（电力电子与电力传动专业论文）三相电源系统电能质量调节器的研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o f p o w e re l e c t r o n i c s ，p o w e r e l e c t r o n i c t e c h n o l o g i e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di na l ls o r t so fp o w e rs y s t e m sa n de l e c t r i c e q u i p m e n t s i tm a k e ss w i t c hd e v i c e sa n dn o n l i n e a rl o a d sm o r ea n dm o r ei nt h e p o w e rl i n e ss y s t e m s h a r m o n i cd i s t o r t i o n sa n dr e a c t i v ec u r r e n t s ，t h r e e - p h a s e v o l t a g ei m b a l a n c ea n df l i c k e ri np o w e rl i n e sa r eg e t i n gm o r es e r i o u s ，t h i sp o w e r q u a l i t yp r o b l e m sa r en o to n l yp o l l u t et h ep o w e rs u p p l yp e r f o r m a n c e ，a n di m p a c t r u n n i n go r d e r so fe l e c t r i ce q u i p m e n t si np o w e rl i n e s ，b u ta l s ob r i n gm u c hm o r e l i n el o s sa n do v e r l o a df a u l t i no r d e rt or e s t r a i nh a r m o n i ca n dc o m p e n s a t e r e a c t i v ep o w e r ，f o r e i g na n dd o m e s t i cs c h o l a r sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l yd e v e l o p e d m a n yn e w - s t y l er e a c t i v ec o m p e n s a t i o nd e v i c e sa n da c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m s l cp a s s i v ef i l t e r sh a v eb e c o m eo n eo ft h ea s s i s t a n td e v i c e si na c t i v ep o w e r f i l t e r ss y s t e m ；s h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r sa n ds t a t i cs t a t er e a l a c t i v ec o m p e n s a t i o n t e c h n o l o g yh a v ea l m o s t l yp o p u l a r i z e d ，a n db e i n ga p p l i e d i np r a c t i c e ；s e r i e s a c t i v ep o w e rf i l t e r sa r eb e c o m i n gr i p e n e s s ；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 ri s ah i g hp e r f o r m a n c e p r i c er a t ei d e a ls e t i n gt os o l v ep o w e rq u a l i t y ，h a sb e e np a i d m u c ha t t e n t i o na n dr e s e a r c h t h i s p a p e rs t u d i e sm a i n l yo n t h er e a l i z a t i o no fu n i f i e dp o w e rq u a l i t y c o n d i t i o n e ri nt r i p h a s ep o w e rs y s t e m ，i tc o n s is t so fs m a l lr a t e dp a s s i v ef i l t e r sa n d s h u n ta p f a n ds e r i e sa p fs y s t e m t h e r e i n t o ，p a s s i v ef i l t e r sa n ds h u n ta p fa r e c o n n e c t e di np a r a l l e lw i t hl o a d s ，a n dc o m p e n s a t et h ea d j u s t a b l ec u r r e n t s e r i e sa p f a r ec o n n e c t e di ns e r i e sw i t hl o a d