夠，造成諧波放大現(xiàn)象，同時(shí)進(jìn)口設(shè)備的價(jià)格居高不下，對于國內(nèi)廣大的中小型企業(yè)來說很難承受。因此，需要本領(lǐng)域技術(shù)人員設(shè)計(jì)出適合中國電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的諧波治理裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種能夠用于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置，同時(shí)該裝置還能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是設(shè)計(jì)一種用于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置，其特征在于，所述裝置包括無源濾波器和有源濾波器，所述無源濾波器包括相互并聯(lián)的5次諧波濾波支路、7次諧波濾波支路、11次諧波濾波支路，所述各次諧波濾波支路均由斷路器、電流互感器、熔斷器、電抗器、電容器和雙向可控硅依次串接；所述有源濾波器包括串接在電網(wǎng)變壓器低壓側(cè)的第一電阻，并聯(lián)在第一電阻另一側(cè)的第二電阻，第二電阻的另一端與絕緣柵極雙極型晶體管的基極連接，在絕緣柵極雙極型晶體管的集電極與發(fā)射極之間并聯(lián)有電容器；所述無源濾波器各次諧波濾波支路及有源濾波器的輸入端均并聯(lián)于變壓器的低壓側(cè)，其輸出端與負(fù)載聯(lián)接，所述變壓器的高壓側(cè)與電網(wǎng)連接。為了能夠針對不同次數(shù)的諧波進(jìn)行有效治理，其中優(yōu)選的技術(shù)方案是，在所述各次諧波濾波支路中電抗器的阻抗與電容器的容抗匹配后的諧振頻率與各濾波支路的諧振頻率相同
為了能夠?yàn)V除掉大部分諧波的基礎(chǔ)上，又能使設(shè)備投入最少，進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案是，所述相互并聯(lián)的5次諧波濾波支路為3路，所述相互并聯(lián)連接的7次諧波濾波支路為2路，所述相互并聯(lián)連接的11次諧波濾波支路為2路。為了便于對濾波裝置進(jìn)行有效的控制，進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案還有，所述雙向可控硅通過控制器輸出的控制信號進(jìn)行投切，該信號為直流電壓信號。為了能夠滿足不同用電負(fù)載的濾波需求，進(jìn)一步優(yōu)選的技術(shù)方案還有，所述各次諧波濾波支路的容量計(jì)算公式為:
濾波支路的容抗:Xe =UN2/n/Q;
濾波支路的感抗:Xl= Xc/h2;
濾波支路的實(shí)際阻抗: X=Xc - XI;
濾波支路的基波電流: I=UN/X;
濾波支路的額定電流: Ie=n*Q/ Un;
_濾波支路的諧波電流余量:1’ = V Ie2- 12 ;
基波補(bǔ)償容量:Q’ = I2*X;
上式中
Un: 電容器的額定電壓；η: 單相電容器的個(gè)數(shù)；
Q: 單臺電容器的容量；h: 分別為濾波次數(shù)5、7、11。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和有益效果在于:通過上述裝置的使用使變壓器負(fù)載一側(cè)的功率因數(shù)得到了明顯的提高，由治理前的0.65提高到0.96，將5次諧波、7次諧波、11次諧波基本消除。而為該裝置由于采用了有源濾波與無源濾波并用的濾波結(jié)構(gòu)，由于無源濾波成本低而且可將大部分諧波濾除，然后再用一路有源濾波器將其余的諧波徹底與予以濾除，這樣既可以保證該裝置對諧波的濾出效果，同時(shí)又可以降低濾波裝置的成本。


圖1是本發(fā)明于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置的電路原理 圖2是并聯(lián)型有源電力濾波器電路原理 圖3是串聯(lián)型有源電力濾波器電路原理圖； 圖4是單調(diào)諧濾波器電路原理 圖5是雙調(diào)諧濾波器電路原理 圖6是一階減幅型濾波器電路原理 圖7是二階減幅型濾波器電路原理 圖8是三階減幅型濾波器電路原理 圖9是C型濾波器電路原理圖 圖10是電壓波形已經(jīng)嚴(yán)重畸變波形 圖11是電流波形已經(jīng)嚴(yán)重畸變波形 圖12是投入5次支路后，濾波裝置與系統(tǒng)的阻抗頻率曲線；
圖13是投入兩個(gè)5次支路后，濾波裝置與系統(tǒng)的阻抗頻率曲線；
圖14是投入兩個(gè)5次和7次支路后，濾波裝置與系統(tǒng)的阻抗頻率曲線；
圖15是濾波支路全部投入后，濾波裝置與系統(tǒng)的阻抗頻率曲線。圖中:1、無源濾波器；2、有源濾波器；3、5次諧波濾波支路；4、7次諧波濾波支路；
5、11次諧波濾波支路；QF、由斷路器；TA、電流互感器；FU、熔斷器；L、電抗器；C、電容器；KP、雙向可控硅；R1、第一電阻；R2、第二電阻；IGBT、絕緣柵極雙極型晶體管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。本發(fā)明一種用于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置，該裝置包括無源濾波器I和有源濾波器2，所述無源濾波器I包括相互并聯(lián)的5次諧波濾波支路3、7次諧波濾波支路4、11次諧波濾波支路5，所述各次諧波濾波支路均由斷路器QF、電流互感器TA、熔斷器FU、電抗器L、電容器C和雙向可控硅KP依次串接；所述有源濾波器2包括串接在電網(wǎng)變壓器低壓側(cè)的第一電阻R1，并聯(lián)在第一電阻Rl另一側(cè)的第二電阻R2，第二電阻R2的另一端與絕緣柵極雙極型晶體管IGBT的基極連接，在絕緣柵極雙極型晶體管IGBT的集電極與發(fā)射極之間并聯(lián)有電容器C ;所述無源濾波器各次諧波濾波支路及有源濾波器的輸入端均并聯(lián)于變壓器T的低壓側(cè)，其輸出端與負(fù)載聯(lián)接，所述變壓器T的高壓側(cè)與電網(wǎng)連接。