1、西南交通大学硕士学位论文贵铝电解铝厂谐波污染分析及治理改造方案研究姓名：刘业胜申请学位级别：硕士专业：电气系统控制与信息技术指导教师：王富荣20080601西南交通大学硕士研究生学位论文第 页，：；西南交通大学学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于保密口，在年解密后适用本授权书；不保密酣使用本授权书。（请在以上方框内打）学雠文储繇剐雌
2、指删雠：野日期：加日期：。西南交通大学学位论文创新性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章绪论课题的研究目的和意义电力是现代社会生产生活中主要和必不可少的直接能源，电能质量因此也一直为人们所重视。传统供电系统被设计成按正弦波形运行，并且以恒定的工业频率和规定的电压水平向用户供电。但实际情况下电力系统往往无法在这样的理想情况下运行，特
3、别是电力系统中非线性元件的存在将导致电力系统波形发生畸变，影响电力系统的安全稳定运行。电力系统谐波并不是一个新的问题，但由于过去没有对电力系统和供电系统造成十分严重的影响，因此没有引起电力和供电部门的重视，但是近年来随着电力电子技术的发展，大功率整流装置在冶金、电气化铁道、化工、煤炭等工业部门中得到了广泛应用，而这些大功率非线性设备的使用将会给电网注入大量谐波，使供电电压波形畸变，供 电质量下降，对电力系统造成严重危害，对用户也构成了威胁，因此谐波开始被人们所重视。实际上，谐波已成为电力系统的一大公害，严重威胁着供配电系统和线路上其他用电设备的正常运行，由此造成的经济损失也比较大，谐波治理已经
4、到了不容忽视的地步，因此如何有效的研究谐波的产生、危害及治理，对于保障供电系统和用户设备的安全运行，具有重大的现实意义。电力系统谐波及危害随着电力系统谐波严重性的不断加大和各国对电力谐波问题的关注，以及对电力系统谐波研究的深入，目前对电力谐波产生的原因、危害都已经有了比较明确的认识。谐波的定义及 产生原因任何周期性非正弦波可用一个基频正弦波加上一系列其它下弦波表示，这些下弦波通常有着比基波小的幅值和基频整数倍数的频率，具有这种特征西南交通大学硕士研究生学位论文第页的非基频正弦波即为谐波，国际上通行定义为：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。电力系统谐波主要由非线性元件或
5、非线性负荷产生【。我们知道线性电路具备叠加性，电路中线性无源元件上的电流和电压的关系，不外乎比例、微分、积分等关系，正弦周期函数在 进行加、减、微分和积分等运算时仍保持下弦函数的特点，而电力系统中的电压和电流都是具备单一恒定的频率且随施加大小变化而变化的下弦量，因此 电压和电流之间只存在幅值和相位的差异，它们与 电源电压之间也只存在着幅值和相位的差异，都是具备相同频率的正弦波量【。但是当正弦波电压施加于非线性负荷时，叠加定理不再适用，负荷吸收的电流和施加的电压波形不同，从而产生谐波。电力系统中产生谐波的谐波源很多，主要可以分为以下几类，：晶闸管整流 设备。含半导体非线性元件的谐波源是电力系统的
6、主要谐波源，这类设备 在电力系统中广泛存在。随着硅整流技术的发展和不断完善，硅整流装置及晶闸管在各行业中得到日益广泛的应用，它们按一定规律开闭不同电路，将谐波电流注入到系统中。我们知道，晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而 给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中次谐波的含量可达基波的；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随 电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥脉冲整流器，变压 器原边及供电线路含有次及以上的奇次谐波电流；如果是脉冲整流器，也还有次及以上奇次谐波电流。经统计表明由整流装置产生的
