（电气工程专业论文）铁合金矿热炉供电系统谐波检测及抑制方法研究.pdf

原创性声明 m 1 i i1111i i ii i ii i1 1 1 11 1 1 1 1 1 y 1719 6 9 2 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名：垒起磊日期：丝年月笪日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：垒垫磊 导师签名举趣蕴 日期：上乏年月竺日 摘要 铁合金矿热炉负载特性非线性及常有短路运行方式发生，使其供 电系统出现谐波，为了减少谐波对电网的影响，对其进行谐波补偿是 非常必要的，而谐波补偿的前提就是准确快速的检测出电网谐波分 量。分析了模拟滤波算法、快速傅里叶变换法、自适应滤波器算法和 瞬时无功功率法等电网谐波检测方法，通过比较分析各种检测方法的 优缺点，针对三相铁合金矿热炉供电网的实际情况，采用基于瞬时无 功功率理论的乇芘检测法对三相铁合金矿热炉供电系统的谐波进行 检测，并在此基础上进行了多项改进。该算法通过在谐波检测电路中 加入倍频器实现任意次谐波的检测，并采用改进的变步长自适应滤波 器代替传统的b u t t e r w o r t h 滤波器作为谐波检测电路中的低通滤波器， 提高了谐波检测的动态响应速度和谐波电流的检测精度。并通过分别 检测谐波的正、负序分量实现了三相负载不对称时谐波电流的检测， 仿真实验证实了本文检测算法的正确性和有效性。 介绍了谐波抑制技术，分析了无源滤波器和有源滤波器的特点， 研究了并联有源滤波器电流控制方法，确定采用三角波比较控制策 略。最后将谐波检测方法和补偿电流控制策略结合形成了三相三线制 并联有源电力滤波器，m a t l a b 仿真实验结果表明了该方法具有良 好的谐波抑制特性。 关键词：电力谐波；瞬时无功功率理论；自适应滤波器；有源电 力滤波器 a b s t r a c t f e r r o a l l o ys u b m e r g e da r cf u m a c el o a dh a sn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s a n di to f t e nr u ni nas h o r tc i r c u i tw a ys ot h a th a r m o n i c sa r ec a u s e d i n o r d e rt or e d u c et h eh a r mc a u s e db yh a r m o n i cp r o b l e m ，h a r m o n i c s u p p r e s s i o ni sn e c e s s a r y h a r m o n i cs u p p r e s s i o nc a nb ec a r d e do u to n l y w h e nt h eh a r m o n i ci sa c c u r a t e l ya n dr e a l t i m ed e t e c t e d l r i o u sh a r m o n i c d e t e c t i o nm e t h o d s ，i n c l u d i n ga n a l o gf i l t e r i n ga l g o r i t h m ，f f tt r a n s f o r m ， a d a p t i v ef i l t e ra l g o r i t h m ，i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rm e t h o da n ds oo n ， a r e a n a l y z e d ，a n dt h o s eh a r m o n i cd e t e c t i n g m e t h o d sa r ec o m p a r e d t h r o u g ha n a l y z i n gh a r m o n i cc h a r a c t e r i s t i c si nf e r r o a l l o ys u b m e r g e da r c f u m a c ep o w e rs u p p l yn e t w o r k ，a 昂一m e t h o db a s e do ni n s t a n t a n e o u s r e a c t i v ep o w e rt h e o r yi s p r o p o s e df o rt h e d e t e c t i o no fh a r m o n