毕业设计（论文）-谐波抑制研究.doc

第1章 绪论1.1研究的目的和意义 20世纪80年代以来，国际上越来越关注电能质量问题。电能既是一种经济、实用、清洁、容易控制和转换能源形态，又是电力部门向电力用户提供发、供、用三方共同保证质量的一种特殊产品。如今，电能作为走进市场的商品，与其它商品一样，无疑也应讲求质量。电力系统供电的电能质量是电力工业产品的重要指标，涉及发、供、用三方权益。优良的电能质量保证电网和广大用户的电气设备和用电设备安全、经济运行。现代社会中，电能为一种广泛使用的能源，其应用程度成为一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。但是由于随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通、家庭等众多领域中的应用越来越广泛，由此带来的谐波和无功问题也日益严重，引来了越来越广泛的关注。现代工业、交通等行业使用的各种换流设备及电弧炉、家用电器等非线性电气设备都是电网中的谐波源。谐波源，尤其是当大容量的谐波源接入电网以后，在从电网吸取基波电流的同时也向电网注入谐波电流，或者在电网中产生谐波电压，使公用电网的电压波形发生畸变，电能质量下降，严重的威胁电网和各种用电设备的安全经济运行。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、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。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。面对谐波如此大的危害，必须采取措施抑制电力系统的谐波，才能保证电力系统的安全运行和接入电网的各种用电器具的可靠工作。谐波研究的意义，还在于其对电力技术自身发展的影响。但是，现在电力电力装置产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更有效的研究。对电力电子来说，无谐波“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。1.2本文的主要内容 本文对谐波问题进行了简单的描述，介绍了抑制电网谐波的主要方式，以及并联有源电力滤波器的相关问题。主要工作如下：1、首先介绍了电力谐波的基本含义、谐波的数学表达、谐波的的主要标准等谐波的一些基本概念，分析了谐波的主要危害，以及谐波源的产生和影响。并对两种典型的电路：单相桥式整流电路和三相桥式整流电路的非线性元件产生的谐波源进行了原理性分析，接着对旋转电机的谐波、变压器的谐波和电弧炉的谐波进行了分析。2、然后论文从受端治理、主动治理和被动治理三个方面介绍了抑制电网谐波的主要措施，并一一简单的阐述了其各种措施的特点，着重比较了现在比较重要的无源滤波和有源滤波两种谐波抑制措施的特点。3、目前，在谐波抑制方面，已经有了实用的成熟的无源滤波技术,但由于无源滤波器存在的一些缺点。有源电力滤波器因其动态补偿谐波的优越性已经成为了一项热门的研究课题。于是接下来主要介绍了并联有源滤波器，并对并联有源电力滤波器的系统构成和基本原理以及其主电路形式进行了分析。本文在考虑到我国电力系统大多数情况下处于不平衡状态下，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。研究了并联有源电力滤波器电流控制方法，着重介绍了滞环比较控制方式和三角波比较控制方式。4、最后论文介绍了国内外对谐波抑制研究的现状，并对将来谐波抑制的问题进行了一些简单的分析。第2章 谐 波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为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，或者说谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的h次分量，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，我们也常称它为高次谐波。谐波次数必须为正整数，例如我国电力系统的额定频率为50Hz，则其基波为50Hz，2次谐波为100Hz，3次谐波为150Hz。谐波次数不能为非整数，因此不能有非整数谐波。2.1.2谐波的数学表达电力系统中，通常认为电网稳态交流电压和电流呈正弦波形。在进行谐波分析时，正弦电压通常由下数学式表示： (2-1)式中：U为电压有效值，为初相角，为角频率。正弦电压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，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里叶级数形式，称为谐波分析或频域分析。谐波分析是计算周期性畸变波形的基波和谐波幅值、相角的基本方法。