7、谐波占所有谐波近，这是最大的谐波源。变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，它含有随输出频率变化的边频带，由于采用了相位控制，频率连续变化，其谐波成份很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。电弧炉。通常所谓的电弧炉是交流电弧炉，用于钢铁冶炼。大型电弧炉的发展方向是采用更经济有效的直流电弧炉。在谐波源分类上，直流电弧炉是由整流器馈电，故 应列入电力电子装置。 铁合金矿石炉、电石炉和电弧炉虽都采用石墨电极来注入熔化电流，但用电特性有很大差别。家用电器。例如日光灯、电视机、 调速风扇、空调、电冰箱等。西南交通大学硕士研究生学位论文第页高
8、新技术应 用的多种 设备。例如电子计算机、敏感电子器件、激光切割设备、卫星 传送器、核磁共振设备、节能灯（例如高压钠灯和其他气体放电灯等。谐波的危害电力系统谐波的危害十分严重，它的存在不仅会对电力系统环境造成污染，还会对电 力设备造成损害， 严重影响电力系统的安全运行，它的危害概括起来主要有以下几个方面，】：增加旋转电 机的损耗。谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。对无功补偿电 容器组 引起谐振或谐波电流的放大。由于电容器的容
9、抗与频率成反比，因此在谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占的比例不大，也会产生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流，导致电容器因过流而损坏。增加输电线 的损耗，缩短输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起隐加输电损耗。在电缆输电 的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度， 这影响了电缆的使用寿命。增加变压 器的损耗。变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在 绕组中引起
10、附加铜耗，同 时也使铁耗相应增加。另外，的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。造成继电 保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与继电 器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据西南交通大学硕士研究生学位论文第页或过零工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电器均会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过大，可能引起接地保护误动作。引起电力 测量
11、的误差。测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生误差。比如，感应式电能表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高， 误差越大，而且 为负误差，当 频率约为时，电度表将会停止转动。干扰通讯 系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化，该换 相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的谐波频率较高，甚至达到，因而会引起 电磁干扰， 对通信线路、通信设备会产生很大的影响。比如电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通讯线路， 谐波的影响都很大。课题的来源和背景课题以该铝厂谐波治理改造项目为基础。铝厂供电系统共有两条进线，进线电