i ci n f e r r o a l l o ys u b m e r g e da r cf u m a c ep o w e rs u p p l yn e t w o r k ，a n ds e v e r a l i m p r o v e m e n t sa r ep r o p o s e d i nt h en e wa l g o r i t h m ，am u l t i p l i e ri sa d d e d i nt h ed e t e c t i n gc i r c u i ts ot h a n ta n ys u b h a r m o n i cc a nb ed e t e c t e d ，w h i l ea n e wv a r i a b l es t e p s i z ea d a p t i v ef i l t e ri su s e da st h el o w - p a s sf i l t e ri nt h e h a r m o n i c sd e t e c t i o nc i r c u i ti n s t e a do ft r a d i t i o n a lb u t t e r w o r t hl o w p a s s f i l t e rs ot h a tt h ed y n a m i cr e s p o n s es p e e da n da c c u r a c yo ft h eh a r m o n i c d e t e c t i o na r eb o t hi m p r o v e d t h r o u g hd e t e c t i n gt h ep o s i t i v ea n dn e g a t i v e s e q u e n c ec o m p o n e n t ，h a r m o n i ci nn e t w o r kw i t ht h r e e p h a s ea s y m m e t r i c l o a dc a nb ed e t e c t e d s i m u l a t i o n sp r o v et h a tt h ep r o p o s e dh a r m o n i c c u r r e n td e t e c t i o nm e t h o di sc o r r e c ta n de f f e c t i v e t h eh a r m o n i c s u p p r e s s i o nt e c h n i q u e s a r ea l s o d e s c r i b e d ，a n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h et h ep a s s i v ef i l t e ra n da c t i v ef i l t e ra r ea n a l y z e d c u r r e n tc o n t r o lm e t h o d so fp a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e ra r er e s e a r c h e d ，a n d t h eh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o lm o d ei sc h o s e na st h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g y a tl a s t b a s e do nt h ea b o v eh a r m o n i cd e t e c t i o na p p r o a c ha n dc u r r e n t c o n t r o lm e t h o d at h r e e p h a s et h r e e 1 i n ep a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e ri s d e v e l o p e d ，a n d s i m u l a t i o nr e s u l t sv e r i f yt h eg o o dc o m p e n s a t i o n c h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c eo ft h em e t h o d k e yw o r d s ：h a r m o n i c si np o w e rs y s t e m ，i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v e p o w e rt h e o r y ，a d a p t i v ef i l t e r ，a c t i v ep o w e rf i l t e r l l 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 铁合金矿热炉供电系统1 1 1 1 矿热炉简介1 1 1 2 矿热炉供电系统l 1 1 3 电极升降系统。