EPS应急电源论文(参考).docx

继续教育学院毕业设计（论文）电力大学 毕业设计（论文）题目 EPS应急电源专 业 电气工程及其自动化 班 级 学生姓名 指导教师 大学成人教育学院毕业设计（论文）任务书姓名专业电气工程及其自动化班级毕业设计（论文）题目EPS也成应急电源毕业设计（论文）工作起止时间地点毕业设计（论文）的内容：论文主要内容：本文介绍了EPS的概念，谐波的产生、危害以及滤除方法，地铁轨道交通EPS输出滤波电路的工作原理、电路组成、滤波性能、滤波电路损耗产生分析以及各种损耗的推导和计算，对于滤波电路的损耗能够有进一步认识修改目录即可。毕业设计（论文）的要求：论文最终稿应该是像一本书一样装订成册的本子。1. 字数要求：本科12000字，专科10000字。2毕业设计（论文）应包括的部分及其装订顺序：封面；任务书；中文摘要（包括关键词）;目录；正文；参考文献，附录。3.论文中最多可写到四级标题，最少也要写到三级标题，并且目录中的标题要与正文中标题保持一致，格式如下：一级标题“第一章*” 二级标题“1.1 *” 三级标题“1.1.1*” 四级标题“1.1.1.1*”4.论文一律用A4纸打印。论文题目不在正文中显示。中文行距为固定值20磅，英文用1.5倍行距。版面上空2.5cm，下空2cm，左空2.5cm，右空2cm(左装订)。5.对字体和字号的要求如下：第一层次(章)题序和标题用小二号黑体字，题序和标题之间空两字，不加标点，下同；第二层次(节)题序和标题用小三号黑体字；第三层次(条)题序和标题用四号黑体字；第四层次(款)题序和标题用小四号黑体字；第五层次(项)以下标题和题序与第四层次同。正文内容均用小四号宋体字。6页眉为“华北电力大学成教毕业设计论文”，封面页不用页眉。详细要求请参阅华北电力大学成人高等教育毕业设计（论文）工作的暂行规定. 指导教师签名： 摘要EPS也成应急电源，是英文Emergency Power Supply的简称。近年来，EPS供电系统以其特有的优越性和环保性在消防、应急照明等场合得到了日益广泛的应用，但这些场合都不包括精密的电子数字通信设备，对提供的电源质量要求不是很高。现在我们提出把EPS应用到拥有复杂而且精密的设备中，因此相应要求EPS所提供的电源质量和效率就要相当高，这就对滤波技术产生了新的需求。关键词：应急电源；滤波电路；损耗；谐波目录摘要3第1章 前言31.1.规划背景71.2.规划思路和原则81.2.1规划思路91.2.2规划原则91.3.规划范围及年限91.3.1规划范围91.3.2规划年限101.4 规划依据101.5规划主要内容10第2章 区域经济和社会发展概况72.1区域概况72.1.1地理位置72.1.2自然地貌82.2 历史沿革122.3社会经济发展概况132.4城乡发展方向152.5小结15第3章 现状电网分析153.1现状电网概述163.2高压配电网结构183.3高压配电网设备情况183.3.1高压变电站193.3.2高压线路193.4现状高压电网运行情况213.4.1变电站负载率分析223.4.2线路负载率分析233.4.3转供能力分析73.5存在的主要问题7第4章 电力需求预测244.1电力需求预测总体思路244.1.1预测思路和方法274.1.2预测依据284.2电力需求历史发展分析224.2.1电量负荷增长情况224.2.2电力与国民经济关系分析224.3电量、负荷预测244.3.1总电量预测224.3.2总负荷预测224.4小结22第5章 电网规划原则295.1规划目标295.1.135kV及以上电网规划目标295.1.210kV电网规划目标295.2技术总则305.3高压配电网规划技术原则335.3.1电压等级335.3.2供电可靠性345.3.3容载比345.3.4网络接线95.3.5变电站标准形式及主接线95.3.6无功补偿95.3.7短路容量95.3.8中性点接地95.3.9供电设施95.4中压配电网规划技术原则95.4.1配电装置使用标准95.4.2中压架空配电网络95.4.3中压电缆配电网络95.4.4开闭所、配电站（室）和配电变压器95.4.5低压配电网9第6章 高压配电网规划356.1高压配电网规划思路356.2电源接入原则和对上级电网建议366.3电力平衡366.4变电站规划366.4.1变电站布点情况96.4.2变电容载比校核96.5高压网架规划366.5.1总体思路366.5.2网架规划结果366.5.3网络规划方案描述366.5.4高压网络建设过渡分析366.6无功规则366.7电气计算结果366.7.1潮流计算366.7.2“N-1”校验366.7.3短路电流计算366.8小结36第7章 投资估算及经济效益分析247.1未来的展望367.1.1单位工程造价367.1.2克东县高压项目投资367.2综合效益分析367.2.1完善电力网络367.2.2提高供电企业效益367.2.3增大整体社会效益367.3小结36第8章 主要结论358.1规划报告的主要内容368.1.1边界条件划分368.1.2规划报告主要结论368.1.3投资估算368.2电网现存问题的解决程度368.3需要政府支持和决策的问题368.4进一步研究的关键问题及下一步工作的建议36结论37参考文献38致谢39第1章 前言现代化社会的发展以及信息化的日益普及，我们的生活生产也越发以来电力。