（机械设计及理论专业论文）基于dsp的有源电力滤波器的研制.pdf

论文题目：基于d s p 的有源电力滤波器的研制 专业：机械设计及理论 硕士生：吴志伟( 签名) 墨垒兰垒 指导教师：何万库( 签名) 丝 丕蕴 摘要 本文以高速信号处理器件d s p 为主控制器，以大功率开关器件i g b t 为执行元件， 综合利用p w m 波控制技术、光纤传输技术以及瞬时无功功率理论，研制出新一代的有 源电力滤波器。 该系统首先通过电压和电流传感器从电网中检测出所需要的电压和电流变化参数， 经过高精度a d 把这些量采集到主控制器d s p 中，经指令电流运算单元计算出需要补 偿的指令电流，发出p w m 控制信号，然后经过放大电路放大并利用抗干扰较强的光纤 传输到i g b t 驱动电路中，得到补偿电流，补偿电流再与负载电流中谐波电流抵消，完 成补偿谐波电流的功能。 文中阐述的并联型有源电力滤波器的硬件由信号采集隔离电路、指令电流运算及跟 踪控制系统、i g b t 变流桥组成的主电路三部分组成。为了降低系统设计成本，信号采 集隔离电路采用高速度、低非线性度光耦隔离器件h c n r 2 0 0 1 代替以往设计中经常使 用的隔离放大器i s 0 1 2 4 ，实现采集信号的传输过程；由于指令电流运算电路在工作时 存在着大量数据运算与整个系统对实时性的要求之间的矛盾，为确保补偿电流输出的准 确性，提高检测与控制精度，此部分采用具有高速的浮点数据处理能力d s p 州s 3 2 0 v c 3 3 为主控制器；为了提高主电路i g b t 驱动部分的可靠性，简化硬件电路的 p c b 布局，使用高集成度的驱动芯片2 s d 3 1 5 a 来确保驱动能力，并且驱动芯片与主控 电路的连接中采用光纤传输来抑制高频电流产生的电磁干扰。 软件的设计以瞬时无功功率理论为依据，通过i p i 。运算方式实时检测出谐波电流， 其算法包括数字滤波、定时滞环控制等模块的应用；为了保证系统运行的安全性和可靠 性，软件方法实现对直流侧电容电压的p i 控制和保护、电网电压过高以及电流过载保 护、外部中断保护等一系列功能。 针对三相三线制供电系统的此种有源电力滤波器样机在实验室已经调试成功，该补 偿装置能有效的改善电网波形，降低负载电流总谐波畸变率t h d ，对整流器、变频装 置，电弧炉等非线性、冲击性负载引起的电网电压、电流畸变具有很强的抑制作用。 关键词：d s p ；有源电力滤波器；谐波补偿；电能质量；i g b t 研究类型：应用研究 s u b j e c t ：r e s e a r c ho f a c t i v ep o w e rf i l t e rb a s e d0 1 1d s p s p e c i a l t y ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e：w uz h i - w e i i n s t r u c t o r ：h ew a n k u ( s i g n a t u r e ) k 边趁i1 2 丝 ( s i g n a t u r e a b s t r a c t a l l i g h s p e e ds i g n a lp r o c e s s o rd s pu s e da sm a i nc o n t r o l l e r , h i g hp o w e rs w i t c h i n gd e v i c e i g b tu s e da sa c t i o ne l e m e n t ，u t i l i z i n gs y n t h e t i c a l l yp w mw a v ec o n t r o lt e c h n o l o g y ，o p t i c a l f i b e rt r a n s m i s s i o nt e c h n i q u ea n di n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , an e wg e n e r a t i o no f a c t i v ep o w e rf i l t e rw a sr e s e a r c h e di nt h i sa r t i c l e 1 1 1 es y s t e md e t e c t sf i r s t l ys o m ec u r r e n t & v o l t a g ep a r a m e t e r so fe l e c t r i cn e tb yc u r r e n t & v o l t a g es e n s o r , c o l l e c t st h e s ep a r a m e t e r st om a i nc o n t r o l l e rb yh i g hp r e c i s i o na d ，c a l c u l a t e s i n s t r u c t i o nc u r r e n to fc o m p e n s a t i o nb yi n s t r u c t i o nc u r r e n ta r i t h m e t i cu n i t , s e n d so u tp w m c o n t r o ls