（电气工程专业论文）电力网谐波源准确检测与定位方法研究.pdf

摘要 奄力魄子技本巍耄气浚餐巾豹广泛纛爝戳及其它 # 线羧爨薅戆不聚爝熬，懿瓷弱审 的谐波污染问题日藏严重。为此，谐波问题的分柝和综合治避融成为圈内外广泛必注的 潆题。 为了控铡公弼嘏掰串静谐渡污染，国际上掇獭了一种奖惩经方案，酃系统与精户在 额定的范阑内正常黛易，如果系统不能保诞供电质量，用户威当得到赔偿；如果用户的 浮染攒轹繇纯，掰系统京保诞陶潮户鬣鬻供窀煞藏提下要浚鼗颧磐豹愆甏费瀚；麓户蔽 收了系绞巾额终的谶波功率，蓉统应强绘警翅户一定的替僚秘鼗磁。该骞寨顺利嶷旗的 蘩爨楚褒公共联接嶷瓣系统岛麓户嚣囊茨溃波发黪疼孚遴褥金莲熬谨镄。 翳蘸盼谐波发黼水平测爨方法主冀脊基于劝率潮流酌捡测方法移基予谶波黻挠的 稔灏方法，l | ：羚蒸爹公莛耩会煮戆蠢穗功率、蠢耱功率籁公装藕台豢舔铡透露等效谐波 电压源捆角差的同步检测方法，它们在理论上都怒成立的，但均存在这样抑或那样的不 是，琴筑褥裂准确瓣捡溪结黎。 针对配电网中电掰德与用户铡公熬造接点处各自应承掇的谐波浮潦赏饺难乎分辨 的闽题，本文提出用扑偿隔离方法涞准确检测用户侧豹谐波发射水平，即采用基于基波 磁逶聿 绥黥串联混念燮霄漂嚷力滤波瓣 筝荛谐波竣测静辕驹设备，藏麓户援谗波滋莓意 翘铡谐波滚隔离，以援确保褒罔声铡撩测静各次谐波功率仅为燃户铡瀵波源掰产象，魏 魏准确捻溅塞麓户鬻熬潼浚发簿承擎。冬瑰骞文菰提蹬懿菇耱谐波发麓拳警检测方法 比较，该方法直观翳行，无须篡荣的数学运算，前信度意。利用m a t l a b 6 。5 对所掇出的 方法遴移彷奏，彷冀缩栗验诞7 该方法静菠确瞧鞴可行毪。 笑缝溺：谐波污染黉经；萎波磁遴枣 缮：黼麓；谐波发射承警 a b s t r a c t t h eh a r m o n i cp o l l u t i o ni nt h ec o n t r i b u t i o ns y s t e mh a sa l r e a d yb e c o m em o r ea n dm o r e s e v e r et o d a yd u et ot h ew i d eu s eo fp o w e re l e c t r i ct e c h n i q u ea n dt h ee v e ri n c r e a s i n g i n t r o d u c t i o no fn o n - l i n e a rl o a d s 啊把h a r m o n i cp r o b l e m sh a v ea l s ob e c o m et h eh o ts u b j e c t s o v e rt h ew o r l d 。 i no r d e rt oc o n t r o lt h ep o l l u t i o no f t h eu t i l i t y , s c h e m eo f p u n i s h m e n ta n dp r i z eh a sb e e n p r o p o s e di nt h ew o r l d t h ec u s t o m e rs h o u l db ec o m p e n s a t e di ft h ep o w e rq u a l i t yc a nn o tb e g u a r a n t e e d ，a n dt h es y s t e ms h o u l dh a v et h ee x t r ac h a r g e sw h e np r o v i d i n gt h eo r d i n a r yp o w e r t ot h eu s e ri f t h ep o l l u t i o nc o n d i t i o no f t h eu s e rb e c o m e sw o r s ea n di su n d e rt h es t a n d a r d ，t h e b e t t e rr e a l i z a t i o no ft h es c h e m em u s tb ep r e s u p p o s e dt h er e a s o n a b l ea s s e s s m e n to ft h e h a r m o n i ce m i s s i o nl e v e li nt h ec o m m o nc o n n e c t e dp o i n to f t h es y s t e ma n du s e rt h e m s e l v e s t h ec u r r e n td e t e c t i n gm e t h o do ft h eh a r m o n i ce m i s s i o nl e v e lm a i n l ya t et h ed e t e c t i n g m e t h o d sb a s e do nt h ep o w e rf l o wa n db a s e do nt h eh a r m o n i ci m p e d a n c e sr e s p e c t i v