[2]第二章---功率因数校正、无功功率补偿及有源滤波课件

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1、第二章功率因数校正、无功功率补偿及有源滤波1.电能质量2.无功功率和谐波的产生3.低谐波电力电子装置4.无功补偿和滤波1.电能质量电能：经济实用、清洁方便、易于传输、控制和转换的能源；由电力部门向电力用户提供，并由供、用双方共同保证质量 的特殊产品。n用电量不断增加，电气化程度越来越高。（96年，31.3%）n性能好、效率高但对电源特性变化敏感的高科技设备越来越多。对电能质量的要求不断提高n许多新型电气设备向电力系统注入各种电磁干扰，对电力系统的安全运行和用电设备的正常工作造成危害和影响。电能质量问题日益突出 电能质量的基本要求n以单一恒定的电网标称频率、若干的电压等级(配电系统一般为110k

2、V,35kV,10kV,380/220V)和以正弦函数波变化的交流电向用户供电，并且这些运行参数不受用电负载特性的影响。1.电能质量电压合格频率合格连续供电供电系统电能质量的三要素n始终保持三相交流电压和负载电流的平衡。用电设备汲取电能应当保证最大传输效率，即达到单位功率因数，同时各用电负载之间互不干扰。n电能的供应充足，即向电力用户的供电不中断，始终保证电气设备的正常工作与运转，并且每时每刻系统中的功率供需都是平衡的。电能质量的特征n电力系统的电能质量始终处于动态变化中。1.电能质量n电力系统是一个整体，其电能质量状况相互影响。n电能质量扰动的潜在危害与广泛传播。n有些情况下用户是保证电能质

3、量的主体部分。n对电力系统的电能质量指标进行综合评估非常困难。n控制和管理电力系统电能质量是一项系统工程。当代电力系统对电能质量的要求n负载分类：根据负载敏感度以及经济上的损失、社会和政治上的影响等因素。普通负载（Common Load）敏感负载（Sensitive Load）重要负载（Critical Load）1.电能质量n传统电力负载（照明、加热、电动机等）线性，对电磁干扰低敏感 供电可靠性（供电可靠率，每户年平均停电次数）n当代电力负载（带有基于微处理机的数字控制器或电力电子器件）灵敏度高、抗干扰能力低，污染电气环境 供电可靠性+电能质量 关于电能质量的调查结果1.电能质量对用户的调查

4、结果对电力部门的调查结果自然因素66%自然因素60%其它因素0%其它因素3%相邻用户8%相邻用户8%用户25%用户12%电力部门1%电力部门17%电能质量的基本概念n电压质量：给出实际电压与理想电压间的偏差，以反映供电部门向用户分配的电力是否合格。电压偏差、频率偏差、电压不平衡、电压瞬变现象、电压波动与闪变、电压暂降（暂升）和中断、电压谐波、电压陷波、欠电压、过电压等1.电能质量n电流质量：为了提高电能的传输效率，除了要求用户汲取的电流是单一频率正弦波形外，还应尽量保持该电流波形与供电电压同相位。电流谐波、间谐波或次谐波、电流相位超前与滞后、噪声等n供电质量：技术含义有电压质量和供电可靠性；非

5、技术含义是指服务质量，包括供电部门对用户投诉与抱怨的反映速度和电力价目的透明度等。n用电质量：包括电流质量和非技术含义等，如用户是否按时、如数交纳电费等。电能质量的定义定义1：合格电能质量是指，提供给敏感设备的电力和为其设置 的接地系统均适合于该设备正常工作。1.电能质量定义2：造成用电设备故障或误动作的任何电力问题都是电能质 量问题，其表现为电压、电流或频率的偏差。定义3：电能质量就是电压质量，合格的电能质量应当是恒定频 率和恒定幅值的正弦波形电压与连续供电。电能质量的分类IEEE制定的电力系统电磁现象的特性参数及分类1.电能质量 类 别典型频谱典型持续时间典型电压幅值纳秒级5ns上升1ms

