（电气工程专业论文）长钢800型钢精轧机传动系统谐波分析与治理方案.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l i 页 摘要 精轧机传动系统采用了晶闸管整流器，这种传动系统含有大量可控硅的 装置，因此给电网带来了大量的谐波，对电网造成严重的谐波污染，对自身 产品的质量也有很大的影响。对此轧机传动系统进行谐波治理，对提高钢铁 产品质量和整个系统的稳定性都有十分重要的意义。 为了对此轧机传动系统进行谐波治理方案的设计，本文对此系统进行了 谐波理论分析和仿真研究，用谐波检测仪器进行了现场谐波测试，并把实测 结果与理论分析和仿真结果进行了对比，结果表明此系统由于负荷的不确定 性，谐波电流含量大且不固定。 谐波治理常用的补偿装置主要有无源滤波器、有源电力滤波器以及混合 有源电力滤波器。由于无源滤波器不能补偿任意次谐波电流，易与负载和电 网发生并联谐振或串联谐振，因此它不能完全补偿电网中的谐波。有源电力 滤波器不存在上述缺点，比无源滤波器有优势，能够动态跟踪、综合补偿电 能质量。针对轧机传动系统谐波特点，宜采用有源电力滤波器进行谐波补偿。 但有源电力滤波器的成本受容量影响很大，单独采用有源电力滤波器补偿轧 钢机谐波不经济。因此，在研究分析现有谐波补偿方案的基础上，经过技术 经济分析，本文提出采用混合有源电力滤波器的谐波治理方案，该方案包含 了无源滤波器和有源电力滤波器的优点。 最后，本论文对提出的混合有源电力滤波器进行了设计，并对加入了混 合有源电力滤波器的系统进行了仿真试验，试验结果表明，混合有源电力滤 波器能很好地抑制谐波，波形很接近正弦波，达到了设计要求。 关键词：精轧机传动系统，谐波分析，谐波治理，有源电力滤波器。混 合有源电力滤波器，仿真研究 西南交通大学硕士研究生学位论文第h i 页 a b s t r a c t t h e r ea r em a n ys i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r si nt h ef i n i s hr o l l i n gm i l ld r i v i n g s y s t e m ( f r m d s ) f o rt h eu s eo ft h et h y r i s t o rr e c t i f i e r , w h i c hb r i n g sl a r g e h a r m o n i e si n t ot h ep o w e rs y s t e ma n dh a sah u r t f u li n f e r e n c e0 1 1t h ep o w e rs y s t e m a n dt h eq u a l i t yo f s t e e lp r o d u c t s s oi ti ss i g n i f i c a t i v et oc o m p e n s a t et h eh a r m o n i c s o ff r m d s w h i c hc a ni m p r o v et h eq u a l i t yo fs t e e lp r o d u c t sa n dt h es y s t e m s t a b i l i t y i no r d e rt o d e s i g n t h eh a r m o n i e sc o m p e n s a t i o ns c h e m eo ff r m d s ， h a r m o n i c sa n a l y s i s s i m u l a t i r e s e a r c ha n dh a r m o n i e sm e a s u r e l n e n to nt h e r o l l i n gm i l la r eg i v e na n dt h e i rd a t aa r ec o m p a r e di nt h i sp a p e r 1 1 1 er e s u l ts h o w s t h a tt h eh a r m o n i c sc o m p o n e n ti sh i g ha n dm u t a t i v eb e c a u s eo ft h ev a r i a b l el o a di n t h i sd r i v i n gs y s t e m p a s s i v ef i l t e r s 口f ) ，a c t i v ep o w e rf i l t e r , s ( a p f ) a n dh y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r s ( h a p f ) a r ee f f e c t i v ee q u i p m e n t so f h a r m o n i c sc o m p e n s a t i o nn o w t h eh a r m o n i e s p r o b l e mi s n o ts o l v e de n t i r e l yb yp a s s i v ef i l t e r sd u et ot h e i ri n a b i l i t yt o c o m p e n s a t er a n d o mf i - e q u e n e yv a r i a t i o n s i nt h ec u r r e n t ，t u n i n gp r o b l e m s ，a n d p a