e l y , b e s i d e st h e s e , t h e r ei st h es y n c h r o n i z i n gd e t e c t i o nm e t h o db a s e do nt h er e a c t i v ep o w e ra n d a c t i v ep o w e r 越t h ec o m m o nc o n n e c t e dp o i n ta n dt h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h eh a r m o n i cv o l t a g e s o u r c e so ft h et w os i d e sa 圭t h ec o m m o nc o n n e c t e dp o i n t , t h e ya r ea l lc o r r e c ti nt h e o r y , b u t d i f f i c u l ti nr e a l i z i n ga n dt h ed e t e c t e dr e s u l t sa r en o tp r e c i s e i ti sd i f f i c u l t 协s e p a r a t et h er e s p o n s i b i l i t yo fh a r m o n i cp o l l u t i o na tt h ep o i n lo fc o m m o n c o u p l i n gb e t w e e nu t i l i t ya n d c u s t o m e rs i d ei nt h ec o n t r i b u t i o ns y s t e m a i m i n ga tt h i sp r o b l e m , am e t h o do fu s i n gc o m p e n s a t i o nw i t hi s o l a t i n ge f f e c t si sp r o p o s e dt od e t e c tt h eh a r m o n i c e m i s s i o nl e v e lo f c u s t o m e re x a c t l y t h ep a p e ru s e sas e r i e sh y b r i da c t i v ep o w e r 纛l 拇rb a s e do n t h ef u n d a m e n t a lm a g n e t i cf l u xc o m p e n s a t i o na st h ea u x i l i a r ye q u i p m e n tt oi s o l a t et h e h a r m o n i cs o u r c e so f c u s t o m e rs i d ef r o mt h eu t i l i t y , i no r d e rt oe a s u t x ：t h a tt h eh a r m o n i cp o w e r m e a s u r e da lt h ec u s t o m e rs i d ei sd u et ot h eh a r m o n i cs o u r c e so fc u s t o m e rs i d eo n l y , a n ds o t h eh a r m o n i ce m i s s i o nl e v e lo f c u s t o m e rs i d ec a nb em e a s u r e de x a c t l y t h em e t h o di se a s yt o r e a l i z ea n db e l i e v a b l ea sc o m p a r e dw i t ht h o s em e t h o d sw h i c hh a v eb e e np r o p o s e db e c a u s en o c o m p l i c a t e dm a t hc a l c u l a t i o ni sn e e d e d s i m u l a t i o nb ym a t l a b 6 5i sa l s op r o p o s e da n dt h e s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s sa n df e a s i b i l i t yo f t h ep r o p o s e dm e t h o d k e yw o r d s ：r e s p o n s i b i l i t yo f h a r m o n i cp o l l u t i o n ；f u n d a m e n t a lm a g n e t i cf l u xc o m p e n s a t i o n ； i s o l a t e ；h a r m o n i ce m i s s i o nl e v e l 珏 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明；掰呈交懿论文是本人在导繇戆指导下独立进行研究赝 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献豹令人帮集体，蟓已在文巾以弱确方式标明。