突然地断电势必会给正常生活秩序、工作学习和生产带来巨大影响，尤其是对生产中特别关键的负荷，一旦失去供电，将会早场重大经济损失或者严重事故。但是供电的故障时常是突发的，即使再完善的电网设备，意外的断电也在所难免。所以从目前看来，很多场合仅仅靠公共电网远远不能胜任，必须具备应急供电系统，其主要作用是在事故和故障发生后确保提供所需的应急电力，以便有效地降低或者缓解断电而造成的损失，给人们生产和生活安全带来保障。应急供电系统中较为常见的是柴油发电机和蓄电池。近年来，随着电力电子逆变技术的成型及其产品成本的下降，一种新型无公害、高安全性、高驱动型的大型应急电源正在逐步取代以前的电源。本文中着重研究的EPS电源就是上述的这种优秀应急供电系统。EPS也称应急电源，是英文Emergency Power Supply 的简称，它是运用IGBT逆变技术，以CPU控制，应用高电子集成整体模块化结构的强弱电一体化供电系统。它在紧急情况下能作为重要负荷的第二或第三电源供给，可以成为不少场合的UPS、柴油发电机组的代替产品。目前EPS系统一般是应用在高层建筑供电和消防供电，这些场合都不包括精密的电子仪器和数字设备，对提供的电源质量要求不是很高。如果我们要把EPS应用到拥有复杂而且精密的设备上（比如地铁上的通信系统），由于地铁机车拥有复杂而其精密的大型设备，因此相应要求EPS所提供输出的电源质量和效率就要相当高，这就对电源输出电路的滤波技术产生了新的要求。1基于精密电子设备对EPS电源的苛刻要求，在这里提出了提高电源质量和提高电源的效率的问题。EPS电源中包含了DC/DC变换、DC/AC变换和输出滤波这三个环节。对于第一级变换器件，DC/DC一般采用软件开关技术，可以达到95%的效率。第二级变换器件DC/AC变换器也采取了特殊控制，并且可以达到97%的效率。所以，单靠提高前两级的效率的技术措施和努力已经接近极限，几乎很难在挖掘潜力了。而第三级输出滤波器的效率问题，往往被我们疏忽，如何将滤波器的效率提高到98%以上，如何将高次谐波滤除，同时还有考虑成本重量体积等参数上达到理想效果，成为了现在研究的热点。所以本文首先将介绍EPS电源的基本知识和工作原理，然后再介绍电路中的谐波概念、谐波产生及其危害，并且把重点放在如何滤除高次谐波、如何设计滤波电路、优化滤波电路元件参数、对电路进行仿真、对滤波器的损耗进行计算上、最后用实验来验证理论的计算公式，希望对高滤波器的效率提供一个简明的理论基础，和滤波器损耗分析的方法，以及一个研究EPS无源滤波器的一般方法。第2章 EPS 电源简介 EPS目前被广泛应用于建筑电气领域，消防领域以及其他特殊应急供电场合，是近几年才迅速发展起来的一个新兴行业。EPS电源能在停电时在不同场合为各种用电设备供电。任何一套EPS装置不论其容量大小、蓄电池多少、采用何种主电路结构，从功能上来看都是由整流充电器、蓄电池逆变器灯变换组件、转换开关、输出配电开关、监视报警、保护电路等几部分组成的。也就是说，每一套装置均包含了一组完善的蓄能电源和配电保护设施。这充分体现了作为应急电源EPS的主要特点就是配置灵活、使用方便，而且适用范围广、负载适应性强、安装方便、效率高。采用集中供电的应急电源可克服其他供电方式的诸多缺点，减少不必要的电能浪费。在应急事故、照明等用电场所，它与转换效率较低的其他应急供电系统相比较，具有更高的性价比。22.1 EPS电源的基本原理2.1.1EPS电源的基本结构图 DC/DC DC/AC 滤波环节滤波电路PWM变换器蓄电池组升/降压电路输出 图2.1EPS原理图 目前常用的EPS的主电路采用双向拓扑，其原理框图如图2.1所示。系统根据电网状况的不同工作于两种模式：在电网正常的时候系统工作在并联型有源滤波器（PAPF）模式，电网通过静态开关直接向负载供电，由双向PWM变流器构成的并联型有源滤波器可以对非线性负载提供谐波和无功电流补偿，因而在网侧可以得到接近于正弦的电流和较高的功率因数。于此同时，双向PWM变流器也类似于一个PWM整流器由网侧将有功能量提供给蓄电池充电电路：当电网不正常的时候，该系统工作于应急电源（EPS）模式，此时由蓄电池升压供电，经双向PWM变流器逆变，为负载提供稳定的三相交流电源。因此，双向PWM变流器既可以实现市电正常时的整流、功率因数校正和谐波补偿，也可以实现市电故障时的逆变。双向DC/DC电路，既可以实现在市电正常时的降压功能给蓄电池充电，也可以实现市电故障时的蓄电池电压升压功能。