4 1 1 4 矿热炉供电系统谐波。4 1 2 谐波检测及抑制研究现状。5 1 2 n 皆波检测研究现状5 1 。2 2 谐波抑制研究现状7 1 3 课题来源及研究意义。9 1 4 论文的主要研究内容和章节安排9 第二章电力谐波检测方法分析1 1 2 1 电力谐波检测技术分析1 1 2 1 1 模拟滤波器检测方法1 1 2 1 2 基于快速傅里叶变换分析法1 1 2 1 3 自适应谐波检测方法1 4 2 2 瞬时无功功率理论在谐波检测上的应用1 5 2 2 1 少g 检测法1 7 2 2 2i p i q 检测法1 7 2 3 本章小结l8 第三章基于瞬时无功功率的矿热炉供电系统谐波检测算法2 0 3 1 自适应滤波器的应用2 1 3 1 1b u t t e r w o r t h 低通滤波器的特点2 l 3 1 2 自适应滤波器原理2 2 3 1 3 改进的自适应滤波器2 3 3 1 4 步长更新算法2 4 3 1 5 仿真验证2 5 3 2 三相不对称时谐波检测2 9 3 2 1 正序分量检测3 0 3 2 2 负序分量检测31 3 2 3 仿真验证31 i i i 3 3 本章小结3 3 第四章谐波抑制技术3 4 4 1 电力谐波抑制技术3 4 4 1 1 主动型谐波抑制3 4 4 1 2 被动型谐波抑制3 4 4 2 有源电力滤波器的原理及结构3 6 4 2 1 有源电力滤波器的原理3 6 4 2 2 并联型有源滤波器3 6 4 2 3 串联型有源电力滤波器3 7 4 - 3 并联型有源电力滤波器的控制策略3 9 4 3 1 滞环比较控制方式3 9 4 3 2 三角波比较控制方式4 0 4 4 本章小结4 0 第五章矿热炉供电系统谐波抑制方法及仿真研究4 1 5 1 有源电力滤波器的主电路设计4 1 5 2 有源电力滤波器在矿热炉供电系统的应用仿真4 5 5 2 1 三相负载平衡时的谐波抑制仿真4 5 5 2 2 三相不平衡时的谐波抑制仿真4 8 5 3 本章小结51 第六章总结与展望5 2 6 1 本文总结5 2 6 2 展望5 2 参考文献5 3 致谢5 7 攻读学位期间发表的论文及参与的项目5 8 i v 硕士学位论文绪论 1 1 铁合金矿热炉供电系统 1 1 1 矿热炉简介 第一章绪论 矿热炉又称电弧电炉或电阻电炉。其主要用来还原冶炼矿石，碳质还原剂及 熔剂等原料。主要生产锰铁、硅铁、钨铁、铬铁、硅锰合金等铁合金，这些都是 冶金工业的重要工业原料和电石等化工原料。矿热炉采用碳质或镁质耐火材料作 炉衬，使用自培电极，电极插入炉料中进行埋弧操作，利用电弧的热量及电流通 过炉料产生的能量来熔炼金属，在冶炼过程中陆续加料，间歇式出铁排渣【l 2 1 。 三相交流电通过矿热炉变压器、短网系统、三相电极输入炉内，因为炉料的导电 性较差，电极能够插入炉料内部，于是在料层产生电弧热，同时电流流过炉料时， 由炉料电阻产生了大量的热量，电弧电阻和熔池电阻组成了电弧炉的操作电阻， 操作电阻是矿热炉的有效负载。 矿热炉耗电量巨大，它和炼钢电弧炉有很多不同点：矿热炉存在电弧现象但 实际表现和电阻炉类似，矿热炉炉料在冶炼过程中发生复杂的物理化学变化，于 是炉料的组成很不均匀。绝大多数矿热炉是连续生产作业的，炉料随着不断消耗 而少量加入，电极也随着下端的不断消耗而逐渐插入炉内，在电极下端部与炉料 的气体层之间生成电弧，形成一个高温反应区，这个反应区称为“坩埚”，炉内 冶炼反应主要是在电极附近的“坩埚”中进行的。当炉内温度较高时，三相电极 的“坩埚”连成一个整体，形成统一的“坩埚 ，“坩埚”下部是气体空腔，坩 埚的上部是由炉料形成的“坩埚”盖，“坩埚 壁和“坩埚”盖不断融化，并在 炉料重力的作用下，被上面的新料所代替。随着冶炼的不断进行，炉内还原反应 产生的铁水增加，大量导电性的铁水在炉内积存，因此每隔一定时间，应打开出 铁口出铁。 1 1 2 矿热炉供电系统 图1 1 为湖南铁合金厂1 0 3 # 硅锰合金矿热炉的供电系统图，可以看出，l o k v 母线侧接入一台三相矿热炉变压器，其高压侧采用三相三线制连接方式，低压侧 每相出线端至电极的起弧端点形成一个短网系统，短网系统连接到三相电极。 