本人完全意识剿本声明酶 法律后果由本人承担。 作者签名：篓磁 日期：椰年t z f l 占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文佟者完全了解学校有关保留、使用学位论文的溉定，瑟： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工火学。学校 有权傺存并囊国家有关部门或机构送交论文教复印件耱电子舨，允谗学健 论文被查阅( 除在保密期内的保密论文外) ；学校可以公布学豫论文的全部 或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论 文。本入电子文毯戆内容帮纸矮论文鳇肉容福一致。 本学位论文属于： 口偎密，柱年解密后适用本授权书。 醴不保密。 学位论文全文电子版提交后： 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏 览。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：多劭 指导教师签名： 缪丝努 日期：撕占，1 2 ，易 日期：矽“，j 勺名 第一鬻缝论 第一襄绪论 l 。l 电力网谐波阍题及其危鬻 髓麓现代电力电子技术的迅速发展，磐种复杂的、精密的、对电能质爨敏感的电力 电予装鬣在工业、交通及家庭中的广泛威粥，谐波阊题稳趋严重，电力系统受掰? 麓泉 越严峻的撬战。因忿如何抑制谐波来豫诞嗽熊旗蹙已成为嗣内外电力行渡遗切嚣灏解决 的熬骥课题之一。 魄力鼹谐波猎豹楚一个瘸期感气爨豹激藏泼分量，其频率为基波频窭豹整数僚。飙 菝城戆裁赢寒看，奄滚鞠耄基豹波形审，琴纹氛会与黉毫毫添瓣壤率静蓬弦囊，称凳蒺 浚努熬，瑟置密瑰了一系甏菝率必麓浚频率熬倍数豹委弦波分餐，褰次港波分蘩，遮一 蓉疑菠弦努量统称必魄力谐波。镶褥注意，鸯力系统瑟捂蠡孽谐波是稳态麓王频熬鼗缮数 的波形，电网暂态变化诸如涌流、备种干扰或敬障引起的过压、欠压均不属谐波范嗨； 谐波岛不是工频整倍数的次谐波( 频率低予工频基波频率的分鲞) 和分数谐波( 频率非 熬波频率整倍数的分数 有定义上的激剐。懑诞弦基波电压施加于非线性设备时，设备 吸收酾电流与施加酌邀题波形不褥，魄流躐褥发生了畸变，由于负荷与电网籀适，黻谐 波电流注入到电网中。这些设备就成了电力系统的谐波源。电力系统中的谐波源肖：备 静熬瀛浚各、交流器、交直流捩滚设螯、疆巍灯、交流彀激炉等。 懑力阏谐波戆产生使褥系统审瓣穰滚、嘏燧波形发生穗交，不双降低惫筑缝黧、 魏羧秘琴l 震静效率，瑟显绘供、弼魄浚餐豹纛嚣遂行豢寒严耋熬篷害，嚣藏，恕力瓣谐 波魏辩究与治理对予越瑟经济及璃笈z 鼗黧产意义重大。辩乎毫力系统，谐波衾放大鬈 统的局部并联谐振或串联谐振现藩，使谐波含整放大，造成电容器等设备烧毁。谐波述 会引起继电保护的自动装置的误动作，使电能计量出现混乱；对于电气设备，谐波w 以 使魄气设备产生嗓音秘撼动，还可以产擞过热现象，促使绝缘老化，缩短设备盼使用寿 命，旗楚发生故障蠛烧毁；对于通信设备，谐波会对设备产生严重干扰。瓯力系统产擞 的谐波等普通电话线路传输的音频僚号及人繇的啻频敏感信号相比，在偿母频带上脊 悫瓣爨煮性，两且= 者懿功率悬殊较大；瓣予人钵嚣言，鬣然嚣蓠还没煮定龛诞突舞次 落波怼入，动耱及生态环壤熬影桶，毽溅蠢谦攒袭臻谐波鼹生态嚣缓黪影桶雅交稃凌。 魄宠潮谐波污染是电力毫予技零发溪熬黧大箨褥，遥攀采由予谐波麓壤蟋移麓惫设 螽逡簸静莛害目趋严重，整雾器围帮对谐波游越十分关心鞋重裰，不少嚣豢鼗制定了邀 力系统和用电设备谐波和波形畸变的标凇。1 9 8 2 年国际电工委员会i n t e r n a t i o n a l 华南理工犬学硕士学位论文 e l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ( i e c ) 第一次制订通用魄器设备产生谐波酌隈铡标准 i e c 5 5 ，并在其籍的执行过程中多次修定完善，目前已被 鼗界许多国家承认和接受， 在欧、美等发选囡容已成为强制执行的标准。1 9 9 3 年荧网电气与电子工穰师协会 ( 1 e e e ) 进一步撵i e c 5 5 标握的基秘上羚充制订了j i 垂嶷聪、大功率用惫负载产生谐波 瓣羧涮标准。浅鬻1 9 8 5 每裁壶豢零瘸毫秀蘩簇发了惫力系统谐波謦器蔑定 ( s d l 2 6 8 4 ) ，1 9 9 3 年瀚家技术监督局颁发了公用电网谐波的溺家标准。这两个标准对公 用供电系统电压畸变允许值和谐波源注入供电点的谐波电流值作出了规定和限制。制定 隈铡谐波标准鼹必隧蹶粼和要求是：把泡力系统中酶谐波魄瓤控制在允译魏范隧凌，保 诞供邀瓣供绘波形会黪黪毫力；黢露谐波源注入毫网懿 蠹波嚷滚及其在毫两连接点产生 酌谐波电压；端正潢波对电两发电、供泡设备的干扰，将掰黉防止高压电潮发生谐波或 谐波放大，维护嘏黼发全经济运行；保诞供电质量，使援入曦网的各种用电器舆兔受谐 波的干扰，保诚溅常工作；有利予国际经济技术的交流与龠作。 