6、低频5kHz0.350ms04p.u.振荡中频5500kHz20ms08p.u.高频0.55MHz5ms04p.u.瞬时暂降0.530周波0.10.9p.u.暂升0.530周波1.11.8p.u.中断0.5周波3s0.1p.u.短时间电压波动暂时暂降30周波3s0.10.9p.u.暂升30周波3s1.11.4p.u.中断3s1min1min0.0p.u.长时间电压变动欠电压1min0.80.9p.u.过电压1min1.11.2p.u.电压不平衡稳态0.52%直流偏置稳态00.1%谐波0100th稳态020%波形畸变间谐波06kHz稳态02%陷波稳态噪音宽带稳态01%电压波动25Hz间歇0.17

7、%工频变化 252(I)1.3Um252(II)1.4110及2201.33566310331.13电压等级(kV)过电压限值(p.u.)5002.03302.01102523.03/Um2p.u.0.1 电能质量控制原则：保证电能质量并非供电部门单方面的责任，某些电能质量指标的下降是 由电力消费者的电磁干扰造成的。供电、用电和设备制造三方都采取措施，控制电能质量。1.电能质量基础：电力电子技术、蓄能技术、信息处理技术核心：能够对所供应的电力进行控制、变换，为用户或负载提供满足要求、质量 合格、效率最佳的电力关键：电力电子器件及其控制电路内容：电压偏差控制：发电机励磁调节、变压器分接头调整、无

8、功补偿 频率偏差控制：发电机输出调整、抽水蓄能机组调节 三相不平衡控制：供电电路平衡化、负载分配平衡化、平衡补偿措施 电流谐波抑制：降低谐波源的谐波水平、将谐波负载接入短路容量大的 电源、安装滤波器 电压波动与闪变抑制：改变负载特性、增强供电能力、装置动态无功补偿器 电压暂降与短时间中断抑制：动态电压调节器、不间断电源 2.无功功率和谐波的产生v(t)i(t)iv波形畸变非线性电阻引起的电流畸变n波形畸变是由电力系统中的非线性设备引起的。发电厂出线端电压一般具有很好的正弦特性，但非线性负载引起电流畸变。n谐波电流流过系统阻抗时引起各次谐波电压降，在负荷母线上会出现电压畸变。n电压畸变的程度取决

9、于系统阻抗和谐波电流的大小，同一谐波负载在系统中两个不同位置将可能引起两个不同的电压畸变值。均方根值和总谐波畸变率2.无功功率和谐波的产生n畸变的周期性电压和电流的傅立叶级数 其中 w1:基波角频率 n:谐波次数 M:所考虑谐波最高次数Vn,In:第n次谐波电压和电流的均方根值an,bn:第n次谐波电压和电流的初相角)sin(2)()sin(2)(1111nnMnnnMntnItitnVtvbwawMnnTMnnTIIdttiTIVVdttvTV222102222102)(1)(1n均方根值非正弦周期量的均方根值等于其各次谐波分量均方根值的平方和的平方根值，与各分量的初相角无关。均方根值和总谐

10、波畸变率2.无功功率和谐波的产生nn次谐波含有率（HR:harmonic ratio）%100%10011IIHRIVVHRUnnnn%100%100122122IITHDVVTHDMnnIMnnVn总谐波畸变率（THD:total harmonic distortion）1)当畸变电压加在电阻性负载上时，用 THDV 可以很好地表示出附加的发热，但不能很好地表示电容上的电压应力。2)电压THD通常是一个有意义的数据，但对电流来说，较小幅值的谐波电流可能导致较大的THD 值，而此时电力系统受到的威胁并不大。无功功率和功率因数的定义正弦电路的无功功率和功率因数电压、电流瞬时值：qpiitItIt

11、IitVvwwwwcossin2sincos2)sin(2sin22.无功功率和谐波的产生cos)(1100VIdti vviTvidtTPqTpT有功功率：sinVIQ 无功功率：表征能量互换的最大规模，并不消耗电能VIS 视在功率：表征电气设备的功率设计极限值或设备的最大可利用容量cos/SPPF功率因数：标志电力利用率非正弦电路的功率和功率因数有功功率：瞬时功率在一个周期内的平均值nnnnTIVvidtTPcos102.无功功率和谐波的产生nnnnfIVQsin无功功率：根据频域分析而定义，没有明确的物理意义nnnnIVVIS22视在功率：电压和电流均方根值的乘积)(222fQPSD22

