（控制理论与控制工程专业论文）电力系统谐波测试分析机理与治理技术研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 随着工业生产和电力电子技术的飞速发展，在钢铁、冶金、石油、化工等工 业领域，电气设备、电力电子变换装置日益普及。变频装置、整流装置等非线性 负荷的接入，给电网中注入了大量的电力谐波。电力谐波干扰导致电气设备异常 和事故有逐年增长的趋势，电力系统谐波已成为威胁电力系统和其它用电负荷安 全运行的“电力公害”。 本文结合国内大型钢铁行业的电力系统及各类用电设备的实际情况，概述了 电力系统谐波产生的原因，谐波源，分析了电力系统谐波对电力系统和生产用电 设备可能带来的危害，说明了对电力系统谐波进行检测与综合治理的必要性和意 义。 针对钢铁行业电网电力谐波的产生背景及状况，通过对国内外电力谐波抑制 的主要技术和现行各种电力谐波治理技术的对比分析，通过对该行业电力系统谐 波综合治理装置从装置构成、控制策略、控制原理和技术实现等方面的深入研究， 探索适用于钢铁行业电力系统谐波测试分析机理及其治理技术，提出了一种基于 波形的统一补偿原理，即将电网中无功电流、谐波电流和负序电流看成一种“畸 变波形”分量，采用无源补偿与有源补偿相结合的电力谐波综合治理技术对电力 系统谐波集中进行补偿。为钢铁行业今后的电网改造、设备选型、及电力系统设 计及管理提供了科学的依据。 实验和研究表明，该抑制和补偿措施对于改善电网品质是一种有效和性能优 良的方法。该方法有效地减少了干扰性负荷的影响，提高了钢铁行业电力系统的 供电质量，减少了系统运行故障，o 减少了谐波对电力系统和用电设备的影响，保 障了电网和用户的安全，确保了生产正常进行，降低了企业的经济损失。 关键词：电力谐波、谐波治理，电力系统 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to f t h ei n d u s t r i a lm a n u f a c t u r ea n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , t h ee l e c t r o n i ce q m p m e n ta n dt r a d i n gd e v i c e sb e c o m em o r ep r e v a l e n ti nt h e v a r i o u sf i e l d s t h ei n t e r f e r e n c eo fs o m en o n l i n e a r i t yl o a d sa sf r e q u e n c yc o n v e r s i o n ， c o m m u t a t ee q u i p m e n t ，t r a n s f u s e sal a r g eq u a n t i t yo fh a r m o n i cw a v ei n t ot h ep o w e r s y s t e m t h eg r o w i n gt e n d e n c yo ft h ea h n o r m i t ya n da c c i d e n tw h i c hc a u s e db yt h e h a r m o n i cw a v eh a sa l r e a d yb e c o m et h es o c i a lh a r m f u l n e s si nt h ep o w e rs y s t e m c o m b i n i n gt h es i t u a t i o no ft h ep o w e rs y s t e ma n dv a r i o u se l e c t r o - e q n i p m e n t si n t h es t e e li n d u s t r yo fo u rc o a l t r y ，t h i sd i s s e r t a t i o ns u m m a r i z e st h ec a u s ea n dt h es o n r c e o ft h eh a r m o n i cw a v ei nt h ep o w e rs y s t e m ，a n a l y z e st h ep o s s i b l eh a r m f u l n e s st ot h e e l e c t r i cd e v i c e sa n de x p o u n d st h en e c e s s i t ya n ds i g n i f i c a n c eo fi n s p e c t i o na n d c o m p r e h e n s i v ec o n t r o li nt h es y s t e m t h i st h e s i se x p l o r e sa na p p l i e dt e s t i n ga n a l y t i cm e c h a n i s ma n di t sc o n t r o l l i n g t e c h n o l o g yo f h a r r n o n i cw a v ei ns t e e li n d u s t r