潺波茨治瑾童聚窍戳下这建耪搭藏： 黄走毫弼孛戆三猢整滚交嚣器采建y 一莲( y 矗) 绒羚、￥( 矗y ) 貔接线，这释 接线方式可消除3 的倍数次的高次谐波，这是抑制谐波的缀熬本的方法。 其次是对产擞谐波的谐波源进行改进，尤其是大功率的氟力电子装置，比如说应用 最普遍又最容易声生谐波的整流嚣设备，在一拜始设计鸵孵谈裁可默考虑遥过潦搬整流 瓤动数等方法，懿袋趱卡二褪及十二戳上戆多秘整滚毫鼹。逡蓬逶当鹣控键，多耀整滤 能太大减少输入电流中的谐波，平滑波形。对予中等客爨凡乎伏安到几百乎伏安的交 流器，可采用自关断器件构成p w m 熬流器。对于电流激p w m 整流器，可鬣接控制 艇流桥中的电力半母体器件，如功率兰极管、可控硅等，使其输入电流为接邋正弦且 麓电源邀莲震稳茨p w m 波形，麸瑟褥鬟凌遥予l 豹凌搴壤数；怼予惫嚣墅熬滚器， 霭要褥整流器j 鬟邋滚懑与电滚稳逢，遴避控翱亳感毫浚，襞熬滚器懿输入裁为冬输入惫 愿同相的正弦波。磁谐波源装置设计中考虑谐波抑制环常，减少电网谐波的注入量，把 装鬣设计成绿色环保擞。由于现代电力电子技术发展的多样性和电力半导体焉作方式 的复杂性，使得l 睾多嗽力电子装嚣不能宠全澧除给电网带来的谐波。 嚣蘸垂际帮蘧懿方法蓑是农谐波滋照装竣遘波蛰臻装麓，瀵豫滚入公麓壤稻豹谤 波。传统的谐波孙偿装遥是采用l c 调谐无源滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r 简记为p p f ) ， 其常用的有单调谐、二阶高通、c 型商通三种。 2 第一章绪论 c 士 l $ r 甲 l r c d l r 圈l l ( a ) 擎调诺滤波器 二除离逶滤波器( c ) e 登高遥滤波器 f i g 1 - l ( a ) s i n g l et u n i n gf i l t e rc o ) s e c o n do r d e rh i 曲p a s sf i l t e r ( c ) ct y p eh i g hp a s sf i l t e r 采用电力电容器秘电抗器等无源器件构成的无源滤波器姆霈补偿的非线性负载并 联，为谐波提供一个低疆遂路的两辩，也提供囊载掰需要的无功功率，它兵鬟结梅篱擎， 一次性投入低，运行费用也低，吸收特定次谐波效果显著，且同时也可补偿无功功率的 优点，但内子结构原瑕上的原因，在应用中仍存谯以下缺点； 氛滤波特往受系统隧抗的影响较大，不麓适疲系统频率交懿：袋系统运行方式的改交。 当系统阻抗和频率变化时，有可能姆电力系统发缴谐振而产生谐波电流放大现象，从而 使无源滤波装置无法摄鬻工作，严慧时会损害无源滤波器及设蠢。 b 灸镱对待定的 辩波滤波，谐掇频率依赖元器件参数，困魏单调谐滤波器只能清除 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，肖时由于高次谐波的成分 较多必须糊对加入多个滤波器，这会使整个滤波装置的成本和体积增加。 c 滤波器中元器佟参数影响滤波效果，调谐偏移_ 帮残余电黻的存在，霞褥诱谐滤波 器阻抗等予零的理想条件不可能出现，阻抗的变化大大影响了滤波质量，l c 参数的漂 移导致滤波特性豹交偬，同时有效材罄 消耗多虽煎伴参数随环境温度变化两变化，会出 现失谐现象。 d 对谐波经常发擞焚化的负载滤波效果差，对波动或快速变化的谐波更是无能为力， 滤波器投入运彳亍对，豢嗽源侧谐波源豹增加，怠阏中某次谐波电压可能在l c 鼹络中产 生很大的谐波电流。 e 因为一条l c 支路只能补偿一定频率的谐波，所以往徒采用无源技术补偿谐波， 要装设足祭滤波支路，簧取褥各支鼹篱次谐波流入豹平衡很溺难。 综上可知，无源瞧力滤波器很难满足现代毫力系统的要求，现行谐波抑制的一个重 要趋势就是采用有源电力滤波器。材源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r 简写为a p f ) 也是一静电力电子装受，从电源铡蠢来宅其实是个谐波发生嚣，郎裂弱磷控靛功率半 导体器件向电网注入每原有谐波嘏流幅值褶等、褶位相反静电流，使电源侧的总谐波电 流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。a p f 能有效的解决光源滤波器存在的缺点， 3 华南理工大学硕士学位论文 是程力系统无功专 僚潺波治理豹发震方淘。与无源滤波器稳院，蠢滚毫力滤波器憝鼹交 纯麓电力谐波进行快遴静动态跟踪幸 偿，李 偿特性受窀刚隰抗窝化的影响较小，艇不存 在谐波放大等危险，被认为是治理电力谐波最有前途的方法，其疑体特点如下： 瓠具有自适应功能，实现了动态补偿。可对频率和幅德都变化的谐波以及交化的无 凌霹受窿毫滚透纷麓淼李 臻，黯 偿霹象瓣交纯莠校侠懿穗疲； b 。可霹辩对谐波、光功_ 帮受亭毫流逡行李 偿，也可单独幸 馁谐波、无功或负净电流。 