10kv智能型滤波补偿系统的设计(附件)
随着电网中电弧炉等大功率整流设备的不断投入，大量的谐波电流，正在逐渐恶化电网的环境。如何正确补偿无功功率，滤除系统中的谐波是我们需要解决的问题。本文首先根据电弧炉的工作特性采用单调谐滤波器来解决电弧炉的谐波问题，并补偿无功功率。其次对单调谐滤波器的设计方法进行了研究。采用PSIM仿真的方法验证了设计的可行性。并提出了采用智能控制器来对系统进行智能控制。最后文章在PSCAD中对设计的滤波系统建立了仿真系统，并在Matlab中对系统进行了频率扫描。关键词 无源滤波器，滤除谐波，无功补偿，智能控制器，设计方法
目 录
1 引言 1
1.1无功功率的产生与危害 1
1.2谐波的产生原因与危害 1
1.3现有的高压电能优化装置 3
1.4本课题研究内容 5
2 电弧炉 6
2.1电弧炉的工作特性 7
2.2电弧炉工作时系统电能质量 9
2.3解决措施 10
3 高压滤波与补偿装置的设计 11
3.1无源滤波器的工作原理 11
3.2滤波器的参数设计步骤 13
3.3设计方法验证 16
4电弧炉的高压装置设计 18
4.1高压系统的设计标准 18
4.2 10KV滤波器设计 19
4.3智能控制装置与保护 31
5 高压系统安全性分析 31
5.1电压校核 31
5.2电流校核 32
5.3频率扫描 32
结论 38
致谢 39
参考文献 40
1 引言
1.1无功功率的产生与危害
无功功率是在电路和设备内用来建立交变电磁场的电功率，因为它不对外界做工而转变为其它形式的能量，所以称其为无功功率。因为无功功率起的是建立电磁场的作用，如果不考虑电路中的损耗，无功功率只是在电源和设备之间来回交换，所以无功功率又称为交换性功率。
对电网中元件来说，无功功率表示它的平均功率为零。但无功功率表达了在电容和电感中存储和释放磁场能量需要的真实功率。
从数值上看，无功功率为无功电流和 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
电压的乘积。如果系统中的无功供应不足，系统电压及功率因数会因此而降低，用电设备有可能受损， 严重时会造成电压崩溃， 系统也会随之瓦解，从而造成大面积停电。
此外，在功率因数和电压降低的情况下，电气设备就会得不到充分利用，电能损耗会由此增加，用电效率也会降低，线路的送电能力也会受到极大的限制，影响电网的安全及用户的正常用电。
如果无功功率在电网中供应不足，用电设备就没有足够的无功功率来形成足够的电磁场，那么这些用电设备就无法保持正常工作，用电设备的端电压也会随之下降，用电设备的运行也会受到影响。
无功功率会带来许多危害，如下[1]：
（1）无功功率会使得发电机有功功率的输出降低。
（2）在电网内的流动，无功功率会造成线路电压损失增大，同时无功功率会导致电能损耗的增加。
（3）在功率一定时，要想增加无功功率，就必须降低输电和变电设备的供电能力。
（4）在系统缺乏无功功率时，功率因数运行和电压下降这些现象会随之出现，电气设备容量也因此得不到充分发挥。
1.2谐波的产生原因与危害
谐波是指电压、电流波形发生畸变，这主要是负荷的非线性造成的，随着电力电子装置的广泛使用以及计算机和空调等电器的普及，电网中谐波含量也不断上升，谐波污染对电力系统安全、稳定。经济运行构成潜在的威胁，给周围的电气环境带来极大影响，被公认为电网中的一大公害。
1.2.1谐波的产生
电网谐波来自于3个方面: 一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生谐波。其中用电设备产生的谐波最多。发电机由于三相绕组制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀和其他一些原因，发电源多少会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器的铁心的饱和,磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样使磁化电流呈尖顶波形, 因而含有奇次谐波。在用电设备中，下面的设备都能产生谐波[1]：
（1）晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。经统计表明: 有整个装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。
（2）变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中,由于采用了相位控制,谐波成分很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大,随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。
（3）电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料,使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流,经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2—7次谐波，平均可达基波的8%—20%,最大可达到45%。
（4）气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，他们会给电网造成奇次谐波电流。
（5）家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等绕组设备中, 因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大, 也是谐波的主要来源之一。
1.2.2谐波不利影响
谐波会给电力系统带来很多危害。如今电力电子技术的不断地发展，非线性设备在我们生活中大量应用，谐波正变得愈发严重，引起人们的警觉。谐波对电网和其他方面的危害如下：