这样就大大简化了EPS电路结构，很好的解决了传统EPS电路的缺陷，并且降低了成本。整个系统应用了全数字控制技术DSP控制技术，因此，实现了EPS产品的绿色化、智能化、低成本的要求。2.1.2SPWM控制技术 本文中所用的EPS逆变电路采用SPWM控制技术。 在采样控制理论中有一个重要的原理既冲量等效原理：大小、波形不同的窄脉冲变量作用于惯性系统时，只要其冲量即变量对时间的积分相等，其输出效果基本相同。其中，冲量是指窄脉冲的面积，效果基本相同是指输出相应的波形基本相同。如果把输出波形进行傅立叶变换分析，则其低频段特性非常接近，仅在高频段有差异。这个理论是PWM技术的理论基础。3 如果把一个正弦半波分成N等份，然后把每一等份的正弦曲线与横轴包围的面积用与它等面积的等高不等宽的矩形脉冲代替，矩形脉冲的中点与正弦波每一等份的中点重合。根据冲量相等效果相同的原理，这样的一系列的矩形脉冲与正弦半波是等效的，对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。想这样脉冲的宽度按正弦规律变化并且和正弦波等效的PWM波形，就是SPWM（Sinusoidal PWM）波。 以正弦波作为逆变器输出的期望波形，以频率比期望波高得多的等腰三角波作为载波（Carrier Wave），并用频率和期望波相同的正弦波作为调制波（Modulation Wave），当调制波与载波相交时，有它们的交点确定逆变器开关器件的通断时刻，从而可以获得在正弦调制波的半个周期内呈两边窄中间宽的一系列等幅不等宽的矩形波 图2.2是三相PWM逆变器的主电路。图2.3是与其相对应的三相SPWM控制，相位差为120。三相SPWM控制信号与三角载波相比较所得的控制信号分别控制三相PWM逆变器的三个桥臂，每个桥臂的上下开关由一组互补的PWM信号控制导通、关闭，从而得到三相输出电压。该输出电压经过输出滤波便可以得到所需的三相正弦电压。4 图2.2 PWM逆变器主电路 图2.3 SPWM波逆变控制原理 由于PWM变压变频器的应用非常广泛，已制成多种专用集成电路芯片作为SPWM信号的发生器，后来更进一步把它做在微机芯片里面，生产出多种带PWM信号输出口的8位、16位微机芯片和DSP。2.1.3EPS常用蓄电池 蓄电池是UPS/EPS的心脏，不管UPS/EPS电路多么先进。其性能最终取决于它的电池，一旦电池失效，再好的UPS/EPS也无法提供不间断供电。 目前，UPS/EPS一般都使用免维护密封铅酸蓄电池，由于采用阴极吸收式密封技术，克服了普通蓄电池需要定期补水的缺点，具有“免维护”、使用方便、不污染环境、体积小、重量轻的优点。它使用高氢过电位的板栅材料，减少了电池在存放和充电过程中的气体分解。正极表面的超细玻璃纤维膜，阻止了活性物质脱落，提高了电池的寿命。 安全阀的使用使蓄电池很少产生气体，又可使已产生的氧气被负极所吸收，使蓄电池无水的损失，达到了密封免维护的目的。 一般情况下，影响电池性能的主要因素是连续充电，电池连续充电大约要减少一半的使用寿命。目前国外使用一种 ABM（Advanced Battery Management）三阶段电池管理方案，既充电分成三个阶段：第一阶段是恒流均衡充电，将电池容量冲到90%：第二阶段是浮充充电，将电池容量充到100%，然后停止充电：第三阶段是自然放电，在这个阶段里，电池利用自身的漏电流放电，一直到规定的电压下限，再重复上述的三个阶段。这种方式改变了以前那种充满电后，仍使电池处于一天24小时的浮充状态，因此延长了电池的寿命。 金属化镍氢电池具有高能量密度的优点，而且又无镍镉电池可能造成的镉污染，将其应用于UPS/EPS 可以收到小型轻量化的优点，但它的缺点是售价太高。 美国 Alupower 公司研发的高功率铅-空气备用电源装置（RPU），运行时间50小时，功率从600W到6000W，电压有直流24V 和48V俩种，其能量密度是铅酸电池的十多倍，重量只有铅酸电池的1/10，所占空间只有铅酸电池的1/7，有望取代铅酸蓄电池应用于UPS/EPS。 在EPS中，广泛使用蓄电池作为储存电能的装置。蓄电池需先用直流电源对其充电，将电能转化为化学能储存起来。当市电中断时，EPS将依靠储存在蓄电池中的能量维持其逆变器的正常工作。此时，蓄电池通过放电将化学能转化为电能提供给EPS使用。 目前在EPS中被广泛使用的无需维护的密封式铅酸蓄电池。这种免维护蓄电池比传统蓄电池增加了许多重要改进，具有体积小、重量轻、自放电小、维护少、寿命长、使用方便、对环境无污染等优良特性。与传统的铅酸蓄电池相比，在使用、维护和管理上有着明显的优点。 当电网发生故障时，蓄电池处于放电状态，升降压电路工作在升压模式。一般采用Boost升压电路，通过调整占空比，可以将较低的蓄电池电压升到三相逆变器所需要较高的直流母线电压，这样可以大大减少蓄电池串联个数，从而降低了成本。 当电网恢复正常时，蓄电池处于充电状态，升级压电路工作在降压模式。