（电气工程专业论文）贵冶电网谐波治理技术与工程应用.pdf

工程硕士学位论文 摘要 本论文以解决江西铜业有限公司贵溪冶炼厂1 1 0 k v 变电站电网谐波问题为 目的，介绍了有关电力系统谐波研究的主要问题和在装置研制过程中运用的关键 技术，提供了一整套适合企业现状的谐波监测、谐波治理和兼顾无功补偿的有效 解决方案。 论文首先介绍了谐波研究的现状，并对有源滤波器的发展状况进行阐述。 接着对现有有源电力滤波器拓扑结构在大功率电网上运行过程中存在的优 缺点进行了分析，提出了新的混合型有源电力滤波器拓扑结构，并详细分析了其 性能特点。 然后，分析了常用的谐波检测方法，并介绍了多通道谐波监测及故障录波一 体化装置的硬件、软件构成和关键技术，主要包括电流电压信号茼精度、高速采 样，快速傅立叶变换f f t ，数据压缩存储技术，多线程技术，计算机图形技术等。 文章最后详细阐述了整个有源电力滤波系统装置的具体研制及其现场的应 用情况。通过运行实践证明，该方案大功率混合型有源滤波器系统能够长期监测、 分析电网谐波，补偿系统中存在的无功功率，且装置容量大、造价低、谐波治理 效果良好，符合企业的需要。 ， 关键词：谐波监视：有源滤波器：无功补偿 贯冶电网谐波治理技术与工程应用 a b s t r a c t h la l l l l s i o nt o l v et l eh a m l o l l i c sp r o b l e mo fg u i 虹s m e l t e r sl l o k v 仃a n s f b n n e rs u b s 诅t i o n ，t t l i sp a p e ri m m d u c c sc l l i e f i s g sa b o mh a 咖o i l i ca n dt l l ec l l i e f t e c 梳q u e so ft i l ee q u i p m 饥t ，舭ds u p p j yt l l ew h o l ed e s i g n h 咄o fan e wh y b r i d d v ep o w c rf i l t e r 。w 也h i g hc 印a c i t yf o rt l a r i n o l l i cf i l 妞a n dr e a c t i v ep o w 盯 c o m p e 玎s a t i o 玑 t 赫sp a p e rf i r s t i l l 仃0 d u c e st h ep f e s e l l tc o n d 主t i o no f h 嬲n o 痂cp r o b j e m ，鼢d a r do f 蛔o i l i ci np o w e rs y s t c m 锄dd e v e l o p m e mo f a c t i v ep o w c rf i l t e l s e 咖d l y ，t l l i sp a p e r 锄a l y s 曙t h ed i s 甜v 锄t a g eo ft 1 1 eh y 晰da 甜v ep o w e r 丘l t e r 璐i n gi l lh i 曲p o w e rs y s t e m an c wh y 晰da c t i v ep o w c ff i l t e ri sp r o p o s e d 锄di 协 p r i n c i p l ei sd e s c r i b e di i ld e t a i l h 1 鲫c c e 船i o i l ，s o m ek 岫o n i cd e t e c t i i l gw a y si si i l 昀d l l c e d ，m ed e v c l o p m e mo f a n i n s t n 瑚e n tf o rm u l t i c t l a n n e lh 籼0 1 1 i cd e t c c t i o na 1 1 d 雒a l y s i s 、e r ed e s c r i b e d i n c l u d i n gm es y s t e ms t m c t i i r e ，h a r d w a 拍ds o f b 糊r eo ft t i ed e v i c e t l l t l l e t e c i l l l o l o g yo fm i l l t i c h a 埘1 e id a t ag “吼i 培w 勰d i s c w s c d 柚d m ek e yt c c h n i q l l e s l l a v eb e p r c s 删i n c l u d i n g l l i g l lp f c c i s i o n 、l l i g l ls p e e d 姗p i i n go ft l l ev o l t a g e a i l dc u r r e 鸲f a s tf l o l l r i e r1 h i l s f o 咖( f f d ，d a t ac o m p r e s s i o na n ds t o m g ct e c h i l i q u e s ， p l a r l a r 掣a p k cf i 砸n g ，t t l r e cd i m e i l s i o n a lg r a p h i cp r o j e c t i o i l ，m u h i t t l r e a d i n ga i