r a l l e lr e s o n a n c e1 j l r i 血b o t ht h el o a da n dt h eg r i d a p fi sb e t t e rt h a np a s s i v ef i l t e r s b e c a u s et h e yd o n th a v et h o s ed i s a d v a n t a g e s s oi ti sv i a b l et ou s ea p ft o e l i m i n a t et h eh a r m o n i c si na l l u s i o nt ot h eh a r m o n i e sc h a r a c t e ro ft h er o l l i n gm i l l d r i v i n gs y s t e m ，b u ti t i sn o te c o n o m i c a lt or i s ea p fo n l y t 五eb e s tw a yt o c o m p e n s a t et h eh a r m o n i e si su s i n gi - i a i f , w h i c hi sc o m p o s e db yp fa n da p fa n d i sp o s s e s s e do f b o t ha d v a n t a g e s i n t h ee n d ，t h i sp a p e rd e s i g n st h eh a p f t h r o u g ht h ef r o n ta n a l y s i sa n dd o e s s i m u l a t i o nr e s e a r c ho i lt h ed r i v i n gs y s t e m j o i n e dt h ep a r to fh a p et h es i m u l a t i o n r e s u l ts h o w st h a th a p fs u p p r e s s e st h eh a r m o n i ce f f e c t i v e l yt om a k et h e $ o u l - c e c u r r e n tw a v e f o r md o s et os i n ew a v ea n dc o n f i i m st h ef e a s i b i l i t yo ft h i sh a r m o n i c c o m p e n s a t i o ns c h e m e k 彰w o r d s ：t h ef i n i s hr o l l i n gm i l ld r i v i n gs y s t e m ( f r m d s ) ，h a r m o n i ca n a l y s i s ， h a r m o n i cc o m p e n s a t i o n ，a c t i v ep o w e rf i l t e r s ( a p f ) ，h y b r i da c t i v e p o w e rf i l t e r sf f l a i f ) s i m u l a t i o nr e s e a r 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 近年来，随着电力电子技术的广泛应用和整流器、变频调速器等大量非 线性负载的接入，导致了电力系统谐波含量迅速增长，电压和电流波形产生 畸变，对电力系统和用电设备的安全运行产生了严重影响。谐波含量是电能 质量的一项重要指标，超出规定范围时会对电网中的发供电设备、用户的用 电设备产生诸多不良的影响，甚至会导致设备的不正常工作。所以对谐波进 行研究具有非常重要的意义。 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技 术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和 计算机技术一起成为二十一世纪最重要的两大技术【1 l 。然而，伴随着电力电 子装置而来的谐波污染己成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，这要求电 力电子领域的研究人员必须对谐波的产生、渗透、抑制等方面问题进行深入 的研究。 谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度 来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一1 2 - 3 l 。 在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前， 对环境的保护己成为全人类的共识，对电力系统谐波污染的治理也已成为科 学技术界所必须解决的问题。 在钢铁企业中，造成谐波污染的主要设备是轧钢机、电弧炉掣】。轧钢 是将钢坯生产成钢材的过程，轧钢机就是这个加工过程中的最主要设备，它 用于加工、变形钢坯。轧钢机分为钢板轧钢机( 厚板、热轧、冷扎) 、条钢轧 钢机( 棒钢、型钢、线材) 和钢管轧钢机( 管子) 。在大型轧钢机中具有代表 性的轧钢制造过程，就是把钢坯插入旋转的轧辊之间，通过逐渐缩小轧辊之 问的间隔而最终成形钢材的过程。在轧制过程中轧辊要不停地旋转，而且速 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 度要随着对钢材要求不同而变化，因此，需要通过传动系统来实现对其速度 的控制”。 