硕士学位论文绪论 1 j i 由审， 鸯 屯z l i 。l 图1 - 1 矿热炉供电系统 电极是矿热炉系统中关键的部分，三相电极把经过矿热炉变压器送来的三相 电流输入炉内，通过三相电极下部的电弧、熔池电阻把电能转化成热能而进行高 温冶炼的。矿热炉电极多数采用带铁皮外壳的连续自焙电极，并把电极糊填充在 铁壳里面。电极糊是由无烟煤、石油焦或冶金焦作为骨料，适当加入石墨屑，用 煤焦油沥青或配加煤焦油作粘合剂充分混匀制成。开始电极糊未经焙烧，电阻很 大，大部分电流都由外围的铁壳负担。随后电极糊在逐渐下降过程中经过高温焙 烧固化，电阻明显下降，这时才能承担所有的电流。电极下端在炉内慢慢消耗， 上端铁壳又可重新接长，再填入一些电极糊，如此连续进行。 短网指的是从矿热炉的电极夹持器到电炉变压器二次侧出线端的一段三相 电路系统，它是矿热炉电气回路中的重要部分之一。由于矿热炉供电电路的大电 流特性以及空间布置的需要，短网系统由很多种不同种类的导线组成，主要包括 软电缆、导电铜排、导电铜管三部分。短网中要通过数千乃至几万安的大电流， 因此短网系统对提高功率因数、减少设备的功率损失、以及平衡三相功率都起着 至关重要的作用。 矿热炉变压器是一种用于电炉冶炼的特种变压器。电炉变压器机械强度高， 过载能力大，并且具有2 0 3 0 的过载容量。且一般带有有载调压开关，可以 在冶炼过程中对二次电压进行分相有载调节，根据炉况随时调节电气参数。 2 硕士学位论文 绪论 表1 1 和表1 2 分别给出了湖南铁合金厂1 0 3 # 矿热炉变压器的基本铭牌参数 和额定容量参数，其高压侧电压为1 0 k v 。 表1 - 11 0 3 # 矿热炉变压器铭牌参数 型号 h k s s p z 1 6 5 0 0 1 0 容量 接线方式 一次侧额定电压 一次侧额定电流 二次侧电压等级 二次侧额定电流 短路阻抗 空载损耗凡 低压侧空载电流 短路损耗r 1 6 5 0 0 k 翊 d o ，d o 1 0 k v 9 5 0 a 1 0 4 ，1 0 8 5 ，1 1 3 5 ，1 1 9 ，1 2 5 ，1 2 8 ，1 3 1 5 ， 1 3 5 ，1 3 9 ，1 4 3 ，1 4 7 ，1 5 1 5 ，1 5 6 ，1 6 1 7 0 0 0 0 , - , 5 9 2 0 0 a 7 6 1 1 6 4 k w 2 1 3 0 k w 表1 - 21 0 3 # 矿热炉变压器额定容量参数 3 硕士学位论文 绪论 由表1 1 和表1 2 可以看出，矿热炉变压器的负载连续、平稳，阻抗电压低， 调压级数较多，级差较小，但需要较强的过载能力。该矿热炉变压器采用了有载 调压方式，且8 级电压等级后才能实现满额定功率输出。 通过现场调研，总结出矿热炉供电系统的负载特性如下： ( 1 ) 功率因数较低。由于矿热炉供电系统中短网的存在，使得其供电系统的 功率因数很难达到0 8 以上，大部分情况下的功率因数都在o 7 o 8 之间。低功 率因数说明系统消耗了大量的无功，使得矿热炉供电系统的供电效率降低。 ( 2 ) 三相负载不平衡。由于三相短网在分布和长度上有很大不同，导致了三 相负载严重不平衡，从而造成了电能转移以及三相电流和功率不平衡，由此导致 了三相电极存在强弱相，强弱相的存在使得三个电极周围的温度场存在较大差 别，不利于铁合金冶炼的顺利进行。 ( 3 ) 谐波污染严重。由于电极和熔池负载的非线性以及短路运行方式的存 在，导致高次谐波的产生。这些谐波使得矿热炉变压器产生附加损耗，严重影响 变压器的工作性能和运行效率，且缩短了其使用寿命。且谐波馈入高压侧，对整 个电网也会产生很大的影响。 1 1 3 电极升降系统 电极升降系统是矿热炉的主要设备之一。电炉负载的大小与电极下端对金属 熔池或炉底的距离有关，电极插入炉料深，电阻值就小，反之，电阻值就大，所 以这个电阻是一个可变电阻，称为“操作电阻 。通过升降电极，可以调节电阻 值的大小，进而调节了电极负载电流和入炉功率的大小。然而电极插深与操作电 阻值并不是线性关系，在铁合金生产中，由于电极同炉料的接触性短路、炉料的 崩塌、炉料成分的气化、剧烈的化学反应等原因，会引起负载的很大波动。 1 1 4 矿热炉供电系统谐波 矿热炉供电系统的负载主要由电极和熔池组成，电极随着其自身的焙烧，负 载不断变化，且呈非线性；熔池内炉料在冶炼过程中发生复杂的物理化学变化， 导致其阻抗不断变化，电极的升降也使得熔池阻抗不断变化，电极和熔池均为非 线性负载，这些都导致了高次谐波的产生，谐波会在变压器内部产生附加损耗， 发热、振动与噪音，对矿热炉变压器的工作性能造成了很大的不利影响，降低了 其运行效率和使用寿命。这些高次谐波进入电网后，对电网也会产生较为严重的 谐波污染。 对图1 - 1 中的铁合金矿热炉供电系统进行电能质量的现场测试。