变电站电压无功控制与谐波治理的研究.docx

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变电站电压无功控制与谐波治理的研究

变电站电压无功控制与谐波治理的研究

（）

指导教师：

[摘要]在传统的民用和工业用电设备中，阻感负载占有很大比例，如变压器、异步电动机、日光灯等。

阻感负载不仅消耗有功功率，同时也要消耗无功功率才能正常工作。

随着现代工业的发展，换流设备和电弧炉等非线性用电设备在冶金、化工、电气化铁路和直流输电技术等领域得到广泛应用，这些负荷产生大量谐波注入电网，造成电压波形畸变，使电能质量下降，给发供电设备的安全经济运行造成较大影响。

谐波污染已经成为电力系统主要的“公害”之一。

电压无功和高次谐波是影响电力系统安全稳定运行的重要因素，谐波将造成电压波形畸变，使电能质量下降，对电容器的安全也构成了很大的威胁。

而变电站是实现无功功率分散控制和就地补偿的主要场所，因此，对变电站电压无功控制和谐波治理进行综合研究具有重要意义。

本文阐述了电压无功控制和谐波治理的技术现状，提出了电容器分组容量的选择与串接电抗器的配置方案，进行了控制策略研究，设计了一种电压无功控制和谐波治理的综合控制系统，以某村110kV变电站为试点，进行了安装、调试及运行实验。

结果标明，该系统安全可靠，有效提高了褚村变电站的电能质量。

[关键词]：

变电站，电压无功控制，谐波治理

TheCombinedResearchofVoltage-Reactive

PowerControlandHarmonicRestraintInA

DistributionSubstation

JianhaoZhang

（Grade06,Class2,majorinelectricalengineeringandautomation,departmentofelectricalengineering.,ShaanXiUniversityofTechnology,HanZhong723000ShaanXi）

Tutor:

sunlin

ABSTRACT：

Thevoltage-reactiveandthehighersubharmonicwillbeaffecttheelectricalpowersystemsafestablemovementtheimportantattribute,theharmoniccausethevoltagewaveformdistortion,willcausetheelectricalenergydropinquality,alsoposedtheverybigthreattothecapacitorsecurity.Andthesubstationrealizesthemainplacewhichthereactivepowerdispersercontrolandcompensates,therefore,conductsthesyntheticstudytothesubstationvoltage-reactivecontrolandtheharmonicrestrainthavethevitalsignificance.

Thispaperelaboratedthevoltage-reactivecontrolandharmonicrestrainttechnicalpresentsituation,determinedthecapacitorbankscapacitychoiceandseriallyconnectsreactordispositionplan,conductedthecontrolstrategyresearch,designedakindofvoltage-reactivecontrolandharmonicrestraintintegratedcontrolsystem,takethe110kVsubstationinthecityastheexperimentsite,hascarriedontheinstallment,thedebuggingandthemovementexperiment.Theresultmark,thissystem

safetyisreliable,effectivelyimprovedthesubstationelectricalenergyquality.

KEYWORDS:

transformersubstation,voltage-reactivecontrol,harmonicrestraint

目录

摘要

1引言··································································5

1.1谐波的产生····························································5

1.2谐波对电力系统的危害··················································5

1.3并联电容器对谐波的放大················································7

1.4抑制电力系统谐波的国外发展历史及研究现状······························7

1.5电力系统电压无功控制··················································9

1.5对电压无功控制系统的基本要求··········································11

1.6本课题研究的主要内容··················································11

1.7变电站电压无功控制与谐波治理综合研究的意义···························12

2电压无功控制的相关概念与基本原理········································15

2.1电压调整与无功平衡的关系··············································15

2.2电压、无功的调节手段·················································17

2.3变电站电压无功控制的基本原理··········································21

2.4站内控制对系统电压的影响···············································22

2.5无功补偿对功率因素的影响··············································22

3无功控制与谐波治理综合研究的技术背景····································24

3.1国内外电压无功控制的现状··············································24

3.2人工智能算法在电压无功控制中的应用简述································27

3.3谐波无功综合治理的策略研究············································27

4变电站概况······························································29

4.1系统与变电站概况······················································29

4.2变电站谐波实测························································30

5电容器配置方案的确定····················································31

5.1电容器放大谐波的原理··················································31

5.2电容器配置方案的确定··················································32

6控制系统的系统组成和控制策略设计········································34

6.1系统组成······························································34

6.2控制策略的设计························································34

6.3防震措施······························································42

6.4故障及非正常情况处理··················································42

6.5专家系统······························································42

6.6软件设计······························································44

7变电站谐波综合治理自动控制系统调试与改进································48

7.1第一次调试····························································48

7.2第二次调试····························································48

7.3第三次调试····························································49

7.4第四次调试····························································50

7.5第五次调试····························································50

8变电站谐波综合治理自动控制系统测试······································51

8.1测试大纲······························································51

8.2测试环境······························································51

8.3测试内容······························································52

8.4测试结果······························································52

8.5运行效果评价··························································53

9结论····································································55

参考文献·································································56

致谢·····································································58

1引言

1.1谐波的产生

在传统的民用和工业用电设备中，阻感负载占有很大比例，如变压器、异步电动机、日光灯等。

阻感负载不仅消耗有功功率，同时也要消耗无功功率才能正常工作。

随着现代工业的发展，换流设备和电弧炉等非线性用电设备在冶金、化工、电气化铁路和直流输电技术等领域得到广泛应用，这些负荷产生大量谐波注入电网，造成电压波形畸变，使电能质量下降，给发供电设备的安全经济运行造成较大影响。

谐波污染已经成为电力系统主要的“公害”之一。

谐波对电容器的安全也构成了很大的威胁，有关的统计资料表明，电容器的损坏，有很大比例为谐波所造成的。

在电力系统中，电力电子装置（如晶体管整流器、可控硅调压器、逆变器等）、变压器、发电机、电弧炉、日光灯是主要的谐波源。

随着电力电子装置的广泛应用，使得电力电子装置成为最大的谐波源。

谐波源可以分为谐波电流源和谐波电压源，上述各种谐波源为谐波电流源，所产生的谐波电流取决于谐波源本身的特性，基本上与供电网的参数无关。

如在工业上被广泛应用的整流装置，其直流侧为阻感负载，整流装置产生的谐波电流是由直流电流和半导体开关的切换方式所决定的，几乎与交流侧电压无关。

但是，直流侧如果为电容滤波的二极管电路，其输出的直流电压近似恒值，直流电压经半导体开关的切换加到交流侧，这样生成的谐波为谐波电压。

不管是谐波电流还是谐波电压，同样会给电力系统造成危害，而谐波电流的危害更为严重。

1.2谐波对电力系统的危害

在传统的电力系统中，电网频率和各供电节点的电压幅值，是电能质量的两个重要指标。

无论在电网的规划、设计阶段，还是在电网的运行、调度中都受到了足够的重视。

而对电能质量中的谐波污染，人们并不太关心，这主要是由于在传统的电力系统中，电压和电流基本上能够保持为正弦波形。

本世纪60年代以来随着固体组件的投入应用，微电子、计算机和电力电子技术得到了迅猛的发展，它们被广泛应用到现代工业的各个领域，提高了各种工业控制系统的性能，改善了工业产品的质量，既使劳动条件得以改善，又大规模地提高了劳动生产率，从而为现代化的社会和家庭生活创造了广阔的前景。

同时也为更加合理和高效地利用电能、节约原材料和节约资金提供了有力的手段。

但是新技术的广泛应用，给现代电网带来了一个突出的新问题。

用电负荷不再仅仅是传统的负荷如电动机、电热器等，而且还包括大量的整流设备、电气化铁道、变频调压设备、现代家用电器、开关电源、节能灯以及电弧炼钢炉等大量非线性和快速时变的负荷。