l dt i l e c o m p u t c rg r a p h i c st e c l l i l i q u e s l a s t l y ，m ek e yt e c l l i l i q u e so f an e wh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r 、v i t hh i 曲c 印a c 毋f o r h a m o l l i cf i l t e ra i l dr e a c t i v ep o w e rc o m p e l l s a t i o nw e r ep r o p o s e d ；t l i ec o n 旬r o l l e rb a s e d o nd s ph a v c b e e nd i s c 璐s c d a p p l i c a t i r e 跚l t so f t l l ch y b 耐a c t i v ep o w e rf i l t e r h a v e c o n f i m l e dl h ef e 舔i b i l i l ) ro f t h ei m e g r a t e dc o m p e n s a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ： h a r i i l o n i c d e 钯c t i o n ； a c 6 v ep o w c rf i l t e r ；r 船c t i v ep o 嘣 c o m p t m s a t i o n 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 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的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校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，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学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。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 导师签名： 霍饶反 日期：抑6 年1 1 月1 6 日 日期：阳6 年1 1 月f 6 日 工程硕士学位论文 第1 章绪论 近年来，随着电力电子技术的广泛应用，电能得到了更加充分的利用。但电 力电子装置自身所具有的非线性也使得电网的电压和电流发生畸变，这些高度非 线性设备数量和额定容量的日益增大使得电力系统谐波污染问题日益严重，已成 为了影响电能质量的公害，对电力系统的安全、经济运行造成极大的影响；而另 一方面供电方及其电力系统设备、用户及其用电器对电能质量的要求越来越高， 这一矛盾使得人们对谐波污染问题越来越重视。如何有效的治理谐波，将谐波控 制在允许限值以内，是摆在科技工作者面前的具有重要现实意义的课题。 1 1 谐波问题研究概述 在i e e e 标准5 1 9 1 9 8 1 中谐波定义为：“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”。 在电力系统中电流、电压波形出现较大畸变，或者说当电力系统中存在较严 重的谐波污染时，许多问题无法用传统的正弦电路理论，如相量分析方法进行解 释。按传统正弦理论设计的电力系统已不能安全可靠的运行，故障率大大增加。 所以，近十年来，电力谐波问题已引起世界各国政府和科技界的广泛关注。许多 国家相继颁布了限制带有电力电子控制器件的低压电器和家用电器产生谐波的 标准。国际电工委员会( i e c ) 、电气和电子工程师协会( i e e e ) 等国际会议专题定 期对谐波研究进行学术交流和讨论。近十多年来对电力谐波问题的研究已经大大 超过了电力系统自身的研究范围。渗透到电工理论、非线性系统理论、数字信号 处理、电力电子等学科领域，对电力谐波的研究已取得了前所未有的进展。并有 了许多重要的发展。谐波问题逐渐被认识和了解，对其产生的原因，计算方法的 分析，危害与影响机理，测量与评估标准的制定，以及研究综合治理的措施等方 面的探索也在不断深入。但由于谐波问题复杂，涉及领域宽，目前仍存在大量的 问题亟待解决。概括起来，可以划分为四个方面l l 】： ，。 ( 1 ) 谐波功率理论研究； ( 2 ) 谐波分析及谐波危害和影响分析； ( 3 ) 谐波的补偿和抑制； ( 4 ) 与谐波有关的测量问题及限制谐波的标准。 这四个方面是按照谐波研究本身的内在规律分类，它们相互关联，相互促进 而发展。其中，谐波的抑制和补偿，也即谐波治理技术是谐波研究的核心和关键 问题。综上可见谐波问题的研究已成为一门新兴的跨学科的领域和亟待加强的重 点研究方向。 1 2 谐波及其危害 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流里正弦波形。