对于周期为的非正弦电压u，一般满足狄力赫利条件，可以分解为如下形式的傅里叶级数： (2-2) 式中： (2-3) (2-4) (2-5) 在傅里叶级数中频率的分量称为谐波，均以非正弦波为例，频率为1/T的分量称为基波，大于谐波次数为基波频率和基波频率整数比。以上公式定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适应。2.1.3衡量谐波的主要标准电压畸变程度取决于系统阻抗和谐波电流的大小。同一谐波负荷在系统中两个不同位置时将可能引起两个不同的电压畸变值。畸变周期性电压和电流总均方根值的确定仍然可根据均方根值得定义进行。以电流为例， 的均方根值根据定义可表示为： (2-6)即非正弦周期量的均方根值等于其各次谐波分量均方根值得平方和的平方根植，与各分量得初相角无关。某次谐波分量的大小，常以该次谐波的均方根值与基波均方根值得百分比表示，称为该次谐波的含有率，n次谐波电压的含有率以表示： （1）第n次谐波电压含有率： (2-7)式中：为第n次谐波电压有效值；为基波电压有效值。（2）第n次谐波电流含有率： (2-8)式中：为第n次谐波电流有效值；为基波电流有效值。（3）谐波电压含有量： (2-9)（4）谐波电流含有量： (2-10)（5）电压总谐波畸变率： (2-11)（6）电流总谐波畸变率： (2-12)提高电能质量，对谐波进行综合治理，防止谐波危害，就是要把谐波含有率和总畸变率限制到国家标准规定允许的范围之内。对于电压波形通用的是谐波指标是THD，实际上，谐波电压几乎是相对基波电压而言的。因为电压往往只有百分之几的变化，所以电压THD通常是一个有意义的数据。但对电流来说，情况有所不同。较小幅值的谐波电流可能导致较大的THD值，而此时电力系统受到的威胁并不大。由于系统中大多数的监控装置是按上述定义和方法给出的THD值的，这可能使用户误认为此时的谐波电流时危险的。为解决这一难题，可将THD中所采用的基波电流改为基波额定电流的峰值。2.1.4电力系统谐波标准由于电网中的谐波电压和电流会对电网本身和用电设备造成很大的危害，所以必须限制谐波电流流入电网和控制谐波电压在允许的范围内，以保证供电质量。世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。各级电网的谐波水平一般用谐波电压含有率或谐波畸变率来反映。国际大电网会议(CIGRE)和国际电工委员会(IEC)都成立了专门工作组拟定电力系统和电工产品的谐波标准，很多国家对谐波也制定了相应的国家标准，一些国家的电压总谐波畸变率的大致范围为：低压电网(1KV),一般5%,个别3%、7%；中压电网(2477KV),一般2%5%,个别6%；高压电网(84KV及以上)，一般1%1.5%，个别2%5%。我国原水利电力部于1984年根据原国家经济委员会所批的全国供用电规则的规定，制定并发布了SD126-84电力系统谐波暂行规定。在此基础上，系统地研究了标准的有关问题，结合国情，吸取国外谐波标准研究成果的基础上于1993年又发布了GB/T14549-93电能质量公用电网谐波，该标准从1994年3月1日开始实施。表2-1公用电网谐波电流(相电流)限值电网标准电压(KV)电流总谐波畸变率（）各次谐波电压总含有率（）奇次偶次0.387.05.02.06/104.03.21.635/663.02.41.21102.01.60.82.2谐波的危害谐波对电工设备的影响和危害，就其后果来说，可分为二类：第一类是对电力设备的影响，它可以造成设备损坏，减少设备寿命，或降低出力等；第二类是对计算机、继电保护、控制器或系统、仪表、以及视听设施的影响，它可以造成设备的工作失误或性能恶化。国内外经验表明，电工设备因谐波影响而损坏的以电力电容器数量最对。这和电容器容易吸收谐波、放大谐波、以致引起谐波谐振有关。谐波对电机的影响，增加感应电动机的损耗，使电动机过热。另外，当电动机的谐波电流频率接近某零件固有频率时，会使电动机产生机械振动，发出噪声和谐波过电压。增加变压器损耗。谐波使变压器铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗和导体外部因漏通而引起的杂散损耗。同时也使铁耗增加。另外，三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，会引起变压器磁路饱和，从而大大增加交流励磁电流的谐波分量。电缆的分布电容对谐波电流有放大作用。谐波引起电缆损坏的主要原因是浸渍绝缘的局部放电、介损和温升的增大（平均寿命下降60%）。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电流有效值。干扰通信：谐波通过电容耦合、电磁感应、电气传导对通信系统产生干扰，损害通话的清晰度、引起过电压等。谐波电流在电网中流动会产生有功功率的损失。它构成了电网线损的一部分，对电网经济运行很不利。