补偿谐波时所需储能元件的容量不大，补偿无功时不需要储能张件，且补偿无功的程度 霹连续调节； c 即使需要补偿盼魄流超过其额定值，也不会发生过载情况，并能在其额定餐爨晦 继续正常工作； d 受电网阻抗的影瞬较套，不翁与电溺阻抗发生谐振； e 能跟踪电网频率的变化，补偿性能不受电网频率变化的影响； 具有各种保护功能。 尽管骞源电力滤波嚣与l c 调谐无源滤波器槎魄骞强大秘技零饶势，毽嚣冀成本较 搿，控制复杂，簧程龟匆系统中完全取代藏源滤波器，嚣髓述不太现实。髓着现代电力 电予技术的发展和计算机速度的提升及控制理论的完善，器件的性价比不断提高，有源 电力滤波嚣技术静发鼹会存广大鲍蘸景。 l 。2 港波源检溯蒜定位技术的现状及存在闫题 电力电子设备盼犬爨使用，便褥谐波阅题成为影响电能缓鬟豹主要毽豢。电能质量 指标可分为稳态指标朔暂态指标两大类。实际电嘲中稳态指标的恶化主要为非线性负荷 的谐波污染。为了控制电网中的谐波污染，目前的实际做法是采用相应的标准、法规限 定怒户熬谴渡注入薰。这耱簸法已经 ；辱戮了王鼗器豹谈，黧涨、莺凑穗关戆糠潦邈露 经镧定。瞧是这静载浚饺纹是一静强麓魏敲法，当震声豹潼泼含囊严重越颤鳕嚣姣，为 了保证整个系统的交仝性和电能质量水平，只能对其拉闸断电。 随着电力市场的快速发展，供电公司必须保证供电的可靠性、供电质爨和服务水平， 辩趣标用户强制拉阐怒弦不通的。因此豳前豳际上提出了一种“奖惩性方案”，宦的蒸 零愿怒是系统与爱户焱鬏定豹蕊爱内委零交易，懿采系统不缝绦涯供亳矮羹，溺疲褥 劐赔偿；如栗用户瓣浮染指标恶亿，刘系绫在保证向矮户溅鬻供奄的翦提下，l | 踅取额羚 的惩罚费用，当然猩用户吸收系统中额外的谐波功率的情况下，系统应当给予一定的补 瘁 第一章绪论 偿和鼓励。 这静奖惩经静袋魄方案，霹瑷侮琨凄系统秘鬻户对龟裁缓羹凝猿魏美鞫责任，爱够 对电能质量进行合理的控制，但蹙这种方案还肖很多的问题需要解决。目前技术方面童 要有两个难点，即能会理的分清用户、系统对公挟耦合点电熊质量恶化的资任，并且能 量纯焉户黪污染臻率，敦及合理豹辫决在系统运行方式交豫瓣篱嚣下，簿产对诺渡注入 功率发嫩变化应负的责任。 在笈杂的配电系统中，除个别犬型的谐波源负荷能确定篡位置外，系统中还有许多 由不同类登和容量懿粥电设备按照定的霹络络梅缓威豹综会谐波受蘸，这样在实舔疲 用中检测点将受到一定的限制，因此通过对公欺耦合点的测嫩，寻找一套精确、实用的 谐波源测量方法、制定一套能反威系统和用户对公共耦合点谐波污染负责任豹指标，将 是当务之怠。 随麓工农业生产的发展和电力市场化深入谶行，如何识别电网中谐波源的问题已成 为当今急嚣解决的技术问题。目前的谐波源检测方法主要由两种思路：基予功率潮流的 检测方法帮基于谐波隘抗的检测方法。基于谮渡糙莸的检溺努法可敬缀努鹣分离疃交受 荷和非畸变负荷，但怒在双端谐波源检测的问题还没很好的结果。基于功率潮流的检测 方法中，传统的有功功率方向法受剿公共耦合点两侧谐波源棚角差的影响，不能得到藏 确酶梭灏结采。萋予冤功功率测纛毽黪“簸赛隰抗法”会受鬟系统运行方式、谐波阻魏 估算值的影响，在实际应用中受到一定的限制。此外，还有一种根据公麸耦合点的无功 功率和肖功功率值以及公共耦合虑两侧等值谐波电压源相兔蓑值来识别谐波源豹同步 检测技术。但是该方法必须需要两铡等篷谐波彀篷源的耜囊麓篷，这个值缀难得臻精确 的测量假，影响了这个方法的实际应用。 1 3 本文的主要互作 本文主要致力予研究电力嚼用户测谐波的梭澳4 与定位问鼷，完成的耄臻工作有； ( 1 ) 介绍了电力湖存在谐波问题及其危害； 2 ) 余绥了电力爨谐波电流秘捡溅方法及鸯滚龟力滤波器鹣零羯控裁方法； ( 3 ) 研究了电力网谐波源检测岛定位的常用方法及其存在问题； ( 4 ) 针对电力网中，网侧与用户侧公共连接点处各自应承担的谐波污染责任难以分 离戆弱麓，提出了矮李 偿疆褰方法来准臻检测麓户熬谐波发射瘩孚，秘采弱基于基波磁 通补偿的串联混合型肖源电力滤波器作为谐波检测的辅助设备，把用户侧谐波源与电网 5 华南理工大学硕士学位论文 翻谐波源隔离，戳便磺保在薅户铡稳溅瓣器次潜波功率仗为掰户翱谐波源掰产垒，运到 凇确检测用户铡静谐波发射水平的目的，多# 用m a t l a b 6 5 软体辩所提静方法进行了仿真， 验 正了本文方法的m 确饿和可行性。 6 第二章有源电力滤波器的控制 第二章鸯源电力滤波器的控制 2 1 三角波比较控制法 三角波比较控制法的工作原理鼹将补偿电流参考值e 与a p f 实际输出补偿电流t 之差，经藏大器a 霉鬈毫蔟三囊渡魄较之螽辕爨p w 酝痿号。三夤波毙较羧麓夔原理强 如下： 氏勺峙娥 图2 1 三角波比较控制原理图 f 培。2 一l s c h e m a t i co f t r i a n g u l a rw a v ec o m p a r i n gc o n t r o l 放大器a 往往采爝鞋：铡教大器或魄锈积分放大器。这祥缀成嚣一个按期系统是基 于把出控制为最小来进行设计的。这种方式具有如下特点；硬件较复杂；跟随误差较大# 输出电聪中所含谐波较少，但含有姆三角载波楣阉频率的谐波；放大器的增益有限；器 件酶开笑频率固定，等予三角载波的频率；电流响应眈滞环院鞍控裁法静幔。与滞环控 制相比较，电流误差没有环宽限制，控制的精度相对较低。 2 。2 滞环比较控制 滞环比较控制的曩作原理是将补偿电流参考值e 与a p f 实际输出补偿电流之之麓 输入到具有滞环特性的比较器，通过比较器的输出p w m 信号来控制开关的开合，从而 速蘩遂交嚣浚凄篷安瓣跟踪辜 簇毫漉参考蓬。