在本發(fā)明中為了能夠針對不同次數(shù)的諧波進(jìn)行有效治理，其中優(yōu)選的實(shí)施方案是，在所述各次諧波濾波支路中電抗器的阻抗與電容器的容量與被濾諧波的次數(shù)呈比例。在本發(fā)明中為了能夠在濾除掉大部分諧波的基礎(chǔ)上，又能使設(shè)備投入最少，進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方案是，所述相互并聯(lián)的5次諧波濾波支路為3路，所述相互并聯(lián)連接的7次諧波濾波支路為2路，所述相互并聯(lián)連接的11次諧波濾波支路為2路。在本發(fā)明中為了便于對濾波裝置進(jìn)行有效的控制，進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述雙向可控硅的控制極與用于控制電網(wǎng)濾波的控制器(圖中未畫)連接，所述控制器輸出的控制信號為直流電壓信號。在本發(fā)明中為了能夠滿足不同用電負(fù)載的濾波需求，進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施方案還有，所述各次諧波濾波支路的容量計(jì)算公式為:
濾波支路的容抗:Xe =UN2/n/Q;
濾波支路的感抗:Xl= Xc/h2;濾波支路的實(shí)際阻抗: X=Xc - XI;
濾波支路的基波電流: I=UnZX;
濾波支路的額定電流: Ie=n*Q/ Un;
_濾波支路的諧波電流余量:1’ = V Ie2- 12 ;
基波補(bǔ)償容量:Q’ = I2*X;
上式中
Un: 電容器的額定電壓；η: 單相電容器的個(gè)數(shù)；
Q: 單臺電容器的容量；h: 分別為濾波次數(shù)5、7、11。下面對本發(fā)明用于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置，其原理予以詳細(xì)的介紹:
諧波的含義及起源
概述
衡量電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，僅僅考慮頻率和電壓的允許偏差是不夠的，因?yàn)殡娏?、電壓波形畸變程度也是影響電能質(zhì)量的重要因素。象許多污染一樣，電力系統(tǒng)中由于各種原因所產(chǎn)生的諧波也構(gòu)成對電網(wǎng)的污染、 從而惡化了整個(gè)電力生產(chǎn)環(huán)境、以至到了必須采取有效措施加以治理的地步。 國際上公認(rèn)的諧波含義為:“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。由于諧波的頻率是基波頻率的整數(shù)倍數(shù)，因此我們也常常稱它為高次諧波。對于目前供電系統(tǒng)中的諧波電流產(chǎn)生的原因，經(jīng)過各國專家多年來的總結(jié)，主要可以分為三大因素:
(I)大功率變流設(shè)備和調(diào)壓裝置等的廣泛應(yīng)用、電視機(jī)和變頻等家用電器的普及。(2)電弧爐和電焊機(jī)等電弧類型的非線性負(fù)荷的日益增加。(3)設(shè)計(jì)思想的改變。過去傾向于采用在額定情況下裕量較大的設(shè)計(jì)，而現(xiàn)在設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮接近于磁性材料的飽和區(qū)。因此，要治理電力系統(tǒng)的諧波污染就必須先了解諧波的起源，從而達(dá)到治標(biāo)治本的目的。諧波的起源
對于諧波的起源，上述中已經(jīng)提到了三個(gè)因素，下面就分別對三個(gè)因數(shù)進(jìn)行分別分析。(一)大功率變流設(shè)備產(chǎn)生諧波的原因及主要特征諧波
目前使用的變流設(shè)備中，主要采用的可控硅整流裝置。根據(jù)發(fā)明人多年來的諧波治理經(jīng)驗(yàn)得知，一般的直流拖動(dòng)電機(jī)或變頻電機(jī)在由交流變?yōu)橹绷鲿r(shí)，大部分采用的是三相六脈沖可控硅整流裝置。但大功率的直流拖動(dòng)電機(jī)一般采用的是六相十二脈沖的整流裝置。另外，目前中小型鋼廠所使用的中頻爐也和直流電機(jī)的整流方式相同。由于整流裝置在調(diào)節(jié)直流輸出的功率時(shí)通過調(diào)節(jié)可控硅的導(dǎo)通角來完成的，因此在交流部分就不可避免的出現(xiàn)電壓和電流畸變的情況。通過對電壓和電流波形的傅立葉級數(shù)的分析可以得出交流部分中含有大量的諧波分量。通過多年來對該類設(shè)備測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)得知，三相六脈沖整流裝置產(chǎn)生的諧波電流主要以5次、7次、11次和13次為主，其中5次諧波電流占總電流的比重最大，7次諧波次之，11次和13次略小。而六相十二脈沖的整流裝置一般采用一臺三圈變，在低壓側(cè)采用Y/ Λ的接線方式，直流部分采用并聯(lián)的方式。正常工作時(shí)，Y和Λ兩側(cè)的整流裝置各自的整流方式均為三相六脈沖整流方式，各自產(chǎn)生諧波電流也是以5次、7次、11次和13次為主。但是，由于Y和Λ之間有三十度的角差，因此兩邊的諧波電流通過磁路的疊加后，5次和7次諧波電流將會(huì)大幅度的下降，而11次和13次電流下降很小。因此，采用該種的接線方式時(shí)，流入高壓系統(tǒng)的諧波電流主要以11次、13次、23次和25次為主。在理論狀態(tài)下，5次和7次諧波電流幾乎沒有。但是由于Y和Λ兩邊可控硅導(dǎo)通角的差異，使得兩邊的諧波電流并不能完全相等，因此注入系統(tǒng)的諧波電流中，5次和7次諧波也有一定的含量。目前該類接線方式主要體現(xiàn)在軋制高速線材方面表現(xiàn)的比較普遍，一般在整流變壓器高壓側(cè)通過多臺變壓器的Y和Λ接線來達(dá)到該種效果。(二)電弧爐產(chǎn)生諧波的原因及主要特征諧波