一般采用Buck降压电路，通过调整占空比，可以将较高的直流母线电压降低到蓄电池允许的较低的充电电压，实现对蓄电池的充电。 对蓄电池的管理方面，由于EPS的使用环境一般较恶劣，为尽可能延长蓄电池的使用寿命，故蓄电池充电器应同时具备以下功能：5（1） 可设定充电限流：（2） 可设定电池放电终止电压：（3） 具有自动浮充功能：（4） 具有浮充电压温度补偿功能：（5） 智能电池检测功能：（6） 深放电保护（可强制应急）。2.1.4输出滤波电路 三相逆变器的输出电压既包含了50Hz的基波，也包含了开关频率及其邻近频带的谐波。输出电压谐波聚集在以K（及其整数倍，其中K为开关频率与输出交流电50Hz频率的比值）次谐波为中心所形成的双边频带上。因此在逆变器输出端应该设置滤波器。同时K值越高，K次（及其整数倍）频率附近的高次谐波越容易滤除。也就是说，载波频率越高，SPWM波形中的谐波频率越高，也越容易滤除。 滤波器是一种具有选择性的四端口网络，它允许某些频率的信号通过，而不允许另一些频率信号通过。允许通过信号频率的范围称为通带，不允许通过信号频率的范围称为阻带，通带与阻带交界的频率称为截止频率。 关于滤波环节下一章会深入研究。2.1.5 几种专用EPS （1）应急照明和事故照明类照明型的EPS一般以单相为主，主要为应急照明场合（商场、娱乐场所、办公场所、交易场所等）提供集中供电，如图2.4所示。 当输入电源正常时，市电一路通过转换装置输出给日常照明，另一路通过充电器给电池组充电，当控制器检测到市电中断或异常（偏低或偏高）时，向逆变器发出激活信号，并控制互投转换装置至逆变器输出。当然，对于EPS的接法不同，还可以把EPS当作二路电源、三路电源使用。 图2.4 应急照明类EPS结构图（2）应急照明及混合型负载类。 此类型EPS一般适用于负载性质比较复杂的场合，譬如既有照明型负载，又有动力型负载，所以一般以三相居多，如图2.5所示。适用场合为宾馆、高层建筑、医院、大型商场等。 图2.5 混合型EPS结构图 （3）本课题中所用EPS主要涉及地铁机车，故着重分析电机专用的变频起动类EPS。其结构图如图2.6所示： 图2.6 变频启动类EPS结构图 此种类型EPS主要为电机类负载而设计，可以避免因电机起动过程中的大电流冲击而损坏设备。因此被广泛应用于大功率电动机负载。当三相输入市电正常时经整流后给逆变器提供直流电，同时经充电器对电池组充电：当三相输入断电或异常时，自动转换成电池组给变频器提供直流电。当需要电机负载工作时，送给变频器激活信号（运行信号、远程控制信号等），变频器会立即输出。从050Hz变频，供给电动机进行变频起动，当其频率到达50Hz后就会保持正常运行。2.2 EPS系统的保护为确保EPS安全可靠地运行，系统在软件和硬件设计上均采取了保护措施，具体有过热保护、过载保护、过流保护、蓄电池欠压保护、反馈信号丢失保护、电源欠压保护等保护措施。2.2.1过流保护和电源欠压保护为了保护逆变系统的功率器件，需要设计电源欠压保护和过流保护。以IGBT为例，由于擎住效应，通过IGBT的电流过大会造成管子的损坏。实验证明，当出现短路过电流故障时，如果保持驱动电压VcE为15V不变，50A的IGBT能承受250A过电流冲击时间仅为5微妙，所以当现短路过电流时要求系统能快速保护。过流信号的检测来源于霍尔传感器和智能驱动芯片。系统对直流侧和交流侧电流进行采样，将电流信号采样后的电压值与给定电压相比较，采样信号一旦大于给定电压值，经自锁电路向主控芯片发出中断请求，该中断请求优先级别最高，主控芯片迅速响应封锁触发脉冲：当流动功率器件的电流过大时，智能驱动芯片会使它慢速关断，同时，通过光耦隔离将过流信号发送到控制电路，控制电路会迅速封锁触发脉冲。与软件保护相比，硬件保护会更加迅速及时，过流保护必须要由相应的硬件保护电路来实现。另外，对系统的开关电源和驱动电源也要进行欠压保护检测，如果开关电源欠压可能会引起系统不能正常工作，如果驱动电源发生故障，开关管不能正常地关断，也会引起开关管损坏。2.2.2蓄电池欠压保护 蓄电池在使用过程中，必须要对它进行欠压保护，否则会因为深度放电而影响蓄电池的寿命。在EPS系统中，充电器在市电正常时会以浮充方式对蓄电池进行充电，蓄电池的充电最大电压是由充电器决定的，在充电器的设计时要考虑蓄电池的过充问题。为保护蓄电池，在逆变器工作过程中必须对蓄电池电压进行监控，设置蓄电池的欠压保护点，但如果监控点只是设为某一定值，则容易产生振荡。振荡原因是：在系统运行时直流侧电压会有所下降，这时如果检测直流侧电压低于保护点而停止了系统运行，这时直流侧电压又会上升到保护点以上，系统又继续运行，如果就出现停止、运行，运行、停止这种振荡。为了避免出现这种振荡现象，在软件设计时要加入滞环2.2.3反馈信号丢失保护一般而言，不论单相EPS还是三相EPS系统，均只引入了一路电压反馈信号（组合式的三相系统除外）组成闭环调节系统。