i a lp o w e rs y s t e mb ya l li n t r o d u c t i o no f t h e p r o d u c i n gb a c k g r o u n da n ds t a t u so fh a r m o n i cw a v eh e l e c t r i cs y s t e mo ft h es t e e l i n d u s t r y , ac o n t r a s ta n a l y s i sb e t w e e nt h em a i nr e s t r a i n i n gt e c h n o l o g yo ft h eh a r m o n i c w a v ea n dc u r r e n tc o n t r o l l i n gt e c h n o l o g i e si nt h ep o w e rs y s t e m ，a n daf u r t h e rs t u d yo f h a r m o n i cw a v ec o n t r o l l i n gd e v i c e sw h i c hi n c l u d e ss e t t i n gc o m p o s i n g , c o n t r o l l i n g s t r a t e g y , c o n t r o l l i n gp r i n c i p l e ，t e c h n o l o g ya c t u a l i z a t i o n a n di tp r o p o s e sau n i t e d c o m p e n s a t i o np r i n c i p l eb a s e do nw a v ef o r m ，i e r e g a r d st h er e a c t i v ec u r r e n t , h a r m o n i c w a v ea n dn e g a t i v ec u r r e n ti nt h es y s t e ma sa na b e r r a n c ew a v ef o r m ，a d o p ta s y ln t h e s i s c o n t r o lt e c h n o l o g yl i n k i n ga p fc o m p e n s a t i o nw i t hp fc o m p e n s a t i o n t h e r e f o r ei t o f f e r sas c i e n t i f i cf o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r es y s t e m a t i c r e c o n s t r u c t i o n ，e q u i p m e n t s e l e c t i o na n dp l a na n da d m i n i s t r a t i o no f t h ep o w e rs y s t e m s t u d i e st e l lt h a t t h i sc o m p e n s a t i o nm e a s u r ei sa ne f f e c t i v ew a yt oi m p m v 6t h e q u a l i t yo ft h ep o w e rs y s t e m i tr e d u c e st h ei n f l u e n c eo fi n t e r f e r i n gl o a d ，i n c r e a s e st h e q u a l i t yo fp o w e rs y s t e mi ns t e e li n d u s t r y , d e c r e a s e st h ec i r c u a t i n gm a l f i m c t i o no ft h e s y s t e m ，l e s s e n st h ea f f e c to ft h eh a r m o n i cw a v et oe l e c t r o e q u i p m e n t s ，e n s u r e st h e n o r m a lp r o c e s s i n ga n dd e p r e s s e st h ee c o n o m i ce x p e n s eo f e n t e r p r i s e s k e y w o r d s ：p o w e rh a r m o n i cw a v e ，h a r m o n i cw a v ec o n t r o l ，p o w e rs y s t e m i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 引言 随着社会经济与科学技术的不断进步与发展，工业、农业和人们的生活水平 不断提高，电气化生产、电气化社会、电气化家庭日益成为现代生产技术与装备 以及日常生活的主流。现代社会从大型工业生产到日常生活都越来越离不开电力 供应，除了需要电能成倍增长外，越来越多的用户和用电设备对供电电网质量、 取用的电能形态和功率流动的控制与处理提出了更新、更高的要求。 