电力系统谐波研究及其治理

山东科技大学学士学位论文 摘要摘要随着电力电子技术的发展,电力系统的发展及电力市场的开放,各种非线性负载(谐波源)应用普及,产生的谐波对电网的污染日益严重,电能质量问题越来越引起广泛关注。因此,谐波及其抑制技术已成为国内外广泛关注的课题。本文首先对国内外谐波问题及其现状进行了描述，介绍了电力系统谐波主要产生形式以及抑制电网谐波的主要方式，对现有的基于瞬时无功功率谐波检测方法进行了改进，提出了三相三线制并联有源电力滤波器谐波检测方法：基于瞬时无功功率理论的 改进方法。qpi研究了并联有源电力滤波器电流控制方法，确定采用三角波比较控制方式作为本文所研究三相三线制并联有源电力滤波器控制策略。关键词：电力系统、谐波、谐波抑制、有源滤波器山东科技大学学士学位论文 摘要ABSTRACTWith the development of the power system and the opening of the electricity Market, the power quality problem is receiving increasing attention.The pollution of the harmonies to the grid is inereasingly severe, owing to the Prevalence of the non-linear loads (harmoniesourees). So, the harmonic and its suppression technology is becoming the topic of common e oncern worldwide. A general description of development of harmonic around the world is given in this thesis at fist. It simply introduces the main mode of suppressing harmonic. This thesis put forward an improved harmonic detecting based on instantaneous reactive power theory considering that the power system is often under imbalance in our country,and a harmonic detection method of the three-phase three-line parallel active power filter-the harmonic current deteetion method based on the instantaneous reaetive power theory.qpiKey words: Power system, Harmoni, Harmonie Suppression, Aetive Powerfilte山东科技大学学士学位论文 绪论目录1 绪论 .11.1 研究的目的和意义 .11.2 国内外研究状况和进展 .22 谐波及其有源滤波器的研究 .52.1 谐波的基本概念 .52.2 谐波的产生极其危害 .62.3 谐波的抑制方法 .102.4 有源滤波器 .132.5 并联有源电力滤波器补偿特性的研究 .152.6 电力系统谐波标准 .162.7 本章小结 .173 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 .183.1 谐波检测方法研究现状 .183.2 三相电路瞬时无功功率理论 .193.3 基于瞬时无功功率 p、q 检测方法 .223.4 基于 算法的谐波电流实时检测 .24qpi4 并联有源电力滤波器的控制策略研究 .274.1 有源电力滤波器工作原理及模型 .274.2 并联有源电力滤波器滞环比较控制方法 .284.3 有源电力滤波器系统 .304.4 直流侧电压的控制 .324.5 本章小结 .32山东科技大学学士学位论文 绪论5 有源三相滤波器的仿真 .345.1 检测模块分析 .345.2 电流跟踪控制模块 .355.3 有源滤波器逆变模块 .376 总结和发展 .386.1 总结 .386.2 发展前景 .39参考文献 .40致谢 .42山东科技大学学士学位论文 谐波及其有源滤波器的研究11 绪论1.1 研究的目的和意义随着电力电子技术的迅速发展，大量非线性负荷（如电气化铁道牵引负荷、整流负荷、电力机车、电弧炉、变频调速装置等）接入电力系统，这些非线性负荷在系统电压作用下，供电电流发生畸变，含有大量的谐波成分。非线负荷的谐波电流注入系统后，在系统阻抗上产生谐波电压，引起电网电压畸变，造成电力系统谐波污染。目前，电力系统的谐波问题日益严重，不但降低了电能质量，还威胁到电力系统的安全运行。所以，对电力系统的谐波问题进行计算、分析和研究，并进而采取相应的抑制措施，是一项非常迫切的任务。改善电能质量，既需要供电部门提高供电质量，同时在用户侧就地改善电能质量也是很有必要的，相关标准明确指出：用户的非线性负荷、冲击性负荷、波动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或对安全运行构成干扰和妨碍时，用户必须采取措施加以消除。本文所要研究的主要就是如何在用户侧抑制用户产生的谐波电流以及电流不对称等电能质量问题。电能质量问题的提出由来已久，衡量电能质量的指标也是随着电力系统的发展而备受关注。在电力系统的发展早期，电力负荷的组成比较简单，主要由同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成。20 世纪 80 年代以来，随着电力电子技术的发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到广泛应用，不少用户对电能的利用都要经过电力电子装置的转换和控制，这些装置给人们生产和生活带来方便和效率的同时，使电力系统的非线性负荷明显增加。 谐波研究的意义，是因为谐波的危害十分严重，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、山东科技大学学士学位论文 谐波及其有源滤波器的研究2产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，还会引起供电电压畸变，增加用电设备消耗的功率，降低系统的功率因数，增加输电线路的损耗，缩短输电线寿命，增加变压器损耗，对电容器有很大影响，造成继电保护、自动装置工作紊乱，增加感应电动机的损耗，使电动机过热，造成换流装置不能正常工作，引起电力计量误差，干扰通信系统，对其它设备造成影响。谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。但是，现在电力电子装置产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子救赎发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。谐波研究的意义，还可以上升到治理污染环境、维护绿色环境来考虑。对电力电子来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。因此消除谐波污染，已成为电力系统，尤其是电力电子技术中的一个重大课题。谐波研究及其抑制技术已日益成为人们关注的问题。1.2 国内外研究状况和进展1.2.1 国内研究现状我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和电子工业发达的国家相比有一定的差距。我国从 80 年代开始大量采用硅整流设备，尤其是铁路电气化的迅速发展，推动了硅整流技术的发展和应用。电气化铁道具有牵引重量大、速度高、节约能源、对环境污染小等优点，电力牵引已成为我国铁路动力改造的主要方向。目前，非线性负荷的大量增加，使我国不少电网的谐波成分以大大超山东科技大学学士学位论文 谐波及其有源滤波器的研究3过了有关标准，并出现了一些危及电网安全、经济运行的问题。于此同时，我国许多科研和生产单位，一些高等院校相继开展了谐波研究工作，在多次学术会议上交流了这一方面的成果。但是，我国在 APF 方面的研究仍处于起步阶段，到 1989 年才有这方面文章。研究 APF 主要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。研究最成熟的是并联型，而且主要以理论眼界和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、谐波电流的监测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。清华大学、华北电力大学、重庆大学等高等院校也对 APF 展开了深入的理论研究。我国虽在理论上取得一定的进展，由于多方面的条件的限制，我国的有源滤波技术还处于实验阶段，工业应用上只有少数几台样机投入运行，如华北电力实验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发研究的有源高次谐波抑制装置于 1992 年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用了三个单相全控桥逆变器(功率开关为GTR)，用于低压电网单个谐波源的谐波补偿，且只能补偿几个特定次数的谐波(5、7、11、13 次)，调制载波的频率(3.3KHZ )不高；河南电力局与清华大学联合开发的 20MVA 静止无功发生器(包含有源谐波器)在郑州孟若变电站进行 300KVA 中间工业样机试运行，该样机主电路由 18 脉冲电压型逆变器、直流储能电容器、9 台曲折绕组变压器及系统的连接变压器组成，18 脉冲逆变器分为 3 相 6 脉冲电压型逆变器(功率开关为 GTO)，系统结构较复杂。 总的来讲，目前我国有源电力滤波技术的工业应用，仍处于试验和攻坚阶段，特别是在既治理谐波又补偿无功功率的 HAPF 系统方面，还有许多基础理论与技术有待于深入研究。从近年来的研究和应用中我们可以看出 APF 具有如下的发展趋势： 1.通过采用 PWM 调制技术和提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿和系统的大容量；山东科技大学学士学位论文 谐波及其有源滤波器的研究42.从经济上考虑，可以采用 APF 和 PF 组成的混合型滤波系统，以减少 APF 的容量，达到降低成本、提高效益的目的；3.从长远角度看，随着半导体器件制造水平的迅速发展，混合型滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串并联 APF 由于其功能强大、性价比高，将是很有发展前途的有源滤波装置。1.2.2 国外研究现状国外对电力谐波问题的研究大约开始于五六十年代，当时的研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。七八十年代随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题日趋严重从而引起各国的高度重视。近几十年间电力谐波的研究，渗透到了数字信号处理、计算技术、系统仿真、电工理论、控制理论与控制技术、电网络理论、电力电子学等其它学术领域，已经越过了电力系统的范畴，并且形成了自己特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、限制标准与管理制度等。目前，谐波研究仍是一个非常活跃的领域。 抑制谐波可以从治理谐波源本身入手，使其不产生谐波，且功率因数为 1，单位功率因数变流器就是可以实现这种功能的电力电子装置。但由于谐波的多样性，在电网中一般还是加装滤波器的方法来抑制高次谐波，这些装置一般可分类为无源滤波器和有源滤波器两种。山东科技大学学士学位论文 谐波及其有源滤波器的研究52 谐波及其有源滤波器的研究2.1 谐波的基本概念 2.1.1 谐波的基本含义国际上公认的谐波含义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，或者说谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于 1 的 次分量其频率为基波h频率的整数倍” 。谐波次数必须是个正整数，例如我国电力系统的额定频率是 50HZ， 2 次谐波为 100HZ，3 次谐波为 150HZ，有些国家电力系统的额定频率为 60HZ，其基波 60HZ，2 次谐波为 120HZ，3 次谐波为 180HZ。谐波次不能为非整数，因此也不能有非整数谐波。2.1.2 谐波的数学表达供用电系统中，通常认为电网稳态交流电压和交流电流呈正弦波形。在进行谐波分析时，正弦电压通常由下数学式表示：)sin(2)(tut（2.1）式(2.1)中： 为电压有效值 , 为初相角， 为角频率。 正弦电压U施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电源和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非正弦电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。理论上任何周期性波形都可以分解成傅立叶级数形式，称为谐波分析山东科技大学学士学位论文 谐波及其有源滤波器的研究6或频域分析。谐波分析是计算周期性畸变波形的基波和谐波的幅值和相角的基本方。