i g n a l ，t h e na m p l i f i e r ss i g n a la n d p a s s e si tt oi g b td r i v i n gc i r c u i tu s i i 培o p t i c a lf i b e r o fs t r o n g a n t i i n t e r f e r e n c e ，o b t a i n sc o m p e n s a t i o nc u r r e n t c o m p e n s a t i o nc u r r e n ta n d h a r m o n i cc u r r e n to f f s e t , a l s oa c c o m p l i s hf u n c t i o no fc o m p e n s a t i n gh a r m o n i cc u r r e n t 1 1 舱h a r d w a r eo fp a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e rd e s c r i b e di nt h i sp a p e ri sm a d eu po fs i g n a l c o l l e c t i o ni s o l a t i o nc i r c u i t 、i n s t r u c t i o nc u r r e n tc a l c u l a t i o na n dt r a c k i n gc o n t r o ls y s t e m 、i g b t v a r i a b l ec u r r e n tb r i d g em a i ne l e c t r oc i r c u i t i no r d e rt ol o w e rs y s t e mc o s t ，s i g n a lc o l l e c t i o n i s o l a t i o nc i r c u i tu s e sh i g h - s p e e d 、l o wn o nl i n e a r i t yo p t o c o u p l e rh c n r 2 0 0 1i n s t e a do f i s o l a t i o na m p l i f i e ri s o12 4 ；b e c a u s eo ft h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nm u c hd a t ao p e r a t i o na n d w h o l es y s t e mr e a l - t i m er e q u i r e m e n t , i n s t r u c t i o nc u r r e n tc a l c u l a t i o na n dt r a c k i n gc o n t r o l s y s t e mu s ed s pt m s 3 2 0 v c 3 3w h i c hh a sh i g h - s p e e df l o a t i n gp o 缸p r o c e s s i n ga b i l i t y ；t o i m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f m a i nc i r c u i td r i v i n gp a r ta n ds i m p l i f yh a r d w a r ec i r c u i tl a y o u t ，i tu s e l l i g hi n t e g r a t i o nd r i v i n gc h i p 2 s d 315 aa n d o p t i c a l f i b e rt r a n s m i s s i o nt oi n h i b i t h i g h - 丘e q u e n c yc u r r e n te l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e m d e s i g no fs o f t w a r ed e t e c t sr e a l t i m eh a r m o n i cc u r r e n tb yi p - i qa r i t h m e t i cm o d eb a s e d o ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y , i n c l u d i n gd i g i t a lf i l t e r 、h y s t e r e s i sc o n t r o la r i t h m e t i c a n ds oo n ；i no r d e rt oe n s u r er e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t yo fs y s t e m ，s o f t w a r em e t h o dr e a l i z e ss o m e f u n c t i o n s ，f o