12、压经过供电车间降压变压器变为后，再经整流变压器供整流装置使用。考虑到晶闸管整流装置会产生大量的谐波，因此每台机组配有无源滤波滤波装置，装置由，次单调谐滤波器组成，接于降压变压器绕组上。机 组最初由设计供货，后由富士电机对机组进行了改造，但近年来由于电解铝产量和需求的提高，电解铝厂处于加强运行方式，四台机组全部投入运行，并拟将单台整流输出扩大到，以此满足生产需要，但在运行中发现随着整流输出电流的增大，当单台电流输出到达一定值时滤波器支路将会出现跳闸，并启动保护，以至供电系统无法正常运行，严重影响了铝厂产量的提高和产值的增加。本论文基于此对铝厂供电系统的谐波产生原因、分布以及系统存在的问题进行了全
13、面的分析判断，并提出了相应的治理改造方案。论文所做工作论文主要工作有以下几个方面：（）介绍了目前电力系统谐波抑制的主要方法；西南交通大学硕士研究生学位论文第页（）分析了铝厂整流供电系统谐波产生的主要原因，并对铝厂供电系统建立了谐波电路模型；（）分析了电力系统谐波谐振及放大产生的原因，并对铝厂供电系统的谐波谐振情况以及谐波放大进行了判断；（）从现场实际出发， 对电 解铝厂供电系统的谐 波分布进行测试， 获取了铝厂供电系统的谐波数据，并对测试数据以及铝厂注入公网的谐波值进行了分析：（）对整流装置单台输出为及时，电解铝厂供电系统的运行情况进行了分析，并对系统过流过压情况进行了计算，通过线性分析的方法
14、计算了系统在单台整流输出为时的谐波分布，分析了时系统过流过压情况，在确定系统存在的问题的同时，提出了治理改造的基本方案，并最终对方案进行了验证，确保系统不会发生谐振。西南交通大学硕士研究生学位论文第页第章电 力系统谐 波抑制目前抑制电力系统谐波的方法主要有两种【，一种是对产生谐波的装置和设备本身进行改造，尽量减小或避免谐波产生。另一种方法是对不可避免产生的谐波进行治理，阻碍谐波源所产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系统谐波流入负载端。后种方法主要是通过加设滤波装置来实现，其目前常用的滤波方式又可分为无源滤波和有源滤波两种。，电力设备谐波源抑制电力设备谐波源的抑制主要是针对产生电力谐波的装置采用一
15、定的方法和措施减少或者消除电力系统设备的谐波。这些电力设备主要包括大功率变流变流器、电 容器、 变压 器以及发电机。 对电力电流变流器、整流器的谐波抑制主要是通过采用相位抵消或者变流整流新技术进行的，主要表现以下几个方面【，】：多脉整流及准多脉整流大功率电力电子装置（几百千瓦以上）常采用脉或脉变 流器以减小网 侧谐波电流。理 论上讲，脉数愈多，对谐波的抑制效果愈好，但是脉数愈多，则整流变压器的连线愈复杂，体积愈大，成本也愈高，因此脉数并非愈高愈好。准多脉整流，其基本原理是利用移相触发来近似实现多脉整流。准多脉整流实际上是将主电路的复杂性转移到控制电路，但抑制谐波的效果相同，因此很有发展前途。多
16、电平变 流技术对电 流型变流器，将方波 电流形叠加，可以使输入电流为接近正弦且与电源电压同相位的阶梯波，其多电平结构和控制方法有相移多重化、顺序控制和非对称控制多重化等。对电压型变流器，必须用联接电感与交流电源相连，大多采用相移多重化，将方波电压叠加，使得变流器在网侧产生的电压是接近正弦的阶梯波，且与电源电压保持一定的相位关系。利用脉宽调 制（）技术消除谐波。其基本思路是控制输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性，根据输出波形的傅里叶级数展开式，使需要消除的谐波幅值为零，基波幅值为给定量，组成非线性超西南交通大学硕士研究生学位论文第页越方程组计算各开关通断时刻，达到消除指定谐波和控制
17、基波幅值的目的。技术的优点是在载波频率高时，输出中所含低次谐波分量很小，从而提高了功率因素。对电力电容器，通过改变电容器的安装位置可以改变电源到电容器之问的感性电抗以避免电容器与电源之间并联谐振的发生，其次通过改变电力电容器的无功出力也可以改变谐振点的频率】。对变压器进行三角形联结可以阻断由发电机和变压器产生的谐波进入电力系统。另外同步发电机中的短矩线圈和分布绕组可以减，波。选择线圈节距以使节矩系数在某次谐波下为零可以完全消除此次谐波。此外，在同步发电机的极靴中采用阻尼绕组能够减弱脉动磁场的影响。电力系统无源滤波采用电力滤波装置就近吸收谐波源产生的谐波电流也是抑制谐波的一种有效措施。目前以无源