電弧爐是近年來煉鋼的重要手段，由于它在技術(shù)、經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢比較明顯，發(fā)展比較迅速。隨著它在煉鋼工業(yè)中所占比重越來越大，且爐的容量也隨之變大，對系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波污染也越來越嚴(yán)重。電弧爐是利用其三相石墨電極和爐料之間產(chǎn)生的電弧熱量來冶煉金屬，石墨電極可以作垂直方向的運(yùn)動(dòng)，以適應(yīng)熔煉過程中控制電弧長度的需要。電弧爐煉鋼一般分為爐料的熔化期和精煉期。在熔化期內(nèi)，由于電弧延時(shí)發(fā)弧、電弧電阻的非線形和電弧游動(dòng)等因素，使得電弧電流變化很不規(guī)則。根據(jù)目前比較常用諧波電流的分析方法——傅立葉級數(shù)法分解可以算出，此時(shí)系統(tǒng)中存在著大量的2次、3次、4次、5次、6次和7次諧波電流。另外，由于電弧發(fā)生時(shí)，交流電阻很小很小，因此交流電弧爐爐變的電流主要是無功電流。這也造成了系統(tǒng)有功功率和無功功率的急劇變化，從而引起了系統(tǒng)電壓的不斷變化，電壓波形將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重畸變。精煉期中，雖然負(fù)荷的沖擊與熔化期相比較小，但諧波電流的含量仍然較大，對系統(tǒng)的危害依然比較嚴(yán)重。由于該類負(fù)荷的功率較大，上級變電所一般為110KV或220KV，在區(qū)域供電中110KV和220KV是主要的輸電電壓，因此該類負(fù)荷對系統(tǒng)電能質(zhì)量的危害是十分嚴(yán)重的。(三)設(shè)計(jì)思想的改變而產(chǎn)生諧波的原因及主要特征諧波
這主要表現(xiàn)在對于鐵芯材料在設(shè)計(jì)時(shí)，對于鐵芯飽和度的選擇。這些在變壓器的鐵芯設(shè)計(jì)方面體現(xiàn)的比較多，在設(shè)計(jì)時(shí)使磁性材料工作時(shí)接近在磁化曲線的飽和區(qū)段。但是在此區(qū)段運(yùn)行一旦電壓稍高，就會(huì)導(dǎo)致激磁電流波形嚴(yán)重畸變。對于變壓器的鐵芯來說，在不計(jì)磁滯及鐵芯未飽和時(shí)，它基本上是線形的。但是，當(dāng)鐵芯飽和后，它就是非線形的，即使外加電壓是理想狀態(tài)下的純正弦波，電流也要發(fā)生畸變。而且飽和愈深，電流波形即便愈嚴(yán)重。由于電流畸變時(shí)，電流波形正、負(fù)半波對稱，即電流中只含有奇次諧波，其中主要是二次諧波。鐵芯飽和一般發(fā)生在負(fù)荷突然增加，超過主變的容量。或者，在變壓器合閘過程中，工作磁通的峰值將比正常運(yùn)行時(shí)要高，嚴(yán)重時(shí)可能增加一倍。這就使鐵芯深度飽和，相應(yīng)電流增大很多，有時(shí)可達(dá)額定電流的61倍，同時(shí)波形畸變也很嚴(yán)重。由于鐵芯飽和在電力系統(tǒng)中是經(jīng)常出現(xiàn)的現(xiàn)象，因此目前各級電網(wǎng)中的3次諧波電流占的比重都較大。特別是那些沖擊性負(fù)荷，產(chǎn)生3次諧波電流的幾率更大。諧波電流的危害 概述
諧波電流對電工設(shè)備的影響和危害，就其后果來說大致可以分為兩大類:其一:對電力設(shè)備的影響，它可以造成設(shè)備損壞、減少設(shè)備壽命，增加損耗或降低出力等；其二:對計(jì)算機(jī)、繼電保護(hù)、控制器或系統(tǒng)、儀表、以及視聽設(shè)施的影響，它可以造成設(shè)備的工作失誤或性能劣化。具體諧波電流怎樣對上述設(shè)備產(chǎn)生的影響，將會(huì)在下面的幾節(jié)中進(jìn)行詳細(xì)介紹。諧波對電機(jī)的影響
諧波電流對電機(jī)的主要影響是加劇電機(jī)的附加損耗，使得電機(jī)的絕緣老化加快，另外是產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)、噪聲和諧波過電壓。由于目前低壓系統(tǒng)中，主要諧波源為大功率的整流設(shè)備，因此產(chǎn)生的諧波電流主要是5次、7次、11次等奇次諧波電流。但是，5次和11次諧波電流為負(fù)序電流，該類電流將會(huì)產(chǎn)生負(fù)序的磁場，阻礙電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，所以電機(jī)在輸出功率的同時(shí)必須要額外輸出功率來抵消因諧波電流產(chǎn)生的反向功率，這也造成了電機(jī)的附加損耗加劇。在有諧波電流注入電機(jī)的情況下，總電流為電機(jī)的基波電流和諧波電流的平方和后開根。不難看出，在基波電流不變的情況下，諧波電流越大總電流就越大，而電機(jī)的損耗與總電流的平方成正比，所以只有降低電機(jī)中的諧波電流才能減小電機(jī)的有功損耗。附加損耗的加劇也使得電機(jī)的發(fā)熱量大大增加，電機(jī)的溫聲也隨之升高，因此電機(jī)的絕緣層老化加劇。另外，諧波電流產(chǎn)生的諧波電壓會(huì)與系統(tǒng)的額定電壓疊加在電機(jī)的兩端，在諧波電流較大的環(huán)境下，該電壓往往要大于電機(jī)設(shè)計(jì)的額定電壓，這也造成了電機(jī)經(jīng)常性的損壞。另外，諧波電流經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)很高的電壓尖峰值，多次的沖擊就會(huì)使電機(jī)的絕緣強(qiáng)度迅速降低，會(huì)造成線圈之間發(fā)生短路，進(jìn)而燒毀電機(jī)。根據(jù)上述分析，諧波電流對電機(jī)的危害是顯而易見的。諧波對通信的干擾和影響