s ，a n dc o m p e n s a t et h ea d j u s t a b l ev o l t a g e u n i f i e d p o w e rq u a l i t yc o n d i t i o n e ri nt r i p h a s ep o w e rs y s t e mi sn o to n l yc o u n t e r a c t i n gn o n p o s i t i v e o r d e ra c t i v e b a s i c f r e q u e n c yw a v e sa n d a l ld i s t o r t i o nw a v e s ，b u ta l s o c o m p e n s a t i n gt h r e e p h a s ev o l t a g ei m b a l a n c ea n dt h r e e p h a s ec u r r e n ti m b a l a n c ea n d r e a l a c t i v ep o w e r t h ea r t i c l ea n a l y s e st h ec o m p o s e sa n dc l a s s f i e so fu p q c ；i tr e s e a r c h e st h e e f f e c t i o n so fl o w f r e q u e n c ep a s sf i l t e ri nd e t e c t i n gp o w e rq u a l i t yp r o b l e m s ；i tg i v e s c o m p a r e so ft h r e ed i f f e r e n td e t e c t i n gw a y sb a s e do nt h ea r i t h m e t i co ft h et h e o r yo f i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ，a n dp r o p o s e san e ws y n c h r o n i z a t i o nt e s tw a y ss u i t e d t o t h r e e - p h a s ei m b a l a n c ep o w e rs y s t e m ；i tr e s e a r c h e st h ee f f e c t i o n s o fp o w e r i m p e d a n c ea n dt r a n s f o r m sc o n n e c t e di ns e r i e sw i t ht h ep o w e rl i n es ；i tr e s e a r c h e s t h ea d j u s t i n ge f f e c t i o n so fr a t e dr e a l a c t i v eo fd cs i d e ；i tc o m p a r e st h ed i f f e r e n c e r e s u l t sw i t hd i f f e rc o n t r o la p p r o a c h e s u s i n gm a t l a bs o f t w a r e ，w ed e s i g na n dr e a l i z et h eu q p c ，s i m u l a t i o ns t u d i e s a r em a d ei nat h r e e p h a s ep o w e rs y s t e mw i t hs u d d e nc h a n g el o a da n dt h r e e p g a s e i m b a l a n c el o a d ，w ec o n t r a s tt h e e x p e r i m e n t sr e s u l t s i nd i s t o r t i o nr es t r a i na n d r e a l a c t i v ec o m p e n s a t i o n ，a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l tv a l i d a t e st h et h e o r e t i c a la n a l y s is i sc o r r e c t ，i ts h o w st h a t t h eu p q cs y s t e mi so b v i o u s l yi m p r o v e di nt h ep o w e rl i n e s s u p p l yq u a l i t y ，a n da v a i l a b l y f i l t e r p o w e rd i s t o r t i o n a n dc o m p e n s a t er e a l a c t i v e p o w e r k e y w o rd s ：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 ，d i s t o r t i o nr e s t r a i n ，r e a c t i v e c o m p e n s a t i o n ，i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r ，s y n c h r o n l z a t l o nd e t e c t i n g 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。