测试点为供 电系统1 0 k v 母线处，测试装置采用三相三线制接线，测试的主要内容为电路稳 4 硕士学位论文 绪论 态时的交流电压、电流、三相功率、功率因数、谐波电压、谐波电流等。表1 3 为测试结果。 表1 - 31 0 3 # 矿热炉供电系统测试结果 测试项目结果 有功功率肌w 无功功率q k v a r 视在功率s k v a 功率因数 a 相电压有效值州 b 相电压有效值删 c 相电压有效值啪 a 相电流有效值厶a b 相电流有效值厄a c 相电流有效值c a 相电流基波有效值a 相电流2 次谐波有效值a 相电流3 次谐波有效值a 相电流4 次谐波有效值a 相电流5 次谐波有效值a 相电流6 次谐波有效值a 相电流7 次谐波有效值a 由测试结果可以看出，1 0 3 # 矿热炉供电系统主要存在以3 次谐波为主导的奇 次谐波，主要为3 次和5 次谐波，3 次谐波含量6 3 5 ，5 次谐波含量4 ；偶次 谐波及较高次谐波含量很少，含量小于0 7 。 1 2 谐波检测及抑制研究现状 1 2 1 谐波检测研究现状 最近几十年，各种各样的谐波源纷纷出现，谐波现象逐步向综合性、系统性 方向发展，谐波的不利影响不仅涉及到了工作和生产，同样也和人们的生活息息 相关。谐波想象的研究，已经不仅局限在电力系统方面。当前，谐波现象的研究 开展得如火如荼，围绕谐波研究领域的各种各样的国际会议为谐波的研究和交流 建立了很好的平台。 近些年来，各种各样的非线性负载不断增加，这些情况直接导致了谐波含量 一一嘶m m姗心肌|姜娜猢躬 硕士学位论文 绪论 的增加，有很多电力网络的谐波含量已经超过了国家规定允许的标准。在这个背 景下，很多研究部门、大专院校都加入了研究谐波的行列。目前，我国学者针对 谐波开展的研究主要集中在以下几个方面【3 - 1 0 ： 1 电力模型和模型精度方面的研究。非线性负载的模型现在只是比较大概 的描述，这就需要人们努力研究更加精确的模型。 2 谐波源特征方面的研究。很多类型的谐波源都能看作电流源，但并不是 全部的谐波源都是理想的电流源。于是，需要投入更多的精力来研究谐波源的特 征。 3 谐波检测方法方面的研究。电力谐波的特征和参数用传统的计算方法是 很难得到的，因此谐波的检测方法的研究是至关重要的。 4 谐波电压和谐波电流方面的研究。电力系统每个部件的模型对计算结果 都有很大的影响，现在在负载模型方面的研究工作开展得还不够深入。电力系统 中各个部件的谐波阻抗十分复杂，而且各种谐波发生源具有多变性和多样性的特 点，这些情况的存在都给谐波分析工作造成了很大的困难。 5 谐波抑制方面的研究。理论上，进行抑制谐波最好的方法是在谐波发生 源处采取抑制措施。一种方法是在谐波源处加装滤波器，目前普遍采用l c 无源 滤波器，而静止无功补偿装置和有源电力滤波器也不断投入应用；另外一种方法 增加整流设备的相数，用这种方法来减少谐波含量。 6 谐波危害的研究。主要研究方向是谐波对电力设备运行的影响：对通讯 设备的干扰；对继电保护装置和自动装置的影响；对电量计量及电力仪表的影响； 增加电网损耗等。 检测谐波和进行谐波抑制的前提是谐波快速检测算法的研究。谐波检测方法 主要有以下几种【l i 1 2 】： 1 模拟滤波法 早期的谐波检测方法主要是采用传统的模拟滤波器。第一种方法是用带阻滤 波器过滤掉基波分量，从而得到谐波分量；另外一种方法是采用带通滤波器得到 基波分量，再用被检测对象减去基波分量，得到谐波分量。这种检测方法具有电 路设计比较简单，成本较低，滤波效果便于控制的优点。但这种方法也存在很多 缺点，例如误差较大、对电网频率波动和电路元件参数十分敏感等。 2 傅里叶变换法【1 3 1 6 1 傅里叶变换法在当前的谐波检测领域应用比较广泛。很多谐波检测装置都是 运用的该方法。该方法的基本原理是以傅里叶变换为基础的，首先对被检测的模 拟信号进行采样，转换成离散的数字信号，输入计算机对其进行傅里叶变换，通 过计算就可以得出各次谐波的特征，包括幅值和相位，从而检测出各次谐波。 6 硕士学位论文绪论 优点：思路比较简单，且应用成熟。 缺点：实时性较差，采样同步问题会造成频域泄漏现象，对谐波检测效果造 成很大影响。 3 瞬时无功功率理论分析法【1 7 五o j 该检测方法以日本学者赤木泰文提出的瞬时无功功率理论为基础，首先通过 计算得出瞬时有功功率p 和瞬时无功功率g ，再利用低通滤波器( l p f ) 得到瞬时 有功p 和瞬时无功q 中的直流分量，最后通过反变换得到被检测电流的基波分量， 用被检测电流减去基波分量则可以得到谐波分量。该理论经过发展完善又补充了 瞬时有功电流f d 和瞬时无功电流i q 等物理量。目前基于该理论的检测方法有p q 法和o f q 法。 优点：谐波检测实时性好，有比较强的抗干扰能力。 