滚繇院较控翻爨毽图翔下； 图2 - 2 滋嚣邃较掇捌缀理图 f i g 2 - 2s c h e m a t i co f h y s t e r e s i sc o m p a r i n gc o n t r o l 7 华南理工犬学硕士学位论文 这种控裁方茂审，滞环蠹孽宽度v 瓣脊偿电流豹鼹麓穗貔蠢较大豹彰舔。警v 较大 时，开关通断频鬻帮电力半导体器件懿开关频率较低，辩哭擐耗小，对器传要求不商。 但跟踪误差较大，a p f 输出的补偿电流中高次谐波较大。幽v 较小时，开关邋断频率 较高，开关损耗火，阉时对器件的要求较商，但其跟踪谈麓小。因此在滞环比较接制中， 蓼窕豹设诗缀羹凝，襄麓选取是壤摇壤力系统霹电滚交缳采确定。当繇宠固定夸来，蛰 偿电流参考值e 岛a p f 实际输出李 谣魄流毛之差筮就在一v 麓v 之阍交纯，戮诧，a p f 实际输出补偿电流围绕补偿电流参考假e 呈锯齿波性变化。综上所述，这种方式具有 戮下优点：硬俸电鼹褥单，电流响应缀莰，属于实时控测蠢式；不需要载波；鼹于闭薜 控裁方式。僵圈孵瞧其蠢熬下骢缺点，逶常涝繇控铡黪环巍怒藏定黪，露嚣关频率楚变 化的，会弓l 超较大豹脉动电流与歼关蝾膏，有对开关频率余趱出器件所容许的黢高频率 丽导致器件烧毁。 针对滞环控制的这些缺点，就有了一种改进的方式，该方式中在滞环比较器输出詹 嚣燕一个薅镑宠辩羧簇，每个辩镑周期瓣参考毫滚与实鼯羚缮迄淡黪猿差傣琴粼薮一 次，褒褥p w m 傣毒至多零要一个葬重耱愿麓孝会交纯一次，嚣捧豹舜关簇拳簸亵不会 超过时钟频率的一举，通过限制d 触发器外部时钟频率，就可以限制主电路歼关器件 的最高工作频率，从而可避免器件开关频率过高的情况发嫩。该方法的不足是补偿电流 的鞭隧误差不固定。 2 3 空闻电透笑爨控割法 空阏电压矢嫩法( s v p 期国也嘲磁通燕弦p w m 法，它以燕襁对称芷弦波泡雁供电时 交流电动机的理想磁通圆为基淮，用逆变器不同的开关模式所产生实际磁通去逼近基淮 圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成p w m 波形。此法从电动机的角度 掇发，凳遂交器耧惫飘藿终一令整俸，使毫撬获褥疆霞憾裳豹嚣影磁场，逮遥按潮磁邋 或邀篷矢量导邋辩麓，雳尽可戴多豹多逡形磁邋去遥遥溅弦磁逶。魏方法又分为磁通舜 环式和磁通闭环溅，前者用2 个非零矢缀和1 个零矢量合成1 个等效的电压矢嫩，若采 样时阕足够小，掰合成任意电压矢量，其输出电压正弦波调制时提高1 5 ，谐波电流有 效傻之积接近最小。鼹者弓l 入磁通反馈，控制磁通的大小翔焚他的速度，在比较倦算磁 逶秘给定磁通嚣，凝攥误差决定产生下一个邀嚣矢量，形成p w m 波形。爱者巍藏了蔚 者的不足，解决了魉枫低速时，定子电隰影响大的闯题，小了电机静脉动暑矗噪静。空阈 矢量法直流侧利用率商，易于对称控制，谐波性能比p w m 控制好，最适合采用高性 8 第= 章有源电力滤波器的控制 能的d s p 进行控制，但电路比较复杂。 2 4 单阁控制法 2 4 1 单闵控制原理 单髑控制法作为一种j # 线性控制法，最早由荚道学者k c y u em s m e d l e y 和s l o b o d a n c u k 提嬲。其基本愚怒蹩控制开关的占空毙。傻镣个周麓内弹关变量的平均值与控制参 考信号相等或成一定比例，从而消除稳态和动态误差。单周控制原理图如下； x 图2 3 单周控制原理图 f i g 。2 - 3 s c h e m a t i co f o n e - c y c l ec o n t r o l 在一今舞关周麓沟，秀关丞数为； 肿尽芰茹 弦t ， 其窜，牙关k i , k 2 是一怼由羧潮器发出熬麓誉绩号，震隽舞关蹋麓。羧入癌号为 x ( t ) ，则输出信号y ( t ) = k 1 x ( t ) ，假设开关频率邋高于输入频率，那麽在一个每个开关 周期内，可认为输入信号x ( t ) 保持恒定，可得； 黔砉f 菇= 半l d t = d x ( t ) c 2 艺， 式中，d 为占空姥等于导。张一个开关周期开始，k t 闭合，k 2 关断。x ：t ) ：= y ( t ) ， j l 同时积分器对输出信母y ( t ) 开始积分，当积分嚣输出v i n t = v r e f 时，比较嚣输出翻转， 通过控制器控制k 1 关断，k 2 闭合。积分器复位v i n t = y ( t ) = 0 ，即： 一去ci x ( t ) d t = ( 2 - 3 ) 根据2 - 2 式与2 - 3 式得： 9 华南理工大学硕士学位论文 y ( f ) ：等( 2 - 4 ) j ， 这种通过模拟控制参考v r e f 调制开关矗空眈，使得开关变鬃谯开关周期的平均俊与 控制参考量相等或成比例的开关控制技术称为单周控制，单周控制将非线性控制的本质 与嚣荚毫路毒撬戆臻套，囊控臻l 参考耋v r e f 交耽辩，占窆魄d 穗蹑羞交德，象落在每 个弼麓开关交量平均俊鞭戆控铡参考交纯，安现瞬时响应，蠢空魄d 匏交纯独立予兹一 开关周期状态，只与本周期的控制参考和歼获变量有关。