8 0 年代以来，伴随着半导体制造技术、计算机技术和自动化技术的迅猛发展， 开关器件功率处理和切换速度的显著提高，以及现代制造技术规模的不断扩大， 电力电子装置的工业市场和应用领域正在逐年增大。在现代工业生产系统中，复 杂的计算机网络系统、精密化的测控仪器、可编程控制系统、变频器以及电力电 子转换装置等用电设备与电力设备使用的急剧增加，一方面使得系统的自动化程 度不断提高，系统的可靠性逐步改善，另一方面又由于整流装置、变频器等电力 电子变换装置的大量使用，大大增加了电力系统中的非线性负荷，导致电网中存 在大量谐波电流，电网电压波形产生畸变，大大恶化了电力系统的电能质量，导 致电气设备异常和事故，给电力系统带来了极大的危害，影响了用电设备安全经 济地运行，严重干扰了计算机、通信等系统正常运行“。 例如：现代工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等 重要场合的计算机、生产设备与控制器件一旦失电，或由于受到电力网上电力谐 波干扰而无法正常工作，则会导致重大的事故和巨大的经济损失；同时，人们日 用的电视机、空调、电梯等常用电器，一旦由于低电力质量的影响而不能正常运 做，将会给人们的生活带来极大的影响”。 电力谐波已成为电力系统的一大公害，严重威胁着电力系统和用电设备的正 常运行。谐波污染的日益严重已经给供电部门和用电部门的电气设备带来不同程 度的危害，对谐波污染进行治理是关系到供用电部门的切身利益，谐波治理已到 了不容忽视的地步。为了保证电网的供电质量和安全运行，必须深入研究电力谐 波抑制和补偿技术，采取有效措施加强电力系统谐波治理，努力提高电力电网质 量。 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 早在1 9 世纪末，当交流电作为一种新兴的动力能源形式出现时，人们就发现 了电力电压、电流波形中存在波形畸变问题，并同时对波形畸变的原理和消除方 法等开始进行研究。本世纪二、三十年代随着汞弧整流器在电力拖动、电冶金等 方面的推广使用，使电力谐波的研究达n t 第一个高潮。七十年代以来，由于变 频器、整流器等各种电力电子装置的广泛运用，使得电力系统谐波对公用电网造 成的危害也日益严重。此间，对电力系统谐波分析和研究，已经超出了传统电力 系统的范畴，渗透到电工理论、电网络理论、数字信号处理、计算机技术、控制 理论与控制技术等其他学术领域。并已经形成一套特有的理论体系、分析研究方 法、检测治理技术、限制标准与管理制度”。 最先认识电力系统谐波问题，并采取相应对策的是欧洲各国：法国电工协会 在“电力变流器安装条例考虑电网的运行特性”的文件中规定了每个用户单 独在公共连接点工作时的限额。德国在1 9 8 7 年颁布的“对电网干扰的评价标准” 中规定了低压电两谐波兼容值。英国在1 9 6 0 年己提出为抑制电力系统流入谐波的 管理标准。随后又重新修订了标准，到了1 9 7 6 年形成工程导则g 一5 ，3 标准， 延用至今。国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网会议( c i g r e ) 相继成立了专 门的工作组开展该领域研究工作，i e c 在1 9 8 8 年对电力系统谐波限定做出了明确 要求。美国电气与电子工程师协会( i e e e ) 工业应用专委会1 9 8 9 年颁布了“i e e e 对电力系统谐波控制的要求和实旅建议”，规定了电网公共连接点谐波窀压限值和 非线性用户谐波电流的限值，并于1 9 9 2 年指定了谐波限定标准i e e e 一1 0 0 0 。1 9 8 4 年开始每两年召开一次的电力系统国际谐波会议( i c h p s ) 为该领域的国际交流 与研究提供了直接的渠道，推动着电力系统谐波研究工作深入展开“。 当前，谐波抑制主要从谐波发生源、电力系统以及谐波抑制装置三个方面进 行。消除电力系统谐波主要应从产生谐波的主要装置即电力电子装置出发，去研 究解决的方法。消除电力系统谐波的途径主要有两种：一方面是主动型，即从电 力电子装置本身出发，设计不产生谐波的装置：+ 另一方面是被动型，即外接滤波 器，例如在电力系统中加无源滤波器( p f ) 或有源滤波器( a p f ) “。 传统的无源滤器( p f ) 2 0 世纪3 0 年代发展起来的，其工作原理是将畸变的 工频正弦波按傅氏级数分解成基波( 5 0 h z ) ，及1 0 0 h z ，1 5 0 h z ，等各次谐波成 分，然后采用l c 串联谐振的原理将谐波成分滤除。由于无源滤波器( p f ) 的补 偿效果与系统运行的参数密切相关，只能对主要谐波进行补偿，当系统参数发生 变化时，无源滤波器难以满足用户要求，且电网与滤波器之间还有可能存在串并 重庆大学硕士学位论文 1 绪论 联谐振和滤波器过负荷情况。 随着动力电子学及元件( g t r ，g t o ，i g b t ) 的发展，1 9 7 1 年日本学者s a s a k a 首先提出了直接用电力电子设备产生一个矫正波将畸变了的工频正弦的畸变部分 抵消掉的滤波新概念，随后m a c h i d at 等人提出的用磁补偿消除电力系统谐波的 方法，人们开始探讨采用有源滤波器( a p f ) 补偿和抑制电力系统谐波。1 9 7 6 年 美国西屋公司l g y u g y i 率先研制出8 0 0 k v a 的a p f 。