正弦电压 可表示为 ”( r ) = 2 u s i n ( ，+ 疗) ( 1 1 ) 式中 u 一一电压有效值 睇一一初相角 珊一一角频率 ，一一频率 丁一一周期 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比 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线性电路上 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，会使电压波形也 变为非正弦波；非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期 r = 2 石国的非正弦电压甜( 研) ，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅 立叶级数： ， ”( 耐) = + ( c o s h 耐吨s 缸珂耐) ( 1 2 ) 式中 嘞= 去知州( 耐) = 昙f 。“( 耐) c o s 胛倒啊( 耐) 吒= 三f “似) s i n ”删( 研) ( 玎= l ，2 ，3 ，) 或 ( 研) = + s i n ( 以耐+ 纯) ( 1 3 ) 月- i 式中，、纯和、屯的关系为 c ，= 丽 = 甜c 留( 口。吒) = 厶s i i l 纯 2 以= 岛c o s 在式( 1 2 ) 或式( 1 3 ) 的傅立叶级数中，频率为l r 的分量称为基波，频 率为大于l 的整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频 率的整数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完 全适用，把式中“( 耐) 转成f ( 耐) 即可。 n 次谐波电压含有率以舰以( h a r m o n i cr a t i oq ) 表示。 舰以。瓷1 0 “4 式中玑一一第n 次谐波电压有效值( 方均根值) ； u 1 一一基波电压有效值。 n 次谐波电流含有率以删。( h a r m o n i cr a t i ol ) 表示。 舰l = 争l o o ( 1 5 ) l 式中厶一一第次谐波电流有效值( 方均根值) ： 一一基波电流有效值。 谐波电压含量和谐波电流含量分别定义为 r = 一 = 研 ( 1 - 6 ) yh - 2 - 如2 摆露 “j 电压谐波总畸变率珏哦( t o t e lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 和电流谐波总畸变 率强国，分别定义为 强p 。；垃l o o ( 1 8 ) u i 啦= 鲁虬o o 9 ) 以上介绍了谐波及与谐波有关的基本概念。可以看出，谐波是一个周期电气 量中频率大于l 整数倍基波频率的正弦波分量。由于谐波频率高于基波频率，有 人把谐波也称为高次谐波。实际上，“谐波”这一术语已经包含了频率高于基波 频率的意思。 谐波次数n 必须是大于l 的正整数。n 为非整数时的正弦波分量不能称为谐 波。 暂态现象和谐波是不同的。在进行傅立叶级数交换时，要求被变换的波形必 须是不变的周期性波形。实际供用电系统的负载总是变化的，因此其电压、电流 波形也是不断变化的。进行分析时，只要被分析波形能持续一段时间，就可以应 3 贵冶电网谐波治理技术与工程应用 用傅立叶级数变换。暂态现象在供用电系统中总是不断发生的，有时也会对供电 系统和用户带来不利影响。在采用现代谐波抑制装置，对暂态现象的不利影响可 以起到一定的抑制作用。 由于电力谐波造成的影响机理非常复杂，涉及的内容非常广泛，早期的研究 大多仅是对危害原理和途径分析，所得的结论中定性描述居多。近十年来随着对 谐波研究的不断深入，对谐波危害和影响更为细致的定量分析和研究越来越迫切 和必要。因此详细定量研究的报道也逐渐增多。目前电力谐波的危害主要表现在 以下几个方面i z j j ： ( 1 ) 电力电容器引起的谐波放大。由于电容器的容抗与频率成反比，因此在 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，导致电容器因过流而损坏。 ( 2 ) 增加旋转电机的损耗。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。由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子 导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。另外，谐波电流还会增大电 机的噪音和产生脉动转矩。 ( 3 ) 增加输电线的损耗，缩短输电线寿命。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的电流有效值，从而引起附加输电损耗。 在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强 度，这影响了电缆的使用寿命，据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿 命平均下降约6 0 。 ( 4 ) 增加变压器的损耗。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，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。