12、2fQPS畸变功率（Distortion Power）：功率之间不再保持直角三角形的关系12111122221211cos)(11coscos/cosInnTHDIIVIVISPPFIVIVVISVIP功率因数：假定电压波形按正弦波变化 谐波和无功功率的来源2.无功功率和谐波的产生n感性负载和非线性负载（谐波源）大量消耗无功功率n电力系统的三类谐波源）铁磁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电抗器等）电子开关型：各种交直流换流装置、双向晶闸管可控开关设备以及PWM变频器等电力电子设备。）电弧型：交流电弧机和交流电焊机等。电压磁通为正弦波时变压器励磁电流波形 单相全波二极管整流桥输入电流Fiivvi

13、 谐波和无功功率的来源2.无功功率和谐波的产生单相全控桥式整流大电感负载电路及其波形ivvidvdvdidi 谐波和无功功率的来源2.无功功率和谐波的产生电弧炉谐波电流含有率（%）谐 波次 数 n23457谐波含有率熔化期（活动电弧）7.75.82.54.23.1精练期（稳定电弧）2.02.1无功功率和谐波的影响与危害2.无功功率和谐波的产生n无功功率的危害 1）增加设备容量：P不变，Q增加 S增加 I增加 设备容量、导线容量、控制设备、测量设备 2）设备和线路的损耗增加：3）线路和设备的压降增大，引起电网电压波动RVQPRVSRIP222222n谐波的危害1）旋转电机等的附加谐波损耗与发热，

14、缩短使用寿命2）谐波谐振过电压，造成电气元件及设备的故障与损坏3）电能计量错误 4）对通信系统产生干扰，使电信质量下降 5）重要的和敏感的自动控制、保护装置不正确工作 6）危害到功率处理器自身的正常工作谐波电流检测1）采用带通滤波器或陷波（带阻）滤波器检测高次谐波电流2.无功功率和谐波的产生带通滤波器陷波滤波器ii1iiHiH+-优点：直接、方便缺点：中心频率固定，电网频率波动时，滤波效果差 对器件参数敏感 不能检测出基波无功电流及负序电流谐波电流检测2）基于Fryze时域分析的有功电流分离法：有功分量（与电源电压波形相同）负载电流 广义无功电流（包括谐波电流）缺点：实时性不好，至少是一个周期

15、前的波形 电源电压发生畸变时，很难分解出基波和无功电流分量2.无功功率和谐波的产生3）基于频域分析的傅立叶分析法：通过傅氏级数运算，把要消除的高次谐波成分分解出来后再加以合成，作为补偿电流。缺点：实时性差，需要一个周期的数据 需要进行两次变换，运算量大谐波电流检测4）基于瞬时无功功率理论的电流检测方法：基本原理：座标变换：三相 a-b 座标 瞬时有功和无功功率：2.无功功率和谐波的产生2/32/302/12/113/2,323232CiiiCiiuuuCvvTcbaTcbababaqpCqpvvvvvvvvvvvviiiiCiivvvvqppqpq122222222baababbabbaaba

16、babaabba谐波电流检测在三相电流为非正弦且不对称时，p 和 q 可分解为三个分量：瞬时有功/无功功率的直流成分，对应于三相系统的基波正序有功 /无功电流分量 ：瞬时有功、无功功率的高频分量（n 2），对应于高次谐波 ：瞬时有功、无功功率的低频分量（n=2），对应于负序电流分量2.无功功率和谐波的产生qqqqpppp,p qp qp q qqqpppqqqpppiiiiiiiiiiiiiibbbbbbbaaaaaaa谐波电流 p-q检测法2.无功功率和谐波的产生C32C23LPFCpqC321pqCvavbvciaibicvavbiaibpqpqiahibhich-+优点：实时性好，检测精