諧波電流對通信的干擾主要可以分為三個(gè)方面:
(一)電容耦合。由于目前電纜通道在設(shè)計(jì)時(shí)考慮節(jié)約成本，因此在許多場合下電力線路和電話線會(huì)同時(shí)使用同一個(gè)電纜通道，而且相互之間的距離也比較接近，因此電力網(wǎng)的交流電壓會(huì)通過電力線路和電話線路之間的分布電容而耦合到電話線上，造成干擾。(二)電磁感應(yīng)。電力系統(tǒng)的交流電流會(huì)在線路的周圍產(chǎn)生交變的磁場而感應(yīng)到鄰近的電話線上，而影響通話質(zhì)量，特別是如果系統(tǒng)中含有諧波電流，系統(tǒng)的電流將會(huì)出現(xiàn)畸變，有瞬時(shí)的尖脈沖，對通訊產(chǎn)生的影響將會(huì)更加嚴(yán)重。(三)電氣傳導(dǎo)。電氣傳導(dǎo)的作用在正常運(yùn)行情況下一般可以忽略不計(jì)，但在發(fā)生接地故障時(shí)將引起危險(xiǎn)的電壓升高，造成通訊設(shè)備因過電壓而被擊穿。諧波電流除了干擾有線通信外，還能干擾其他通信。如有的HVDC換流站的換相過程產(chǎn)生的噪聲頻率只有:TlOkHz，但通過干擾載波阻波器的線圈和調(diào)諧元件的工作，使得產(chǎn)生達(dá)到射頻的噪聲，干擾了載波通信，并使得利用載波的閉鎖和繼電保護(hù)裝置工作失靈。諧波對常用儀表的影響
諧波對儀表的影響主要指的是電力系統(tǒng)中廣泛使用的模擬式表和數(shù)字式表，這主要為電壓表、電流表、功率表、無功功率表、電能表和儀用互感器等。按照國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，這些儀表工作在正弦電壓、波形下，只允許含有少量的高次諧波分量。但是，近年來許多電網(wǎng)的諧波電壓和諧波電流都上升到不可忽略的地步，如電壓的畸變率達(dá)到了 5%以上，電流畸變率超過10%。但模擬式表和數(shù)字式表在計(jì)量上的原理不同，因此諧波產(chǎn)生的影響也不同。模擬儀表工作時(shí)主要是依靠電壓或電流信號經(jīng)處理后，根據(jù)其在磁場中產(chǎn)生的電動(dòng)力的大小來計(jì)算輸入信號的大小。因此當(dāng)諧波含量較大時(shí)，基波和諧波疊加后的信號會(huì)和實(shí)際信號之間有較大的差異，這也造成了測量誤差。數(shù)字儀表在計(jì)算電壓或電流信號時(shí)，主要是依靠采樣的大小來進(jìn)行計(jì)算。由于諧波的存在，使得采樣的信號大小與實(shí)際信號有偏差，因此計(jì)算出來的大小也存在著比較嚴(yán)重的誤差。這類偏差在多臺電機(jī)連續(xù)生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生的危害極大，造成電機(jī)之間的失步，進(jìn)而使產(chǎn)品的質(zhì)量下降，次品率降低。由此看出，諧波的存在給常用儀表造成的影響是比較明顯的，要消除此類影響就必須進(jìn)行諧波治理。諧波對繼電保護(hù)的影響
在我國的電力系統(tǒng)中，受諧波影響而導(dǎo)致工作失誤或性能劣化的裝置中，繼電保護(hù)裝置的比重最大。分析其受影響的原因得從繼保的原理來進(jìn)行分析。對于機(jī)械式的繼保裝置來說，它的動(dòng)作值往往是依據(jù)輸入信號有效值的大小來確定是否動(dòng)作的。但是，如果輸入信號中含有較大的諧波分量的時(shí)候，由于基波分量和諧波分量疊加使該信號形成的綜合動(dòng)作值超過整定值而發(fā)生動(dòng)作。數(shù)字式繼保裝置主要通過對信號的采樣，通過計(jì)算排除一部分被認(rèn)為是錯(cuò)誤的信號后，對剩下的信號計(jì)算出其有效值來判斷是否需要?jiǎng)幼?。雖然該類判斷方式比機(jī)械式繼保的精度要高，但是由于諧波的疊，不論在信號哪個(gè)測量點(diǎn)都會(huì)有誤差，因此對繼保的動(dòng)作精度還是有較大的影響。該類現(xiàn)象在電力系統(tǒng)中出現(xiàn)的幾率還是比較大的，不論在220KV、330KV還是在500KV的電網(wǎng)中，都發(fā)生過因諧波影響線路保護(hù)或變壓器保護(hù)，使其誤動(dòng)作或誤跳閘，嚴(yán)重的還會(huì)發(fā)生電力系統(tǒng)中解網(wǎng)的惡性事件。因此，限制諧波對繼電保護(hù)的影響，以保證電網(wǎng)的安全供電和安全運(yùn)行是至關(guān)重要的。諧波對無功補(bǔ)償裝置的影響
由于目前電力系統(tǒng)中的負(fù)荷不斷增加，各類負(fù)荷的性質(zhì)千差萬別，特別是那些沖擊性負(fù)荷的大量投入運(yùn)行，造成了系統(tǒng)中無功功率的變化十分迅速，這也使得系統(tǒng)的電壓波動(dòng)比較明顯，影響了系統(tǒng)的供電質(zhì)量。為解決這一問題，無功優(yōu)化是目前電力系統(tǒng)采用的主要方式。但是，由于系統(tǒng)諧波的影響，造成了無功補(bǔ)償電容器經(jīng)常性的因熔斷器或電容的損壞而無法正常投運(yùn)的現(xiàn)象。具體分析主要由以下原因所造成的。為了減少投資，各變電所的無功補(bǔ)償裝置一般裝設(shè)在變壓器的低壓側(cè)，根據(jù)系統(tǒng)的無功需求進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)投切。由于電容器的容抗隨頻率的升高而降低，而變壓器的感抗隨頻率升高而升高，所以系統(tǒng)中的諧波電流幾乎全部注入連接在母線上的電容器組，造成電容電流急增，電容器因過載而降低了使用壽命。