a p f 因有些技术难点尚未完 全攻克，加之造价大大高于无源滤波器( p f ) ，限制了有源滤波器( a p f ) 的发展， 被迫走出了一条以无源滤波器( p f ) 为主，有源滤波器( a p f ) 为辅的组合式滤 波器( h a p f ) 的设计思路。1 9 8 8 年，p e n g 等学者又提出了串联有源a p f 加并联 无源p f 的混合模型。2 0 世纪末，人们又进一步提出了i g b t + s p w m 逆变技术的 有源滤波器，并利用“多重化技术”将有源a p f 从低电压扩张到高电压领域”。 1 。2 2 国内研究现状 我国从8 0 年代开始大量采用硅整流设备，尤其是钢铁、冶金、化工、石油、 机械制造等领域电气化的迅猛发展，推动了硅整流技术的应用和发展。同时由于 电网中非线性负荷大量增加，使我国不少电网的谐波成分已大大超过了有关标准， 带来了一些影响电网质量，危及用电设备安全和经济运行的问题。 自9 0 年代开始，国家质量监督局在总结执行原水利电力部电力系统谐波管 理暂行规定( s d l 2 6 8 4 ) 经验的基础上，系统的研究了电能质量标准的有关 问题，结合国情，吸取国外电力系统谐波的最新研究成果，提出了谐波国家标准 电能质量公用电网谐波( g b ，r 1 4 5 4 9 1 9 9 3 ) ，规定低压电网总谐波畸变率 为5 ，6 一l o k v 为4 ，3 5 6 6 k v 为3 ，1 1 0 k v 为2 。国家标准电能质量 电压波动和闪变( g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 ) ，规定了系统l 由冲击性负荷产生的电压波动 允许值和闪变电压允许值”“”“。 与此同时，我国的许多科研和生产单位，一些高等院校相继展开了电力系统 谐波的研究工作，多次召开相关学术会议，交流该领域的一些研究成果。进入2 0 世纪8 0 年代，国内的学者们开始探讨有源a p f ，清华、浙大、西交大、哈工大 等高校相继展开理论研究，仿真实验，1 9 8 7 年华北电力科学研究院正式立项研制， 1 9 8 9 年该院与北京供电局、冶金部自动化所合作研制a p f ，1 9 9 0 年研制出2 0 k v a 样机，1 9 9 1 年1 2 月中国第一台4 0 0 v5 0 k v a 有源滤波器在北京投入运行，进入 2 1 世纪华北电力科学研究院又将a p f 的容量提高到1 0 k v4 0 0 k v a 。国内的学者 们也在积极的探索采用无源( p f ) 为主，有源( a p f ) 为辅的电力系统谐波综合 治理方式。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 3 本课题的研究目的、意义和内容 1 3 1 研究目的 紧跟国际前沿形势，在比较分析国内外电力系统谐波抑制的主要技术和现行 各种电力谐波治理技术的基础上，探索一种有效的电力系统谐波测试分析机理与 治理技术。 1 3 2 研究意义 该课题的研究提高了人们对电力系统谐波、谐波源、谐波的危害以及谐波治 理重要性的认识，推动了电力系统谐波测试分析和综合治理技术的深入研究，增 强了人们对电力系统谐波测试分析、用电设备选型和设计的能力，对提高电网质 量，减少电力谐波引起的危害，延长用电设备使用寿命，降低工业系统和电力装 置事故、故障发生频率，确保电力系统安全运行，减少经济损失有重要的指导作 用。通过本课题的研究，对今后钢铁行业电网改造，电力系统管理，优化设计电 力系统和用电设备具有重要的指导意义。 1 3 3 研究内容 针对钢铁行业用电设备大部分为感性负荷、具有容量大、负荷冲击大、起制 动频繁、工况复杂等实际情况，分析了电力系统谐波产生的主要原因、谐波源以 及谐波对电力系统和用电设备的危害。提高人们对电力系统谐波危害的认识，加 深人们对电力系统谐波产生原因的了解，找出影响电力系统及用电设备安全运行 的因素。 在综合分析各种常用的谐波测试技术的原理、特点及适用范围的基础上，建 立了一套基于快速傅立叶变换原理的电力谐波测试技术，分析了测试机理。并具 体针对钢铁企业电力网进行了谐波测量与电能质量分析和综合评价。 在分析了现行各种电力谐波治理技术特点的基础上，针对钢铁行业电网谐波 的产生背景及状况，提出了一种基于波形的统一补偿原理，即将电网中无功电流、 谐波电流和负序电流看成一种“畸变波形”分量，采甩有源补偿与无源补偿相结 合的电力谐波综合治理技术，无源部分采用无通流和过电压的晶闸管控制电容器 技术实现，有源部分采用高频p w m 控制技术实现，对电力系统谐波集中进行补 偿。 通过对钢铁行业装置构成、控制原理和技术实现、控制策略等方面的深入研 究，探索一种经济、有效的电力系统谐波测试分析机理和治理技术，并对该技术 应用效果进行了试验分析，寻求到了适合钢铁行业电力系统的谐波综合治理方案。 4 重鏖查堂堡主兰堡笙奎一上二量鱼 该方法有效地减少了干扰性负荷的影响，提高了钢铁行业电力系统的供电质量， 减少了系统运行故障，减少了谐波对电力系统的影响，保障了电网和用户的安全， 确保了生产正常进行，降低了企业的经济损失。 重庆大学硕士学位论文 2 电力系统谐波及危害 2 电力系统谐波及危害 2 1 电力系统的谐波问题 2 1 1 电力谐波 作为理想的电力系统，电压和电流波形应为标准正弦波型。