如总负荷为300万kW的电网，若其谐波源负荷总计为60万kW，它们注入电网的有功功率为这些负荷的0.2%，则其总值达1200kW，年损失电量为1051万kWh。这是很大的数目，尤其是考虑到这些损失，只是起到增加线损和减小设备寿命的作用，更应引起注意。使仪表不能正常工作。电力计量误差。用户为线性用户时，谐波潮流主要由系统注入线性用户，电能表计量的是该用户吸收的基波电能和部分或全部谐波电能，计量值大于基波电能，线性用户不但要多交电费，还要受到谐波破坏。用户为非线性用户时，用户除了自身消耗部分谐波，还向电网输送谐波，电能表计量电能时基波电能和扣除这部分谐波电能的部分或全部。因此，非线性用户不仅污染电网，还少交了电费。造成继电保护、自动装置工作紊乱、误动作、拒动、保护装置失灵、或动作不稳定等。谐波还能影响计算机性能，影响电视机图像质量，收音机发出噪声，白炽灯寿命降低等。对电容器的影响。谐波对电容器的危害是通过电效应、热效应和谐振引起谐波电流放大。国内外电网运行经验表明：受谐波影响而导致的电气设备损坏中电容器占有最大比例。谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，最不情况是谐波和基波电压峰值的叠加，峰值电压上升使电容器介质更容易发电。一般来说，电压升高10，电容器寿命缩短12。由于谐波使通过电的电流增加，使电容器损耗增加，从而引起电容器发热和温升，加速老化。器温升每上升8C，寿命缩短12。由于电容器的容抗与频率成反比，因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，从而使谐波电波形畸变比基波电压的波形畸变大得多，即使电压中谐波所占比例不大，也生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就会引起的谐波电流，导致电容器因过流而损害。第3章 谐波的产生“谐波源”，通常是指各类特定的用电设备，即非线性设备，或称非线性电力负荷，谐波源分为谐波电流源和谐波电压源。电力系统中，正弦供电电压加在非线性设备上就会产生非正弦电流或者正弦供电电流通过非线性设备也会导致非正弦电压。举个例子：有个正弦电压，当该电压加在电感L上时，就会有，如果L不是常数，那么就是非正弦电流，即有谐波电流存在。谐波源通常可以分为两大类：一类是含有半导体元件的各种电子设备，如整流器、逆变器、静止无功补偿器。变频器、高压直流输电设备等等。下文中将选出两种比较典型的电路进行阐述谐波的产生，即单相全控桥式整流电路、三相全控桥式整流电路；另一类是喊有电弧和铁磁的非线性谐波源，如电气化铁道、电弧炉、变压器及数量很大的电子节能设备，家用电器等典型非线性负载，即使供给理想的正弦波电压，他们也将产生非正弦电流，且谐波成分基本上只与其固有的非线性级工作情况有段，与这些负载内部阻抗的变化几乎无关。3.1含半导体非线性元件的谐波3.1.1单相全控桥式整流电路为了较好地满足整流负载的要求，一般中小容量整流装置中较常用的是单相桥式可控整流电路，其原理接线图如下图所示：图3-1 单相桥式全控整流电路假设电路已工作至稳态，在正半周期，触发角处晶闸管和加触发脉冲使其开通，。负载中有电感存在使负载电流不能突变，电感对负载电流起平波作用，假设负载电感很大，负载电流连续且波形近似为一水平线，其波形如下图所示。过零变负时，由于电感的作用晶闸管和中仍流过电流，并不关断。至时刻，给和加触发脉冲，因和本已承受正电压，故两管导通。和导通导通后，通过和分别向和施加反压使和关断，流过和的电流迅速转移到和上，此过程称为换相，亦即换流。至下一周期重复上述过程，如此循环下去。和的波形如上图所示，其中平均值为： (3-1)单相桥式全控整流电路带阻感负载时，晶闸管承受的最大正反向电压均为变压器二次电流的波形为正负各180的矩形波，其相位由决定，有效值。将其分解为傅里叶级数，可得： (3-2)其中基波和各次谐波的有效值为 (3-3)可见，当正弦波加在单相桥式整流电路上时，电源侧电流中只含奇次谐波，说明电源侧的电流发生了畸变，即有谐波电流的存在。3.1.2三相全控桥式整流电路图3-3 三相桥式全控整流电路三相整流装置可整流电压脉动较小，脉动频率较高，而且由于三相平衡，对供电系统的影响较小。因而容量较大的整流装置常采用三相整流方式。其电路图如上所示。 忽略换相过程和电流脉动，设交流侧电抗为零，直流电感L足够大。以为例，交流侧电压和电流波形如下图所示：此时，电流为正负半周各的方波，三相电流波形相同，且依次相差，其有效值与直流电流的关系为： (3-4) 图3-4 三相桥式全控整流电路带电阻负载 时的波形同样可将电流波形分解为傅里叶级数。以a相为例，将电流负、正两半波的中点作为时间零点，则有 (3-5)由上式可得电流基波和各次谐波的有效值分别为 (3-6) ， (3-7)由此可得以下结论：电流中仅含有（k为正整数）次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。