毕业设计煤矿供电网谐波抑制有源滤波器的设计
42页1、0 前言近些年来,随着煤矿企业电气自动化水平的不断提高,大量的非线性用电设备在生产中得到了广泛应用,但是非线性用电设备直接带来了谐波污染。通过对内蒙古和河北一些煤矿进行调研和了解发现,很多煤矿采用直流电动机带动绞车的运行,需要通过三相整流柜将交流电转换成直流电供给电动机,供电装置在矿井绞车加速时产生的五次、七次、十一次、十三次谐波电流污染了附近的供电网。谐波电流不仅影响了生产设备的正常运行,比如电动机绕组烧毁,也对矿区电网的安全运行造成重大威胁。不仅如此,谐波电流使电网电流和电压畸变率超过有关规定时电业局要罚款。 不论从生产实际出发,提高设备工作的可靠性,或者从经济角度出发,少罚款不罚款甚至得到奖励,研究设计煤矿供电网用谐波抑制有源滤波器都势在必行。目前煤矿变电所主要是采用LC串联谐振型无源滤波器(Passive Power Filter,PF)进行谐波抑制,但其滤波效果受到电力系统阻抗的影响较大,且只能消除特定次数的谐波,对于次数经常变化的负载滤波效果不好1。有源电力滤波器(Active Power Filter,APF)是目前抑制谐波和进行无功补偿的先进方法,是用户电力技术中的一个
2、研究热点2。与无源滤波器相比,APF具有高度可控制和快速响应特性,并且能跟踪补偿各次谐波,其特性不受系统影响,无谐波放大威胁,相对体积、重量较小。但是在较高电压等级的电网上单独使用有源滤波器因成本太高和开关耐压等因素的诸多限制,一直没有得到推广3。混合型有源滤波器将有源滤波器和无源滤波器相结合,取两者之长,补两者之短,使有源滤波器可以在较小的容量下应用到大功率场合,从而有效降低有源滤波器的成本,使其在工程中实践成为可能。随着国家对电网谐波污染治理的日益重视,“绿色电力电子”的呼声愈来愈高,有源滤波器必然会得到广泛的推广和应用。因此,研究设计谐波抑制有源滤波器对实际生产生活有着十分主要的意义。1 绪论1.1 煤矿供电网谐波产生的原因和危害国际电工(IEC,International Electrontechnical Commission)标准(IEC555-2,1982)定义谐波为:谐波分量周期为周期量在傅里叶技术中大于一的n次分量。把谐波次数n定义为:以谐波频率和基波频率之比表示的整数。电气和电子工程师协会标准(IEEE标准519-1981)定义谐波为:谐波为一个周期波或量的正弦波分
3、量,其频率为基波频率的整数倍。总结二者,目前国际普遍定义谐波为: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。定义n次谐波电压含有率以HRUn(Harmonic Ratio)表示为:(1-1)式(1-1)中,为第n次谐波电压有效值(方均根值);为基波电压有效值。谐波电压含量定义为:(1-2)定义电压谐波总畸变率THDU(Total Harmonic Distortion)为:(1-3) 同理可以推广到电流谐波分量的定义。1.1.1 产生原因煤矿供电网谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备:(1)具有铁磁饱和特性的铁芯没备,如:变压器、电抗器等;(2)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备,如:气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等;(3)以电力电子元件为基础的开关电源设备,如:各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置,大容量的电力晶闸管可控开关设备等。以上这些非线性电气设备的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流,即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压,但由于它们具有电流不随着电压同步变化的非线性的电压、电流特性,使得流过电网的电流是非正
4、弦波形的。1.1.2 对煤矿供电网的危害煤矿供电网中谐波含量高,引起的各种故障和事故不断发生,对国民经济和生产、生活造成了不必要的损失。归纳起来,谐波对公用电网和其他系统的危害大致有一下几个方面:产生附加损耗,增加设备的温升,降低设备的效率和利用率;引起电动机的机械振动;无功补偿电容器组引起谐波电流的放大,甚至造成谐振;对继电保护、自动控制装置产生干扰和造成误动作;使测量和计量仪器的指示和计量不准确;干扰通信系统的工作。谐波对煤矿供电网的的危害除造成线路损耗外,更重要的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。当电网电压和电流的畸变率超过相关规定时,电业局要经济处罚,因此应该予以足够的重视和有效的管理,将危害限制在尽可能小的范围内。1.2 煤矿供电网谐波的抑制措施煤矿供电网谐波含量高,对电气设备的正常工作造成了很大的影响,同时还要面临电业局的罚款,因此不管从安全高效生产出发,还是从经济利益出发,都必须采取合适的谐波抑制手段。1.2.1 传统的抑制方法煤矿供电网采用的传统谐波抑制手段是在科学技术水平不高,技术手段缺乏的条件下采用的。由于受到技术限制,谐波抑制的效果并
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