但是在实际的电 力系统中，由于存在大量的非线性负荷，当电流流过与所加电压不程线性关系的 负荷时，就形成非正弦电流。对电力系统中的周期性非正弦电量进行傅立叶级数 分解，除了得到与电网基波频率相同的基波分量，还得到一系列大于电网基波频 率的分量，这部分分量称为谐波。国际电工标准给出的谐波定义为：频率为基波 频率整数倍的正弦波。谐波频率与基波频率的比值( n - - f r a i l ) 称为谐波次数。谐 波实际上是一种干扰量，使电网受到“污染”“。 2 1 2 电力系统中谐波产生的主要原因 由于电力系统中大量使用诸如电力变频装置、大功率电力整流和换流装置以 及非线性电子设备等非线性负荷，产生了大量的电力谐波注入到电网中。电力系 统中电压、电流波形畸变主要来源于两大因素：第一是r ，l ，c 元件的非线性； 第二是大量使用的电力电子装置“。 2 1 3 电力系统中的主要谐波源 向公用电网注入谐波电流或在公用电网上产生谐波电压的电气设备称为谐波 源。具有非线性特性的电气设备和电力电子装置是电力系统主要的谐波源。钢铁 行业电力系统中常见的谐波源有：旋转电机、电力电子交直变换装置、电力电子 变频装置，电弧炉、感应加热炉，电弧焊机和照明整流装置、旋转电机、铁心电 抗器等含等波形变换以及磁饱和设备。 电力系统谐波源可以分成电压源型和电流源型谐波源。发电机由于结构上的 不完全对称性，空气隙的磁导不可能完全均匀等因素，其在正常运行时，总会产 生一些谐波分量注入到电网中。旋转电机可以认为是典型的谐波电压源。对于各 种整流换流设备、电气化铁道、电弧炉及数量很大的电子节能设备、家用电器等 非线性负载可认为是谐波电流源。 电力电子变频装置广泛应用于大型风机、传输系统、轧机、电弧炉等设备中， 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 重庆大学硕士学位论文 2 电力系统谐波及危害 成分很复杂。在电源阻抗比较小的情况下，其波形为窄而高的瘦长型波形；反之， 当电源阻抗比较大时，其波形为矮而宽的扁平型波形。 电力电子交直变换装置的交直整流器广泛应用于各种场合。整流装置由于各 臂在同一周期内轮流导通，从电网取用非正弦波的电流，流经整流臂的电流波形 为断续的近似矩形波，因而将产生谐波电流注入电网。特别是在进行相位控制对， 滞后角愈大，则电流的起伏愈大，电流中谐波成分也越大。在整流装置中，该矩 形波为工频基波电流波形和奇数倍频率的高次谐波电流波形的合成波形。由付氏 级数分析，可得出“： 电网侧电流谐波次数为n = k ( m 1 ) ( 2 1 ) 电网侧电流谐波频率为厶= 月f ( 2 2 ) 谐波电流的理想有效值为 i n = ( 形) ， ( 2 3 ) 式中：k = - i ，2 ，3 ，m 为接流装置的脉动次数，f l 为交流电网基波频率，i l 为基波电流有效值。 矩形波中的高次谐波分量i n = i l t n ，最大为l n ，随着触发控制角和换相重 叠角u 的增大，谐波分量有减小的趋势。 旋转电机包括发电机、电动机等，由于结构上的不可能完全对称。磁极磁场 并非完全按正弦分布，即使在正常运行时，感应电势也不完全是正弦波形，产生 有一些谐波分量“。 电弧炉是现代钢铁行业炼钢工艺的重要手段，它在炼钢工业中的比重越来越 大。电弧炉的电压和电流具有高度的非线性特性且电弧燃烧时。由于反复不规则 地将电极开路和短路，电弧不稳定，负载不平衡等都将使电网电流产生复杂的谐 波分量而形成谐波电流源。电弧长度的变化使谐波次数带有很大的随机性。 2 2 电力系统谐波的危害 电网中电力系统谐波的大量出现，对公用电网是一种严重的污染，会导致用 电设备所处的电网环境恶化。电力系统谐波在电网中的存在：会使旋转电机、变 压器、补偿电容器及架空线路、电缆产生附加热效应：对电网的运行会增加无功 损耗，严重时将导致系统共振；使一些机电设备产生机械振动；会导致继电器动 作失误、增加测量表计的测量误差：造成某些自动装置工作不正常，引起通讯干 扰；使家用电气器工况变坏等“。 2 2 1 对输电线路的影晌 谐波电流一方面在输电线路上产生谐波电压降，另一方面，增加了输电线路 重庆大学硕士学位论文 2 电力系统谐波及危害 上的电流有效值从而引起附加输电损耗。使设备的温度过热，网损增加，加速电 缆绝缘老化，影响使用寿命。 2 2 2 对变压器的影响 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，增加了磁滞 损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度。电网中谐波电流的存在增加了铜损，对于带 非对称性负荷的变压器，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱 和，从而大大增加励磁电流的谐波分量。 2 2 3 对电力电容器的影响 由于电容器的容抗x = i 2 f c ，与频率成反比，因此在高次谐波电压作用 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，使电容器成倍地过负荷，导致电容器因过流而损坏”“。 2 2 4 对继电保护、自动装置的影响 电力谐波常会引起会引起继电保护、自动装置的拒动或误动，使其动作失去 选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。 