3.2含电弧和铁磁非线性设备的谐波3.2.1旋转电机的谐波交流电动机是电力系统中应用十分广泛的电力设备。如果旋转电机中的定子或者转子线槽存在少许不对称或三相绕组的缠绕方式有些不规则就会产生谐波电流。这些谐波电流会在定子上产生一个电动势。旋转电机中因此产生的磁通势分布引起的谐波为速度的函数。另外，磁心饱和也将产生谐波电流。但是，与变频设备驱动的旋转电机所产生的谐波电流相比，这些谐波电流还是比较小的。3.2.2变压器的谐波变压器是电力系统中联系不同电压等级网络不可或缺的电气设备，广泛存在于各级网络中，其总容量远大于系统的最大负荷，其励磁电流波形畸变较为严重。变压器的励磁回路实质上就是具有铁芯绕组的电路。在不计磁滞及铁芯未饱和时，它基本上是线性电路。铁芯饱和后，它就是非线性的，即使外加电压是纯正弦波，电流也要发生畸变。饱和愈深，电流波形畸变愈严重。正常运行时，电压接近额定值，铁芯工作在轻度饱和的范围，谐波不大。但在一些特殊的运行方式，如在夜间轻负荷期间，尤其是一些电力系统供电的边缘地区，运行电压偏高，铁芯饱和程度变深，谐波增大，此时正值轻负荷期间，励磁电流占总负荷电流的比重变大，谐波也就要严重些。一般说来，此时的系统阻抗也较大，致使谐波电压也有所增大，对系统的影响较大。特别是近代为提高经济性和材料利用率，变压器铁芯常工作在磁通密度较高的区段，磁化曲线也较陡直，更容易产生谐波。3.2.3电弧炉的谐波电弧炉是近代炼钢的重要手段，由于它在技术、经济上的优越性，发展很快。它在炼钢工业中所占比重越来越大，且炉的容量也在逐渐增大。电弧炉是利用其三相石墨电极和炉料之间产生的电弧的热量冶炼金属，石墨电极可以作垂直方向的运动，以适应熔炼过程中控制电弧长度的需要。由于电弧延时发弧、电弧电阻的非线性和电弧游动等因素，使得电弧电流变化很不规则。电弧的游动是在电磁力、对流气流、电极移动以及炉料在熔化过程中的崩落和滑动等多种因素造成的，它们都具有很大的随机性。这就使得电弧炉电流不仅数值大而且三相不平衡、畸变和大幅度脉动，特别是在熔化期的初期，畸变和脉动尤为严重。电弧点火过程中的时滞以及电压-电流特性高度非线性造成了基频谐波。电弧的随机变化引起电压变化使得频率也在0.130kHz之间变化。每个频率都存在与之相关的谐波。电弧之间的电磁力相互作用的过程中，熔炼阶段的谐波效应更加显著。电弧电流不仅引起谐波问题，还因为它变化剧烈造成对电弧炉供电系统电压降的剧烈变化，从而使公共连接点(PCC)的电压脉动，导致灯泡闪烁并对电视机、电子设备产生有害影响，这就是电压闪变的问题。目前解决电弧炉造成电压闪变较为成功的措施，是采用静止无功补偿器(SVC)，但其本身也会产生谐波。第4章 谐波的抑制面对谐波如此大的危害，我们必须采取措施。谐波的抑制一般分为三个方面来进行：受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高他们的抗谐波干扰能力；主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；被动治理，即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍系统的谐波流入负载。4.1受端治理1、改善供电环境，选择合理的供电方式：一般当电网短路容量大于谐波源供电变压器容量20倍时，其产生的高次谐波对系统就不会有危险的影响，产生的谐波电压、谐波电流也在规定值以下。高一级电网的短路容量均大于同系统低一级电网的短路容量，因此将谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电，可以减少谐波对系统或其它设备的影响，但局限性就是这必须在电网规划和设计阶段考虑。保持负荷的三相平衡，能有效减少三次谐波。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，有助于集中抑制和消除谐波。例如，将母线分为三段：把所有大、中型晶闸管整流装置和中频装置集中在一段母线上，其它不产生谐波的负荷和照明由另两段母线供电。2、避免电容器对谐波的放大。抑制电容器对谐波电流放大方法主要是：1）改变电容器的安装位置，安装点与电源间的感抗就不同，所引发谐振的频率也不同。2）选择合式的安装地点，可有效避免与电源电抗相互作用而发生并联谐振。改变与电容器的串联电抗器，也就相当于改变了系统阻抗，可以避免谐波电流放大。3)限定电容器组的投入容量，可以有效减少电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行；4)将电容器组的某些支路改为滤波器。3、提高设备抗谐波干扰能力。改进设备性能，使其在谐波环境中能够正常工作，当然这是有一定限度的，谐波较大时设备仍将受到严重影响。4、改善谐波保护性能。对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能够保证在谐波超标情况下，设备不致于损坏，但不能保障设备的正常工作。