缺点：早期的p q 法只适用于三相电压无畸变、且三相对称情况下的谐波电 流和基波无功电流的检测。但后来发展起来的i p f q 法已经克服了这个缺点，对电 压畸变和三相不对称情况下的谐波都可以准确的检测。 4 基于自适应滤波器的方法【2 1 2 7 】 一般情况下，需要用一个参考信号来定义滤波器的性能指标，这个参考信号 一般在设计固定滤波器的步骤中有所体现，即设计固定滤波器需要知道输入信号 和参考信号的全部特性。但是在实际情况下，要想掌握输入信号的全部特征是很 困难的，此时可以利用自适应滤波器来解决这个问题。自适应滤波器可以只利用 环境中的可用信息，通过特定算法不断在线修正滤波器权系数，最后提取出有用 信号。 优点：测量精度较高，能测量任意整数次谐波，自适应能力强。 缺点：动态响应较慢。 5 基于神经网络的方法【2 8 3 1 】 基于神经网络的谐波检测方法的理论依据主要是神经网络的逼近能力和学 习理论，通过不断的训练来修正权值。该方法实现的主要过程为：以被检测电流 的采样数据直接作为神经网络的输入，以要获得谐波次数作为神经网络的输出。 优点：测量精度较高，计算量较少，实时性较好，能测量任意整数次谐波。 缺点：该方法在谐波检测方面的应用目前还处于探索阶段，还存在一些不足。 如没有规范的确定样本数的方法，没有规范的神经网络结构方法等。 1 2 2 谐波抑制研究现状 目前谐波抑制主要有两种途径3 2 l ： 1 主动型谐波抑制。改进电力电子设备本身，使其产生的谐波量减少或不产 7 硕士学位论文绪论 生谐波。例如：在大功率整流装置中，采用多绕组变压器的多脉整流或准多脉整 流；在中小功率整流装置中，采用脉宽调制技术的整流电路功率因数校正电路已 经在开关电源中获得了广泛应用。 这种方法有成本高、效率低的缺点。同时，在采用脉宽调制技术的电力电子 设备中，还会产生额外的高次谐波。 2 被动型谐波抑制，被动型指的是通过外加设备达到抑制谐波的目的，即安 装无源电力滤波器、有源电力滤波器或混合型电力滤波器进行滤波。采用电力滤 波器就地吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波的有效措施，也是电力系统 中谐波抑制广泛采用的方法。 1 无源电力滤波器 此方法主要是在电力系统中安装l c 无源调谐滤波器。具体实现方法是在电 力电子装置的交流端安装l c 无源调谐滤波器，并使l c 调谐回路的谐振频率和 需要补偿的谐波的频率相同，即可滤除该次谐波。此方法既可以补偿谐波，又可 以补偿无功功率，且构造简单，一直广泛使用。但该方法也存在很多缺点【3 3 3 4 1 ： ( 1 ) l c 滤波器对电网本身的参数十分敏感，一般只能滤除固定的谐波，当电 网参数发生变化时，滤波效果不稳定； ( 2 ) l c 滤波器可能会和电网阻抗发生并联谐振，致使谐波放大，使l c 滤波 器过载，甚至烧毁； ( 3 ) 由于电网中谐波一般含有多个频率的高次谐波，因此需要设置多个l c 滤 波器。 因为l c 无源滤波器存在上述的不足，已经不能满足现阶段谐波抑制的要求。 随着电力电子技术的迅速发展和大功率电力电子器件的产生，有源电力滤波器 ( a c t i v ep o w e rf i l t e r , 简称a p f ) 逐渐崭露头角，并不断发展，有成为补偿电力谐波 主力设备的趋势。 2 有源电力滤波器 目前，采用有源电力滤波器进行谐波抑制是一种趋势。有源电力滤波器是一 种动态抑制谐波的新型电力电子装置。其基本原理是向电网中注入与谐波电流幅 值相同、相位相反的补偿电流来抵消电网中的谐波，从而达到抑制谐波的目的。 采用有源电力滤波器可以获得比传统方式更好的补偿性能，并且具有以下优点： ( 1 ) 既可补偿谐波又可补偿无功功率，并可以对补偿容量进行连续调节； ( 2 ) 可以补偿频率和大小都变化的谐波，能够快速跟踪谐波的变化； ( 3 ) 对电网阻抗不敏感，基本上不会和电网发生并联谐振； ( 4 ) 3 1 偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波电流时所需的储能元件容量 也较小： 8 硕士学位论文 绪论 ( 5 ) 既可以对单个谐波进行补偿，也可以对多个谐波进行集中补偿。 综上所述，有源电力滤波器可以得到更优越的补偿特性，且随着现代科学技 术的发展，有源电力滤波器的成本也不断下降。基于有源滤波器的上述优点，采 用有源电力滤波器进行谐波抑制是一个发展趋势。 1 3 课题来源及研究意义 本课题来源于厂校横向合作项目五矿( 湖南) 铁合金集团有限公司1 0 3 # 硅锰合金熔炼炉优化控制系统设计，并得到教育部新世纪优秀人才支持计划资 助，项目批准号为：n c e t - 0 7 0 8 6 7 。 