若在运行过程中，仅有的这路反馈信号丢失了，势必会迅速造成PI调节器饱和，系统将以满调度运行，这时输出交流电压很高，会损坏设备。因此，系统在运行中应时刻检测反馈信号，确信信号丢失就封锁输出。判断信号丢失的依据是：如果当前调制波幅值大于或等于最大幅值的一半，而没有检测到输出信号或输出信号值特别小时，系统有可能已发生了故障。反馈信号丢失保护是由软件来实现的。2.2.4过热保护功率器件以较高的开关频率工作，开关损坏大，自身温度同时会因此而升高，但温度过高会对功率器件的工作特性产生影响，为了使开关管IGBT最大限度地工作，应给IGBT加散热片和风扇给其降温：考虑到降低系统功耗和噪音，风扇不必要一直工作，可通过控制电路对其进行控制。当温度升高到一定程度时才使风扇工作，温度将到一定时风扇停止工作，为避免出现振荡，风扇启动点和风扇停止点之间需要设置滞环控制。如果系统温度过高到危及到功率器件的安全时，控制电路将使系统停机，最高温度保护点可由软件设置。由于系统温度的采样是由温度传感器完成的，为了防止发生意外，提高系统的安全性，需要设置温度检测信号丢失保护，当温度检测信号丢失时，应该立即停止系统工作。2.2.5过载保护 系统的过载时间长短体现了其抗短时冲击电流的能力。系统过流通常指由于短路而引起的过流，如果不及时保护，会造成器件损坏：系统的过载是区别于系统过流的，它允许系统短时间内在一定范围超过额定电流运行，使系统具有抗短时冲击电流的功能。但是，若系统在过载情况下仍长时间超负荷运行，势必会影响系统的使用寿命，所以在设计时必须设置过载保护。过载保护是按等效发热原理进行整定的，可以很方便地通过软件编程来实现。2.3EPS电源的发展方向EPS电源的发展方向，可以 概括为：高频化、高效率、无污染、模块化。（1）高频化为缩小电源体积、减轻重量、提高功率密度，并改善动态性能，EPS电源的工作频率将进一步提高，由现在的200-300KHz提高到MHz以上。但是高频化又会产生新的问题，如：功率开关损耗及无源元件的损耗会增大，高频寄生参数问题等。（2）高效率应用各种软件开关技术，包括无源软件开关技术、有源软开关技术，如ZVS/ZCS谐振、准谐振、恒频零开关技术以及零电压（电流）转换技术，还有适用于桥式电路的谐振直流环节逆变技术等，减少开关损耗及开关应力，以实现高频率的高效化。（3）无污染随着电力电子装置和电源的大量广泛应用，使输入电流的谐波显著增加，功率因数大大降低，供电网受到明显污染。EPS电源的输入端通常是二极管整流-电容滤波的组合电路，其输入电流波形成脉冲状，交流侧功率因数只有0.6-0.7。为了限制电源设备对电网的谐波电流影响，国际上制定了许多标准。提高EPS电源的输入端功率因数，可用无源或有源功率因数校正技术，从而使输入端功率因数接近1。（4）模块化模块化是用来适应分布式电源供电系统的需要。过去，电源功率不大时，均是采用单一集中的供电方式。近年来有明显的向分布式供电发展的趋势。这是由于分布式供电，具有节能、高效经济、维护方便、可靠性高等优点。而且这样做极大减轻了对大功率元器件的研制压力。（5）采用数字信号处理器（DSP）的数字PWM技术，也是数字控制技术的核心，用于保证UPS/EPS输出电压的质量，既保证输出电压、频率和输出电压波形满足技术指标的要求。数字控制的另一个重要功能是实现UPS/EPS的初始自检和运行自检，进行故障保护和故障隔离，这是模拟控制器无法胜任的。由于数字控制器的灵活性，使UPS控制器的硬件电路可以标准化，从而简化了生产、使用和维修，也大大提高了工作可靠性。UPS/EPS电路是由以下几部分组成的：主电路、驱动电路、监控显示及控制保护电路和通信界面电路。其中监控、显示及控制保护电路和通信界面电路，可以运用数字化设计技巧简化其电路，并解决原类比电路需要调整、具有温漂及参数调整不易的缺欠。采用的方法是：1）全微处理化利用微处理器来执行监控、显示及控制保护电路和通信界面电路的功能：2）半微处理器化利用类比电路处理快速反馈保护电路，而由处理器处理慢速反馈、报警、显示及通信界面的功能。为了满足用电设备不同场合、不同条件的供电需求，保证最佳电源系统结构的供电方式，采用微机对系统监视、调控和保护，是EPS电源的另一个研究热点。同时微机技术对系统故障检测、故障诊断和故障隔离技术也是大有益处的。 2.4国外研究方向 开关变换器是一种非线性离散系统。当脉冲宽度随时间变换时，PWM变换器又是非线性时变电路。准谐振技术的发展，使开关电源综合应用的学科内容越来越多，如电路理论、控制理论、微电子技术以及计算机技术等。综观国外近几年研究报告及成果，可以概括以下几个研究课题。（1） 拓扑分析及模型研究包括开关变换器拓扑及其性质的研究和开关变换器拓扑的对偶分析：将ZCS、ZVS以及多谐振开关代替PWM变换器PWM开关，可得到一组准谐振变换器。美国GE公司K.D.T.Mgo从已有的准谐振变换器开关拓扑归纳出四个谐振开关拓扑，并总结了一套由谐振开关拓扑产生准谐振变换器的程序。