另外，目前電力系統(tǒng)中的無功補(bǔ)償裝置在設(shè)計(jì)時(shí)會(huì)在電容器回路中加裝限流電抗器，這主要是為了躲過短路器的合閘涌流，容抗一般選擇1%或6%。由于1%的電抗與電容所構(gòu)成的支路將會(huì)對系統(tǒng)中3次和5次諧波電流有較大的放大作用，因此流入系統(tǒng)的諧波電流將會(huì)有明顯的增加，造成更大的污染。另外，6%的電抗雖然對5次不放大，但對3次的放大作用還是比較明顯的。在目前的變電所中，主要的諧波源就是3次和5次諧波，因此在高諧波電流的情況下安裝無功補(bǔ)償裝置是無法保證其正常運(yùn)行的。另外，在電容器電壓的選擇方面，由于沒有考慮到諧波的因素，因此當(dāng)諧波電流大量注入到電容器中時(shí)就會(huì)出現(xiàn)電容電流高于額定電流，造成熔斷器或電容器的故障。此外，經(jīng)過多年來的對諧波電流的研究得知，由于諧波電流的發(fā)熱量要大于相同數(shù)值的基波電流發(fā)熱量。但是，普通的無功補(bǔ)償電容在選材方面與濾波電容有較大的差異，因此無法適應(yīng)在高諧波含量的情況下運(yùn)行，使得電容器發(fā)熱而造成滲油或炸毀的現(xiàn)象。因此，將目前各變電所的無功補(bǔ)償裝置改為濾波補(bǔ)償裝置也是電力系統(tǒng)正在研究的一個(gè)課題。目前電力系統(tǒng)的諧波治理方法 概述
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)量和效率的問題，尤其是以開關(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)中無功功率和諧波補(bǔ)償成為迫切需要解決的問題。如何進(jìn)一步提高電能質(zhì)量，有效地抑制電網(wǎng)中的諧波和無功功率，這一問題已引起廣泛的關(guān)注。消除諧波污染最有效的方法就是在諧波的污染源上安裝濾波裝置，就地進(jìn)行治理。目前電力系統(tǒng)的濾波裝置主要分為:有源型電力濾波裝置和無源型電力濾波裝置。目前在我國電力系統(tǒng)中，對于IOKV及其以上電壓等級的濾波裝置一般采用無源濾波的方式，而在IOKV電壓等級的系統(tǒng)中，由于有源濾波裝置的價(jià)格比較昂貴，因此使用的場合不是很多。而有源濾波裝置(特別是大功率的)研制國內(nèi)還不是太成熟，在目前國內(nèi)所使用的有源濾波裝置主要引進(jìn)的國外設(shè)備。鑒于我國電力系統(tǒng)中，主要使用的是無源濾波裝置，因此本次論文中將主要就無源濾波裝置的運(yùn)用進(jìn)行詳細(xì)的討論。這兩種形式的濾波裝置在其設(shè)計(jì)原理上有著明顯的不同，在下面的兩節(jié)中將會(huì)進(jìn)行詳細(xì)的介紹。有源濾波裝置
一、有源濾波裝置的發(fā)展
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)、P WM控制技術(shù)的發(fā)展以及瞬時(shí)無功功率理論的提出，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)中用于對諧波、無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。在過去的二十幾年中，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)量問題變得更加突出。國內(nèi)外已有大量的有關(guān)電能質(zhì)量問題的調(diào)查報(bào)告關(guān)注這方面的問題。在這些報(bào)告中，通過對諧波和無功的測量、分析，來認(rèn)識諧波和無功等電能質(zhì)量問題對電網(wǎng)和用戶的影響。按照用電設(shè)備的使用場合，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)無功功率理論，同步d q坐標(biāo)系原理，同步檢測方法和陷波濾波器方法等都被用來發(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大的問題。對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、無功功率補(bǔ)償?shù)取６?、有源濾波裝置的原理
有源濾波裝置簡稱為APF，具體定義為:將系統(tǒng)中所含有害電流(高次諧波電流、無功電流及零序負(fù)序電流)檢出，并產(chǎn)生與其相反的補(bǔ)償電流，以抵消輸電線路中有害電流的半導(dǎo)體變流裝置。即補(bǔ)償裝置所產(chǎn)生的電流波形正好與有害電流的頻率幅值完全相同，而相位正好相差180°，從而達(dá)到了補(bǔ)償有害電流的效果。作為一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波、補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，APF能對大小和頻率都變化的諧波以及變化的無功進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償。它的主電路一般由PWM逆變器構(gòu)成。三、有源濾波裝置的種類
根據(jù)APF與系統(tǒng)的連接方式，一般情況下可將APF分為并聯(lián)型APF、串聯(lián)型APF。并聯(lián)型APF