re x a m p l ed cl i n kc a p a c i t a n c ev o l t a g ec o n t r o la n dp r o t e c t i o n 、p o w e rn e t w o r k v o l t a g eo v e r t e n s i o na n dc u r r e n to v e r l o a dp r o t e c t i o n 、e x t e r n a l i n t e r r u p t i n gp r o t e c t i o na n ds o a c t i v ep o w e rf i l t e rm o d e lm a c h i n eb a s e do nt h r e ep h a s et h r e ew i r ep o w e rs y s t e mh a s b e e nt e s t e d s u c c e s s f u l l y i nt h el a b o r a t o r y , i tc a l l i m p r o v ee f f e c t i v e l y w a v e f o r mo f e l e c t r i c - n e t w o r ka n dd e c r e a s et o t a lh a r m o n i cw a v ed i s t o r t i o nr a t et h d ，s oi th a ss t r o n g i n h i b i t i o ne f f e c tt op o w e rn e t w o r kv o l t a g ea n dc u r r e n td i s t o r t i o nc a u s e db yr e c t i f i e r s 、 f r e q u e n c yc o n v e r s i o ne q u i p m e n t 、e l e c t r i c a la r cf u r n a c ea n d s oo n k e yw o r d s ：d s pa c t i v ep o w e rf i l t e r h a r m o n i cc o m p e n s a t i o ni g b t p o w e rq u a l i t y t h e s i s：r e s e a r c hf o ra p p l i c a t i o n 要料技大学 学位论文独创性说明 本人郑重声明：所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 其取得研究成果。尽我所知，除了文中加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人或集体已经公开发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西安科技大学 或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所 做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：缓互瑶参日期：7 卯锣， 学位论文知识产权声明书 本人完全了解学校有关保护知识产权的规定，即：研究生在校攻读学位期间 论文工作的知识产权单位属于西安科技大学。学校有权保留并向国家有关部门或 机构送交论文的复印件和电子版。本人允许论文被查阅和借阅。学校可以将本学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存和汇编本学位论文。同时本人保证，毕业后结合学位论文研究课 题再撰写的文章一律注明作者单位为西安科技大学。 保密论文待解密后适用本声明。 学位论文作者签名：券互钐p 指导教师签名： 石广歹吞 犷扩年；月，日 1 绪论 1 1 概述 1 绪论 随着国民经济的发展和人们生活水平的提高，用户对电能质量的要求也越来越高， 电力电子产品被广泛地应用于各种领域，然而随着电力电子技术的发展，电力网络负荷 的急剧加大，冲击性，非线性负荷容量的不断增长，电网中出现了电压电流波形畸变、 电压波动与闪变，以及三相不平衡等电能质量问题【l j 。其中最为突出的是电能质量中的 谐波问题。 理想状态的公用电网是以恒定的频率，标准的电压和正弦波形对用户供电，但因为 非线性电力负荷的大量应用，产生了大量的谐波电流、谐波电压和无功，引发了各种问 题，如损耗增加、效率降低、噪声和过压过热等，严重恶化了电力生产环境【2 】，极大程 度地降低了现代工业、商业和居民用户的供电质量，许多自动化程度较高的用户对供电 质量越来越敏感，任何供电质量问题都可能导致产品质量的下降，生产设备的损坏，给 用户造成巨额损失。尤其是信息产业、高新技术产业的飞速发展，对供电可靠性和电能 质量敏感的负荷所占比重越来越大，现代数字信息对供电可靠性和个性化电能质量要求 更高。另一方面，整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及多种电力电子设备 在配电网中的应用不断增加，以美国为例，以整流桥输入为电源供电的设备和其它非线 性负载在总用电负荷中比例己经从1 9 8 5 年的2 5 增加到2 0 0 0 年的6 5 。