五矿( 湖南) 铁合金集团有限公司1 0 3 # 矿热炉主用用于熔炼硅锰合金和碳锰 合金，由于其电极和熔池阻抗为非线性负载，产生大量高次谐波，这些高次谐波 会在变压器内部产生附加损耗，导致发热、振动与噪音等问题，严重影响了矿热 炉变压器的工作性能、运行效率和使用寿命，并导致电耗升高，提高了生产成本。 而且高次谐波在馈入至高压网侧后，对电网也会产生较为严重的谐波污染。 为了抑制谐波，保持供电网清洁，进而降低电耗，就需要对谐波进行快速准 确的检测。 1 4 论文的主要研究内容和章节安排 本文分析了各种谐波检测算法的特点，针对铁合金矿热炉供电系统的实际情 况，提出了改进的基于瞬时无功功率理论的谐波检测算法，在对谐波进行准确快 速检测的基础上结合有源电力滤波器构建了矿热炉供电系统三相三线制谐波抑 制系统。 论文首先对铁合金矿热炉进行了简单的介绍，并分析了矿热炉谐波产生的原 因，并对谐波现状进行了检测，分析了矿热炉供电系统谐波对生产及整个电网的 危害，介绍了谐波检测和谐波抑制的研究现状以及课题来源。 第二章本章分析了多种谐波检测算法，分析了各种算法在电力谐波信号处 理中的特点和存在的不足。详细介绍了基于瞬时无功功率的谐波检测算法，并 对沙g 检测法和玷一如检测法进行了对比。基于各种算法的特点，决定采用玷一i q 检测法来对铁合金矿热炉供电系统的谐波进行检测。 第三章针对传统的i p i q 检测法存在的不足，并结合矿热炉供电系统谐波的特 点对传统检测算法进行了改进，并用m a t l a b 验证了其正确性。 第四章介绍了谐波抑制方法，分析了无源滤波器和有源滤波器的特点，详 细介绍了有源滤波器的工作原理，并对并联型有源滤波器和串联型有源滤波器 的多种组合结构进行了分析，详细研究了并联a p f 电流控制方法，包括滞环比 9 型型塑r 一一 堡垒 。- - _ _ - _ - 一 瑁比 较控制方式和三角波比较控制方式，并确定采用三角波控制方式作为本文的控 制策略。 第五章针对三相矿热炉供电系统，结合谐波检测和有源电力滤波器构建了 谐波抑制系统，对有源电力滤波器的主电路进行了设计，包括主电路参数、电 路容量和直流侧电压控制。并对有源电力滤波器的效果进行了m a t l a b 仿真。 第六章对全文进行了总结，并提出了以后的研究方向。 1 0 硕士学位论文电力谐波检测方法分析 第二章电力谐波检测方法分析 要改善电力系统供电质量，治理电力系统中谐波污染的前提是准确而快速地 检测出电力系统中的谐波，以便及时投入或切除相应的无源滤波器滤除谐波，或 用检出的谐波电压、电流去控制有源滤波器发出相应频次的电压、电流去抵消这 些谐波电压、电流，从而达到治理谐波的目的。 2 1 电力谐波检测技术分析 谐波治理的前提是对电网谐波快速准确的检测。只有实现了对电网谐波的准 确在线检测，谐波抑制装置才能对检测出的谐波进行有目的的抑制。而实际情况 下，电力系统谐波一般具有随机性、非线性、分布性等特点，因此对电网谐波进 行快速准确的检测并不是很容易的事情，因此各国学者都在研究更加先进的谐波 检测方法，下面就对几种谐波检测方法进行分析。 2 1 1 模拟滤波器检测方法 谐波电流检测最早是采用模拟滤波器来实现的，主要有两种方法：一是采用 带阻滤波器器滤除基波分量，得到谐波分量【3 5 j ；二是采用带通滤波器得出基波 分量，再用被检测对象减去得到的基波分量，从而得到谐波分量。传统的基于滤 波器的谐波电流检测方法都是利用l c 谐振回路来滤除电网的谐波电流。当l c 滤波器的谐振频率和某次谐波电流的频率相同时，就能够将该频率的电流滤除。 多个不同谐振频率的l c 电路则可以滤除多个相应频率的电流。在预先知道谐波 次数的情况下，也可以利用一系列中心频率不同的模拟带通滤波器检测出电力谐 波的各次分量，然后再合成为总的补偿电流【3 6 】。 这种方法存在许多缺点，如难设计、误差大、对电网频率波动和电路元件参 数十分敏感，因而已极少采用。 2 1 2 基于快速傅里叶变换分析法 目前基于快速傅里叶变换( f f t ) 的谐波检测方法【3 7 4 l 】在谐波检测领域的应用 很广泛。该方法以傅里叶变换分析为理论依据，于是该方法要求被检测对象的波 形是周期性的，否则会带来较大误差。这种方法利用傅里叶变换对周期性的被检 测信号进行分解，得到各次谐波的特征，包括幅值和相位，然后将需要补偿的谐 波分量通过傅里叶变换器或带通滤波器得出所需的误差信号，再将该误差信+ 弓进 硕士学位论文电力谐波检测方法分析 行f f t 反变换，就可以得到补偿信号。该方法具有设计简单、应用方便等优点。 但当被检测信号频率与采样频率不一致时，会产生频谱泄漏效应和栅栏效应，影 响谐波检测效果。 ( 1 ) f f t 法栅栏效应 理想的f f t 要求时域信号是无限的，而现实情况下，f f t 只能对有限长度 的信号进行变换。假设采样信号的基频为办则f f t 计算出来的谐波将是基频厂 的整数倍。 