18、滤波方式应用最为广泛，无源滤波装置一般由电力电容器、电抗器和 电阻器适当组合而成，运行中它和谐波源并联，除起滤波作用外还兼顾无功补偿和调压的需要，优点是结构简单、运行可靠、维护方便价格比较低廉【】。无源滤波装置的 结构及接线方式从与系统的联接方式来看，滤波器可分为串联滤波器和并联滤波器两大类【引，如图 所示一只图（）串 联滤波器（功并 联滤波器如果只需要防止某一特定频次的谐波流入电力系统中去，可以采用图西南交通大学硕士研究生学位论文第页（）所示的串联滤波器。它能在某一频率附近呈现出极大的阻抗，从而“阻塞”该次谐波的通路。然而，由于 经济和技术上的原因， 这种方法并未广泛应用，主要是因为非线性负
19、载在下常运行 时不可避免的要产生多频次的谐波。对于换流器产生的谐波电流，通常都在其附近的交流侧并联一组并联电容器，为这些谐波提供低阻抗通路，从而防止它们流入电网中去。串联滤波器在运行过程中必须通过主电路的全部电流，并且需要较高的对地绝缘要求，相比之下并联滤波器由于一端接地，且只通过谐波电流和相对小的基波电流，因此 对于相同的滤波效益来说，并联滤波器要比串联滤波器经济得多。另一方面，串联滤波器在运行过程中要消耗部分基波无功，而并联滤波器可以输出基波无功，从而改善系统功率因数。 此外，从维修的观点来看，串联滤波器发生故障时需要带电作业，接入线路时需要断开主线路，因此与并联滤波器无法相比。由于前面几
20、个方面的原因，工程上几乎全部采用并联滤波方式。以下是常用并联滤波器的接线图图常用并 联滤波器接线方）单调谐滤波器）双调睹滤波器（）二阶减幅滤波器根据滤波器所吸收的谐波频次的高低，并联滤波器可以分为调谐滤波器和减幅滤波器两大类。调谐滤波器由于其品质因数日很高（典型值为），因此又称为高型滤波器。其滤波对象主要是频次较低的谐波（如次、次、次、次等）。这类滤波器既可以调谐于一个频率（单调谐滤波器），又可以调谐于两个以上频率（双调谐滤波器）。单调谐滤波器利用尺、电路串联谐振原理构成（如图）。具体工西南交通大学硕士研究生学位论文第页程接线中可以灵活多样，例如：可以将电抗器接到母线与电容器之问；电容器（或电
21、容器一电抗器组）可以采用星形或者三角形接线等，但推荐采用图（）的接线方式，即将 电抗器与电阻器均接于电容器的低压侧，整个滤波器采用星形接法，这样有以下优点：（）一相中任何一个电容器击穿时，短路 电流较 小；（）电抗器不承受短路电流冲击，且只需采用“半绝缘”，因为在系统单相接地时，电 抗器中性点对地电压仅为相电压；（）便于分相调谐；但是当电抗器有足够的强度时，为了便于电容器组采用差流保护，也有将电容器组接到中性点侧的。单调谐滤波器在运行过程中，其滤波效果容易受到很多因素的影响。如系统频率偏差、 滤波元件参数变化（环境温度等变化引起）、元件制造误差以及安装调试误差等，因此实际谐振点往往偏离设计谐波
22、频率。因此工程上也可采用自调谐滤波器，即通过一套测量控制系统，在一定的范围内改变滤波元件参数，以保障滤波器谐振于设计频率上，从而提高滤波效果。在有些工程中也采用双调谐滤波器图）。这种滤波器的两个谐振频率实际上相当于两个并联的单调谐滤波器，它同时吸收两种频率的谐波。与两个单调谐滤波器相比，减少了回路，基波损耗较小，只有一个电抗器承受全部冲击电压。这种滤波器结构比较复杂， 调谐较困难，但在高压大容量滤波装置中采用有一定的技术经济优越性。减幅滤波器也称为低型滤波器或高通滤波器国值一般为）。它能在很宽的频段上（例如第次 谐波频率以上）呈现极低的阻抗，因而主要是用来吸收那些频次较高幅值较小的谐波。减幅滤
23、波器可以分为一阶减幅型、二阶减幅型、三 阶减幅型和型。但是常用的还是二阶减幅型。高通滤波器具备以下优点：性能和负载 能力稳定，对系统频率偏差、环境温度变化、元件损耗及制造误差带来的影响不很敏感，安装调试容易。能够在较宽 的频段上呈 现一个很低的阻抗，对该频段内的谐波均有滤波作用就补偿无功功率而言，高通滤波器通常比一个单调谐滤波器发出的无功功率大的多，故它适用于大容量整流装置要求大量补偿无功的需要。西南交通大学硕士研究生学位论文第页无源滤波器阻抗特性次单调谐滤波器一般采用一上一接线方式，其电路接线如图（）所示。基波时，容抗去远大于感抗，其阻抗三角形如图（）所示。眈儿心图（口）基波状态阻抗图（）调