拓扑模型方面具有代表性的是三端等效电路模型。将PWM及谐振变换器统一用非线性三端模型表示。分析方法简单，物理概念清楚。（2） 控制方法的研究由最早的单环电压控制的开关变换器发展到双环控制的开关变换器（在电压负反馈控制基础 上增加电流型控制，并附加前馈控制）。近年来滑模控制（Sliding mode control）已从电机驱动系统推广应用于开关电源，降低了系统的成本，改善了动态性能，保证了稳定性。（3） 闭环系统模型及分析PWM转换器小信号分析方法已成熟。但大信号分析方法尚未研究。准谐振变换器在理想情况下的稳态分析已有报导。（4） 磁元件的研究 110MHz范围内变压器的设计、结构、工艺、损耗计算、铜损分析等都是研究重点。高频开关磁放大器的应用及分析也受到重视。另外，还有用薄膜技术实现超薄形磁性元件。110MHz低损耗磁性材料的开发。（5） 存贮电荷小、正向压降低，反向耐压高的二极管的开发。（6） 半导体器件在开关过程中的电应力，即承受电压、电流器的分析、吸收电路的研究、多路输出交叉调节的研究、可靠性研究。（7） 冗余并联工作模式研究。 第3章 谐波理论 在一个理想电力系统和供电系统中，电能是以单一恒定的工业频率和规定的电压水平向用户供电的。在这种条件下，对电能质量也是用频率和电压来衡量的。但是在实际的电力系统运行中，由于负荷的变化，电力系统的频率和电压是不能保持恒定不变的，因此，各国对电能质量都是用频率和电压的允许偏差加以衡量并作出规定。但是仅用这两个指标来表征电能质量是很不完善的。波形畸变、电压闪变和三相交流电力系统及供电系统中三相电压或电流不平衡也是影响电能质量的重要因素。 其中电力系统波形畸变并不是一个新的问题，早在1920-1930年间，德国就已提出静态整流器产生波形畸变问题，到50-60年代，由于高压直流输电技术的发展，对换流器谐波问题的研究有大量文章发表。但这些问题在过去还未对电力系统产生重危害，因此没有引起电力和供电部门的重视。近年来，由于电力电子技术的发展及其在工业和交通部门以及用电设备上的广泛应用，包括大功率整流在电气化铁道的应用，电弧炉在炼钢中的应用等，使得谐波对电力设备、电力用户和通信线路的有害影响已经十分严重，世界许多国家包括我国在内都已先后制定出相应的国际标准和国家标准加以限制。定期召开有关谐波问题的学术谈论会，国际电工委员会（IEC）和国际大电网会议都相继组成了专门的工作组，已经并正在制定包括供电系统、各项电力和用电设备以及家用电器在内的谐波标准，并已将谐波于扰问题列入电磁兼容范围之间。下面就有关谐波的几个主要问题加以阐述。73.1谐波的含义和性质 国际上公认的谐波含义为：“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”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称之为高次谐波。在国际电工标准中（IEC555-2,1982），在国际大电网会议（CIGRE）的文献中定义：“谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的h次分量”。IEEE标准中（参见IEEE标准519-1981）定义为：“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍”。6 在波形畸变和有关电磁兼容的标准中还有几个易与谐波混淆的名词： 间谐波（interharmonics）、次谐波（subharmonics）和分数谐波（fractional-harmonics）。间谐波是指频率不是工频的整数倍的谐波分量，次谐波为频率低于工频基波频率的分量，分数谐波是频率非基波频率整数倍的分量。 另外，暂态现象和谐波现象必须加以区别。谐波现象中波形保持不变，而暂态现象中每周期波形都发生变化。为此在计算电压（或电流）畸变率时，采用谐波电压（或电流）的平均有效值或平均总畸变率，其时间区段dt取3s，以电压为例，即：其中m是dt分成的区间数；Uh是第h次谐波电压的3s平均有效值；Dm是电压总畸变率的3s平均值（%）；Utk是第k个区间测出的基波电压有效值；Utk是第k个区间测出的第h次谐波电压有效值。3.2谐波的概述 随着现代电力电子技术的发展，工业应用中出现了越来越多的谐波源，并且对电力系统、供电系统产生了极大的危害。 造成系统正弦波形畸变、产生谐波的设备和负荷称为谐波源。一切非线性的设备和负荷都是谐波源。当电力系统向非线性设备及负荷供电时，这些设备或负荷在传递（如变压器）、变换（如交直流换流器）、吸收（如电弧炉）系统发电机所供给的基波能量的同时，又把部分基波能量转换为谐波能量，向系统倒送大量的高次谐波，使电力系统的正弦波形畸变，电能质量降低，损坏系统设备（如电力电容器、电缆、电动机等）。威胁电力系统的安全运行（如继电保护及自动装置误动），增加电力系统的功率损耗（如线损）等，给系统（包括受其供电的线性用户）带来危害。