并聯(lián)型有源電力濾波器(APF)電路原理如2圖所示。APF通過檢測負(fù)荷電流，產(chǎn)生與負(fù)荷諧波電流大小相等、相位相反的諧波電流注入電網(wǎng)，從而抵消負(fù)荷諧波電流，使電源側(cè)電流接近正弦波。因此，并聯(lián)型APF可以看成是一個(gè)諧波電流發(fā)生器，相當(dāng)于一個(gè)受控電流源與負(fù)荷并聯(lián)。所以，并聯(lián)型APF適合補(bǔ)償電流型諧波源。對于電壓型諧波源，補(bǔ)償效果則要受負(fù)荷諧波等效阻抗的影響。當(dāng)?shù)刃ё杩馆^大時(shí)，并聯(lián)型APF有一定的補(bǔ)償作用。但是由于一般實(shí)際直流側(cè)含有電容濾波的整流器，雖不能等效成理想諧波電壓源，但仍可看成等效阻抗很小的諧波電壓源，并聯(lián)型APF需要產(chǎn)生很大諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償，這就要求濾波裝置的容量必須很大，三相逆變器輸出直接承受電網(wǎng)電壓，元器件的電壓等級的要求也高。但是元器件耐壓等級畢竟是有限的，而且耐壓等級的提高勢必會(huì)增加APF的成本，因此，并聯(lián)型APF只適合于補(bǔ)償電流型諧波源，不適合補(bǔ)償電壓型諧波源。
串聯(lián)型APF
串聯(lián)型有源電力濾波器(APF)電路原理如圖3所示。串聯(lián)APF通過一個(gè)耦合變壓器連接到配電網(wǎng)中，檢測電源電壓，產(chǎn)生與電源諧波電壓大小相等、相位相反的諧波電壓，從而使負(fù)荷端電壓接近正弦波。串聯(lián)型APF相當(dāng)于受控電壓源，以電壓源的方式補(bǔ)償電網(wǎng)中存在的暫態(tài)或穩(wěn)態(tài)電壓畸變。因此，串聯(lián)型APF適合于補(bǔ)償電壓型諧波源。對于電流型諧波源，補(bǔ)償效果要受負(fù)載諧波等效阻抗的影響。對于等效阻抗比較小的電流型諧波源，串聯(lián)型APF有一定的補(bǔ)償作用。但是，由于一般實(shí)際的直流側(cè)電感濾波整流器，等效阻抗相當(dāng)大。這就要求串聯(lián)型APF產(chǎn)生很大的諧波電壓，濾波裝置的容量必須很大。同樣，這也是不合理的。因此，串聯(lián)型APF只適合補(bǔ)償電壓型諧波源，不適合補(bǔ)償電流型諧波源。有源濾波裝置的功能
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合。除了單相、三相三線或三相四線系統(tǒng)要求電流或電壓補(bǔ)償外，這里對特殊應(yīng)用有源電力濾波器的選擇標(biāo)準(zhǔn)作一討論。電流型補(bǔ)償可分為電流諧波補(bǔ)償、無功功率補(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。而無功功率補(bǔ)償要分情況而定，對可調(diào)負(fù)載采用并聯(lián)有源電力濾波器，對固定負(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。無源濾波裝置
一、無源濾波裝置的發(fā)展
對于無源濾波裝置的研究，早在上世紀(jì)二十年代德國的科學(xué)家就開始對消除整流設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流問題進(jìn)行了研究，并對該課題提出了初步方案。隨著整流設(shè)備在世界各國的工業(yè)企業(yè)中的廣泛運(yùn)用，諧波問題也越來越引起各國科學(xué)家的廣泛注意，對濾波裝置的研究也逐漸多了起來。由于無源濾波裝置的原理簡單，器件容易選取，接線方式相對簡潔，再加上其生產(chǎn)成本較低，因此也成為治理諧波的主要手段。在我國電力系統(tǒng)中，無源濾波裝置占到80%以上的使用比例。二、無源濾波裝置的原理
無源濾波裝置的一次回路主要由電力電容器、電抗器(低壓主要使用鐵芯電抗器，高壓主要使用空芯電抗器)和電阻器適當(dāng)組合而成。通過電容的容抗和電抗器的感抗不同的比例組成不同的濾波支路，并聯(lián)在系統(tǒng)中，給系統(tǒng)中對應(yīng)的諧波電流提供低阻通道，從而達(dá)到濾掉系統(tǒng)諧波的作用。電阻可以豐富濾波支路的接線方式，可以將濾波支路接成單調(diào)諧濾波器或高通濾波器。通過近年來對濾波器的研究，將電阻接成高通濾波支路不但可以調(diào)整系統(tǒng)的阻抗頻率曲線，而且還可以降低濾波支路和系統(tǒng)產(chǎn)生諧振的幾率。三、無源濾波裝置的種類 如圖4、所示，由于電容器、電抗器和電阻的組合方式不同，所產(chǎn)生的濾波支路的方式也不一樣。主要可以分為:如圖4所示單調(diào)諧濾波器、如圖5所示雙調(diào)諧濾波器、如圖6所示一階減幅型濾波器、如圖7所示二階減幅型濾波器、如圖8所示三階減幅型濾波器和如圖9所示C型濾波器。下面就上述幾種濾波器的工作原理做以下簡單的敘述。幾種無源型濾波器的工作原理 (一)單調(diào)諧濾波器
雖然圖5中單調(diào)諧濾波器中有電阻元件，但實(shí)際在使用過程中，一次濾波器回路中只有電抗器和電容器。電阻主要是電抗器的交流等效電阻，實(shí)際數(shù)值較小，這主要是由電抗器的品質(zhì)因數(shù)決定的。而電容器的電阻幾乎為零，可以忽略不計(jì)。由此可以看出，只要該回路的諧波感抗與諧波容抗的值越接近，同時(shí)盡量降低回路的交流等效電阻就可以降低該支路的諧波阻抗，提聞支路的濾波效果。另外，支路的交流等效電阻越小，還會(huì)降低濾波器的交流損耗。由于該濾波支路接線方式簡單，因此在工程中使用的場合較多。(二)雙調(diào)諧濾波器
雙調(diào)諧濾波器主要是利用串聯(lián)主回路和并聯(lián)回路中電抗器、電容器和電阻器之間的參數(shù)配合，組成兩個(gè)不同的諧振頻率。該回路可以將兩個(gè)不同諧振頻率的濾波器變換成一個(gè)雙調(diào)諧濾波器。與單調(diào)諧濾波器相比較，該種接線方式比較復(fù)雜，同時(shí)各個(gè)支路的設(shè)備參數(shù)在設(shè)計(jì)時(shí)比較麻煩，因此該種接線方式在工程設(shè)計(jì)中幾乎沒有。(三)二階減幅濾波器