另外，3 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绕组电 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， 会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。 ( 5 ) 造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波能够改变保护继电器的动作特 性，这与继电器的设计特点和原理有关。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零 工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电器 均会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作不稳定。零序三次谐波电流过大， 可能引起接地保护误动作。 ( 6 ) 引起电力测量的误差。测量仪表是在纯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。比如，感应式电能表对设计参数以 外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差，当频率约为l 0 0 0 月2 4 工程硕士学位论文 时，电度表将会停止转动。 ( 7 ) 于扰通讯系统。供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧 变化，该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的 谐波频率较高，甚至达到l 膨眈，因而会引起电磁干扰，对通信线路、通信设备 会产生很大的影响。比如电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通讯 线路，谐波的影响都很大。 因此，无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度，还是从用户 用电设备的安全、正常工作的角度，有效地治理谐波，将其限制在允许范围之内， 还电网一个洁净的电气环境，营造“绿色电网”，已经迫在眉睫。我国谐波治理 的水平还比较低，对科技工作者来说，谐波治理问题的研究具有十分重大的理论 和现实意义。 1 3 谐波治理的措施 目前，在电力系统中抑制或减少谐波主要从两个方面进行：第一方面是从产 生谐波的谐波源装置本身入手。在这些装置设计时就考虑减小谐波的方法，增加 谐波抑制环节，已减少电网的谐波注入量，在谐波源本身采取一些措施能大大减 小电网谐波。但由于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， 不可能完全消除电网谐波。所以，谐波治理的第二个重要方面就是研究对系统中 的谐波进行有效滤波和补偿的方法和措施。下面分别简要介绍这两方面工作的现 状和发展。 1 3 1 治理谐波源 近年来，随着几种电力电子装置的大量应用，可控和不可控整流器在电力系 统中的应用越来越普遍。这类型整流器在带大电感( r l ) 负载时电流近似为方波。 带大电容( r c ) 负载时电流为尖脉冲，使电力系统中的电流严重畸变，成为目前电 力系统中主要谐波源，也是目前治理的重点。针对这一类整流器减少谐波、提高 功率因数的方法和措施，概括起来主要有一下几种： ( 1 ) 多相整流技术 采用增加整流相数的方法，如采用十二及十二以上的相数整流方式，通过适 当的控制，可大大地减少整流装置注入电网的谐波电流，但装置变得更加复杂。 ( 2 ) 脉宽调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 整流技术 采用脉宽调制p w m 技术进行整流，使得变流器的工作电流所含谐波的频率 较高、幅值小，从而容易滤除，但功率器件需要是自关断器件，成本高，不适合 大功率应用。 ( 3 ) 功率因数校正器( p o w e rf a c t o fc o r r e c t o r ，p f c ) 贵冶电网谐波治理技术与- t 程应用 家用电器作为产生谐波主要来源之一，具有单个容量小、数量多和分布广的 特点，对其难以进行集中治理。近年来，人们采用在整流二极管与滤波电容之间 插入一个p f c 来减小单个电器产生的谐波。该方法缺点是电能经过两次处理， 功耗较大。另外，装置成本也增高，产品性价比差。 1 3 2 谐波滤波与补偿 采用主动治理谐波源的方式，可有效限制谐波的产生，但由于谐波源的多样 性，要完全消除谐波是不可能的。因此，安装滤波器对电网谐波进行有效的滤波 和补偿也是谐波治理的一个重要研究方向。进行被动谐波治理措施主要有以下几 种： 传统的抑制谐波的方法是使用无源滤波器( p a s s i v ef i l t e r ，p f ) 。p f 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，同时还可以补偿无功功率。它具有结构简单、一次性投入低、运 行费用低和维护方便的优点。但由于其结构原理上的缺点，在应用中存在以下难 以克服的缺点： ( 1 ) 只能对特定次数谐波进行滤波。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。安 装多条无源滤波器支路会使整个滤波装置的成本和体积增加； ( 2 ) 滤波器参数影响滤波性能。