下筒以单相并联电压型宥源电 力滤波器为例来说明单周控制，单周控制系统络掏如匿所黎； 图2 - 4 单罔控制系统结构翻 f i g 2 4s y s t e ms t r u c t u r eo f o n e - c y c l ec o n t r o l 图中，a p f 黔妻电路蠢一个p w m 电艨型逆变器和交流侧滤波电感缝戏，遴避莱秘 算法控露l 递交器孛努美警静秀逶芎关錾囊激露注入蛰嫠毫溅”寒这雾l 净纯毫瓣魏嚣豹。其 中，开关管分为两缀，s l 和s 3 一缀，s 2 和s 4 一组，两缳辩荧臀轮流导通。 当0 t d r , 时，鬈= 1 z ，为开关调制周期，s 1 和s 3 关断，s 2 和s 4 导通，电感 掰端的魄疆为砖= 咚十心；当d 霉 f z 孵，s 1 秘s 3 导逶，s 2 和s 4 关断，鼍= 毪一 耄爹嚣关瓣溪刽频攀。爰逡大予电溺簇率，阂魏霹荻竣隽奁一个势必调摹l 躅蘩内，耄感邀 流变化量兔零，从掰电感两端豹电压碍在一个调制周颓内满足伏秒平衡关系如下： ( e + k ) d r , + ( 噱一k ) ( 1 - 功霉一o ( 2 ，5 ) l o 第二索有源电力滤波嚣的控制 对式2 - 5 式进行求解可得： 毪= v 。( 1 - 2 d ) ( 2 - 6 ) 按入a p f 的目标是使电网侧的功率因数为1 ，即a p f 嗣负载并联届等效为一个纯 电阻，用冠表示，则宥 毪=蕊f，(2-7) 式中，为接入a p f 后的电源电流。取电源电流采样电阻为r ，联合2 - 6 、2 - 7 两 式可褥单趱控制a p f 豹控铡方程为 置= ( i - 2 d ) ( 2 s ) 式2 _ 8 可由一个积分器、一个比较器以及触发器和时钟组成的模拟电路来实现。式 孛，一毪芝建，实现薅可由a p f 壹滚穗墩窭电歪采群毯与基准电联穗减螽掰褥的 误差经p l 调节器获褥，这样一方筒可以使直流侧电容电压的变化形成负反馈，从而稳 定电容电压；一方面w 以根据电容电压的变化间接反映负载有功功率的变化，从而提离 a p f 熬动态李 嫠性麓。 单周控制a p f 怒新近才被提出的新型a p f 装置，目前尚处于实验研发阶段。它熏 要有如下优点；开关调制频率恒定；控制系统简单，仅豳r s 触发器戏d 触发器构 或熬控潮器、毙较嚣、积分嚣及黪镑电路等死熬分维或； 霹在一爱絮内港狳开关交爨 和控制参考信号之间的稳态和动态误差。但它也有如下一些明显的缺点：系统性能霸 受外界条件的影响，抗干扰性能麓，难于稳定量作；补偿精的电源输出电流波形有畸 交，轻载瓣畸交较严黧；系统慰惫蘧参鼗要求十分精确，黉粼毫网秘蘸路上有电流囊 流分爨产生。这就极大地阻碍了它的应用推广。目前研究的雄周控制a p f 仅仅适合予 中小功率场合。根据单周控制的特点笔者提出种单周控制赢流分量抑制的新方法。 2 4 2 荤闫控制壹流分量抑裁颥方法 由于a p f 交流侧存在滤波电感，在每个开关周期内，电感电流先增大后减小，这 必然导致a p f 输出的补偿电流和铃偿后的电源电流中含有纹波。而单周控制a p f 是以 蜂篷电浚检溅迸孬魄较来调裁开关占空眈静，羧锖l 波形鲡圈2 - 5 所示。 华南理工大学硕士学位论文 电源电中谨 绽教电漉 _ l- 2j _ ， f 包络嚷 蝶夺 弋 f7 群塞凑 f 躅冬5 孳周控制波形凰 f i g 2 - 5t h ew a v e f o r m s o f o n ec y c l ec o n t r o l 在每个开关蠲期内，满足控翩方程静怒电源电流中纹波电流静上峰值，璺纹波奄流 的上峰值包络线与嘏源电压同相位，从箍纹波的存在使得嘏流巾值包络线向下偏移，导 致赢流分量的产生。由以上分析可知，理想情况下，补偿殿电源电流应只包括基波有功 分簸窝拜关次纹波电流，且直流分鬟的产黧是由绞波电流豹存农导致静，如果对魄源魄 浚采褥震将其中戆纹波魄滚滤簿舞送入羟潮器遴行笼较来获缀巍关砉空魄，经霉纹波熬 存在对占空毙静谲铡没肖影响，则可戳摊制袁流分量豹产缴。为此，本文在采样激流与 比较器之间加入如躅3 所示的并联谐振电路，谐振频率设计为錾波频率，使得只肖基波 傣母能够通过，从稀滤撼纹波电流，以遮劐攘涮蛊流分量的霹豹。 a 8 f i g 。2 - 6 p a r m l e lr e s o n a n tc i r c u i t 如图3 所示，从a b 两端看进去的阻抗为； z f & 鹂；( r + 。j 0 1 ) z ! l - = ! 墼- - ；r + j ，e l z ( 触。意4 丽而 r + ，国# + 一”1 ：( 翌a t c r 睦) 2 + ( 塑1 - 6 0 2 1 二c 塑) 2 ( 2 - 9 ) = 工 iz _ vj 第二章有源电力滤波器的控制 当电蹑满足谐振条件时有： 丝(co殴ot)：二+竺(1塑-oj二翊)2(cocr) ：。( 2 _ l o ) 求解忒2 - 1 0 可得谐振角频率 嘞。去0 一孚 q 彤， 从而可得谐振频率 f o - - 去0 一孚 ( 2 - 1 2 ) 赤0 卜争 旺。2 为了方便实验，我们取工频( 5 0 h z ) 为谐振频攀来设计谐振电路参数，根据式2 - 1 2 ， 取t = 5 0 。5 4 m h ，r = o 7 8 5 q ，f 2 2 0 0 溶。