电能己经成为 现代人类生活中不可缺少的重要元素之一，无论在工业生产还是日常生活中，用户对电 力的可靠性及质量要求都在不断提高。 1 2 谐波补偿技术的研究概况及发展趋势 随着信息产业、高新技术产业的飞速发展以及传统行业采用计算机管理及先进控制 技术的应用，对供电可靠性和电能质量敏感的负荷所占的比重越来越大，同时现代数字 信息对供电可靠性及个性化电能质量需求有更高的要求。这意味着信息社会不仅依赖于 电力供应，而且更需要新的特殊的电力供应，因此保证高质量的电力系统环境对整个国 民经济的发展具有重要意义嗍。 1 2 1 国内、外谐波抑制技术研究概况 传统的抑制方法是使用l c 滤波器，但其损耗大，参数易变，不能动态补偿等缺点 已不能满足电能质量的要求。能动态抑制谐波，补偿无功的新型电力电子装置有源电力 滤波器( a p f ) 成为近些年来研究的热点【5 1 。a p f 是在1 9 7 1 年由s a s a k i h 最早提出： 西安科技大学硕士学位论文 19 8 2 年世界上第一台并联型有源滤波器投入工业应用；19 8 7 年t a k e d a 等提出串联a p f 加并联无源滤波器的混合有源电力滤波器( h a p f ) ；1 9 8 8 年，e z p e n g 等提出串联a p f 加并联无源滤波器的h a p f ；1 9 9 0 年，h f u j i t 等提出a p f 与无源滤波器相串联的h a p f ： 1 9 9 4 年，h a k a g i 等提出串联a p f 和并联a p f 的h a p f 等等。最近又有人提出统一电 能质量调节器( u p q c ) 【3 ”j ，结合并联有源电力滤波器和串联有源电力滤波器的优点，综 合改善电能质量。现阶段有源电力滤波器的研究方向是如何减少开关损耗，增大系统容 量，其中基于s p w m 的多电平级联交流器是研究的热点 9 1 。9 0 年代后期，并联a p f 在 日本、美国等国开始广泛应用。 针对我国电网结构薄弱和输电技术普遍存在着技术手段落后，自动化水平低，电能 质量和谐波问题比较突出的现状，我国先后于1 9 8 4 年和1 9 9 3 年分别制定了限制谐波的 规定和国家标准。西安交大、浙大、清华、哈工大等高校正在积极研究，取得了阶段性 成果，其中在拓扑结构和控制方法方面取得了一定的成果，但离产业化目标甚远，有很 多关键技术如a p f 大容量化，模块化，标准化有待解决【1 4 】【1 5 】，还未见到有应用性成果 报道。 1 2 2 两种谐波补偿装置的综合分析 目前用于解决谐波问题的途径有两种：一是对电力电子装置本身进行改造，使其不 产生谐波，且功率因数可控制为1 ，即在设计时就考虑减小谐波的方法，增加谐波抑制 环节，以减少电网的谐波注入量，在谐波源本身采取一些措施可以大大减小电网谐波， 但考虑到现代电力系统的复杂性以及电力半导体装置开关工作方式，不可能完全依靠这 种方法来消除谐波；另一个是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用 的，研究对系统中的谐波进行有效滤波和补偿的方法和措施，即可行的电力滤波器方案。 装设谐波补偿装置来抑制谐波有两种措施：一、通过分析电网谐波针对某次谐波加 无源滤波器补偿；二、在电网上加装有源电力滤波器补偿。无源滤波器具有结构简单、一 次性投入低、运行费用低，它在很宽的频率范围内呈现为低阻抗，可以抑制多个频率的 谐波。无源滤波器在吸收高次谐波的同时补偿无功功率，还具有改善负载功率因数的功 能。但由于结构原理上的原因，在应用中存在以下难以克服的缺点【3 】【2 1 2 2 1 1 2 3 1 。 ( 1 ) 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，并且还存在滤波器过负荷的可能性。 ( 2 ) 只能抑制设计要求规定的谐波成分。有时由于高次谐波的成分较多，必须同时 加入多个滤波器。这会使整个滤波器的成本和体积增加。 ( 3 ) 随着电源侧谐波发生源的增加，谐波电流超量时，可能会引起滤波器的过负荷。 ( 4 ) 根据高次谐波次数的多少，需设置多个l c 滤波电路，并且当滤波器投入运行 之后，如果高次谐波的次数和大小发生了变化，便会影响滤波效果。 2 1 绪论 ( 5 ) 其谐波特性受电网结构、工作状态和电源频率漂移影响很大，难以获得预期的 滤波效果。 ( 6 ) 同一系统内，在装有很多滤波器的情况下，欲取得高次谐波流入的平衡是很困 难的。 ( 7 ) l c 滤波器电路会因系统阻抗参数变化而发生与系统并联谐振问题，从而使装置 无法运行。 ( 8 ) 对于特殊的谐波、或当系统阻抗和频率变化时，有可能因与电源阻抗并联谐振 而产生“谐波放大现象”，使电路无法正常工作。 ( 9 ) 消耗大量的有色金属，体积大，占地面积大。 由于无源滤波装置存在许多缺点和不足，为了解决这些问题，人们做了许多研究和 探讨，其中最有代表意义的是有源滤波器。有源电力滤波器是一种动态抑制谐波和补偿 无功的新型电力电子装置，它能对频率和大小都变化的谐波和无功进行补偿，可以弥补 无源滤波器的不足，获得比无源滤波器更好的补偿特性，是一种理想的补偿谐波装置 它是目前电力电子技术领域研究热点课题之一。