8当前电力系统的谐波源，其非线性特性主要有三大类：（1）铁饱和型：各种铁芯设备，如变压器、电感器等，其铁磁饱和特性呈现非线性。（2）电子开关型：主要为各种交直流换流装置（整流器、逆变器）以及双向晶闸管可控开关设备等。（3）电弧型：各种炼钢电弧炉在熔化期间以及交流电弧焊机在焊接期间，其电弧的点燃和剧烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的波动。其非线性呈现电弧电压与电弧电流之间不规则的、随即变化的伏安特性。对于电力系统动三相供电来说，有三相平衡和三相不平衡的非线性特性。后者，如电气铁道、电弧炉以及由低压供电的单相家用电器，而电气铁道是当前中压供电系统中典型的三相不平衡谐波源。 近些年来，电力系统谐波问题日益严重，主要原因如下（1）电力电子设备及其新技术的大量采用，如换流器等大容量电力晶闸管设备的非线性负荷大量增加，以及各种家用电器的普遍使用，从电网的各个供电点，向电力系统注入大量谐波。（2）为了省原材料，铁芯设备的工作点更进入饱和区，引起谐波的增加。（3）电弧炉用户的增多及其容量增大。 由于系统施加于负荷的电压基本不变，谐波源负荷通过向电力系统取得一定的电流作功，该电流不因系统外界条件和运行方式而改变。而谐波源固有的非线性伏安特性决定了电流波形的畸变，使其产生的谐波电流与基波电流具有一定的比例，因此非线性负荷一般都为谐波电流源，向系统注入一定的谐波电流。 由于谐波电流源的谐波内阻抗远大于系统的谐波阻抗，故谐波电流源在电力系统中一般可按恒流源对待。 谐波源注入电力系统的谐波电流，在系统的阻抗上产生相应的谐波压降，便形成系统内部的谐波电压，使原有的正弦波形电压产生畸变。9 3.3谐波的危害 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，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还不严重，没有引起足够的重视。近三四十年来，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，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面（1）谐波使用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次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波会使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这使上述（1）和（2）的危害大大增加，甚至引起严重事故。（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会是电气测量仪表不准确。（5）谐波会对邻近的通信系统产生于扰，轻者产生噪音，降低通信质量：重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。3.3.1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感器组成的滤波器。在工频频率下，这些电容器的容抗闭系统的感抗大得多，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十倍甚至数十倍，会对系统，特别对电容器和与之串联的电感器形成很大的威胁，常常使电容器和电感器烧毁。在由谐波引起的事故中，这类占很高的比例。由于滤波而损坏的电气设备中，电容器约占40%，其串联电感器约占30%。日本的一篇报告中指出，电容器和与只串联的电感器的烧毁在谐波引起的事故中约占75%。3.3.2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，谐波电流与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，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。谐波原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。 对于采用电缆的输电系统，谐波除了引起附加损耗外，还可能使电压波形出现尖峰从而加速电缆的老化，引起浸渍绝缘的局部放电，也使介质的损耗增加和温升增高，缩短了电缆的使用寿命。通常电缆的额定电压越高，谐波对电缆的危害也越大。电缆的分布电容对谐波电流有放大作用，会使上述危害更为严重。对于架空线路来说，电晕的产生和电压的 有关，虽然电压基波值未超过规定值，但由于谐波的存在，其电压峰值可能超过允许值而产生电晕，引起电晕损耗。