筵辩，谐振电路鼹蒸渡逛瀛寒漭稳当予缝毫 阻通道，在基波频率( 谐振频率) 下的阻抗 = 2 面再丽r 2 刍堙2 q ( 2 - 1 3 ) 加入谐振电路后，谐振阻抗= 相当于上述电流采样电阻墨，通过适当选取电流互感 器变比翻电篮采样比铡，即可实现试2 - 8 表示的控制方程。 为了验证所提方法的正确往，瓣系统迸行了实验研究。实验采雳静电路缮祷魏图1 所示，参数如下：负载为单相二极铃不控整流桥带阻感串联负载( 母2 6 4 q ，上，= o 1 h ) ； 电源电聪毪= 压。2 2 0 s i n ( 3 1 4 0 ；v 。= 5 0 0 v ；l = 2 m h ；牙关调铡频率五= l o 勰z ，势联谐 振电路参数取上述设计值。实验结采如图4 所示，其中，图2 - 7 、图2 - 8 、阁2 - 9 分别为 补偿前、朱加谐振电路时补偿后以及加入谐振咆路时补偿后的电源电流波形。 3剧i _ ”： _ i = 矿 i 卜 s l、k 一、， 、o v t ( 5 m5 ，格) 霆2 7 枣 嫠蔻电源魄滚波影 f i g 2 - 7t h ew a v e f o r m so f m a i nc u r r e n t sb e f o r ec o m p e n s a t i o n 1 3 华南理工大学硕士学位论文 菇 基 li ； iili ii ； liii| i 魄l ： ij ， x 一- 矿( ”：? l jj 0 一气。 _ ll i l l ，啦# ，格) 圈2 - 8 补偿后电源电流波形( 未加谐振电路) f i g 2 8t h ew a v e f o r m so f m a i nc t u r e n t sa f t e rc o m p e n s a t i o n ( w i t h o u tr g s o n a n c 霉c i r c u i 0 萋 l i ll ； il l il lli iill ；lz ： 1 ，；、l ； 翟r飞ll 谢i 2 i 2 囊蟹翻 ”1 f ” 耋 i 耄 t 【5r f l i g , ) 躅2 - 9 补偿后电源电流波形 加入谐振鼹路) f i g 2 9t h ew a v e f o r m so f m a i nc u r r e n t sa f t e rc o m p e n s a t i o n ( v 娃t h1 e $ 0 1 抬1 1 c cc i r c u i 0 麸实验结栗霉瓣滋，来燕久势联谮藏瓷鼹霹，餐绥嚣熬懿潦壤流串含餐严重黪嶷滤 分擞，加入并联谐振魄鼹恁，直流分量褥剿了有效挪制，鼠艨壤简单，实现起来较为容 易。 2 5 本蠢小结 毫淡鞭踪控裁 熟怒决定奏漂电秀滤波嚣季 偿烃藐豹一今关键霾素，本黎蓄先奔绣7 角予泡流跟踪控制的常规p w m 控铡方法投它们存在的一魑不怒，三角波调制法逆交 器始终处于高频工作状态，输出波形中含肖与三角载波相i 础领帮的高频畸变分量，开关 损耗较大，在大功零威瘸中受到限铷；滞繇比较控潮法检测信母斡传感器必须是蹙密缀 宽的频繁，舞关频率举溪定，焉置滞环魏邵宽缀难确定，定拜重羧制的孵露毽魄较淡舞鼹 了滞环魄较控制法开关频率不固定的不足，但魄流跟踪误罄怒蹙他的。单璃控制怒新近 考被提出的新型控制方法，目前尚处于实骚研发阶段，其控制系统简单，实时强，假其 系统性能易受外界条件的影响，抗干扰性能藏，难于稳定工作；补偿后的电源输出电流 第二潦有源电力滤波器的控制 波形有畸变，轻载时畸变较严重；系统对电路磐数要求十分精确，否则电网侧电路上有 电滚轰澈分量产生。 1 5 华南理工大学硕士学位论文 第三章电力网谐波电流的检测 有源电力滤波器豹核心技术之一是对谐波与无功电流的实时检测和提取。能否快 速、准确地得到指令电流直接影响到有源电力滤波器的跟踪特饿。目前，电力网谐波电 流戆梭溅方法主簧窍瓣穴类：颓域移雾孝域奄滤羧溺方法。 3 1 三榴电路磁瞬无功理论 三相电路瞬时觅功功率理论首先于1 9 8 3 年h a k a g i 提出，后该理论经不断研究而 逐渐完善，h a k a g t 所提出的这种理论，以瞬霹有功功率p 和鼹时无功功率q 黥定义 凳潦确驰，其目的裁怒为了艇决鸯源电力滤波器中的谐波鸟光髓咆滚的侠速检测，从丽 为蠢源电力滤波嚣涎供参考豹事 偿耄流。该理论对有源毫力滤波器的实用纯骚究及滤波 响应速度的提高怒了缀犬的推动作用，为实现谐波、无功豹灾时补偿提供了理论依据。 设兰相电路各相的电压和电流瞬时值在abc 坐标下分别为“。、嘞、站。和乇、i l , 、 毛。为分辑方便，搬它船交换到两楣正交羝多粒坐标系上掰究。 阡 卧 蚧威壕1 1 店 i 1 l _ b , o 店2 墨1 李2 一鳓2 ，则有。 1 6 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ，|iiilitj kb0 _。，。l l | ，j 。0 。0 _，。，。l ，llllllj 豁 批 ” ，。，。l 篁 ，j 口 ， 帮 “ -。l 第三章电力网谐波电流的检测 图3 - 1a - ；坐标系中的电压、电流矢量 f i g 3 1t h ev o l t a g ea n dc u r r e n t