4.2主动治理1、增加整流装置的相数或脉动数。改造变流装置或利用相互间有一定相位移动的换流变压器，可以有效减小谐波含量；整流装置产生的特征谐波电流次数与脉动次数P有关，h=kpl(k=l，2，3)。当脉动数增加时，整流器产生的谐波次数也增高，而谐波电流近似与谐波次数成反比，因此一系列次数较低，幅值较大的谐波得到消除，谐波源产生的电流将减少。其中包括多脉整流和准多脉整流技术，但是这使装置更加复杂了，造价就相应的提高了。2、改变谐波源的配置或工作方式。具有谐波互补性的装置应集中，否则适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。3、采用多重化技术。将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高。4、谐波叠加注入。利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，把谐波电流加到产生的矩形波形上，可以用于降低给定的运行点处的某些谐波。缺点是必须保证使三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生器的功率损耗常常高达直流功率的10。5、采用PWM技术。采用脉宽调制PWM(Pulse Width Modulation)技术，使变流器产生的谐波频率较高、幅值较小。波形接近正弦波，但只适用于自关断器件构成的变流器。6、设计或采用高功率因数变流器。比如采用矩阵式变频器，四象限变流器等，可以使变流器产生的谐波非常少，但功率因数可控制为1。4.3被动治理1、采用无源滤波器PPF(Passive Power Filter，PPF，PF)或称为LC滤波器。LC滤波器，由电容元件、电感元件和电阻元件按照一定参数配置一定的拓扑结构连接而成的滤波装置。LC滤波器是出现最早，虽然存在一些较难克服的缺点，但因其结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低等优点，因此至今仍是应用最多的滤波方法。2、采用有源电力滤波器APF(ActivePowerFilter)。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，它以有对于大小和频率都变化的谐波进行补偿，其应用可克服LC滤波器等传统谐波抑制方法缺点。随着电力电子技术水平的发展，有源滤波技术得到极大发展，在工业上己经进入实用阶段。在被动处理措施中，无源滤波器本质上是频域处理方法，也就是将非正弦周期电流分解成傅里叶级数，对某些谐波进行吸收以达到治理的目的。有源滤波器则是在时域中对非正弦周期电流进行分解后，再进行适当的电流补偿，从而改善系统的电流波形。PF是目前使用最为广泛的谐波治理措施，它利用电感、电容元件的谐振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，从而减小流向电网的谐波电流。PF成本低、技术成熟，还可以补偿无功功率，但存在以下不足：(1)只能对特定谐波进行滤波。谐振频率依赖于元件参数，因此单调谐滤波器只能消除特定次数的谐波，高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波。（2）滤波器参数影响滤波性能。由于调谐偏移和残余电阻存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件是不肯能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果。LC参数的漂移将导致滤波特性的改变，使滤波性能不稳定。（3）对于谐波次数经常发生变化的负载滤波效果不好。当滤波器投入运行之后，如果谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。并且根据高次谐波次数的多少，需设置多个LC滤波器。（4）滤波特性依赖于电网参数。电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工作情况随时改变，对谐波电流的滤波效果受电力系统阻抗的影响较大。（5）可能与系统阻抗发生串并联谐振。PF可能与系统阻抗发生串联或并联谐振，从而使装置无法运行，使该次谐波分量放大，使电网供电质量下降。（6）随着电源侧谐波源的增加，可能会引起滤波器的过载，电网中某次谐波电压可能在LC网络中产生很大的谐波电流。（7）电容器组无功功率补偿能力与公共连接点电压的平方成正比关系，补偿效果并不理想。（8）消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。与传统的PF一样，APF也是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络，但是一台APF理论上可以拥有无穷多个谐振频率。