（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量的3次谐波流过中线时会使线路过热，甚至发生火灾,造成严重损失。
目 录
1 引言 1
1.1无功功率的产生与危害 1
1.2谐波的产生原因与危害 1
1.3现有的高压电能优化装置 3
1.4本课题研究内容 5
2 电弧炉 6
2.1电弧炉的工作特性 7
2.2电弧炉工作时系统电能质量 9
2.3解决措施 10
3 高压滤波与补偿装置的设计 11
3.1无源滤波器的工作原理 11
3.2滤波器的参数设计步骤 13
3.3设计方法验证 16
4电弧炉的高压装置设计 18
4.1高压系统的设计标准 18
4.2 10KV滤波器设计 19
4.3智能控制装置与保护 31
5 高压系统安全性分析 31
5.1电压校核 31
5.2电流校核 32
5.3频率扫描 32
结论 38
致谢 39
参考文献 40
1 引言
1.1无功功率的产生与危害
无功功率是在电路和设备内用来建立交变电磁场的电功率，因为它不对外界做工而转变为其它形式的能量，所以称其为无功功率。因为无功功率起的是建立电磁场的作用，如果不考虑电路中的损耗，无功功率只是在电源和设备之间来回交换，所以无功功率又称为交换性功率。
对电网中元件来说，无功功率表示它的平均功率为零。但无功功率表达了在电容和电感中存储和释放磁场能量需要的真实功率。
从数值上看，无功功率为无功电流和 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072$
电压的乘积。如果系统中的无功供应不足，系统电压及功率因数会因此而降低，用电设备有可能受损， 严重时会造成电压崩溃， 系统也会随之瓦解，从而造成大面积停电。
此外，在功率因数和电压降低的情况下，电气设备就会得不到充分利用，电能损耗会由此增加，用电效率也会降低，线路的送电能力也会受到极大的限制，影响电网的安全及用户的正常用电。
如果无功功率在电网中供应不足，用电设备就没有足够的无功功率来形成足够的电磁场，那么这些用电设备就无法保持正常工作，用电设备的端电压也会随之下降，用电设备的运行也会受到影响。
无功功率会带来许多危害，如下[1]：
（1）无功功率会使得发电机有功功率的输出降低。
（2）在电网内的流动，无功功率会造成线路电压损失增大，同时无功功率会导致电能损耗的增加。
（3）在功率一定时，要想增加无功功率，就必须降低输电和变电设备的供电能力。
（4）在系统缺乏无功功率时，功率因数运行和电压下降这些现象会随之出现，电气设备容量也因此得不到充分发挥。
1.2谐波的产生原因与危害
谐波是指电压、电流波形发生畸变，这主要是负荷的非线性造成的，随着电力电子装置的广泛使用以及计算机和空调等电器的普及，电网中谐波含量也不断上升，谐波污染对电力系统安全、稳定。经济运行构成潜在的威胁，给周围的电气环境带来极大影响，被公认为电网中的一大公害。
1.2.1谐波的产生
电网谐波来自于3个方面: 一是发电源质量不高产生谐波；二是输配电系统产生谐波；三是用电设备产生谐波。其中用电设备产生的谐波最多。发电机由于三相绕组制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀和其他一些原因，发电源多少会产生一些谐波，但一般来说很少。输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器的铁心的饱和,磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样使磁化电流呈尖顶波形, 因而含有奇次谐波。在用电设备中，下面的设备都能产生谐波[1]：
（1）晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。经统计表明: 有整个装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源。
（2）变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中,由于采用了相位控制,谐波成分很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大,随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。
（3）电弧炉、电石炉。由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料,使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流,经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2—7次谐波，平均可达基波的8%—20%,最大可达到45%。
（4）气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重，有的还含有负的伏安特性，他们会给电网造成奇次谐波电流。
（5）家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调器等绕组设备中, 因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大, 也是谐波的主要来源之一。
1.2.2谐波不利影响
谐波会给电力系统带来很多危害。如今电力电子技术的不断地发展，非线性设备在我们生活中大量应用，谐波正变得愈发严重，引起人们的警觉。谐波对电网和其他方面的危害如下：
（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率。大量的3次谐波流过中线时会使线路过热，甚至发生火灾,造成严重损失。
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