目前，许多钢铁集团的轧钢厂主传动主要采用三种传动方式，即：交一 交变频、交一直变频和直流传动。长钢型钢厂8 0 0 型钢精轧机主传动采用的 是双闭环直流传动方式。该传动系统中采用了大功率晶闸管整流器等电力电 子装置，是主要的谐波源，严重污染了电力系统。由于轧钢机频繁地启动、 停止，对电网而言，是个剧烈波动的负荷，同时，功率因数也在较宽的范 围内波动，这些都会造成电网电压波动、三相电压不平衡，严重影响到供电 质量，因此消除轧钢机给电网带来的谐波污染已成为一个工程上急需解决的 问题。 1 2 谐波的定义、产生及危害 1 2 1 谐波的定义 国际上公认谐波定义为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率 为基波倍数”。由于谐波的频率是基波频率的整数倍数，也常称为高次谐波。 介于各次谐波之间的分量即频率为工频非整数倍的分量称为问谐波 ( f r a c t i o n a lh a r m o n i c s 或i n t e r h a r m o n i c s ) ，也称为分数次谐波。普遍地， 将低于工频的间谐波称为次谐波( s u b h a r m o n i c s ) 。 将谐波和间谐波定义为在一段频率范围内的准稳态状态下的频谱。下面 给出 了简单适用的数学定义： 谐波：f = h x f ,( z 为工频，_ j i 为大于1 的整数) 。 直流：f = o h z( i l = 0 ，f = h z ) 。 间谐波：f _ i l x z( 石为工频，h 为大于1 的整数) 。 次谐波：d o h z ，( z ( z 为工频) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 2 谐波的产生 目前，在现代工业中，电力系统的电压和电流波形畸变主要来源于两大 因素( 7 1 ：第l ，r ，l ，c 元件的非线性。当正弦电压加在非线性电路上时，电 流就变成非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变 成非正弦。当然，非正弦电压加在线性电路上时电流亦是非正弦波：第2 ，大 量使用的电力电子装置会带来波形的畸变。电网中整流器、变频调速装置、 电弧炉、电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加。这些负荷的非线性、 冲击性和不平衡性等用电特性对用电质量造成了严重污染：随着非线性用电 设备越来越多，所产生的谐波电流大量注入电网，使电网电压正弦波形发生 畸变，电能质量下降。 谐波源一般有下面几类旧： ( 1 ) 变压器和饱和电抗器产生的高次谐波是铁芯饱和造成的，一般产生的 是三次和五次谐波电压畸变，一般三次谐波含量高于五次谐波含量： ( 2 ) 各种可控硅整流负荷。以电动机车为代表的单相整流装置，要产生大 量的三次、五次和七次谐波电流谐波： ( 3 ) 钢铁工业用的电弧炉，化学工业用的电石炉等各种电炉负荷： ( 4 ) 电视机、除尘器、空调等低压负荷： ( 5 ) 随着机器操作而出现的瞬变现象： ( 6 ) 发电机等旋转设备。主要是旋转设备结构设计上的问题产生谐波，如 锯齿波，包括铁芯饱和造成的低次谐波。但由于这类设备产生的谐波量少以 及技术设计水平在不断提高，己逐步有所改善。 谐波源虽然是供给谐波电流的能量源，但它的能量却是工频基波提供的。 非线性设备产生谐波的过程，实际上是一个消耗工频电能，并将其中一部分 工频电能转换为各次谐波电能向系统回送的过程。 1 2 3 谐波的危害 电网谐波来源于三个方面：其一是电源质量不高产生谐波；其二是输电 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 网产生的谐波；其三是用电设备产生谐波。其中以用电设备产生的谐波最多。 谐波污染、功率因数降低和电磁干扰被称为威胁电力系统的三大“电力公害”。 谐波对电网和其他系统的危害主要有以下几个方面： ( 1 ) 谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电 及用电设备的效率，大量的三次谐波电流流过中性线时会使线路过热甚至发 生火灾： ( 2 ) 谐波影响各种用电设备正常工作。谐波对电机的影响除了引起附加损 耗外，还会产生机械振动和噪声：使变压器局部严重过热和过电压；谐波还可 以导致电容器和电缆等设备过热、绝缘老化和寿命缩短，甚至损坏： ( 3 ) 谐波会引起电网中某些设备的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放 大： ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，还会使电气测量仪表计量 不准确： ( 5 ) 谐波会对邻近的通信系统产生干扰，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。 另外，随着谐波源种类和分布的变化，又可能会有新的问题出现，会产 生新的危害。 轧钢机带来的谐波对电力系统、信号系统也存在上述危害，同时它还对 轧钢机自身钢铁产品质量有影响，造成很大的经济损失。 为了解决轧钢机等谐波源的谐波污染问题，主要有两条基本的思路：一 条思路是对电力电子装置自身进行改造，使其不产生谐波，该想法只适用于 电力电子设备作为主谐波源的情况；其二是利用谐波补偿装置来对谐波进行 补偿，这条思路对于各种谐波源都是适用的。 ( 1 ) 电力电子装置自身的改造 传统的变流器产生大量的谐波，由此可以设计新型的变流器，使其不产 生谐波，并且使得其功率因数为1 ，这种变流器被称为单位功率因数变流器 ( u n i t yp o w e rf a c t o rc o n v e r t e r ，简称u p f c ) 【9 1 ，一般来说，高功率因数变流 器可以近似视为单位功率因数变流器。 对于大容量的变流器，减少其谐波的主要方法是采用多重化技术 1 0 - i 2 1 ， 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 就是将多个方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到比较接近正弦波的 阶梯波。显然，叠加的重数越多，得到的阶梯波就越接近正弦波，当然这时 电路结构也会越复杂，所以这种方法一般只适用于大容量变流器的情况。图 1 1 为多重化技术应用的一个示例移相3 0 。串联二重联结整流电路： 如果将多重化技术与脉冲宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，简称p w m ) 技术相结合，一般来说可以取得更好的效果。几千瓦到几百千瓦的高功率因 数整流器主要采用p w m 整流技术【】。到目前为止，对p w m 逆变器的研究 已经相当充分，但是对于p w m 整流器的研究则远远落后。对于电流型p w m 整流器，可以直接对各开关器件进行正弦p w m 控制，使得输入电流接近正 弦波，并且与电源电压相位相同，这样就使输入电流中只含有与开关频率有 关的高次谐波，这些谐波频率很高，比较容易滤除，同时还可以使负载功率 因数接近于1 ；对于电压型p w m 整流器，需要通过电抗器与电源相连，其控 制方法有直接电流控制和间接电流控制两种。直接电流控制就是设法得到与 电源电压相位相同、由负载电流大小决定其幅值的电流指令信号，并且根据 这个信号对p w m 整流器进行电流跟踪控制。间接电流控制就是控制整流器 的输入端电压，使其为接近正弦波的p w m 波形，并且和电源电压保持合适 的相位，从而使得流过电抗器的输入电流波形成为与电源电压相位相同的正 弦波。 图1 1 移相3 0 。串联二重联结整流电路 p w m 整流技术领域的发展方向是p w m 整流器与p w m 逆变器的混合使 用【t 4 - 1 5 ，此二者的配合可以构成理想的四象限交流调速用变流器，即双p w m 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 变流器，这种变流器不但输出电压和输出电流均为正弦波，输入电流也为正 弦波，并且功率因数为l ，还可以实现能量的双向传送。 在小容量整流器应用中，为了降低谐波含量和提高功率因数，通常采用 二极管加p w m 斩波的方式，这种电路称为功率因数校正器( p o w e rf a c t o r c o r r e c t o r ，简称p f c ) ，已经在开关电源中获得了广泛应用，由于目前开关电 源在r r 产品及家用电器中的大量应用，所以这种技术势必可以对谐波治理做 出不小的贡献。 ( 2 ) 加入谐波补偿装置 传统的谐波补偿装置是采用l c 滤波器。这种方法既可以补偿谐波，又 可以补偿无功功率，而且结构简单，因此一直被广泛使用。不过，这种方法 的主要缺点是其补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，容易和系统发生并联 谐振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至损坏。另外，它只能补偿固定 频率的谐波，补偿效果也不尽人意。由于这种补偿装置结构和原理简单，成 本较低，所以它是目前最主要的谐波补偿方法之一。 但随着电力电子装置的广泛使用，谐波源的不断增加，使得谐波量的大 小及频率都处于不断变化当中，l c 滤波器不可能达到很好的补偿效果，因此 现阶段谐波补偿和抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r ，简称a p f ) 【1 6 1 。 有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就已经形成，8 0 年代以来，由 于大中功率全控型半导体器件发展的成熟，以及p w m 控制技术的进步，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，有源电力滤波器 才得以迅速发展【1 7 2 0 1 。它是一种电力电子装置，其基本原理是从补偿的对象 中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与这个谐波电流大小相等而极性相 反的补偿电流，使得电源电流( 即电网电流) 只含基波分量。与l c 滤波器 相比，有源电力滤波器具有以下几方面的优点： ( 1 ) a p f 可同时对频率和幅值都变化的谐波进行补偿，对补偿对象的变 化有极快的响应。 ( 2 ) a p f 的补偿特性不受电网阻抗的影响，不易和电网阻抗发生谐振， 能跟随电网频率的变化。 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ( 3 ) a p f 既可对一个谐波源进行单独补偿，也可对多个谐波源进行集中 补偿。 ( 4 ) a p f 即可以补偿谐波，又可以补偿无功，同时还可以对谐波、无功 一起补偿。 因此，a p f 有着良好的应用前景，正越来越受到人们的重视。 有源电力滤波器可以单独使用，也可以与l c 无源滤波器混合使用。