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。 l c 参数的漂移将导致滤波特性改变，使滤波性能不稳定； ( 3 ) 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 情况随时改变，对谐波电流的滤除效果受电力系统阻抗的影响较大； ( 4 ) 可能与系统阻抗发生串并联谐振。对于特殊的谐波、或者系统阻抗和频 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。 由于无源电力滤波器的上述缺点，使它很难满足现代电力系统的要求。七十 年代以来，人们开始致力于有源电力滤波器( a c t i v ep o w e ff i l t e r ，a p f ) 的研究， 以弥补无源电力滤波器存在的问题。a p f 的基本工作原理是将电网系统中所含 谐波电流( 电压) 检测出来，并产生与其相反的补偿电流( 电压) ，以抵消输电 线路中的谐波电流( 电压) 。与p f 相比，a p f 具有以下一些优点： ( 1 ) 滤波性能不受系统阻抗的影响； ( 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p f 更为优越，用一台装置就能完成各次谐波的治理： 6 工程硕士学位论文 ( 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 ) 具备多种补偿功能，可以对无功功率和负序进行补偿； ( 6 ) 谐波补偿特性不受电网频率变化的影响。 随着大功率快速自关断器件的不断发展，谐波检测方法的不断完善，以及微 机控制技术和数字信号处理技术的不断进步，有源滤波技术已得到了极大的发 展，成为提高电能质量的最有效的工具【4 5 】。 1 4 有源滤波器的发展现状 1 9 7 1 年，h s a s a k i 等首次完整地指述了有源电力滤波器的基本原理【“，但 由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实 验室研究，未能在工业中实用。1 9 7 6 年，l g y u g y i 等人提出了用大功率晶体管 p w m 逆变器构成的有源滤波器【7 1 ，并正式确立了有源滤波的概念，提出了有源 滤波器主电路的基本拓扑结构和控制方法。从原理上看，p w m 变流器是一种理 想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子技术的发展水平还不高，全控型 器件功率小、频率低，因而有源滤波器仍局限于实验研究。用有源滤波器对电力 谐波进行动态治理真正进入实用阶段还是在8 0 年代各种新型电力半导体器件 的相继问世、p w m 技术的发展以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测 方法的提出，都极大地促进了有源滤波技术的发展。 如今用于有源滤波的半导体电力变换装置一般是逆变器，包括电压型和电流 型两种。电压型有源滤波器可以采用多电压源逆变器串联的结构，便于扩大补偿 容量，同时直流端电容器损耗低、体积小、价格便宜，适合于构成大容量有源滤 波器。而电流型有源滤波器不存在直流端短路的危险，可靠性高、动态性能好、 滤波精度高，但直流端电感损耗大。因此，现在普遍采用的是电压型逆变器。 有源滤波器一般由三大部分组成：检测电路、控制电路和功率变换电路。因 此，有源滤波器的研究主要是围绕这三个方面而展开的。国外以日本和美国为代 表，有源滤波器的研究已进入实用化阶段，但在理论和应用两方面还存在许多问 题，需进一步研究和解决。 1 4 1a p f 的拓扑结构研究 a p f 在工程应用中，首先需要考虑的是成本和技术上的可行性，这主要由 补偿电流发生电路中的功率开关器件可选型号和价格来决定。所以，围绕a p f 如何适应大容量、高电压，低成本和多功能的要求，人们提出了各种有源滤波器 的拓扑结构来适应不同场合工程应用的需要。 根据有源滤波器和电网的连接方式，a p f 可以分为并联型和串联型两大类。 1 9 8 6 年a k a g ih 提出了并联型a p f 单独使用方式【s 】，它是最早期的有源滤波装 7 贵冶电网谐波治理技术与工程应用 置。 图1 1 单独使用的并联型 p f 这种方式的主电路结构简单，但由于逆变器直接承受基波电压，所以其成本 高且不适合高电压系统的补偿。为降低成本、减小逆变器的容量和适应高电压的 要求，人们利用p f 成本低的优点，提出了各种a p f 与p f 混合使用方式。1 9 8 7 年t a k e d am 等人提出用并联型a p f 和并联p f 相结合的混合型a p f 【9 1 。 图1 2 并联型 p f + 并联p f 的h a p f 该方式利用无源部分滤除了大部分的谐波，所以其有源部分的谐波容量较 小，且p f 能够提供一定的无功功率，但逆变器仍然直接承受了基波电压，所以 功率开关器件的耐压等级并没有降低。1 9 9 0 年f u j i t ah 等人提出将a p f 与p f 相串联后与电网并联的混合型方案【1 们。 图1 3 p f 与p f 串联后并联接入电网的h a p f 这种方式利用无源部分承受了大部分的基波电压，所以逆变器承受的基波电 压小，适合于高电压系统的应用。但由于流过无源部分的基波电流都流入逆变器， 8 工程硕士学位论文 所以不能利用p f 提供大容量的无功功率。