由于用户大容量整流装置及其他各种非线性负荷的接入，使电压和电流波形发生畸变，电压波形不再是理想的正弦形，还出现了各次谐波。

并且电力网中运行变压器因铁芯饱和也会产生谐波。

因此，供电网络中电压和电流的波形发生了畸变，也就是除了50赫的基波外，还包含了各次谐波。

当电力网络中的谐波成分超过了一定的限度，就会引起严重的危害。

全世界都把电力网络中谐波的存在称为电力网络的污染和公害。

早在本世纪七十年代，人们就发现现代工业和第三产业中的大量先进设备是谐波等电能质量问题的“敏感负荷”，在许多场合下严重的谐波污染会影响高精尖产品的质量，甚至会极大地影响劳动生产率。

因而，许多发达的工业化国家中的工业和学术界以及国际电工组织从那时起就开始认识到电力网络中谐波的存在和危害，二十多年来开展大量研究和开发工作，包括:

制订电网及电气设备的谐波标准及管理办法;对各种产生谐波污染的因素，即谐波源进行了研究;开展了谐波污染对用电设备、电网、计量、通讯、继电保护、自动装置的影响的研究;研究并规定了有关谐波的测量方法并开发了相应的测试仪器，积极开发了治理谐波污染的措施和装置，提出绿色电气设备和电力网络的概念。

随着研究和开发工作的不断深入，抑制谐波污染已经成为现代电力系统电能质量的一个新内容，全面治理谐波污染的工作正在日益得到重视。

为了规范各方面对电力系统谐波问题的管理，我国在1984年由原水利电力部制定和颁发了《电力系统谐波管理暂行规定》（SD126-84），又于1993年由国家技术监督局正式颁布了《电能质量:

公用电网谐波》的国家（GB/T14549-1993）1998年正式颁布了《低压电气及电子设备产生的谐波电流的干扰限制》（GB/T17625.1-1998）的国家标准。

很多地方也对谐波污染及其治理给予了越来越多的重视，针对本地情况进行了谐波调查和研究，颁布限制谐波的地方标准。

例如北京市在九十年代初组织了北京电网的谐波污染状况调查，并于1997年12月由北京市技术监督局正式颁布了《北京市工业整流设备谐波限制》的地方标（DB11/078-1997）。

顺应国民经济的需要，科研机构和高等学校对谐波污染及其治理措施也进行了许多工作。

理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。

谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信和公用电网以外的设备带来危害。

近三十年来各种电力电子装置的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性越来越引起人们的关注。

谐波对公用电网和其他系统的危害分为以下几个方面：

①谐波引起的谐振和谐波电流放大

为了补偿负载的无功功率，提高功率因数，常在负载处装有并联电容器。

为了提高系统电压水平，常在变电所安装并联电容器，此外为了滤除谐波，也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。

在工频频率下，这些电容器的容抗比系统的感抗大得多，不会产生谐振，但对谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生并联谐振或串联谐振，这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至几十倍，会对系统，特别对电容器和与之串联的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁，在由谐波引起的事故中，这类占很高的比例。

②谐波对电网的影响

谐波电流在电网中的流动会在线路上产生有功功率损耗，它是电网线路损耗的一部分。

一般来说，谐波电流和基波电流相比所占比例不大，但谐波频率高，导线的集肤效应使谐波电阻比基波电阻增加得大，因此谐波引起的附加线路损耗也增大。

谐波源在一些谐波频率上吸收有功功率，而在另一些频率上向外发送有功功率。

这些谐波有功功率通常都是由从电网吸收的基波有功功率转化来的。

谐波源吸收的谐波有功功率常常对产生谐波的装置本身是有害无益的，谐波源发出的谐波有功功率也给接在电网上的其它用电设备带来危害，并增加损耗。

谐波对电网的危害除造成线路损耗外，更使电网波形畸变，使供电质量下降，危及各种用电设备的正常运行。

③谐波对旋转电机和变压器的危害

谐波对旋转电机和变压器的影响主要是引起附加损耗和过热，其次是产生机械振动、噪声和谐波过电压。

这些将缩短电机的寿命，情况严重时甚至会损坏电机。

谐波源的谐波电流流入变压器时，对其主要影响是增加了它的铜损耗和铁损耗，

随着谐波频率的提高，集肤效应更加严重，铁损耗也更大，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，还会引起变压器的噪声增大。