单 独使用a p f 可能容量较大，成本较高；与l c 无源滤波器混合使用构成混合 有源电力滤波器( h y b r i d a c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称h a p f ) ，可以降低a p f 容 量，减少a p f 成本。 目前，在治理轧钢机谐波问题上，上述两种思路都有被用到：将整流器 改成1 2 、2 4 、3 6 脉冲等多脉冲整流器，同时加入补偿装置。不过，加的补偿 装置一般是l c 无源滤波器，但由于易与电网、负荷发生谐振等问题，在实 际应用中可能需要不断对其进行改造；同时也使得a p f 受到了各国越来越多 的关注和重视。 1 3 与谐波有关的标准 为了避免谐波的诸多危害，保持高的电能质量，不少国家和国际组织都 制定了限制用户设备谐波的标准。在这些标准中，被广泛接受的有i e e e 6 0 5 1 9 标准【2 1 】和i e c 6 0 5 5 5 - 2 标准 2 2 1 。i e e e 6 0 5 1 9 标准于1 9 8 1 年制订，并于1 9 9 2 年 进行了修订，该标准是从电网的角度来对公共连接点的电压和电流的波形畸 变进行限制。i e c 6 0 5 5 5 - 2 标准于1 9 8 2 年制订，1 9 9 5 年修订，修订后的标准 为i e c6 1 0 0 0 3 2 。该标准则是对负载产生的谐波进行限制，使负载注入电网 的谐波在规定的范围内。 在我国，原水利电力部于1 9 8 4 年根据国家经济委员会批准的全国供用 电规则的规定，制订并发布了s d l 2 6 - 8 4 ( 电力系统谐波管理暂行规定) 删。 为了保证我国的电能质量，国家技术监督局于1 9 9 0 年和1 9 9 3 年分别颁布了 三项电能质量、谐波方面的国家标准：( 1 ) g b l 2 3 2 5 9 0 ( 电能质量供电电压 容许偏差) ( 2 ) g b l 2 3 2 6 - 2 0 0 0 ( 电能质量电压容许波动和闪变) ( 3 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 g b t 1 4 5 4 9 9 3 ( 电能质量公用电网谐波) 。g b 厂r 1 4 5 4 9 9 3 标准已于1 9 9 4 年3 月1 日起在我国全面开始实施。1 9 9 5 年，国家又补充颁布了两项标准m j ：( 1 ) g b 厂r 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ( 电能质量三相电压容许不平衡度) ( 2 ) g b t 1 5 5 4 5 1 9 9 5 ( 电 能质量电力系统频率容许偏差) 。 以上电能质量标准分别从发电、供电、用电端电能质量提出了要求，这 些标准的发布无疑为提高我国的电能质量水平起到了促进作用。 1 4 本文所做的工作 本论文的主要工作是对现有的长钢型钢厂9 0 0 型钢精轧机传动系统进行 谐波分析，在此基础之上进行谐波治理方案的设计。具体而言，本论文要做 的主要工作如下： ( 1 ) 分析8 0 0 型钢精轧机传动系统，找出主要谐波源，再进行谐波的理 论分析，为下一步的仿真和实测作好准备。 ( 2 ) 用p s i m 仿真软件对8 0 0 型钢精轧机传动系统进行谐波仿真，并把 其结果与理论分析的结果进行对照。 ( 3 ) 在长钢对8 0 0 型钢精轧机传动系统进行现场谐波测试，并将测试结 果与理论分析、仿真结果进行对比。 ( 4 ) 针对8 0 0 型钢精轧机传动系统的谐波情况，设计相应的谐波治理方 案，并仿真验证该方案的可行性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 第二章谐波治理技术 随着电力电子技术的发展，非线性负载尤其是电力电子装置使用的日益增 多，使得电力电子装置所产生的谐波对电网的污染日益严重，目前电力电子 装置己成为电力系统的首要谐波源。谐波电流和无功电流大量注入电网，引 起电网闪变、频率变化、三相不平衡和谐波，影响电能质量、输电效率和设 备寿命的安全运行与正常使用。目前人们已经认为“谐波污染”为电网的公 害，因此，有必要对谐波、无功功率进行滤波和补偿。 目前，谐波治理常用的补偿装置主要有无源滤波器、有源电力滤波器以 及两者混合使用混合有源电力滤波器，下面将分别进行介绍。 2 1 无源滤波器 无源滤波器( p a s s i v ef i l t e r ，简称p f ) 是由滤波电容器、电抗器和电阻适 当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾补偿无功， 也称l c 滤波器。 l c 无源滤波器的设计和应用研究早在2 0 世纪7 0 年代以前就已获锝满意 的结果，其特点是结构简单，运行可靠，价格低廉，但是性能不够理想，只 能抑制固定频率的谐波，抑制效果也有限，而且受电网的系统阻抗影响较大， 易引起系统谐振，导致谐波放大。不过，l c 滤波器仍是当前补偿谐波的最主 要手段之一。 l c 滤波器能否有效滤除谐波主要取决于它自身参数即r 、l 、c 的额定 值和电路的结构方式。r l c 电路调节频率时对谐波电流表现为或高或低不同 阻抗，这样就形成无源调谐滤波器，调谐滤波器通常与系统线路相并联，这 样在选定的频率时对谐波电流呈现最小阻抗，因此大部分谐波电流在设定的 频率处通过滤波器被分流。如果有多个频率的谐波需要滤出则应装设多级滤 波器，但因为滤波器对谐波源呈串联连接，它同电源阻抗相承并联共振电路， 一旦发生谐振将导致谐波电流放大。