二階減幅濾波器是最常見的高通濾波器，與單調(diào)諧濾波器相比較，主要是在電抗器兩端并聯(lián)一個(gè)電阻器。由于并聯(lián)后電抗和電阻組成的阻抗不可能超過電阻值，因此它不象單調(diào)諧濾波器那樣，只對某一頻率呈現(xiàn)低阻抗，而是有一個(gè)較低的阻抗頻率范圍。當(dāng)頻率低于某一數(shù)值f時(shí)，濾波器感抗明顯增加，使低次諧波電流難于通過，此頻率稱為截止頻率。當(dāng)頻率大于f時(shí)，阻抗較小，變化不大，稱為通頻帶。設(shè)計(jì)時(shí)，一般電阻的阻值要遠(yuǎn)大于電抗器的基波感抗，因此在正常工作時(shí)，流入電阻器的基波電流很小。由于電阻的阻值不隨頻率的變化而變化，而電抗器的感抗隨諧波的次數(shù)成倍上升，次數(shù)越高感抗與電阻值就越接近，因此流入電阻中的電流大部分是諧波電流。此外，在電抗器兩端并聯(lián)電阻可以將系統(tǒng)與濾波器之間產(chǎn)生的小功率震蕩電流吸收掉，防止該電流進(jìn)一步放大，危害系統(tǒng)的安全。(四)C型濾波器
C型濾波器是一種補(bǔ)償型低能耗濾波器，其并聯(lián)支路的基波感抗等于基波容抗，使得基波電流幾乎全部流入電感和電容回路中，電阻回路幾乎沒有電流流過，達(dá)到降低能耗的目的。而濾波器的數(shù)字模型類似于二階高通濾波支路，也有一個(gè)截止頻率。研究證明，該種濾波器的諧波性能與二階高通濾波器相近，但有功功耗較低，當(dāng)截止頻率較低，且濾波器的基波無功輸出較大時(shí)，采用該濾波器的效益較好。目前，該接線方式主要使用在IOKV及以上電壓等級的濾波器回路中，而且濾波器的諧振頻率較低，如2次和3次濾波支路。通過對上述幾種無源濾波裝置的分析比較，從簡化接線和設(shè)計(jì)方面的考慮，目前電力系統(tǒng)中最常見的是單調(diào)諧濾波器和二階減幅濾波器。無源和有源裝置優(yōu)缺點(diǎn)的比較 (一)無源濾波裝置
從接線和多年來無源濾波裝置使用的情況來看，主要有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn):
結(jié)構(gòu)簡單；
設(shè)備投資少；
運(yùn)行可靠性高；
運(yùn)行費(fèi)用低；
維護(hù)方便；
由于無源濾波器是通過在系統(tǒng)中為諧波提供一并聯(lián)低阻通路，以起到濾波作用，其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定的，因而存在以下缺點(diǎn):
濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)的影響較大；
只能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會(huì)產(chǎn)生放大作用；
濾波要求和無功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)；
諧波電流增大時(shí)，濾波器負(fù)擔(dān)隨之加重，可能造成濾波器過載；
有效材料消耗多，體積大。(二)有源濾波裝置
與無源濾波器相比，有源濾波裝置的優(yōu)點(diǎn)主要有以下幾點(diǎn):
(O具有高度可控性和快速響應(yīng)性；
(2)不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制閃變、補(bǔ)償無功，有一機(jī)多能的特點(diǎn)，在性價(jià)比上較為合理；
(3)濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)；
(4)具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)償變化著的諧波。缺點(diǎn)主要有:
與無源濾波器相比較，有源濾波裝置的成本較高，一般用戶很難接受，這一點(diǎn)是限制了有源濾波裝置推廣使用。同時(shí)，由于受電力電子器件的影響，目前IOKV以上的濾波器有源的幾乎沒有，電力系統(tǒng)中IOKV及以上電壓等級的濾波器大都為無源的。雖然有源濾波器的優(yōu)點(diǎn)比無源濾波器的優(yōu)點(diǎn)多得多，但其價(jià)格遠(yuǎn)高于無源的，且在低壓系統(tǒng)中無源濾波器的濾波效果也接近于有源的。另外，在高壓無源濾波裝置中通過靜補(bǔ)和動(dòng)補(bǔ)的配合使用，也可以降低閃變和抑制電壓波動(dòng)。因此，在電力系統(tǒng)中無源濾波裝置在目前及以后相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)仍有廣泛的市場。但由于有源濾波裝置與無源裝置相比有著明顯的優(yōu)勢，隨著電力電子器件價(jià)格的逐漸下降，有源濾波裝置將會(huì)是濾波領(lǐng)域中的一個(gè)發(fā)展趨勢。無源濾波裝置在軋鋼線中的運(yùn)用實(shí)例 概述
為了更好地了解濾波裝置在電力系統(tǒng)中運(yùn)用的效果，下面發(fā)明人就濾波裝置在軋鋼生產(chǎn)線投運(yùn)前后的效果進(jìn)行比較分析。如一條軋鋼生產(chǎn)線，主要以軋制不銹鋼板材為主，軋機(jī)的功率為650KW，有一臺變壓器進(jìn)行供電，變壓器的容量為1250KVA，電壓由IOKV變?yōu)?.4KV，由于用戶知道該生產(chǎn)線在生產(chǎn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生諧波電流，所以該變壓器的負(fù)荷只有一條軋鋼生產(chǎn)線。由于軋機(jī)采用了整流調(diào)速，因此自然功率因數(shù)較低，為了避免設(shè)備投運(yùn)后造成計(jì)費(fèi)點(diǎn)的月平均功率因數(shù)低于0.9而被無功罰款，所以用戶在低壓側(cè)安裝了兩臺無功補(bǔ)償裝置，總基波為700KVAR。