有源电力滤波器a p f ( a c t i v ep o w e r f i l t e r ，缩写为a p e ) 因具有动态补偿谐波、受电网阻抗影响小、可动态跟踪负载电流变 化等优点，逐渐成为谐波抑制技术研究的主要方向【6 l 。随着电力电子技术的不断发展， 人们将滤波研究方向逐步转向了有源电力滤波器。早在上世纪7 0 年代初期，日本学者 就提出了有源滤波器的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流 幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。 1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g i 提出利用大功率晶体管组成的p w m 逆变器构成的 a p f 消除电网谐波。由于受当时功率半导体器件水平的限制，a p f 的研制一直处于试验 研究阶段。进入上世纪8 0 年代以后，随着电力电子技术的飞速发展，大功率可关断器 件( g t r , g t o ，i g b t 等) 的不断进步，以及对非正弦条件下无功功率补偿理论的深入研究， 特别是瞬时无功理论的提出，为a p f 的实用化提供了必要的条件，使之在工业上得到 了广泛的应用。 与无源滤波器相比，有源滤波器( 以下简称：a p e ) 具有高度可控和快速响应的特性， 其特点如下： ( 1 ) 不仅能够补偿各次谐波，还可以抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点，在 性价比上较为合理； ( 2 ) 滤波器特性不受系统阻抗特性的影响，可消除与系统阻抗发生并联谐振的危险； ( 3 ) 具有自适应能力，可自动跟踪补偿变化着的谐波。 尽管a p f 有着无源滤波器所不具备的巨大技术优势，但目前要想在电力系统中完 全取代无源滤波器还不太现实。这是因为与无源滤波器相比，a p f 的成本较高，这一点 是限制a p f 推广使用的关键。随着电力电子工业的发展，器件的性能价格比将不断提 3 西安科技大学硕士学位论文 高，a p f 必然会得到广泛的应用。微处理器的飞速发展以及新型的控制方法的提出，为 有源滤波技术的发展提供了新的途径。a p f 采用适当谐波检测方法，既可以补偿谐波又 可以补偿无功，具备快速响应的动态补偿效果，而且设备的体积可以做得更小，设备的 安装和维护非常方便。综上可知，研究a p f 具有非常重要的意义。 1 3 本课题研究的主要内容 论文课题是根据中国电能质量现状，谐波检测和抑制技术以及电力电子技术发展的 实际情况，追踪当前课题学术前沿，研制出一套谐波电流补偿装置。 本课题以t m s 3 2 0 v c 3 3 控制器为中心，以瞬时无功功率理论为谐波电流检测方法 完成了有源电力滤波器的软、硬件设计【1 1 】【1 2 】。搭建的硬件电路包括：信号采集隔离电路、 基于d s p 的指令电流运算及跟踪控制系统、光纤传输电路，p w m 驱动电路、i g b t 变 流器主电路以及一些保护电路的设计等几部分。系统软件部分采用d s p 开发环境的c 语言编写，其内容包括：u a r t 通讯、定时器中断控制、a d 转换、谐波的分析和计算、 数字滤波、直流侧电容电压的调节控制、p w m 驱动信号的输出控制、外部中断保护控 制等。 论文主要完成了以下一些工作： 首先对国内外谐波和无功电流综合补偿技术发展现状综述，明确指出此项研究开展 的必要性以及深远战略意义。 ( 1 ) 介绍了电力系统谐波的存在的必然性、实际的理论分析及定义、谐波检测方法 及有源电力滤波器的控制技术，重点研究了基于瞬时无功功率理论基础的谐波和无功电 流检测i p i q 运算方法。 ( 2 ) 对有源电力滤波器( a p f ) 的结构及工作原理作了详细阐述，并且对a p f 的拓 扑结构进行划分，然后针对各种系统构成类型的优缺点都进行了分析，最终把并联型有 源电力滤波器作为本设计的实际应用对象。 ( 3 ) 详细讨论了基于d s pt m s 3 2 0 v c 3 3 的三相三线制并联型有源电力滤波器的软、 硬件设计。 ( 4 ) 根据补偿效果分析实验装置的优缺点，得出设计中需要改进之处，为新一代有 源电力滤波器的推广奠定基础。 1 4 本章小结 本章首先介绍了当今电力系统环境存在的问题，提高电能质量对国民经济的发展具 有重要意义。针对国、内外谐波抑制技术的发展做了详细阐述，综合比较两种补偿装置 的优缺点，最终确定有源电力滤波器为本课题的研究内容。 4 2 电力系统谐波分析及控制策略 2 电力系统谐波分析及控制策略 电力系统中的谐波是指对周期性交流量进行傅立叶级数分析，得到频率为基波频率 大于l 整数倍的分量。早在1 9 1 6 年，s t e i n m e t z 在其著作中就阐述了三相系统谐波问题， 不过他所关注的主要是变压器饱和铁芯所产生的三次谐波电流，并首次提出了采用三角 形接线方式来抑制三次谐波电流的方法。进入2 0 世纪3 0 年代，电力系统中谐波问题开 始引起人们关注。当时在德国，人们已注意到由于使用静止贡弧变流器而造成的电压、 电流波形发生畸变【l 引。1 9 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期关于谐波 研究的经典论文。 2 1 电力系统谐波的产生机理 2 0 世纪7 0 年代以来，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、交通及家庭中应用日益广泛，谐波所造成的危害也日益严重。