因此在选用滤波器时一定要首先测出系 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 统和负载的背景谐波，根据需要滤掉的特征谐波次数选择合适的滤波器参数， 并需要进行反复的计算机模拟试验，以避免滤波器与系统发生谐振。 图2 1 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 脉冲电流，在主电路中串联一个电感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。 翻身宁c ： 槲 图2 1 一种典型的整流电路 图2 2 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 并联在整流桥入端，其谐振频率x = 1 l c ，应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j 。 一”呈 f l t 上 r ： 太 c 士 i t 一 l 图2 2 在交流侧加并联滤波嚣进行谐波抑制 图2 3 是一个l c r 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相等，阻止变流器的主要谐波电流流入电网。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 上 t 图2 3 串联一个并联谐振网络 目前，l c 滤波器在进行谐波补偿实际应用中，其结构常采用几组单调谐 滤波器和一组高通滤波器并联组成。无源滤波方案是目前采用得最为广泛的 谐波抑制手段，它成本低、技术成熟，但存在以下缺陷 2 5 - 2 8 1 ： ( 1 ) 谐振频率依赖于元件参数，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 ) 滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的 运行工况随时改变，因而l c 网络的设计较困难： ( 3 ) 电网的参数与l c 可能产生并联谐振使该次谐波分量放大，使电网供电 质量下降： ( 4 ) 电网中的某次谐波电压可能在l c 网络中产生很大的谐波电流。 2 2 有源滤波器 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 ) 是一种用于动态抑制谐 波、补偿无功的新型电力电子装置，它一个显著特点就是能对大小和频率都 变化的谐波以及变化的无功进行补偿，并且有源电力滤波器可以克服l c 无 源滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点，因此成了谐波治理的一 个重要趋势。 2 2 1 有源电力滤波器的基本原理 有源电力滤波器的工作原理图如图2 4 所示，其基本原理是：首先从补 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 偿对象中检测出谐波电流，再通过控制电路产生p w m 信号驱动主电路，使 其产生一个与该谐波电流大小相等方向相反的电流“注入”电网，以抵消补 偿对象产生的谐波电流，从而使电网电流只含基波分量。 圈2 4 有源电力滤波器工作原理图 在图2 4 中，系统电压表示交流电源，负载为谐波源，它产生谐波并消 耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分组成，即指令电流运算电路和补偿 电流发生电路( 由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成) 。其 中，指令电流运算电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流 分量，因此有时也称之为谐波和无功电流检测电路2 9 _ 3 n 。补偿电流发生电路 的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信号，产生实际的补 偿电流。主电路目前均采用p w m 变流器。 a p f 与无源滤波器相比有许多优点： ( 1 ) a p f 可同时对频率和幅值都变化的谐波进行补偿，对补偿对象的变化 有极快的响应。 ( 2 ) a p f 的补偿特性不受电网阻抗的影响，不易和电网阻抗发生谐振，能 跟随电网频率的变化。 ( 3 ) a p f 既可对一个谐波源进行单独补偿，也可对多个谐波源进行集中补 偿 ( 4 ) a v v 即可以补偿谐波，又可以补偿无功，同时还可以对谐波、无功一 起补偿。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 从上面种种优点可以看出有源电力滤波器可以对谐波、无功一起补偿， 而且抑制谐波效果好，体积小，将是以后发展的一个重要趋势。不过其主要 缺陷是现阶段价格较高，同时由于受到功率器件等限制，使得其容量不能做 的太大。 2 2 2 有源电力滤波帚的谐波电流检测方式 有源滤波器控制的第一个环节是补偿指令的获取，这一环节将直接影响 到有源滤波器的性能。因为如果不能准确地得到指令信号，电流的控制将无 从谈起。计算补偿电流指令，首先必须根据补偿目的将谐波和无功电流分量 或者正序、负序及零序等分量进行分离。根据补偿目标，可以对电流进行不 同的分解例如，在补偿所有高次谐波分量以及单位功率因数的条件下，只需 检测基波有功电流分量即可：如果只进行某些次谐波消除以及基波无功分量 补偿，则需要分别检测出各次谐波分量以及基波无功分量在不对称的情况 下，还要检测出电流中的正序、负序以及零序分量( 三相三线制中没有零序分 量) 。