与PF相比，APF具有以下一些优点：（1）滤波性能不受系统阻抗影响。（2）不会与系统阻抗发生串联或并联谐振，系统结构的变化不会影响治理效果。（3）原理上比PF更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理。（4）实现了动态治理，能够迅速响应谐波的频率和大小发生的变化。（5）由于装置本身能完成输出限制，因此即使谐波含量增大也不会过载。（6）具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿。（7）谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。（8）可以对多个谐波源进行集中治理。对于严峻的谐波污染问题，有源电力滤波器是提高电能质量最有效的工具。早在20世纪70年代有源滤波的概念就提出来了，但是受到功率半导体器件水平的限制，有源滤波器未能得到进一步的发展。随着大功率快速自关断器件的不断发展，基于瞬时无功功率理论的谐波检测方法进一步发展，以及微机控制技术和数字信号处理技术的不断进步，有源滤波技术得到了极大的发展。有源电力滤波器根据与补偿对象连接的方式不同而分为并联型和串联型两种。下文主要探讨并联型有源电力滤波器的相关内容。第5章 并联有源电力滤波器并联有源滤波的概念首先是由Gyugyi和Strycula在1976年提出的。现在，并联型有源滤波器已不是梦想而是现实了，全世界范围已有很多的并联型有源滤波器投入到商业化运行中。并联型有源滤波器的控制器实时地确定补偿电流的参考值，并控制电力变流器准确的把它合成出来。这样，有源滤波就具有选择性和适应性。换句话说，一个有源滤波器可以仅仅补偿某个特定非线性负载的谐波电流，并时刻跟踪该谐波电流的成分变化。5.1并联有源电力滤波器的系统构成及其工作原理图5-1 并联有源电力滤波器系统构成图有源电力滤波器系统由两大部分组成，即谐波电流检测电路和补偿电流发生电路(由补偿电流控制电路、隔离驱动电路和主电路三个部分构成)。其中，谐波电流检测电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据谐波电流检测电路得出的补偿电流信号，产生实际的补偿电流。补偿电流控制电路的作用是根据检测到的各个电压和电流，由控制算法计算得出补偿电流的指令信号。主电路用来产生补偿电流，目前均采用PWM变流器。图中，表示交流电源电势，为交流电源电流，负载为谐波源，它降低了系统功率因数，产生了谐波，为负载电流。为补偿电流，为补偿电流的指令信号，HPF为高通滤波器。由并联型有源电力滤波器的原理图，根据基尔霍夫电流定律有： (5-1) (5-2)式中：为非线性负荷电流中谐波电流分量，为非线性负荷电流中基波无功电流分量，为非线性负荷电流中基波有功分量。为了防止谐波流进系统，只要控制，则只剩基波分量，即谐波全部被补偿。如果控制，即有源滤波器同时补偿谐波和无功电流，因此采用有源滤波器可以同时较好的解决非线性负荷的动态谐波电流和动态无功电流问题。5.2并联有源电力滤波器的主电路形式图5-2 并联有源电力滤波器主电路主电路工作情况是由6组开关器件的通断组合所决定的。通常逆变器同一相的上下两组开关器件总有一组中的一个器件是导通的。开关函数为： (5-3) 根据基尔霍夫定律和图可以得出描述主电路工作情况的微分方程：(5-4)式中，分别为有源滤波器的输出电压与补偿电流，为电容两端电压。由图和上式，有源滤波器逆变器的输出电压为(以0点为电压零点)：(5-5)根据基尔霍夫定律，直流侧电流满足：(5-6)综合可得：(5-7)可得开关函数表达的三相三线制并联型有源滤波器的数学模型： (5-8)5.3谐波电流的检测三相电路瞬时无功功率理论由Fryze、Quade和Akagi(赤木泰文等提出)，随后得到了广泛深入的研究并逐步完善。该理论突破了传统的平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流实时检测方法。三相电路瞬时无功功率理论，首先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了成功的应用。目前，有源电力滤波器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多。检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波的构成和采用滤波器的不同会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。对于电网中典型的谐波源三相整流桥，其检测的延时约为1/6周期，所以该方法具有很好实时性。5.3.1瞬时有功功率和瞬时无功功率、变换：实现了三相瞬时电压，电流由静态变换到旋转的。正交坐标变量作为分析基础。设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为、。