电力系统中的 谐波源主要包括两大类：含半导体非线性元件的谐波源和含电弧及铁磁性设备的谐波 源。含有半导体非线性元件的谐波源是电力系统的主要谐波源，这类设备主要有：三相 整流器、单相全控整流桥、单相变流器、变频器、交流调压器以及家用低压电器等，在 电力系统中广泛存在。随着整流技术的发展和不断完善，整流装置、晶闸管等电力电子 器件在各行业中应用会日益广泛。大到直流输电用的整流和逆变装置，小到电视机电源、 电池充电器等，遍布电力系统的各个电压等级。它们按照一定规律的开关电路，将谐波 注入系统。这些装置的容量、接线和工作状况差别很大，取用的电流也不尽相同。 供电系统中，除了上述半导体非线性元件的设备外，还有电弧炉或铁磁性非线性元 件设备另一谐波源，虽然这些设备引起的谐波问题没有半导体元件严重，但在特殊情况 下，也可能产生较为严重的谐波，也是不容忽视的谐波源之一，同时也是本设计以后所 要针对的补偿对象。如何进行谐波治理，减少并消除谐波，是电力部门的一项重要工作。 电网谐波来自于3 个方面： ( 1 ) 发电源质量不高产生谐波： 发电机由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和 其他一些原因，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。 ( 2 ) 输配电系统产生谐波： 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非 线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样 就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的 饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大， 5 西安科技大学硕士学位论文 i 其中3 次谐波电流可达额定电流0 5 。 ( 3 ) 用电设备产生的谐波： 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。我们知道，晶闸管整流 装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺 角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波，显然在留下部分中含有大 量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中 3 次谐波的含量可达基波的3 0 ；接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电 容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6 脉整流器，变压器原边及供电线路含 有5 次及以上奇次谐波电流；如果是1 2 脉冲整流器，也还有1 1 次及以上奇次谐波电流。 经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近4 0 ，这是最大的谐波源。 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 成份很复杂，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。 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 次的谐波，平均可达基波的8 , - - - , 2 0 ，最大可达4 5 。 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，它们会给电网造成奇次谐波电流。 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、空调器等有绕组的设备中，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。 2 2 谐波及其危害 2 2 1 谐波的起源 文献【2 l 】指出：谐波一词最早来源于声学，在电力系统中，谐波的定义是对周期性非 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分量，还得到一系列大 于电网基波频率的分量，这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值( n - - - f f , ) 称 为谐波次数。 6 2 电力系统谐波分析及控制策略 f ( c o t ) = 口o + ( 编c o sn c o t + b 。s i nn e a t )( 2 1 ) n = l - - t o 其中： 倪。+ 号l - ( c o t ) d ( c o t )编= l 厂( 国f ) c o sn c o t d ( c o t ) j t ， b = 专if ( c o t ) s i nn c o t d ( c o t ) 谐波本身和电网相互依存，基波电压和电流作用在非线性负载时，负载使其两端的 电压和经过的电流产生畸形，波形偏离正弦波，因此产生了谐波电压和谐波电流，这些 谐波电压和谐波电流即使作用在线性负载时，也会产生对应的谐波电流和谐波电压。