利用无源元件l c 的串、并联谐振特 性，人们提出了注入式a p f 的结构l l2 1 。将l c 对基波串联谐振电路作为有源 部分的注入电路，能够大大降低a p f 承受的基波电压和容量，且可以利用无源 元件提供无功功率，但其谐波容量相对较大，而且所能提供的无功容量有限。随 着电力电子技术的发展，全控型功率开关器件( 如可关断晶闸管g t o 和绝缘栅 双极性晶体管i g b t ) 的电压和电流额定值不断提高，成本不断降低，人们从双 或多逆变器的方向提出了各种a p f 的拓扑结构，来满足工业应用的要求。1 9 9 4 年，a k a 西h 等提出一种将串联型a p f 和并联型a p f 进行混合的方式，也称为 统一电能质量调节器( u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e r ，u p q c ) i ”j 。 图1 4 并联型a p f + 串联型 p f 的h p f 这种方式从理论上讲，可以抑制电压闪变、电压波动、不对称和谐波，但由 于采用了双逆变器，所以存在控制复杂和成本高的缺点。 上述描述了并联型a p f 的发展现状，有源滤波器还有另外一大类一一串联 型a p f 图1 5 为典型的串连a p f 拓扑结构【1 4 1 。 图1 5 单独使用的串联型a p f 串联型a p f 单独使用方式能有效滤除电网的谐波电压，具有有源装置容量 小和运行效率高等优点，但存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进 行无功功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过连接用的变压器，其工 程实用性受到限制。在串联型a p f 单独使用方式基础上发展出的串联型a p f 混 合型结构【1 5 ，1 6 】，也都同样存在绝缘强度高和难以适应线路故障的缺点，本文在 此就不一一阐述了。 9 贵冶电两谐波治理技术与工程应用 1 4 2 检测和控制理论的研究 根据a p f 的工作原理，要控制功率变换电路产生期望的谐波，一般要通过 检测电路获取控制的参考信号，然后再利用控制电路产生控制信号去控制功率变 换电路。因此，检测和控制算法直接影响到a p f 的补偿精度和补偿速度，是a p f 的关键环节。 通常a p f 需要实时补偿电网的谐波分量和无功电流( 如果需要补偿无功功 率) ，所以，对检测电路的快速性和准确性要求很高。但是这种检测任务和一般 的谐波分析不同，它只需将基波或有功分量与谐波分量分离即可。目前，研究谐 波检测方法的文献有很多。最早的谐波电流检测方法是采用模拟滤波器来实现， 即采用陷波器将基波电流分量滤除，让谐波分量通过。这种方法存在难以设计、 误差大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感等，因而已很少使用。随着数 字化技术的发展，分别出现了基于频域分析的f f t 算法l l ”、基于f r y z e 功率定 义的检测方法、基于自适应噪声对消原理的自适应电流检测方法【1 8 ，1 9 ，2 m 、基于瞬 时无功功率理论的检测方法【2 1 2 2 2 3 1 ，这些谐波检测方法经过不断的改进，已经比 较成熟，但是并没有一种理论可以广泛的适用于各种情况，每种检测方法都有一 定的适用范围和误差，同时新的谐波检测方法也在不断的研究之中。 有源滤波器通过检测获得参考信号后，a p f 接下来的任务就是实时跟踪参 考信号了，这就要求对a p f 的控制有很好的快速性和准确性。从传统控制理论 的角度来看，参考信号获取是给定，p w m 逆变器是功率放大器，主电路中的无 源部分是执行机构，电网及负载是被控对象，控制要做的工作只是设计控制器来 提高控制系统的性能。文献【2 4 ，2 5 】介绍的滞环控制方法以参考信号为基准，设计 一个滞环带，当实际的补偿电流欲离开这一滞环带时，逆变器开关动作，使实际 补偿电流保持在滞环带内，围绕其参考值上下波动。这种方法相当于在求取开关 模式时引入了b a n g b 孤g 控制算法，具有控制电路简单、响应速度快的优点， 是应用最广泛的电流跟踪控制方法之一【2 6 ，2 7 1 。但这种方法存在开关频率不固定、 稳态误差不可消除的缺点。许多近期文献【2 8 】提出各种措施，对这种方法有一些 改进。文献 2 9 ，3 0 ，3 l 】分别提出了几种不同拓扑结构a p f 的滑模变结构控制方法， 通过判别电流跟踪误差在切换曲面两侧中的哪一侧，直接选取相应的开关模式， 控制率简单，系统响应迅速。而且，由于滑动模具有不变性【3 2 ，3 3 1 ，使得系统的 鲁棒性较强。但是，现有的a p f 滑模变结构控制中，均是以跟踪误差为0 构造 切换曲面，控制率中只定义了误差不为o 的情况。因此，该控制率类似于环宽为 o 的滞环控制率，属于有差调节，即误差为o 时没有控制量产生，直到误差不为 o 时控制器才会被激活。另外常见于相关文献报道的控制算法包括基于无差拍控 制方法【3 4 1 、线性电流控制方法【3 5 1 、单周控制法以及近年来一些智能控制算法 l o 工程硕士学位论文 1 3 6 3 7 1 这些算法的出现对于a p f 的发展起了很大的促进作用。 1 4 3a p f 的数字化控制技术发展 传统的有源电力滤波器采用的是模拟控制系统，模拟控制的缺点也是显而易 见的。例如现在许多有源电力滤波器采用基于瞬时无功功率理论的d q 方法【3 8 】 计算谐波和无功电流，采用模拟器件需要八个硬件乘法器。