和、。把他们变换到两相正交的坐标系上进行研究。 (5-9) (5-10)式(5-9)、(5-10)中： 图5-3 坐标系电压、电流矢量 如图5-3中所示的平面上，矢量、和、分别可以合成为（旋转)电压矢量e和电流矢量i(矢量、和、是矢量e和i在轴和轴投影)： (5-11) (5-12)式(5-11)、(5-12)中e、i为矢量e、i的模；、分别为矢量e、i的幅角。根据式(5-9)和(5-10)引入瞬时有功功率和瞬时无功功率，有 (5-13) (5-14)写成矩阵形式：(5-15)式(5-15)中：代入，可得p，q对于三相电压、电流表达式：(5-16) (5-17)5.3.2瞬时有功电流和瞬时无功电流定义1：三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分别是矢量i在矢量e及其法线上的投影。即： (5-18) (5-19)定义2：,相的瞬时无功电流，(瞬时有功电流，)为三相电路瞬时无功电流 (瞬时有功电流)在,轴上的投影。即： (5-20) (5-21)定义3：三相电路各相的瞬时无功电流，(瞬时有功电流，)是，两相瞬时无功电流， (瞬时有功电流，)通过两相到三相变换所得到的结果。即：(5-22)式中，传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础或相量的意义上定义的，它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的，不仅适用于正弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。从以上各定义可以看出，瞬时无功功率理论中的概念，在形式上和传统理论非常相似，可以看成传统理论的推广和延伸。以三相电流瞬时无功功率理论为基础，计算p、q或为出发点，即可得出三相电路谐波和无功电流检测的两种方法，分别称之为p、q检测算法和检测方法。5.3.3基于p、q算法的谐波电流检测检测方法如下图所示 ：图5-4 p、q检测方法原理图图中：，该方法根据定义算出p、q，经低通滤波器(LPF)得到p、q的直流分量、。电网电压波形无畸变时，为基波有功电流与电压作用产生的，为基波无功电流与电压作用产生的。于是，由、即可算出被检测电流的基波分量。 (5-23)于是计算出谐波分量： (5-24)当有源电力滤波器同时作用于补偿谐波和无功时，就需要同时检测出补偿对象中的谐波和无功电流。在这种情况下，只需要计算q通道即可。这时，由即可计算出被检测电流的基波有功分量为： (5-25)将与相减即可得出的谐波分量和基波无功分量之和。由于采用了低通滤波器(LPF)求取p、q，故当被检测电流发生变化时，需经一定延时时间才能得到准确的p、q，从而使检测结果有一定延时。5.3.4基于算法的谐波电流实时检测以三相电路瞬时无功功率为基础，计算为出发点即可得出三相电路谐波电流检测的方法如下：基于i运算方式的谐波电流检测法是由西安交通大学王兆安教授在二十世纪九十年代提出的，该方法与基于p、q运算方式相比更适合电流的快速检测，即使当电压波形有畸变，也能准确地检测出全部谐波和无功电流。方法原理如图所示，PLL为锁相环。图中：图5-5检测方法原理图该方法需要与a相电网电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号-，通过锁相环(PLL)和正、余弦发生电流得到与电源电压同相位的正弦信号和对应的余弦信号。这两个信号与，根据定义一起计算出基波有功电流和基波无功电流，： (5-26) 然后经低通滤波器LPF滤波得出，的直流分量，。由于，是由，所产生，因此由，即可计算出 (5-27)近而计算出谐波分量 (5-28)与p、q运算方式相似，当要检测谐波和无功电流之和时，只需计算的通道即可。小结一下，考虑三相电路瞬时无功功率理论的检测算法，可以看出其实是把待测的三相瞬时电压、电流，经过线性变换后相乘，从而使得基波电流所对应的瞬时功率为一直流分量，以便于分离出去。这两种方法都能准确，实时测量。但在电网畸变或不对称时：p、q检测方法存在误差，检测方法只取和-，畸变电压的谐波成分在运算过程中不出现，因而检测结果较为准确。基于瞬时无功功率的谐波检测算法均要使用低通滤波器，若使用模拟滤波器，动态响应慢，过渡时间要近两个周期。而使用数字滤波器，常用的有巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆函数滤波器。它们虽然延时相对较小，但数字实现较为复杂，计算量大，并且无论哪种滤波器其幅频特性的通频带及过渡带除了允许直流通过外，一些低次谐波成分也通过了滤波器，这也给补偿电流带来了误差，针对这种情况可以用直流分量法对算法加以改进，以一个计算直流分量的模块代替低通滤波器。 5.4电流跟踪控制技术有源电力滤波器的性能很大程度上依赖于控制器的水平，设计良好的控制器，选用合适的控制策略非常关键。