这 样谐波便在电网中传播开来。 2 2 2 谐波造成的危害 谐波电压和谐波电流作为一种干扰，在电网中引起的危害主要有以下几个方面【1 3 】： ( 1 ) 谐振 电网中固有的电感和电容会形成谐振，当它们的谐振点与电网上某次谐波的频率相 近时谐波会被它们谐振放大，通常会导致电容的过电压、过电流损坏。 ( 2 ) 降低电网工作容量并引起电力电缆和母线过热、过负荷 谐波在传播时会占据基波的传送能量，当电网存在谐波时，基波的能量传送能力会 被降低，反应在参数上就是电网的功率因数降低。此外由于电力电缆和母线是参照基波 频率设计，当流过谐波电流时，由于频率升高引起的集肤效应等影响，电力电缆和母线 存在额外的发热。对比传输同等容量的基波电流，容易引起电缆和母线的局部过热。三 相四线制中三倍次谐波会在中线上叠加产生大于3 倍的相线谐波电流和谐波电压，这些 都会引起中线发热过高，增加了线路损耗，导致断路器频繁跳闸，甚至烧断导线引起火 灾。日前d y n 型变压器已大量在工程中采用，由于该型变压器在原、副边绕组中总有一 组为三角形接法，为3 n 次谐波提供了通路，故理论上3 n 次谐波电流不流人电网，抑 制了3 n 次谐波电流。但由于现代工业企业中大量使用的办公自动化设备和各种气体放 电灯，使得三次谐波在系统中仍占有较大的比重，因此谐波引起中线过负荷的情况仍时 有发生。特别是当各相激磁电流不平衡时，可使3 n 次谐波的残余分量( 最多可达2 0 ) 进 入电网，仍然存在中线过负荷的情况。 ( 3 ) 引起变压器温升 谐波导致电力变压器发热源于两方面原因：一是谐波电流能增加变压器的铜损和漏 磁损耗；二是谐波电压能增加铁损。对于有三角形接法的变压器，三倍次谐波环流引起的 这两种发热就更加明显。变压器的发热程度直接影响变压器使用容量。 ( 4 ) 引起电机过热和附加力矩 谐波电压在电动机短路阻抗上产生的谐波电流和电动机负序基波电流一起使设备 7 西安科技大学硕士学位论文 产生附加热损耗，并且在电动机起动时容易发展成干扰力矩，造成电动机起动困难，运 行效率降低，尤其负序谐波含量过高在电动机内产生反转磁场，对电动机产生制动力矩， 容易导致电动机损坏。对于发电机，谐波同样会产生过热效应。 ( 5 ) 干扰通信和继电保护设备的正常工作 许多电能仪表和继保设备是针对正弦波及其过零点校验设计的，谐波容易引起继电 保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确。而且由于通信系统的功率较 小，谐波会对通信系统产生干扰，轻者产生噪声，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。表2 1 给出了部分继电设备可能受到的谐波干扰影响。 表2 1 谐波对二次设备的干扰1 9 i 设备种类 干扰造成的危害 峰值感应断路器 热磁式断路器 配电盘 通信系统 仪用互感器 对电流波形峰值产生反应，而对谐波大小不敏感。当叠加上谐波的电流波形 峰值超过限值时，在负荷正常运行的情况下，断路器将误动作。而如果谐波 电流很大，总电流的峰值低于限值又可能拒动。 工作原理：是通过电流的热效应脱扣。当谐波电流大到使过载保护动作时， 断路器跳闸。 配电盘一般按照5 0 h z 的电流设计，高频的谐波电流引起的电磁场会使配电 盘产生机械震动，发出吱吱声。 通信电缆一般和地线相邻铺设，电力系统传输高电压大电流，而通信线上传 输的是低压小信号，中线上3 倍次谐波感应到通信电缆产生噪声电波，可在 电话线上听到。 作为强弱信号转换的环节需要有很好的频率稳定性，对任何频率都保持一定 的变比和相移。随着谐波频率的升高，互感器受漏感和涡流的影响越来越大， 影响测量精度。等效匝间电容、绕组间电容、杂散电容变大，也影响了互感 器频率特性。 一些常见的谐波波形如图2 1 所示： ，_ 、 、 ， 、 、 t 叫j ( a ) 八八、 | | f 8 厂厂。、 | ， | 。 | | 、 7 -、 、 | 、 、 - f j ( d ) “ 2 电力系统谐波分析及控制策略 r l 加 1 、 | k一u 。 图2 1 一些常见的谐波波形 2 3 谐波和无功检测算法的研究及补偿技术 2 3 1 谐波和无功电流的检测方法 ( f ) 有源电力滤波器是实时检测并补偿谐波的装置，在保证从传感器上得到准确的负载 电流( 电压) 的情况下，如何分析其中的谐波电流( 电压) ，再通过某些逻辑关系得到有源 电力滤波器的输出电流( 输出电压) 至关重要，其中如果稍有一些地方不匹配，电网上就 会显示出畸变的波形。 其中控制技术包括指令电流的分析计算和补偿电流的发出。 ( 1 ) 快速傅立叶算法 f f t 算法能够实现整数次谐波的精确分析和检测，但是对于非整数次谐波的检测， f f t 算法存在着频谱泄漏和栅栏现象，从而使检测出谐波的幅值、相角和频率均存在较 大的误差，不能够满足检测精度的要求；利用插值算法可以解决栅栏问题，但是不能消除 因频谱泄漏现象而导致的测量误差；利用加窗算法可以减少频谱泄漏误差，但是需要构造 窗函数，使频谱分析变得复杂。而且此方法由于需要一定的采样计算时间，造成谐波检 测速度慢，瞬时性误差较大，特别是对高次谐波的检测精度影响较大【3 0 】。 ( 2 ) f b d 法 f b d 法最早由德国学者s f r y z e 于19 3 2 年提出，经过f b u c h h o l z 和m d p e n b r o c k 等人的进一步研究，逐渐形成体系，所以被称为f b d 法【1 8 】【1 9 1 。f b d 法的优点在于算法 简单，实时性好，而且不局限于三相电路。 ( 3 ) 基于瞬时无功功率理论的分析方法【1 6 1 2 1 】 瞬时无功功率理论解决了谐波和无功功率的瞬时检测及不用储能元件实现谐波和 无功补偿等问题，对治理谐波和研发无功补偿装置等起到了很大的推动作用。 1 9 8 4 年，日本学者h a k a g j 等基于时域提出了非正弦条件下的瞬时无功功率理论， 并迅速应用于电力系统谐波检测。目前，基于瞬时无功功率理论的谐波检测研究已非常 深入，取得了工程应用成果，是总谐波实时检测的主要方法。基于瞬时无功功率理论有 3 种谐波检测方法：p q 法、i p - i q 法和d - q 法。这3 种方法都能准确、实时测量三相三 9 西安科技大学硕士学位论文 线制对称电路的总谐波分量。i p i q 法和d q 法适用范围更广，不仅在电网电压畸变时适 用，在电网电压不对称时也同样有效，使用p q 法测量电网电压畸变时的谐波会存在较 大误差。瞬时无功功率理论方法的优点是当电网电压对称且无畸变时，检测基波正序无 功分量、不对称分量及高次谐波分量的实现电路比较简单，并且延时小，具有很好的实 时性，但是此理论是基于三相三线制电路提出的，对于单相电路，必须首先将三相电路 分解，然后再构造基于瞬时无功功率理论的单相电路的谐波检测电路。 近年来，国内外科学家对瞬时无功功率理论进行了发展；提出了广义瞬时无功功率 理论，在此基础上出现了基于广义瞬时无功功率理论的谐波检测方法，并且受到重视， 开始进入工程应用。广义瞬时无功功率理论与瞬时无功功率理论一样，主要在解决谐波 总量实时测量方面很有优势，而不能解决各次谐波检测问题。因此，受电机d - q 旋转坐 标变换的启发，有学者还提出了基于广义d q 旋转坐标变换的谐波检测方法。该方法可 以实现各次谐波的检测，不过该方法由于电路耗费相当大，目前尚保持在理论探讨上， 工程应用研究并不深入。 ( 4 ) 基于自适应噪声相消的检测方法 自适应噪声抵消技术是信号处理中的一种信号检测技术，它能把一个信号从加性噪 声的干扰中分离出来。此方法其工作特性和器件参数几乎无关，对器件的依赖不大。因 此，只要保证输入信号不超过其线性动态范围，系统就可正常工作。该系统基本上克服 了传统检测方法的缺陷，是一种性能优越的自适应快速检测系统。 ( 5 ) 小波变换 小波变换( w a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n ，w t ) 是针对f t 在分析非稳态信号方面的局限性形 成和发展起来的一种十分有效的时频分析工具。、t 的发展最早可以追溯到1 9 1 0 年h a a r 提出的小波规范正交基，但是w t 直到1 9 8 9 年才作为新兴学科正式诞生。w t 采用不 同尺度的分析方法，能在信号的不同部位得到最佳的时域分辨率和频域分辨率，为非稳 态信号的分析提供了一条新的途径。w t 与f t 、s t e t 相比，它是一个时间和频率的局 域变换，因而能有效的从信号中提取信息，通过伸缩和平移等运算功能对信号进行多尺 度细化分析( m u l t i s c a l e a n a l y s i s ) ，它克服了f t 在频域完全局部化而在时域完全无局部 性的缺点，对波动谐波、快速变化谐波的检测有很大优越性，目前是波动谐波、快速变 化谐波的主要检测方法。但是w t 并不能完全取代傅里叶变换，这是因为：一方面、t 在稳态谐波检测方面并不具备理论优势，另一方面w t 的理论和应用研究时间相对较短， w t 应用在谐波测量方面尚处于初始阶段，还存在着许多不完善的地方，例如缺乏系统 规范的最佳小波基的选取方法，缺乏构造频域行为良好，即分频严格、能量集中的小波 函数以改善检测精度的规范方法。因此w t 与f t 存在互补的优势。国内对w t 的研究 起步较晚，直到1 9 9 0 年才有论文公开发表，1 9 9 4 年形成国内的小波高潮。目前，国内 的小波文献以图象处理等应用性研究居多，用于电力系统谐波检测的研究时间相对较 l o 2 电力系统谐波分析及控制策略 晚，近几年才有较大进展。当前、t 在谐波检测中的应用研究成果主要有：1 基于w t 的多分辨分析，将含有谐波的原信号分解成不同频率的块信号，将低频段上的结果看成 基波分量，高频段为各次谐波，利用软件构成谐波检测环节，快速跟踪谐波的变化。2 利用w t 和最小二乘法相结合来代替基于k a l m a n 滤波的时变谐波跟踪方法，它将各次 谐波的时变幅值投影到正交小波基张成的子空间，然后利用最小二乘法估计其小波系 数，将时变谐波的幅值估计问题转换成了常系数估计问题，从而具有较快的跟踪速度。 3 提出暂态时变非周期谐波畸变指标的定义，并用w t 实现这些指标的量化，从而有效 检测各种谐波分量。4 利用w t 的小波包具有将频率空间进一步细分的特性以及电力系 统中产生的高次谐波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 性进行谐波分析。5 通过对含有谐波信号进行正交小波分解，分析原信号的各个尺度的 分解