24、谐状态阻抗图此时滤波器是容性负载，起到无功补偿的作用。在次谐波时，其阻抗为一。融一去）（）式中尺向一滤波器回路电阻一额定工频角频率当达到谐振状态时，滤波器总电抗变为零， 变为纯电阻性，其阻抗图如图 （）。此时（）赢（）厶乙显然在理想调谐状态下，次谐波电流主要将通过低值电阻尺历分流，从而很少流入系统中去，因而使该次谐波电压大为降低。理想情况下次单调谐滤波器的阻抗频率特性如图所示西南交通大学硕士研究生学位论文第页图单调谐滤波器的阻抗频率特性但实际中由于电网频率变化，电容制造误差、成组的配合精度、电容的温度系数及电感量的调整方式所造成的电容值偏差，以及电抗器制造误差及电感量的调整方式引起的电感值的偏
25、差会造成滤波器谐振频率产生变化，这种频率偏差通常称为等值频率偏差。考虑元件内阻的双调谐滤波器的基本形式如图（）所示，其阻抗频率特性如下。对于串联主回路乙墨（心一）（）似串联回路具有单调谐的性质，其调谐频率兀。满足一罚意（）对于并联 回路发生并联谐振的厶：频率为兀。丽 （）因、心为电感、电容的内阻，阻值较小，故血。司雨 ）双调谐滤波器的频率阻抗特性如下图，其中五和厶为双调谐滤波器的两个调谐频率。西南交通大学硕士研究生学位论文第页圈双调谐滤波器频翠阻抗特性图目前常用的高通滤波器主要是二阶减幅型，接线如图（）所示，对于频次较高的谐波， 滤波电容器容抗值小， 电感感抗值虽然会增大，但由于电感与电阻并联
26、，并 联后的阻抗不会超过电阻，因此随着频率的增加，滤波器阻抗将保持在一个较低的水平，使较高次谐波电流容易通过。当频次低于某一值厶时，容抗将起主要作用，其阻抗将随频率的降低而明显增加，使低次的谐波电流难以通过，这一频率厶称为滤波器的截止频率，大于厶时，其阻抗小且平坦，称为通频带。高通滤波器的截止频率厶为厶淼（）对应于截止频率的谐波次数为。鲁赤每 仁，式中。一电容器基波电抗次谐 波时滤 波器的阻抗为唼去）一飓（）电容、电感的 谐波电抗值分别为 如赤鲁尺（）。；幼皿；，西南交通大学硕士研究生学位论文第页式中小壶从而可得。鱼三：一一一一尺（）弘赢。卜譬竽）柳对应于最小阻抗时的谐波次数矗。，可由芝掣：。
27、计 算求得（）由式看出，当时，乞；。就是 说，在 到的 频率范围内，滤波器总阻抗总与接近。由式 表明。；。与及坍的关系，总小于晌。应该选择的比最高次单调谐滤波器的次数至少再高一次，以免它过多的分流单调谐滤波器的谐波。另外，玩不宜选的过低，以免引起有功耗增加。高通滤波器、并联段的品质因数肌：矿篆击（）滤波装置的安装 选择滤波器的安装选择，主要是指确定用几组单调谐滤波器，如何选取高通滤波器的截止频率，以及用什么方式满足无功补偿的要求。单调谐滤波器应该根据谐波源大小及其产生的主要特征谐波电流来考虑。对于整流性 谐波源，一般只设奇次滤波器。例如六相整流 负荷可以设次、次、次等单调谐滤波器。如要 滤除更
28、高次的谐波，可以设一组高通滤波器（如果主要目的是吸收次谐波， 则截止频率可以选为次）。对于非特征的次谐波是否要设滤波器， 应根据次谐波电流的大小，以及是否西南交通大学硕士研究生学位论文第 页可能发生次谐波谐振（即次谐波电压过高）来决定（后者应待滤波装置参数初步选定后才能确定）。电弧炉负荷由于产生连续次数的特征谐波，一般需要从次滤波器开始设单调谐滤波器。有源电力滤波有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和 频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿其应用可克服无源滤波器等传统的谐波抑制与无功补偿的缺点。根据有源电力滤波器接人电网的方式，将其系统构成分为两大类，即