为满足精度要求，通 常需选用高性能的四象限模拟乘法器。因此电路复杂，且性能不稳定。 为了改善有源电力滤波器的控制性能，有人开始使用单片机对有源电力滤波 器进行控制，将非线性负载的三相电流送入a d ，转换后的信号送入单片机进行 数字控制算法处理，计算出指令电流，通过i ，o 口或p w m 口直接发出开关控制 信号。单片机的应用向数字化迈进了一步，但由于单片机运算速度的限制，影响 计算精度和控制实时性。 高速数字信号处理器( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ，d s p ) 的出现使采用数字方法 实时计算谐波和无功电流变得更为现实。在基于d s p 控制的有源电力滤波器中， 将非线性负载的三相电流直接送入d s p 内部的a d ，d s p 进行处理后通过控制算 法计算出的控制指令电流，从p w m 输出口直接发出开关控制信号用数字的方 法实现谐波和无功电流的计算，能很好的解决模拟方法由于元器件老化和温漂带 来的问题，抗干扰能力也大大增强；由于d s p 芯片强大的运算能力，先进的控 制理论可以得以实现，由于只需更改软件，系统变得更加简单。 图1 6 给出了一个典型的d s p 控制a p f 系统的结构图。 图1 6 典型的d s p 控制 p f 系统结构 采用d s p 来控制有源电力滤波器，主要具有以下优点： ( 1 ) 运算速度快。由于通常的d s p 都具有2 0 m i p s 以上的指令执行速度，用 来计算谐波和无功指令电流延迟很小，同时可以在较短的时间内实现复杂的控制 算法； ( 2 ) 可重复性好。d s p 系统中设计人员在开发过程中可以灵活方便地对软件 进行修改和升级，甚至算法的改变，而模拟系统要改变算法的工作量将是巨大的； 贵冶电网谐波治理技术与工程应用 ( 3 ) 稳定性好。d s p 系统以数字处理为基础，受环境温度以及噪声的影响较 小，可靠性高； ( 4 ) 精度高。1 6 为数字信号处理器精度可达1 0 ： ( 5 ) 集成度高。一块d s p 芯片基本无需外接扩展芯片即可完成系统的信号的 采集、控制算法以及p w m 的调制输出。 1 4 4 论文的研究背景和主要内容 本论文研究的内容属于国家自然科学基金项目“大功率混合型有源电力滤波 器难点问题研究( 6 0 4 7 4 0 4 1 ) ”的一部分，该项目是针对国内外电力有源滤波器 研究的发展现状提出来的，为解决复杂供电系统中谐波及其补偿的问题作一些应 用基础性工作。同时，本课题也是江西铜业公司贵溪冶炼厂的重大技改项目，所 以本论文是在国家自然科学基金项目的基础上，针对贵溪冶炼厂的实际情况研制 的基于d s p 的新型单独注入式有源电力滤波器。贵溪冶炼厂1 1 0 k v 变电站电网 谐波非常严重，对电网的安全稳定运行造成了很大的危害，因此非常有必要进行 谐波治理。本文研制的单独注入式有源电力滤波器除了滤除贵冶电网的主要谐波 成分以外，还具有一定的无功补偿能力。 本论文的主要研究内容如下； 第l 章为绪论。首先介绍了谐波的产生及其危害、电网谐波抑制措施及发展 状况，综述了有源电力滤波器在拓扑结构、谐波检测及控制策略三方面的相关情 况，以及本文的组织结构。 第2 章阐述了应用滤波器进行被动滤波的一般原理，对谐振型混合有源电力 滤波器r t h a p f 进行了原理分析，并分析了r t h a p f 在各种情况下的补偿性能。 第3 章分析了常用的谐波检测方法，并介绍了多通道谐波监测及故障录波一 体化装置的硬件、软件构成和关键技术。 第4 章详细阐述了整个有源电力滤波系统装置的具体研制及其现场的应用 情况，并通过运行数据证明系统设计达到了预期要求。 第5 章对全文进行了总结，得出结论。并就进一步的研究工作进行了展望。 工程硕士学位论文 第2 章新型大功率混合有源电力滤波器 由于l c 单调谐无源滤波器在滤波性能方面存在固有的缺陷，进入8 0 年代 以后，随着有源滤波技术的不断深入和用户对谐波问题的重视，以及电力电子技 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，有源电 力滤波器a p f 作为抑制电网谐波、补偿供电系统无功功率的新型电力电子装置 得到迅速发展。 受开关器件容量和成本方面的限制，单独使用有源滤波器并入高压电网运行 的情况比较少，解决这一瓶颈问题的方案就是与l c 无源滤波器同时使用，构成 混合型大功率有源滤波器( h i g h - c a p a c i t yh y b r i dp o w e rf i l t e r ，h a p f ) 。大部分谐 波补偿任务由无源滤波器承担，而有源滤波器只承担小部分的谐波补偿任务。两 者联合使用，既可克服有源滤波器容量要求大、成本高的缺点，又可使整个滤波 系统获得良好的性能。 2 1 滤波器的滤波原理 事实上，无论是无源滤波器p f ，还是有源滤波器a p f ，包括混合有源滤波 器h a p f ，从根本上讲，它们都是基于简单的电路原理的。在众多的滤波器中， 它们的滤波原理只有两种：分压原理和分流原理。同时，这两种原理也对应着不 同的滤波目的，分压原理的目的是减小谐波电压，而分流原理的目的是减小谐波 电流。 ( 1 ) 分压原理 + 一 图2 1 分压原理 如图2 1 所示，首先假设虚框内阻抗为零，系统的电路方程为 u l = u = z 。， ( 2 1 ) 这里以大写字母表示电量的向量形式( 本章节以下与此同) 。