但軋機(jī)生產(chǎn)時(shí)產(chǎn)生了大量的諧波電流，設(shè)備投運(yùn)后的一個(gè)月內(nèi)就造成了無功補(bǔ)償裝置中熔斷器、熱繼電器、交流接觸器和電容器經(jīng)常性發(fā)生燒毀的現(xiàn)象，在更換損壞的元件后還是不能保證正常運(yùn)行，最后只能停運(yùn)。而且由于系統(tǒng)中的大量諧波電流還造成了主開關(guān)發(fā)生誤動(dòng)作，給用戶的正常生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的威脅。由于諧波的干擾作用也使生產(chǎn)的產(chǎn)品次品率居高不下，雖然該用戶在這過程中也請了軋機(jī)的生產(chǎn)廠家進(jìn)行了分析和改造，但效果不明顯。發(fā)明人對軋鋼生產(chǎn)線的測試及分析
為了解該軋機(jī)在正常生產(chǎn)時(shí)的電能質(zhì)量情況，發(fā)明人在該變壓器的低壓側(cè)次總開關(guān)側(cè)進(jìn)行了現(xiàn)場實(shí)測，測試時(shí)選用了三相電壓和電流信號，測試儀器為瑞士萊姆公司的PQPT1000，該設(shè)備帶有自動(dòng)錄波的功能，測試為24小時(shí)連續(xù)測量。為了降低生產(chǎn)成本，利用峰谷的電價(jià)差，該用戶一般都在夜間生產(chǎn)，因此在電能質(zhì)量分析時(shí)我們采用了正常生產(chǎn)時(shí)的負(fù)荷特性作為分析的依據(jù)。根據(jù)測試資料我們發(fā)現(xiàn)電壓和電流波形已經(jīng)嚴(yán)重畸變(詳見圖10、11)。電壓波形和電流波形
由圖10、11的波形圖可以看出，系統(tǒng)中含有大量的諧波電流，根據(jù)測試設(shè)備自帶的分析軟件可以分析出系統(tǒng)中各主要的諧波電壓和電流的值(具體見下表)。
權(quán)利要求
1.一種用于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置，其特征在于，所述裝置包括無源濾波器和有源濾波器，所述無源濾波器包括相互并聯(lián)的5次諧波濾波支路、7次諧波濾波支路、11次諧波濾波支路，所述各次諧波濾波支路均由斷路器、電流互感器、熔斷器、電抗器、電容器和雙向可控硅依次串接；所述有源濾波器包括串接在電網(wǎng)變壓器低壓側(cè)的第一電阻，并聯(lián)在第一電阻另一側(cè)的第二電阻，第二電阻的另一端與絕緣柵極雙極型晶體管的基極連接，在絕緣柵極雙極型晶體管的集電極與發(fā)射極之間并聯(lián)有電容器；所述無源濾波器各次諧波濾波支路及有源濾波器的輸入端均并聯(lián)于變壓器的低壓側(cè)，其輸出端與負(fù)載聯(lián)接，所述變壓器的高壓側(cè)與電網(wǎng)連接。
2.如權(quán)利要求1所述的用于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置，其特征在于，在所述各次諧波濾波支路中電抗器的阻抗與電容器的容抗匹配后的諧振頻率與各濾波支路的諧振頻率相同。
3.如權(quán)利要求2所述的用于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置，其特征在于，所述相互并聯(lián)連接的5次諧波濾波支路為3路，所述相互并聯(lián)連接的7次諧波濾波支路為2路，所述相互并聯(lián)連接的11次諧波濾波支路為2路。
4.如權(quán)利要求3所述的用于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置，其特征在于，所述雙向可控硅通過控制器輸出的控制信號進(jìn)行投切，該信號為直流電壓信號。
5.如權(quán)利要求2所述的用于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置，其特征在于，所述各次諧波濾波支路的容量計(jì)算公式為: 濾波支路的容抗:Xe =UN2/n/Q; 濾波支路的感抗:Xl= Xc/h2; 濾波支路的實(shí)際阻抗: X=Xc - XI; 濾波支路的基波電流: I=UN/X; 濾波支路的額定電流: Ie=n*Q/ Un; _濾波支路的諧波電流余量:1’ = V Ie2- 12 ; 基波補(bǔ)償容量:Q’ = I2*X; 上式中Un: 電容器的額定電壓；η: 單相電容器的個(gè)數(shù)； Q: 單臺電容器的容量；h: 分別為濾波次數(shù)5、7、11。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用于治理電力系統(tǒng)諧波的濾波裝置，該裝置包括無源濾波器和有源濾波器，無源濾波器包括相互并聯(lián)的5次諧波濾波支路、7次諧波濾波支路、11次諧波濾波支路，各次諧波濾波支路均由斷路器、電流互感器、熔斷器、電抗器、電容器和雙向可控硅依次串接；有源濾波器包括串接在電網(wǎng)變壓器低壓側(cè)的第一電阻，并聯(lián)在第一電阻另一側(cè)的第二電阻，第二電阻的另一端與絕緣柵極雙極型晶體管的基極連接，在絕緣柵極雙極型晶體管的集電極與發(fā)射極之間并聯(lián)有電容器；無源濾波器各次諧波濾波支路及有源濾波器的輸入端均并聯(lián)于變壓器的低壓側(cè)，其輸出端與負(fù)載聯(lián)接，變壓器的高壓側(cè)與電網(wǎng)連接。該裝置即可消除諧波，同時(shí)還能達(dá)到節(jié)能降耗的目的。
文檔編號H02J3/01GK103187728SQ20121057608
公開日2013年7月3日 申請日期2012年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月26日
發(fā)明者王田敏, 龔劍 申請人:江陰華明電氣設(shè)備有限公司