分离谐波和无功分量的方法大体可以分为以下几种： ( 1 ) 基于频域分析的模拟带通或带阻滤波器检测法m 书1 。带通( 或带阻) 滤波器用于分离出被检测信号中预定的某一单一频率分量，是用模拟的方法 来实现频域分析的一种方法。也是最早被采用的谐波电流检测法，该检测方 法的优点在于电路结构简单、造价低廉、输出阻抗低、品质因数易于控制 但是该方法还有别的许多缺点，如滤波器的中心频率对元件参数十分敏感， 受外界环境影响较大，难以获得理想的幅频和相频特性：当电网频率发生波动 时，不仅影响检测精度，而且检测出的谐波电流中含有较多的基波分量，大 大增加了有源电力滤波器的补偿容量和运行损耗此外，这种方法只能区分负 载电流中不同的频率分量，无法将基波有功和无功电流相分离，因而目前己 较少采用近年来有文献介绍利用小波变换技术提取基波分量实现谐波电流 的检测，其具体效果如何还需深入的研究和探讨。 ( 2 ) 基于f r y z e 时域分析的有功电流检测方法i 刈。该方法的基本原理是 将负载电流分解为两个正交分量：一个是与电网电压波形完全一致的电流分 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 量。称为有功电流分量；另一个分量为负载电流与有功电流的差值，包含基波 无功和谐波，称为广义无功电流分量。该方法主要缺点是必须计算负载的有 功功率和电网电压的有效值，这需要对电网电压和负载电流的乘积以及电网 电压信号的平方进行积分运算，再加上其它运算电路所需的计算时间，用该 方法计算出广义无功电流瞬时值至少有一个周期以上的时间延迟，故不适用 于频繁变化负载的补偿而且，这种方法仅仅区分有功电流和广义无功电流， 却无法将基波无功和谐波电流从基波电流中分离出来，因此这种方法只能适 用于全补偿的场合。对于需要将基波无功电流和谐波电流分别补偿的情况， 该方法无法应用。 ( 3 ) 基于频域分析的快速付氏变换( f f t ) 检测法。该方法是建立在 f o u r i e r 分析的基础上的，因此要求被补偿的的波形是周期变化的，否则会 带来较大误差。通过f f t ，将检测到的一个周期的谐波信号迸行分解，得各 次谐波的幅值和相位系数，将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或傅立叶变 换器得到所需的误差信号，再将该误差信号进行f f r 反变换，即可得补偿信 号。其优点是可以选择拟消除的谐波次数，通过附加的计算，该方法还可以 通过电网电压基波分量与负载电流基波分量的相位关系，计算出负载电流的 基波有功和基波无功电流：而且受环境因素跳影响也较小。但是该方法需要进 行f f t 变换及其反变换，计算量非常大，因而有较大的时间延迟。当电网电 压波形畸变严重或者频率波动时，将引人较大的非同步采样误差，对谐波电 流的检测精度影响很大。 ( 4 ) 基于a k a g i 三相瞬时无功功率理论的检测方法。这一检测方法在有源 电力滤波器的发展过程中起到了巨大的推动作用，是日前a p f 中应用最广一 的一种检测方法。基于日本学者ha k a g i 提出的瞬时无功功率理论的三相电 路无功电流和谐波电流检测主要有ip i q 运算方式和p q 运算方式。p q 方法 参与运算的量为三相瞬时相电压和瞬时线电流，而l p ，i r 方法参与运算的不 是三相瞬时相电压本身，而是与它们同步的三相对称单位正弦量和余弦量。 在硬件电路实现上，p q 方法需要1 0 个乘法器和2 个除法器，而i p ，i q 方法 只需8 个乘法器和相应同步三相正弦余弦发生电路 ( 5 ) 基于自适应干扰抵消原理的自适应闭环检测方法。该方法利用信号处 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 理的自适应干扰对消原理，将电压作为参考输人，负载电流作为原始输人， 从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，而得到所有谐波与无劝电流 之和按此原理构成的检测系统是一个闭环连续调节系统，故其运行特性与元 件参数几乎无关，对器件特性的依赖性也不大当电网电压发生波形畸变以及 频率波动时，检测系统仍能正常工作，具有良好的自适应能力，但动态晦应 速度较慢由于人工神经元网络具有自学习和电流自适应的能力，因此人们将 智能控制理论应用到无功和谐波电流检测上。 2 2 3 有源电力滤波器主电路的控制方法 有源电力滤波器控制电路的作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿 电流之间的相互关系，得出控制主电路各个器件通断的p w m 信号，控制的 结果应保证补偿电流跟踪其指令信号的变化。由于有源电力滤波器产生的补 偿电流应实时跟随其指令电流信号的变化，要求补偿电流发生器具有很好的 实时性，目前电流控制主要采用跟踪型p w m 控制方式。跟踪型p w m 控制 的方法主要有两种，即三角波调制法和滞环控制法l ”4 驯。 2 2 3 1 三角波调制法 三角波调制法是最简单、常用的一种p 删控制方法，如图2 5 所示。该 方法将调制后的实际补偿电流与电流指令信号e 的偏差t 经放大器k 放大 后，与高频三角调制波进行实时比较，从而得到不同时刻逆变器的开关状态。 采用三角波调制法的优点是电力电子器件的开关频率是固定的，有利于简化 器件的选择和器件保护的设计，而且动态响应好，实现电路简单，对高开关 频率的系统有较好的控制特性；缺点是逆变器始终处于高频工作状态，输出 波形中含有与三角载波同频率的高频畸变分量，开关损耗较大，在大功率应 用中受到限制。