2 2 5 对旋转电机的影响 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。这些附加损耗要比其本身的直流电阻所引起的损耗大，电机会产生过热 现象，并使电机效率降低。谐波电流还会增加电机的噪声，产生脉冲转矩引起谐波 振动。 2 2 6 对测量仪表的影响 测量仪表是在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，导致电气仪表计量不准确。 2 2 7 对计算机和通信设备的干扰 谐波般通过电容耦合、电磁感应及电气传导等三种途径影响通讯，特别是 载频低的信号受影响更大。变流器在换相期间注入的脉冲电压所包含的谐波频率 较高，可以高达1 m h z 以上，因而会引起电磁干扰。它对计算机、通信线路、通信 设备会产生很大影响。轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使计 重庆大学硕士学位论文 2 电力系统谐波及危害 算机和通信系统无法正常工作等。 2 2 8 对其它用户设备的影响 高次谐波除了对上述设备产生影响之外，还会对下列用户设备产生影响“： 影响电视机的画面质量： 对电子计算机产生干扰； 影响仪用互感器的测量精度； 使熔断器未超整定值就熔断： 影响电子显微镜的画面清晰度； 使目光灯的镇流器及补偿用电容过热和损坏； 影响其它换流设各或其它由电压过零所控制的设备的同步。 9 重庆大学硕士学位论文 3电力系统谐波测量及抑制技术分析 3 电力系统谐波测量及抑制技术分析 3 1 电力谐波测量技术 测量电网中的高次谐波，确切掌握系统中谐波的实际情况，对于防止谐波危 害和系统的安全运行是十分必要的。电力系统谐波的测量内容包括：电压电流波 形、频谱以及波形畸变率和相位。频率的测量范围是从基波到大约4 0 次左右的谐 波，也就是说5 0 一一2 0 0 0 h z “。 3 1 1 电力谐波常用检测方法 1 采用模拟带通或带阻滤波器检测方法“ 最早的谐波测量是采用模拟滤波器实现的。图1 为模拟并行滤波式谐波测量 装置框图。由图可见，输入信号经放大后送入一组并行联结的带通滤波器，滤波 器的中心频率f l 、t 2 、f i a 是固定的，为工频的整数倍，且f l 1 2 9 2 d b 。 ( 2 ) 插值算法 vkj a i n 等人提出了基于矩形窗、汉宁窗和硒f e v i n c e n t 窗的插值理论，使频 谱计算精度较传统的f f t 方法有较大提高，但测量时间较长，通常测2 0 个信号 周期，需要1 0 2 4 个样本数据。选择4 项b l a c k m a n - h a r r i s 窗对采样数据进行加权， 用两次插值来准确获取谐波信号参数，大大缩短了测量时间。对无噪声信号，用 该算法在低频段其精度仍较高：对含有自噪声的信号，信噪l e 4 0 d b 时，谐波频 率、幅值和相位的计算精度分别优于o 1 、0 5 和o 1 级，并大大加快了算法速度。 ( 3 ) 双峰谱线修正算法 基于两根谱线的加权平均来修正幅值的双峰谱线修正算法。该方法用距谐波 频点最近的两根离散频谱幅值估计出待求谐波幅值，同时用多项式逼近法获得频 率和幅值修正的计算公式，这些改进降低了频谱泄漏和噪声干扰，并推导出一些 典型窗函数的谐波分析实用修正公式，实验结果证明了该方法具有有效性和易实 现性。 4 基于小波变换的谐波检测方法”“ 电力系统谐波测试中将小波分析作为调和分析已有重大进展。它克服了傅立 叶变换在频域完全局部化而在时域完全无局部性的缺点，即它在频域和时域都具 有局部性。利用小波变换能将电力系统中产生的高次谐波变换投影到不同的尺度 上会明显地表现出高频、奇异高次谐波信号的特性，特别是小波包具有将频率空 间进一步细分的特性，从而为谐波分析提供了可靠依据。通过对含有谐波的电流 信号进行正交小波分解，分析了电流信号的各个尺度的分解结果，并利用多分辨 的概念将低频段( 高尺度) 上的结果看作不含谐波的基波分量。基于这种算法，可 以利用软件构成谐波检测环节，且能快速跟踪谐波的变化。小波变换应用在谐波 测量方面尚处于初始阶段。将小波变换和神经网络结合起来对谐波进行分析，并 设计和开发基于小波变换的谐波监测仪将会是非常有意义的工作。 5 基于神经网络的测量方法 目前人工神经网络已成功用于谐波检测。神经元是组成神经网络的基本单元， 它有一定的映射能力及自适应和自学习等功能，故单个神经元可视为最简单的神 经网络。通过研究单个神经元的映射关系和学习算法，提出了基于单个神经元的 谐波检测方法。相应修正权值的公式为： 0 3 i ( t + 1 ) = ( i ) i ( t ) + r e ( t ) x i ( t ) + q ( c i ) i ( t ) 一c i ) i ( t 1 ) ) ( 3 2 ) 重庆大学硕士学位论文 3 电力系统谐波测量及抑制技术分析 式中i = 1 ，2 ，n + 1 e ( t + 1 ) ；e ( t 卜，7 e ( t ) + 仪( e ( t ) 一2e ( t - 1 ) ) ( 3 3 ) 式中，r l 为学习率，取值太大影响稳定，太小会使收敛速度变慢。最后一项为惯 性项，加上它可使n 取值大一些用模拟电路做成实验装置，实验结果表明该方法 是可行的。 3 1 2 测试仪器 对电力系统谐波的测量，现有的仪器可分为两大类，即频谱分析仪和谐波分 析仪。频谱分析仪具有一定的频率范围，可以提供该范围内所有频率信号的幅值。 