用一个周期函数来表示被检测电流信号，设f ) ( ，+ 忉，式中丁为周期函 数的周期，产1 厅为电力系统工频频率，彩= 2 r c f 为相应的角频率。由于电力系 统中的电流信号一般都满足狄里赫条件，可以将电流信号d 可( + 七d 分解成傅 里叶级数，可得 x ( t ) = a o + 二lb s i n ( n t o t + 少, , ) ( 2 - 1 ) 式中a o 为电流直流分量；墨s i n ( 研+ ) 为电流基波分量，二：b s i n ( n c o t + 弘t ) 为 各次谐波分量。 从式( 2 1 ) 可以看出，f f t 方法只能检测出基波信号整数倍的谐波，这就是所 说的栅栏效应。可以采用增大信号采样周期来减少栅栏效应，提高该方法对间谐 波的分辨能力。原则上，栅栏效应会随着信号采样周期的增大而减小，这样就可 以分辨出更多间谐波次数。 假设被检测信号为：x ( t ) = s i n ( 5 0 x t ) + 2 s i n ( 1 0 0 x t ) + 0 5 s i n ( 1 5 0 x t ) 。假设采用 周期为一个工频周期。采样频率为3 2 k h z ，在一个周期内采样6 4 个点，通过f f t 进行谐波分析如图2 1 所示。 ，p f u n d a m e n t a lk d 5 0 h z ) = 4 9 6 1 。t h d = 2 2 3 4 7 _ 05 01 0 01 5 q f r e q u e n c y ( h z ) l 图2 - 1f f t 进行谐波分析图一 当采样周期是工频周期的两倍时，可以分辨出谐波信号含有的两个间谐波信 号。仿真结果图如图2 2 所示 1 2 帕 勰 0 (ilu，土j西奄c算=i 1l口更i)置 硕士学位论文 电力谐波检测方法分析 1 f u n d a m e n t a l ( 5 0 h z ) = 50 2 5 。t h 陋8 9 0 。_ 一 _l- 02 55 07 51 0 01 2 51 5 01 7 5 f r e q u e n c y 卅z ) 图2 - 2f f t 进行谐波分析图二 但增加谐波信号的采样周期不能消除栅栏效应，只能是减轻栅栏效应带来的影 响。 ( 2 ) f f t 法频谱泄漏分析 由于理论上的傅里叶变换与实际工程上是不同的，于是f f t 算法会产生频 谱泄漏现象。理论上的傅里叶变换是对整个时域进行计算，而实际情况下的傅里 叶变换只能是对有限长度信号进行变换。有限的信号在时域上相当于无限信号与 矩形窗信号的乘积，而时域上的乘积对应于频域上的卷积。于是傅里叶变换得出 的频谱是被检测信号频谱与窗函数频谱的卷积，并不是被检测信号的频谱。尤其 是当被检测信号频率和采样频率不同时，会造成严重的频率泄漏效应。 假设被检测信号为x ( ，) = a e 7 h 们，其中彳为检测信号的幅值，为检测信 号频率，p 为检测信号的初始相位角。由上述检测信号的表达式可知，其傅里叶 变化后的频谱分布为频率等于，幅值为么的一条谱线。 设矩形窗函数昕( ，) 长度为丁，如式( 2 2 ) 所示，其对应的频域函数表示为 哪) = 瓣 ( 2 - 2 ) 其对应的频谱函数 ( 咖s i n ( c o 矿t 2 ) e x p ( 一j 争( 2 - 3 ) 信号x ( t ) = a e j ( a = t + o ) 在区间吐的信号x ( 力表达式如式( 2 4 ) 所示。 t ( f ) = 民( f ) ( ，)( 2 4 ) 其对应的频谱函数： ( c o 州等焉斧e 则即x p ( 一孚n ( 2 - 5 ) 田 加 0 言芑e苫，二i芎紧一6b至 硕士学位论文电力谐波检测方法分析 式中缈= 2 万n t 为输入信号通过f f t 后获得的离散频谱，为被检测信号的采样 点数。设被检测信号的角频率= 2 x k t ，化简式( 2 - 5 ) 可得 讫(玎)：么坠墨(!三二笙堕exp(歹臼)e)【p(歹一k)万)(2-6)k ”7 伽一) 2 n 一。7一一 77 当肋整数，即采样频率与被检测信号频率一致时，则有x o ( n ) = a n x e x p ( j o ) 2 ， ( n = h 3 。其他情况下，x o ( n ) = 0 。 当采样频率和被检测信号频率相同时，f f t 方法能准确得出被检测信号的谐 波特征，并且可以避免频谱泄漏。当k 不为整数时，也就是当采样频率与被检测 信号频率不同时，频谱计算结果如式( 2 6 ) 所示，可以看出被检测信号的单一频谱 在整个频域空间发生了泄漏。对式( 2 6 ) 进行谱函数分析可以看出频谱分量主要集 中在实际信号频率和左右两个频率上。令= 2 万7 5 ，仿真结果如图2 3 所示。 o 要 c 仍 c 3 l o