流过电网中断路器的电流里含有较大的谐波时，在电流过零点处的di/dt可能要比正常时大得多，从而使断路器的开断能力降低。有的断路器的线圈在谐波电流严重的情况下将不能正常地工作，从而使断路器无法断开以至损坏。在民用建筑中，常常大量使用荧光灯和其他产生大量3次谐波的灯具及各种电器。这些3次谐波都从中性线流过，甚至使其电流超过各相电流。因正常情况下中性线电流比各相电流小得多，因而设计时中性线的导线较细。在大量3次谐波电流流过中性线时，就会使导线过载过热、绝缘损坏，进而发生短路，引起火灾。我国已发生多起由于这一原因而引起的重大火灾，造成惨痛损失，必须以其足够的重视。 谐波对电网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。3.3.3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点击。曾经有过这样的例子，某工厂的电动机运行一直正常，但近一段时间以来却连续出现损坏。经查，接于同一电网的邻近工厂新投入大型整流装置，因未采取消除谐波的措施，其谐波电路流入该厂而使该厂电动机损坏。 对同步电机来说，定子绕组流过谐波电流后产生与谐波频率相对应的旋转磁场，在转子绕组中感应出谐波电流。对隐极电机来说，谐波电流主要在转子的槽楔、齿和转子端部的套箍上流动；对凸级电机来说，谐波电流主要在极靴中流动。由于谐波频率高，集肤效应显著，因此谐波电流只在上述转子各部件的表层流动，所以转子中的阻尼绕组、槽楔、齿和套箍最容易受到谐波电流的损害。谐波发热对隐极电机的影响要比对凸极电机的影响严重得多。 集肤效应使得定子绕组中的谐波电流的分布也很不均匀。定子双层绕组中沿槽高度的上层线棒内的谐波损耗可能比下层线棒内高好几倍。但对电机而言，谐波损耗主要还是在转子中。 国际电工委员会和我国对同步电机允许的负序电流最大值有明确的规定。谐波电流引起的冬季附加损耗和发热可以折算成等值的基波负序电流来考虑。为了不降低同步电机的绝缘寿命，与承受腐朽电流的情况相似，在同步电机承受谐波电流时应提高设计裕度，或者在使用时要降低出力。 异步电动机中的绝大多数转子用硅钢片叠成，由笼形绕组承在感应电流。这种笼型异步电机只有定子存在绝缘，因而成为对谐波损耗发热较为敏感的薄弱环节。异步电机的谐波功率损耗主要是铜耗。其损耗和谐波电压U的平房成正比。谐波电压较大时，磁饱和将引起Rn和Xn的下降，使总的谐波损耗增大。因此，谐波所引起的异步电机的附加损耗和发热要比直按斜波电压计算的大的多。 一般馈电电母线上都接有许多电机，因此承受谐波电压的能力来考虑比按单台电机承受谐波电流能力来考虑更合理。考虑谐波引起的电动机的发热效应时，通常也可以把谐波电压折算成负序电压来考虑。各国对电动机允许的基波电压负序只通常规定为额定电压的2%或3%。 除谐波引起的损耗外，谐波引起的机械振动对电动机也有很大的危害。 同步电动机的定子绕组中流过正序谐波电流ln+1，和负序谐波电流ln-1时，它们所产生的旋转磁场将相对与转子分别以（N-1）倍同步转速正方向，（n1）倍基波频率的机械振动。如果该频率接近电机的固有振动频率，甚至会引起电机的强烈震动。 异步电机的定子绕组流入正序和负序谐波电流时，形成正向或反向以n倍同步转速旋转磁场。正序分量谐波电流将产生相反方向的转矩。由于谐波分量一般并不大，因此产生的转矩很小，而且正序和负序谐波电流产生的转矩相互抵消一部分。所以谐波电流产生的平均转矩可以忽略，但是他产生的脉动转矩却会引起电机的机械振动和噪声。 变压器励磁电流中谐波电流通常不大于额定电流1%，且其作用是使磁通为正弦波，因此并不引起变压器铁损增大。变压器在刚通电过程中谐波电流可能很大，但历时很短，一般也不会形成危害。但当发生谐振时，会使铁芯严重饱和，励磁电流中的谐波电流就会大大增加，会使变压器受到危害。 谐波源的谐波电流流入变压器时，对其主要影响是增加了他的铜耗和铁损耗。随着谐波频率的提高，集肤效应应更加严重，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。谐波电流还会引起变压器外壳、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。谐波还会引起变压器的噪声增大。3.3.4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。 电磁型继电器的动作是由其电流有效值的平方决定的，对频率的不同并不敏感。一般在谐波含量小于10%时，对电磁型继电器影响不大，对于铁芯用软铁材料制成的电磁型继电器，谐波含量小于40%时，动作误差值不大于10%。但是动态情况下可能会有很大影响。如投入空载变压器时会产生谐波含量很高的励磁电流，会造成继电器误动作而使开关跳闸。 感应型继电器对谐波也不敏感。这种继电器中的圆盘或圆筒在磁场中的作用下都将产生感应电流，该电流和空间中另一磁