29、并联型和串联型。有源滤波器的基本原理最基本的有源电力滤波器系统构成的原理如图所示，图中表示交流电源，负载为谐 波源，它产生谐波并消耗无功一有源电力滤波器由两大部分组成，即指令 电流运算电路和补偿电流发生电路（由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成）。其中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路；补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。主 电路目前均采用交流器。图有源滤波器电路图西南交通大学硕士研究生学位论文第页有源电力滤波器的基本工作原理是，检测补偿对象的电压和电流，
30、经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消，最终得到期望的 电源电流。例如，当需要补偿负载所产生的谐波电流时，有源电力滤波器检测出补偿对象负载电流的谐波分量，将其反极性后作为补偿电流的指令信号，由补偿电流发生电路产生的补偿电流即与负载电流中的谐波分量大小相等、方向相反，因而两者互相抵消，使得电源电流。中只含基波，不含谐波。这样就达到了抑制 电源电流中谐波的目的。上述原理可用如下的一组公式描述：吃工工，朋一屯，（）如果要求有源电力滤波器在补偿谐波的同时，补偿负载的无功功率，则只要在补偿电流的指令信号中
31、增加与负载电流的基波无功分量反极性的成分即可。这样，补偿电流与负载电 流中的谐波及无功成分相抵消， 电源电流等于负载电流的基波有功分量。并联型有源滤 波器并联型有源滤波器又可以分为单独使用方式和与滤波器混合使用方式等。单独使用的并 联型有源 电力滤波器。单独使用的并联型有源电力滤波器系统构成的原理如图所示：图中，负载为产生谐波的谐波源，变流器和其相连的电感、直流 侧贮能元件（图中为电容）共同组成有源电力滤波器的主电路。与有源 电力滤波器并联的小容量一阶高通滤波器（或采用二阶高通滤波器），用于滤除有源电力滤波器所产生的补偿电流中开关频率附近的谐波。西南交通大学硕士研究生学位论文第页图单独使用的并
32、联型有源滤波器与滤波器混合使用方式。这种方式是为克服上一种方式要求容量较大这一缺点而提出的。其基本思想是利用 滤波器来分担有源电力滤波器的部分补偿任务。由于滤波器与有源电力滤波器相比，其优点在于结构简单、易实现且成本低，而有源电力滤波器的优点足补偿性能好。两者结合同时使用，既可克服有源电力滤波器容量大、成本高的缺点，又可使整个系统获得良好的性能。并联型有源电力滤波器与滤波器混合使用的方式又可以分为两种：一种是有源电力滤波器与滤波器并联；另一种是有源电力滤波器与滤波器串联。图。是有源电力滤波器与滤波器并联方式的种。有源电力滤波器与滤波器均与谐波源并 联接入电网，两者共同承担补偿谐波的任务，滤波器
33、主要补偿较高次的谐波，是一个高通滤波器。这里，高通滤波器一方面可以消除补偿电流中因主电路中器件通断而引起的谐波对象中次数较高的谐波，从而使得对有源电力滤波器主电路中器件开关频率的要求可以有所降低。这种方式中，出于滤波器只分担了少部分补偿谐波的任务，故对降低有源电力滤波器的容量起不到很明显的作用。但因对有源电力滤波器主电路中器件的开关频率要求不高，故实现大容量相对容易些。西南交通大学硕士研究生学位论文第页图有源电力滤波器与滤波器并联方式之一图所示 为有源电力 滤波器与滤波器并联的另一种方式。在 这种方式中，滤波器包括多组单调谐滤波器及高通滤波器，承担了绝大部分补偿谐波和无功的任务。有源电力滤波器
34、的作用是改善整个系统的性能，其所需的容量与单独使用方式相比可大幅度降低。图有源电力滤波器与滤波器并联方式之二从理论上讲，凡使用滤波器均存在与电网阻抗发生谐振的可能，因此在有源电力滤波器与滤波器并联使用的方式中，需对有源电力滤波器西南交通大学硕士研究生学位论文第页进行有效的控制，以抑制可能发生的谐振。图所示为并联型有源电力滤波器与滤波器串联入式的原理图。该方式中，谐波和无功功率主要由滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善滤波器的滤波特性，克服 滤波器易受电网阻抗的影响、易与电网阻抗发生谐振等缺点。这种方式中，有源 电力滤波器不承受交流电源的基波电压，因此装置容量小。乙图并联型有源电力滤波器与滤