17、度高，运算量适中缺点：检测准确度受电压波形畸变、不平衡及低通滤波器阶数的影响 不易用于三相四线制电路和单相电路谐波电流 ip-iq检测法2.无功功率和谐波的产生sincosC23CLPFCC32vaiaibicsinwtcoswtiaibipiqiahibhich-+优点：检测准确度不受电压波形畸变、不平衡的影响ia1ib1ipiqttttCwwwwsincoscossin 3.低谐波电力电子装置使用交、直流电抗器的二极管整流桥无电抗器ii有电抗器总谐波畸变率(THD):无电抗器：88%交流电抗器：38%直流电抗器：33%3.低谐波电力电子装置功率因数校正电路（PFC:Power Factor

18、 Correction）iSvS电流控制器PI调节器乘法器vd*vd（实测值）误差|vS|iL*iL（实测值）单相PFC电路 3.低谐波电力电子装置功率因数校正电路（PFC:Power Factor Correction）vSiSS高频PWM控制：交流电流为正弦波，并且和电压同 相位 电感值小，开关频率高（10kHz）电磁干扰大，需加输入滤波器iSS单脉冲控制：交流电流为非正弦波，但谐波在限 定范围内 开关频率低（工频），损耗小 电感很大 3.低谐波电力电子装置vSiSS多脉冲控制：交流电流为非正弦波，但谐波在限 定范围内 开关频率低，损耗小 电感较大iSS不连续导通模式：交流电流不连续，平均

19、值正弦变化 定频、定占空比控制，方法简单 开关频率高，电感小 电磁干扰大功率因数校正电路（PFC:Power Factor Correction）3.低谐波电力电子装置例：单相电源变频器的PFC电路及其控制PFC电路的作用：改善输入电流波形，提高功率因数 稳定直流母线电压，增强带载能力iacvacMiLvrvdcvaciacvdc海尔KR-140W/BP变频空调 压缩机最高运行频率120Hz 最大制冷能力18kW（直流电压300V）实际可运行频率95Hz，制冷量14.8kW 直流电压237V，输入电流25.3A 3.低谐波电力电子装置/单相电源变频器的PFC电路及其控制PFC电路数字控制系统的

20、设计电源电机过零检测输入电流 检测PFC驱动直流电压 检测过流检测 保护PWM驱动输出电流 检测过流检测故障信号 MPU:HD64F7047整流模块 PFC模块 逆变模块iLvr 3.低谐波电力电子装置/单相电源变频器的PFC电路及其控制直流电压控制环节 目的：使直流电压稳定在目标值Vdcref 依据：直流电压的大小由存储在平波电容中的能量J决定2/dcVJ C 输入电流与直流电压的变化关系：输入功率：Pin=VacI=VacI0+Vac I=P0+P 输出功率：Pout=P0 一个半波周期内平波电容的能量增值：J=(Pin-Pout)/2f =Vac I/2f 平波电容的电压变化：22211

21、1()222dcdcdcdcJC VVCVCVVC VCVV 2acdcVVIfCV 输入电流幅值的控制规律:2()dcdcrefdcacfCVIVVV 3.低谐波电力电子装置/单相电源变频器的PFC电路及其控制同步控制环节vacvrvac/vr 5V 5VR1 R3 R5R2 R4 R6Vsyn 过零检测电路：Vsyn LH：1242345()()rRR RVR RR Vsyn HL：12435623456345()()()()rRR R RRRVRRRRRR R 3.低谐波电力电子装置/单相电源变频器的PFC电路及其控制同步控制环节电源iLvrR1=300kW，R2=R4=4.7kW，R3

22、=100kW，R5=R6=1.0kW Vr(LH)=15 V，Vr(HL)=229 V 3.低谐波电力电子装置/单相电源变频器的PFC电路及其控制电流控制环节ia awT q i(n)i(n+1)ivrVdcSa q a+wDT：S导通sin()coscos()()diVLViDTDTi ndtLqawaawwa+wDT q a+wT：S关断sindcdiLVVdtq2(1)sin()sin(1)()sin(1)()22()(1)()sin(1)dcdcdcVVVTTVTi nD Ti nD Ti nLLLLVVTi ni ni nD TLLwwaawa占空比的调制规律：()1sin(1)()