虽然该方法误差的大小是变化的，但可以使用提高三角载波 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 频率、采用多重化技术的方法来削弱这种影响。 i 2 2 3 2 滞环控制法 图2 5 三角波调制法原理图 滞环控制法的原理图如图2 6 所示。该方法把补偿电流的指令信号f ：与 实际的补偿电流信号t 进行比较，两者的偏差f 。作为滞环比较器的输入，通 过滞环比较器产生控制主电路开关的p w m 信号。该p w m 信号经驱动电路 来控制开关的通断，从而控制补偿电流t 的变化。 滞环比较器 e 。馘。 j i 广- 7 - p w m 信号。 一 j 1 一j 一 i ，i 图2 6 滞环控制法原理图 图2 7 给出了电流滞环跟踪过程。设定滞环比较器的环宽为2 a i ，其中 i 为最大电流偏移。与的差值f 。达到，滞环比较器输出翻转，控制 相应的电力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 图2 7 电流滞环跟踪 电子器件开通或关断。这样就迫使补偿电流不断跟踪给定电流的波形，仅在 允许偏差范围内稍有波动。电流偏差的允许范围可用式( 2 1 ) 表示： k e 卜， ( 2 1 ) 滞环控制法的优点是硬件电路简单，响应快，属于实时控制法。因为不 使用载波，所以输出中不舍特定频率谐波分量。其不足之处在于检测信号的 传感器必须是具有很宽的频带，开关频率不固定，用于三相系统时有严重的 相间干扰，并且滞环的环宽2 _ ，较难确定。环宽过大时，开关动作频率降低， 跟踪误差增大；环宽过窄时，跟踪误差减小，但开关的动作频率过高，开关 损耗增大，甚至可能超过可关断器件的允许的工作频率范围，导致电路无法 正常工作。 除了以上的控制方法外，还有一些研究模糊控制、神经网络控制、预测 控制等先进的控制方法 3 9 - 4 j 1 用在a p f 中，不过都还处于初级阶段。因此，现 阶段控制方法主要还是采用的电流跟踪型p w m 控制方式，即上面介绍的三 角波调制法和滞环控制法。 有源电力滤波器根据其接入电网的方式，可以分为并联型和串联型。并联 型又包括单独使用方式、与l c 滤波器混合使用方式( 包括与l c 滤波器并联 和与l c 滤波器串联两种) ，串联型包括单独使用方式和与l c 滤波器混合使 用方式。下面就各种类型混合有源电力滤波器的系统构成和主要特点进行论 述。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 8 页 2 2 4 并联型有源电力滤波器 2 8 并联型有源电力滤波器结构图 并联型有源电力滤波器的结构图如2 8 图所示。在图中，负载为产生谐 波的谐波源，变流器和与其相连的电感、直流侧储能元件共同组成有源滤波 器的主电路。与有源电力滤波器并联的小容量阶高通滤波器，用于滤除有 源滤波器所产生滤波电流中开关频率附近的谐波。该图和本节后面介绍的原 理图均以单线图画出，它们均可用于单相或三相系统。 这种方式能实时跟踪滤除幅值和频率都变化的谐波，补偿性能好。但是， 由于交流电源的基波电压直接( 或经变压器) 施加到变流器上，且滤波电流 基本由变流器提供，故要求交流器具有较大的容量，这是这种方式的主要缺 点。 2 2 5 串联型有源电力滤波置 图2 9 为串联型有源电力滤波器的原理图。这种方式的特点是有源电力 滤波器作为电压源串联在电源与谐波源之间。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 2 9 串联型有源电力滤波器结构图 在多数情况下，并联型有源电力滤波器主要用于滤波可看作电流源的谐 波源，典型的如直流侧为阻感负载的整流电路。此时，有源电力滤波器向电 网注入滤波电流。抵消谐波源产生的谐波，使电源电流为正弦波。在正常情 况下，并联型源电力滤波器本身表现出电流源的特性。 串联型有源电力滤波器与并联型的不同，主要用于滤波可看作电压源的 谐波源，如电容滤波型整流电路，这种电路从交流侧可看作电压源。针对这 种谐波源，串联型有源电力滤波器输出滤波电压，抵消由负载产生的谐波电 压，使供电点电压波形呈为正弦波。串联型与并联型可以看作是对偶的关系。 不过目前，工程应用中以并联型a p f 为主。这是因为虽然串联型a p f 构成的系统具有有源装置容量小、运行效率高以及对谐波电压源类型的负荷 有较好补偿特性等优点，但却存在绝缘强度高、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，因此，其工程实用性受到了一定的限制。 2 3 混合滤波器 混合型有源电力滤波器( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ，简称h a lf ) 是一种 新型滤波器，它是8 0 年代提出的。它能对频率和大小都变化的谐波进行补偿， 实现动态地抑制谐波，能利用l c 滤波器和有源电力滤波器的优点，弥补l c 滤波器和有源电力滤波器的不足，同时又可以降低有源电力滤波器的容量。 因此，无论在经济方面还是在滤波性能方面都比单独使用l c 滤波器或有源 电力滤波器具有更大的优势【4 2 j 。 下面介绍几种基本的混合有源电力滤波器的结构。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 2 3 1 并联型混合有源电力滤波罱 图2 1 0 a p f 和p f 并联的h a p f 单独使用并联型有源电力滤波器与l c 滤波器混合使用的方式又可分为两 种：一种是两者的并联；另一种是两者的串联，并联型混合有源电力滤波器 并行接法的拓扑结构如图2 1 0 所示。 这种方式正是为克服上一种方式要求