35、波器串联入式串联型有源滤 波器串联型有源电力滤波器包括单独使用方式和与滤波器混合使用方式这两种。单独使用的串 联型有源 电力滤波器。如图是 单独使用的串联型有源滤波器的原理图，这种方式的特点是有源电力滤波器作为电压源串联在电源和波源之间。在多数情况下，并 联型有源电力滤波器主要用于补偿可以看作电流源的谐波源，典型的如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，有源电力滤波器向电网注入补偿电流，抵消谐波源产生的谐波，使电源电流成为正弦波。在这种情况下，并联型有源电力滤波器本身表现出电流源的特性。西南交通大学硕士研究生学位论文第页图单独使用的串联型有源电力滤波器与滤波器混合使用方式，图是这种方式的原理图。这
36、种方式是在并联的负载和滤波器与电源之间串入有源电力滤波器。谐波基本由滤波器补偿，而有源电力滤波器的作用是改善滤波器的滤波特性。可将有源电力滤波器看作一个可变阻抗，它对基波的阻抗为，对谐波却呈现高阻抗，阻止谐波电流流入电网，而迫使 谐波电流流入滤波器。换言之，有源电力 滤波器起到了谐波隔离器的作用。这样还可抑制电网阻抗对滤波器的影响，以及抑制电网与滤波器之间可能发生的谐振，从而极大地改善滤 波器的性能。图与滤波器混合使用方式西南交通大学硕士研究生学位论文第 页第章铝 厂供电 系统与谐波模型铝厂供电系统结构铝厂供电系统共有两条进线，进线电压经过供电车间降压变压器变为后，再经整流变压器供整流装置使用
37、，供电系统有台整流机组，正常情况下台机 组运行，一台检修或者备用，每台机组采用脉波全控桥式整流方式，每台整流机组单独配置整流变压器一台，四台整流变压器各自依次移相度，总体构成脉波整流方式，从而使网侧低次谐波电流大大降低。考虑到晶闸管整流装置会产生大量的谐波，因此每台机组配有无源滤波滤波装置，装置由，次单调谐滤波器组成，接于降压变压器绕组上。供 电系统结构如图：图铝厂供 电系统简化图系统元件参数：电网及系统元件参数母线电压：，最小短路容量：。供电设备参数：既有供电设备由降压变压器、滤波器、次）、整流变压 器和整流器组成。目前，、号机组的降压变压西南交通大学硕士研究生学位论文第页器由提供，号机组
38、的降压变压器由富士电机提供；滤波器由提供；整流变压器和整流器由富士电机提供。降压变压器产 的降 压变压器主要参数：一额定电压：一额定频率：一额定容量：一冷却方式：一阻抗电压：富士电机产的降压变压器主要参数：一额定电压：一额定频率：一额定容量：一冷却方式：一阻抗电压：整流机组整流变压器：一相数：（侧），（侧）一额定容量：木一额定电压：一额定电流：可控硅整流单元：一额定功率：一额定电压：一额定电流：滤波电容器组每机组设一组滤波电容器组：一额定输出：，（次）（次）（次）一额定电压：（次）西南交通大学硕士研究生学位论文第 页滤波电抗器一电感值：铝厂谐波分析（次）（次）（次）（次）（次）脉波整流装置产生
39、的谐波【铝厂电解车间需要的直流电由三相交流电经降压变压器变为三相交流经由整流变压器和整流器提供，在这几个环节的非线性供电设备中，三相整流装置无疑是最为主要的谐波来源，由于供电车间采用三相脉波整流装置因此将产生大量的锄次特征谐波，三相桥式全控整流电路（原理接线如图）的工作原理及谐波产生原因可分析如下：一乃卜乃卜乃卜厶一“蚴。疋卜乃卜死图三相桥式全控整流电路原理接线图设三个共阴极晶闸管的自然换流点为卜、时刻，分 别触发乃、乃、乃晶闸管，而在共阳极晶闸管的自然换相点、时刻，分别触发死、乃、死晶闸管，两组自然换相点对应相差为万。在（期间（图口，段所示），相电压较正，相电压较负，在触发脉冲作用下，乃、死晶 闸管同时导通，电流从相经乃负载一死流回相，负载上得到、相 线电压。时刻开始，相电压仍保持电位最高，但相电压开始比更负，此西南交通大学硕士研究生学位论文第页时使晶闸管乃导通，迫使晶闸管乃承受反压而关断，负载电流从死换到乃。在一（段）期间，电流路径为相一乃负载一乃相， 负载上得到、相线电压。在时刻，由于相电压比相电压高，故触发晶闸管乃导通后，迫使乃管关断，电流从乃中换到乃，依此类