23、refdcdcVLD nini nVV Ta 3.低谐波电力电子装置/单相电源变频器的PFC电路及其控制实测波形开关频率15kHz开关频率20kHz 3.低谐波电力电子装置单开关三相PFC电路 通过对一个开关管的控制，要使三相电流均为正弦波且和电压同相位 十分困难 连续导通模式会使直流输出电压过高 引入低次谐波，5次和7次均超过IEC标准功率因数校正电路（PFC:Power Factor Correction）3.低谐波电力电子装置PWM控制整流电路单相半桥式PWM整流电路 正半周S2控制对电感充电，通过D1向C1放电 负半周S1控制对电感充电，通过D2向C2放电 正半周C1充电，C2放电 负

24、半周C1放电，C2充电S1D1C1S2D2C2S1S2S3S4单相全桥式PWM整流电路 作为整流器，正半周S2或S3控制，负半周S1 或S4控制 作为有源逆变器，正半周S1或S4控制，负半 周S2或S3控制单相全桥式正弦PWM整流电路 对电路进行正弦PWM控制，即可得到正弦电流 3.低谐波电力电子装置矩阵式逆变器 直接将一种频率的交流电源转换成另一种频率的交流电源，没有中间直流环节 输入电流可控制为正弦波，且和电压同相，PF=1。也可控制为所需的功率因数 输出电压为正弦波，输出频率不受电网频率的限制 能量可双向流动，适合于交流电动机四象限运行，系统功率密度大 电路和控制复杂，尚未进入实用阶段R

25、 S TS11S12S13S21S22S23S31S32S33UVW输入输出开关单元 4.无功补偿和滤波目的：1）补偿动态无功功率，校正功率因数 2）改善电压稳定性 3）提高电力系统的静态和动态稳定性，阻尼功率振荡 4）减少电压和电流的不平衡静止无功补偿器（SVC）A B 当只有A时，晶闸管控制投切电容器。若分 成几组，可分级向系统提供无功功率。谐波小，损耗低。当只有B时，晶闸管控制饱和电抗器。通过 调节晶闸管的控制角调节电抗器的等效电 感，可连续调节从系统吸收的无功功率。反应速度快，谐波大。当A和B相结合，就可根据系统的需要，双 方向连续调节无功功率。4.无功补偿和滤波静止同步补偿器 调节速

26、度快，运行范围广。采用大容量PWM逆变器、多重化、多电平技术，谐波小。电抗器和电容器容量小。可在必要时短时间向电网提供一定的有功。LvSivIvLiivSvSvLvLvIvI等效电路 电流超前 电流滞后 发出无功 吸收无功 4.无功补偿和滤波有源电力滤波器通过产生与补偿谐波电流形状一致、相位相反的电流，抵消非线性负载产生的谐波电流，使谐波电流不会流入公共供电回路。有源电力滤波器非线性负载iSiLif系统基本原理负载电流谐波电流补偿电流系统电流iLi1if 4.无功补偿和滤波有源电力滤波器检 测v,iLif电路结构：检测部分：检测无功电流和谐波电流。控制系统：根据检测到的负载无功电流 或谐波电流

27、，发出控制逆变 器各臂开关元件通断的信号。逆变部分：采用全控开关器件、PWM调制方法。输出部分：由高频滤波器和/或变压器组成。控制系统输 出逆变电源特点：由于采用高频脉宽调制和快速补偿技术，实现了动态补偿。对谐波和无功同时进行补偿，且补偿的无功连续可调。滤波效果不受系统参数影响。所需的储能元件容量小，装置占地小。可以对大电流负载进行补偿，无过载问题。雷击引起的电流冲击瞬变现象背靠背电容投切引起的瞬变振荡电流5500kHz电容器组冲能引起的低频瞬变振荡现象 5kHz空载变压器铁磁谐振引起的低频振荡现象 300Hz故障和重合闸动作引起的短时电压中断波形短路故障造成的电压暂降波形电机启动引起的短时电压暂降波形单相接地故障造成的电压暂升波形三相换流器的电压陷波电弧炉引起的电压波动习 题推导梯形波的傅立叶级数表达式和畸变率，并由此确定其特例波形方波（b=0）和三角波（b=p/2）的傅立叶级数和畸变率0Ap2pwtbb