谐波分析仪只是测量各次谐波的幅值。谐波分析仪给出的输出频谱是整个信息幅 值谱的一个特定子集“。 3 2 电力谐波抑制技术分析 消除或抑制电力系统谐波主要应从产生谐波的主要装置即电力电子装置出 发去研究解决的方法。解决电力电子装置和其它谐波源的污染问题有两条途径： 主动型，即对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波或少产生谐波，同时 设法提高功率因素；被动型，即通过外加滤波补偿装置来补偿谐波，比如在电力 系统中加l c 无源滤波器( p f ) 或在装置的电网侧加有源滤波装置( p f ) 等。 3 2 1 主动型谐波抑制技术 1 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1 2 脉或2 4 脉变流器以减小网 侧谐波电流。理论上讲，随着脉数的增加，网侧电流谐波成分减少，电流波形接近 于正弦波，即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，设备的造价相应提高，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。 2 利用脉宽调制( p w m ) 技术 采用p w m 技术的基本原理是在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅 不等宽的系列交流输出电压脉冲，来达到抑制谐波的目的。其基本思路是控制 p w m 输出波形的各个转换时刻，且保证每半波和1 4 波都是对称的，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 重庆大学硕士学位论文 3 电力系统谐波测量及抑制技术分析 非线性超越方程组计算各开关通断时刻，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目 的。p w m 技术使得谐波频谱向高频移动，降低了谐波含量，可使得变流器的输 入为正弦波，从而提高了功率因素。但是，在运用p w m 技术的电力电子设备中， 很高的开关频率不仅会使p w m 载波信号产生高次谐波，还会导致高电平的传导 和辐射干扰”“。 3 利用多重化技术 目前在主动型谐波抑制中，很重要的发展趋势就是将各种方案融合在一起， 使各种方案优势互补。例如，将变压器的移相作用与p w m 结合的移相s p w m ， 结合了p w m 技术和多重化的优点，而各个开关的开关频率比较低，比较适合大 功率的应用， 4 增加电网短路容量，提高设备的短路比，从而降低谐波对接在同网上的其他设 备的影响。 3 2 2 被动型谐波抑制技术 被动型谐波抑制技术按照其采用的电路结构可以分为：无源滤波器( p f ) 方 案、有源滤波器( a p f ) 方案以及混合滤波器方案三大类， 1 无源溏波器( p f ) l c 无源滤波器( p f ) 是目前电力系统谐波抑制普遍采用的补偿方法，通常 是采用电力电容器、电抗器和电阻器按功能要求组合而成，其基本的工作原理是 利用l c 谐振回路的特点抑制向电网注入的谐波电流，当谐振回路的谐振频率和 某一高次谐波电流频率相同对，则可将该次谐波电流滤赊，使其不会进入电网， 多个不同谐振频率的谐振回路可滤除多个高次谐波电流。 l c 无源滤波器( p f ) 是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。图3 3 是一 种常用的整流电路。该电路中，c 的作用是减小直流侧的纹波，为了维持较稳定 的直流电压，通常电容c 应选得较大；为了减小整流过程中的脉冲直流，在主回 路中串联个电感l ，l 的选择对入端的谐波和功率因数影响很大l 增加将引 起较大的电感电压降，使直流侧电压随负载的变化产生较大的波动。 图3 3 一种典型的并联无源滤波器 f i g 3 3 r e c t i f i c a t i o np a r a l l e lw a v ef i l t e r 囝3 4 在交流衡加并联滤波器进行滤波 f i g 34 f i l t e rw i t he x c h a n g es i d ea d dp a r a l l e lw a v e f i l t e r 图3 , 3 是一个用并联无源滤波器滤除谐波的典型电路。一个串联的l c 并联 1 4 重庆大学硕士学位论文3 电力系统谐波测量及抑制技术分析 在整流桥入端，其谐振频率u = l 三c 应该和电路的主要高次谐波频率相等。为 了防止电网电压中的谐波电压在滤波器中产生较大的谐波电流，在入端串联一个 电感l 。 图3 4 是一个l r c 网络串联在入端滤除谐波的电路。l r c 并联网络的谐振频 率和电网主要高次谐波频率檑等，阻止变流器的主要谐波电流流入电网。 图3 5串联一个并联谐振网 f i g 3 5 s e r i e sap a r a l l e ls y n t o n yn e t 无源滤波器( p f ) 的优点： 无源滤波器( p f ) 是目前采用最为广泛的谐波抑制手段，它成本低、技术成 熟、效率高、结构简单、运行可靠、维护方便，除滤波外还兼有无功补偿的功能， 因此无源滤波器目前已被广泛应用于谐波抑制。 