④谐波对继电保护和电力测量的影响

电力系统中的谐波会改变保护继电器的性能，引起误动作或拒绝动作。

不同类型的继电器工作原理和设计性能不同，因此谐波对其影响也有较大的差别，谐波对大多数继电器的影响并不大，但对部分晶体管型继电器可能会有很大的影响。

电力测量仪表通常是按工频正弦波设计的，当有谐波时，将会产生测量误差。

在测量电能时，如果负载不是谐波源，而电网电压含有谐波，则会在负载上产生有害的谐波损耗，用户还要为此多付电费。

如用户是谐波源，向电网输出含有谐波的有功功率，付出的电费比它所消耗的基波有功功率应付的电费少。

⑤谐波对通信系统的干扰谐波对通信系统的干扰是一个在国际上被十分重视的问题，对此已有充分的研究并制定了相应的标准。

谐波干扰会引起通信系统的噪声，降低通话的清晰度。

干扰严重时会引起信号的丢失，在谐波和基波的共同作用下引起电话铃响，甚至危及设备和人身安全。

1.3并联电容器对谐波的放大

在电力系统中，无论枢纽站还是用户站，无功补偿对提高电网电压和经济运行水平是极为重要的。

合理地无功补偿可以最大限度地发挥发供电设备的效率、降低线路损耗，使电网运行达到最佳经济效益。

固定电容器组作为一种经济、可靠的无功补偿方式在电力系统得到了广泛的应用。

这主要是利用无功补偿电容器组可以补偿基波电流的无功功率的特点，但是当谐波作用于电容器时，由于电网参数的不同，可能出现完全不同的结果。

电容器组既可能吸收谐波，改善电能质量，又可能使谐波放大，使电能质量恶化。

决定谐波的吸收或放大因素是多方面的，其主要因素可以归纳三个方面：

①电容器组的参数配置；

②电网谐波背景情况和所带负荷性质；

③电力系统网络情况。

在我国，由于谐波的影响，使得很大一部分电容器不能正常投入使用，大大影响了无功补偿容量的储备。

由于现有的无功补偿装置不具备谐波的监视功能，当电容器投入后会对某次谐波引起放大，缩短了电容器的使用寿命并且大大影响了电力系统的电能质量，因而必须考虑谐波对电容器的影响。

电容器将谐波电流放大，不仅危害自身安全，而且还会危及电网中其他设备，严重时会造成设备损坏，甚至影响电网的正常运行。

据调查，在许多公网变电站和用户站，因电容器组发生谐波谐振而退出了运行。

这样既不仅不能有效地补偿无功功率，导致功率因数下降及线损增加，而且又造成了电容器设备投资的浪费。

1.4抑制电力系统谐波的国外发展历史及研究现状

采用电力滤波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施。

由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的LC无源滤波器（PF）是传统的抑制谐波和补偿无功的主要手段，无源滤波器具有结构简单、投资成本低、技术成熟、运行可靠及维护方便等优点，是目前采用得较为广泛的谐波和无功抑制手段。

现在,谐波抑制的主要趋势是采用有源电力滤波器〔Activepowerfilter-APF）.有源电力滤波器也是一种电力电子装置。

其基本原理是从治理对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。

这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛的重视。

有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就己经形成。

八十年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制（PWM）控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测方法的提出，有源电力滤波器才得以迅速发展。

有源电力滤波器的变流电路可分为电压型和电流型，目前实际应用的装置中,90%以上是电压型。

从与补偿对象的连接方式来看，又可分为并联型和串联型，目前运行的装置几乎都是并联型。

1.4.1检测方法研究的现状

电力系统中的谐波源，不但类型多，而且分布广，系统中的谐波电流可能来自于本身的非线性设备，也可能来自外线路，如不加以区分将给谐波治理造成困难。

因此进行谐波治理之前，必须了解系统中谐波的次数及其含量，为了了解和补偿电源系统的谐波成分，就需对谐波进行检测。

精确实时地检测出电网中瞬态变化的畸变电流，也是提高有源电力滤波器补偿精度和跟踪速度的一个关键问题。

谐波的检测方法主要包括以下几类