目前，并联有源电力滤波器常用的电流控制方法有：滞环控制、三角波比较、无差拍控制和近几年兴起的自适应控制、自抗扰控制、神经网络控制、遗传算法和单周控制等。有源电力滤波器的滤波性能完全取决于其调制方法，目前主要采用PWM控制方式，其主要有两种，即滞环比较(瞬时值比较)方式和三角波比较方式。PWM控制原理：PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。PWM控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，影响也最为深刻。PWM控制技术重要理论基础是采样控制理论的面积等效原理。正弦波被n等份后可以看为n个彼此相连的脉冲序列(宽度相等，幅值不等)，根据面积等效原理(实际是冲量相等)得到PWM波。可以看出，脉冲幅值相等而宽度按正弦规律变化和正弦波等效的PWM波形(也称SPWM)。同理，如果调制的信号波形是从电网提取的谐波电流，可以用三角波对其进行PWM调制，得到有源电力滤波器中PWM逆变器的控制信号，使主电路产生补偿电流。图5-6 脉宽调制波形1、滞环比较控制方式滞环控制是一种电流瞬时值比较控制，当补偿对象与滤波器输出之差超过预定的容许误差时，主电路开关元件动作，滞环电流比较控制是实际电流与指令电流的上、下限相比较且形成一个环带，并以交点作为开关点。滞环比较控制方式基本原理是将补偿电流的指令信号与有源电力滤波器主电路输出的实际补偿电流信号之差作为滞环比较器的输入，通过比较器的输出来控制电力电子器件的通断，从而控制实际补偿电流的变化，如图所示。图5-7 滞环电流控制原理图滞环比较控制方式具有硬件电路简单、电流响应快、不需要载波，输出电压中不含有特定频率谐波分量等特点。在这种控制方式中，滞环的宽度对补偿电流的跟随性能有较大影响。当滞环的宽度较大时，主电路的开关元件的开关频率较低，对元器件要求不高，但是跟随误差较大；反之滞环的宽度较小时，跟随误差较小，但主电路的开关元件的开关频率较高。在并联有源电力滤波器实际应用中，滞环比较控制方式环宽的选取至关重要。环宽的选取是根据电力系统绝对电流变化的要求决定的，电流畸变的边界值是总电流的5%左右。用H表示滞环比较控制方式的环宽，当时，滞环比较器输出保持不变；当时，滞环比较器的输出翻转，假设后面的主电路无延迟，则补偿电流的变化方向随之改变。这样就在和之间变化，即在和之间范围内呈锯齿波状跟随变化。2、三角波比较方式三角波比较电流跟踪控制与一般三角波作为载波的PWM控制方式不同，不是直接将指令信号与三角波比较。而是将指令信号与有源电力滤波器主电路输出的实际补偿电流信号之差经放大器后，与高频三角波比较，得到矩形脉冲作为有源电力滤波器主电路元器件的控制信号，从而使变流器输出所需要补偿电流。放大器往往采用比例放大器或比例积分放大器。原理如图所示。图5-8 三角波比较控制原理图三角波比较方式具有元器件开关频率固定，且等于三角载波频率；输出补偿电流含有谐波较少，但含有与三角载波相同频率的谐波；但是动态响应没有滞环比较快、放大器增益有限、三角载波频率影响元器件等工作特点。无差拍控制能快速反应电流的突然变化，特别适合快速暂态控制，但是由于计算量大、容易造成延迟、对系统参数依赖性大从而影响整个系统的稳定性，对于有源电力滤波器这样一个非线性多变量系统而言这种策略很少采用。自适应控制对动态变化过程有自适应，但对过程参数的变化不灵敏；自抗扰控制的抗干扰能力强；神经网络控制控制精度高、控制方法简化；遗传算法有优化运算方面的优势。单周控制(One-Cycle Control，OCC)不存在暂态误差，是一种非线性控制方法，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、控制电路简单和良好的稳定性能等优点，但是一种新的理论，还要等待时间的检验。这些方法的应用还处于初始阶段，无应用实例，理论性和实践性有待进一步研究。第6章 现状与展望6.1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。电力系统的谐波及抑制研究问题近几十年来在世界范围内得到了十分广泛的关注，国际电工委员会(IEC)、国际大电网会议(CIGRE)、国际供电会议(CIRED)及美国电气和电子工程师学会(IEEE)等国际性学术组织，都相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并已制定除了限制电力系统谐波的相关标准。从1984年开始，每两年召开一次的电力系统国际谐波会议(ICHPS)为这个领域的国际交流提供了直接的渠道，正推动着谐波研究工作深入开展。我国在谐波研究方面，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。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