无源滤波器的缺点 ( 1 ) 谐振频率依赖于系统参数，因此只能对主要谐波进行滤波，l c 参数的 漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定： ( 2 ) 由于调谐偏移和残余电阻的存在，调谐滤波器的阻抗等于零的理想条件 是不可能出现的，阻抗的变化大大妨碍了滤波效果。 ( 3 ) 电网的参数与l c 可能产生并联谐扳使该次谐波分量放大，使电网供电 质量下降； ( 4 ) 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调； ( 5 ) 谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载； ( 6 ) 消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。 2 有源滤波器( a p f ) 有源电力滤波器( a p f ) 作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、美国、 德国等工业发达国家已得到高度重视和日益广泛的应用。目前，世界上a p f 的主 要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。 目前，有源电力滤波器( a p f ) 的主要研究内容包括：如何提高装置的容量 和使用效率；如何使装置实现多功能和小型化：在应用方面还必须解决电网中原 有的a p f 、p f 及不同负载对补偿系统的影响。 有源电力滤波器( a p f ) 是一种用于动态抑制电力系统谐波、补偿无功功率 的新型电力电子装置，他能对大小和频率都变化的电力系统谐波以及变化的无功 重庆大学硕士学位论文 3 电力系统谐波测量及抑制技术分析 功率进行动态补偿。其基本思路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无穷大的串联网络，实际上它是一种谐 波电流补偿器，它能够输出与负载电流的谐波分量相对应的、具有任意大小和频 率的电流，这个电流可抵消其它装置在电网网侧产生的谐波电流。使有源滤波器 ( a p f ) 取得突破性进展的因数有2 个：一是大功率可关断器件的研制和应用， 如大功率门极可关断晶闸管( g t o ) 、绝缘门极晶体管( i g b t ) 等器件，使逆变 器产生大功率电流电压成为可能，二是h a k a g i 等人提出的瞬时无功功率理论， 为三相系统畸变电流的实时检测提供了理论依据“。与p f 相比，有源滤波器 ( a p f ) 具有滤波特性不受系统阻抗影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险； 具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可有效抑制闪变、补偿 无功功率；性价比较为合理；另外，a p f 具有自适应功能，可以自动跟踪补偿变 化着的谐波。但是有源滤波器( a p f ) 的运行成本较高，运行损耗大，容量受到 限制，这一点是限制有源滤波器a p f 推广的关键。 当前，有关有源电力滤波器( a p f ) 的研究主要集中在并联型，串联型和混 合型。 ( 1 ) 并联型有源电力滤波器( a p f ) ”“ 1 9 8 6 年，a k a g ih 提出用并联有源电力滤波器消除谐波的方法，示意图如图 3 6 所示。这种装置相当于一个谐波电流发生器，它跟踪负载电流中的谐波分量， 产生与之相反的谐波电流，从而抵消线路中的谐波电流。通过不同的控制作用， 可以对谐波、无功、不平衡分量等进行补偿，因此功能很多，联接也方便。它的 特点是能动态地实现谐波抑制和无功功率补偿；其补偿特性不受电网阻抗的影响。 图3 6 所示为最基本的有源电力滤波器( a p f ) 系统构成的原理图。下图中， e i 将计就计表示交流电源，非线性负载为谐波源，他产生谐波并消耗无功。有源 电力滤波器( a p f ) 系统由两大部分构成，即谐波和无功电流检测电路计算得出 补偿电流和电压，经谐波和无功电流检测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 谐波及无功等电流相抵消，最终得到期望的电源电流“。 图3 6并联型有源电力滤波器的系统构成 f i g 3 6 p l o to f p a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e r 1 6 非 挂 性 负 载 重庆大学硕士学位论文3 电力系统谐波测量及抑制技术分析 非 线 性 负 载 a 、与l c 并联使用的并联型a p f a 、p a r a l l e la p fp a r a l l e l e dw i t hl c b 、与l c 串联使用的并联型a p f b 、p a r a l l e la p fi ns e r i e sw i t hl c 非 线 性 负 载 图3 7 有源滤波器的两种形式 f i g3 ，7 t w ok i n d so f a p f 图3 7a 中的l c 无源滤波器( p f ) 若被用来与有源滤波器( a p f ) 分担补偿 相同次数的谐波，则可降低所需逆变器的容量，若用来补偿较高次的谐波，则起到 了补充有源滤波器补偿性能的作用。在这种方式下，有源滤波器也可以对无功功 率进行调