为了减小阻抗z 1 承受的电压材。，在虚框内串入阻抗z 2 ，此时系统的电路方程为 l u = z 2 ，+ u l ，：旦 ( 2 2 ) 【z i + z 2 贵冶电网谐波治理技术与_ t 程应用 由此可得 u ：土u ( 2 3 ) 五+ z 2 可见，此时却。减小了，z ：起到了分压的作用。 同理，如果“为谐波电压源，为了减小加在阻抗为五的负载或者电网支路上 的谐波电压，也可以在该负载或电网支路串联一个谐波阻抗，以起到分压的作用。 图2 2 利用分压原理的串联 p f 如图2 2 ，在现有的滤波器当中，单独使用的串联型有源滤波器以及包含直 接接入电网的串联有源滤波器的混合有源滤波器都是采用了分压原理的，这些混 合有源滤波器包括串联a p f + 并联p f 的混合有源滤波器，以及统一电能质量调 节器u p q c 等。这种滤波器相当于在负载端与系统电网之间串连一个很大的谐 波阻抗，使得负载端产生的谐波电压绝大部分降落在这个等效阻抗上而不进入系 统电网，因此，这种滤波器能很好地对谐波电压源进行治理。 ( 2 ) 分流原理 图2 3 分流原理 由图2 3 ，系统的电路方程为 i = i l 七i t u = z 1 ( 2 4 ) 【，= z ：l 由此可得 = 三l j ( 2 5 ) z l + z 2 可见，可以通过增大主支路的阻抗z l 和减小分流支路的阻抗z 2 来减小流入 1 4 工程硕士学位论文 主支路的电流。阻抗z ：起到了分流的作用。 同理，若电流源f 为负载端产生的谐波电流源，通过在负载与系统电网之间 并联谐波阻抗，只要并联支路的谐波等效阻抗z ，足够小，就可以使得负载端产 生的谐波电流f 绝大部分通过并联支路滤除而不流入系统电网。该并联阻抗起到 了支路分流的作用。 在现有的滤波器中，几乎所有的谐波电流滤波器都是采用这种原理，其中最 基本的r l c 单调谐无源滤波器p f 如图2 4 。 一u k ( b ) 图2 4r l c 串联谐振支路及其幅频特性曲线 图2 4 ( a ) 的r l c 阻抗为 z ：盖+ 一，+ 士：r + ，塑 j w c w c 其对应的幅频特性曲线如图2 4 ( b ) 所示。当输入频率 1 ，一2 丽 时，阻抗( z = r ) 取得最小值。 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 在实际工程应用中，将r l c 根据现场的谐波和无功功率补偿情况调谐为某 特征次数谐振，与负载对象并联，因为r 值一般为电感l 的等效电阻，当r i z 。+ 瓦l 时，由产生的谐波电流将不会很大，不会造成p f 的 过载。 。 根据叠加原理，由式( 2 1 1 ) 、( 2 1 2 ) 和( 2 1 4 ) 、( 2 1 5 ) 可得，当z 。非常 大时，i 汀h a p f 可达到理想的滤波特性，如下所示： - o ( 2 1 6 ) p c = z n i u + u z l ， 图2 1 0 r t h p f 对“f 的单相等效电路 对基波电压“而言，r t h a p f 的单相等效电路如图2 1 0 。由式( 2 8 ) 可知， 有源部分只流过谐波电流，而没有基波电流流入同时，因为p f 要进行无功补 偿，有一定的基波无功电流0 流过乙由于r t h a p f 的有源部分被控制为谐波 电流源，对基波而言相当于断路，而f s r c 的基波阻抗z 掣近似为o ，所以白将 贵冶电两谐波治理技术与工程应用 全部流入f s r c ，即 k = 如 ( 2 1 7 ) 则加在有源部分的基波电压为， = z 可毛* o ( 2 1 8 ) 可见，理论上r t h a p f 的有源部分既不承受基波电压，也没有基波电流流 入，基波容量为o 。因此，其开关器件的功率等级可以大大降低，从而减小初期 投资。 2 3 r t h a p f 的补偿特性分析 2 3 1 有源部分作为谐波电压源时的补偿特性 图2 1 1r t h p f 控制为谐波电压源时的单相等效电路 将l 汀h a p f 有源部分电压控制为电压源 雄c 掌z 肭f 册 ( 2 1 9 ) r t h a p f 的单相等效电路如图2 1 l 。此时的r t h a p f 相当于在电网支路串 联了一个阻抗z 。因此，在如式( 2 1 9 ) 的控制方式下，由谐波源产生的谐波 电流将更多地流入p f ，当z 。足够大时，注入电网的谐波电流将接近于零。 但是，由于f s r c 的谐波阻抗z 。随谐波频率的不同而不同，并不是一个固 定值，也没有一个以整体谐波( 各次谐波分量之和) 为自变量的一个表达式， 所以式( 2 1 9 ) 只适用于对少数几个含量较大的谐波分量进行选择性治理。比如， 对2 次、3 次、5 次谐波，可以有 甜c = z 矾2 + z ，+ z r ，5 ( 2 2 0 ) 这必须将需要补偿的各谐波分量单独检测出来，比较复杂。因此，式( 2 1 9 ) 实现起来是比较困难的。 图2 1 2 r t h p f 对甜g 的单相等效电路 2 0 工程硕士学位论文 r t h a p f 的有源部分若控制为一个理想的谐波电压源，则对于基波电压“。而 言，它相当于短路( 如上图2 1 2 ) ，虽然并联的f s r c 的基波阻抗也非常小，但 是流过p f 的基波电流仍将全部流入i 汀h a p f 的有源部分。 实际上，有源部分有一定的阻抗，包括逆变器的损耗、输出滤波器、耦合变 压器等，因此只要这些部分的等效基波阻抗乙远远大于z 。，流