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 学位论文作者签名： 牺哆 导师签名： 签字r 期：沙石年月；日 签字日期：年月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名： e t 期：年月日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 电能使用是衡量一个国家科技与经济发展水平的重要标志之一，我国国 民经济的持续稳定发展，是与我国电力事业的进步和发展密不可分的。由于 电力电子技术的发展及其应用的只益广泛、以及电网负荷的急剧加大，特别 是冲击性、非线性负荷容量的不断增长，导致电网电压、电流波形畸变、电 压波动与闪变，以及三相电压不平衡等电能质量问题。这些电能问题的严重 程度成了评定电能质量的重要指标，也是电力系统所采取的补偿方法、调节 装置和技术措施的关键依据。 1 1 电熊质量调节器研究的目的和意义 电能问题对电力系统和用户都十分重要，因而引起了各部门的广泛关注。 这些问题也成了涉及电力电子技术、电力系统、电气自动化技术、电工电路 以及控制理论等诸多领域中的重大课题。随着国民经济的高速发展和人民生 活水平的开益提高，整个社会对供电数量和质量的要求也越来越高。这些问 题的有效解决，不仅可以保证电力系统的正常、安全、高效运行，而且对国 民经济持续、稳定、高速地发展也有深远的意义。 1 1 1 电力系统中的电能质量问题 自从电能被发现以来，电力能源便成为支配人类社会发展的不可缺少的 “血液”命脉。然而，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子设备， 如整流器、变频调速装置、电气化铁路以及电弧炉、电机、变压器等绕组负 荷便不断增加。一方面，由于这些负荷的非线性、开关性和不平衡等用电特 性，使得电网中的谐波、三相电压不平衡、闪变也曰趋加重，对供电质量造 成严重污染“13 。另一方面，线路中的电动机、变压器等一系列的储能性负荷 的增加，要消耗大量的无功功率。这些电能问题不仅严重污染供电质量，影 响线路上电气设备的正常工作，而且会产生大量的线路损耗、引起线路过载 事故。 狭义的三相电力系统的电能质量问题主要指：畸变谐波( 任何相序) 、基波 无功功率( 非单位位移囡素) 、负序基本部分( 不平衡部分) 、零序基本部分( 中心线 电流) 、闪变( 电涌的低频调制) 等”1 。在理想状态下，一个三相电力系统运行时， 它以额定电压、额定频率和相位向用户供电，电压和电流波形是标准正弦波， 电压可以表示为： “。0 ) = x 2 us i n ( c o t + a ) m 0 ) = x 2 u s i n ( c o t + a 一2 r t 3 ) ( 1 - 1 ) u c ( t ) = 压- u s i n ( c o t + o r + 2 x 3 ) 第1 页共6 4 页 三相电源系统电能质量调节器的研究 式中u = 电压有效值；口= 初相角；国= 角频率，脚= 2 n f = 等；f _ 频率； t = 周期。 在电网实际运行中，由于系统电源存在内阻和线路阻抗、以及负荷不断 变化，电力系统的频率和电压也会出现波动。另外，电压和电流的三相对称 平衡状况、波形畸变的情况以及负荷剧变引成的电压闪变等问题，都会使得 三相电力线路上的电压电流波形无法保持标准正弦波，并将影响电力系统的 正常运行。例如：正弦波施加在线性无源元件( 如纯阻性网络) 上，其电流 和电压成比例，仍为同频率的正弦波。但当正弦波电压施加在非线性负载( 如 电抗性或开关性电路) 上时，电流就变成非正弦波。实际三相电力网中畸变 波形主要由各种大容量电力和变流设备及其他非线性负荷产生，非线性负荷 从电网吸收非正弦电流，引起电网电压波形的畸变，因此统称为畸变谐波源。 衡量电网系统中畸变谐波问题的程度，常用下述几个公式。 r ， 次谐波电压含有率：h r u 。= 1 0 0 ( 1 2 ) n 次谐波电流含有率：h r l = 鲁1 0 0 ( 1 - 3 ) 谐波电压含量：u 。= 薹以 黻电流挹仁辱 电压谐波总畸变率：t h d = u j u 。l 1 0 0 电流谐波总畸变率：t h d ，= 等l o o ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( i 一7 ) 对于对称的三相电路，三相的相电压、电流依次与a 相差2 万3 。若设a 相 电压所含的力次谐波为： “。= 4 2 u 。s i n ( n c o t + 丸) ( 卜8 ) 则b 、c 相电压所含的力次谐波就分别为： u h = 2 乩s i n ( n e a t 一2 n - 3 + 丸)“。= 4 2 us i n ( h o o t 十2 ，r 3 + 允) ( 1 9 ) 设( = 1 ，2 ，3 ，则当n = 3 k 时，三相电压的谐波大小和相位均相同， 为零序谐波；当n ：3 k + l 时，三相电压的谐波按c 、a 、b 的次序相位差为27 2 3 ， 第2 页共6 4 页 江苏大学硕士学位论文 为正序谐波；当n = 3 k - 1 时，三相电压的谐波按b 、a 、c 的次序相位差为2 万3 ， 为负序谐波。 对于三相对称电路的各相电压而言，相电压中可以含有零序谐波，而线 电压中都不含零序谐波。对各相电流来说，在三相三线电路中，没有零序电 流通道，因而电流中没有零序谐波。而三相四线电路中，零序谐波电流可以 从中性线中流过。总之，对称的三相电路的谐波也是三相对称的“1 。 对于不对称的三相电路，谐波也是不对称的，无论是3 k 、3 k + 1 、3 k 1 次 谐波，其中都可能有正序分量、负序分量和零序分量。在不对称的三相三线 电路中，各相电流可能包含3 、6 、9 等次谐波，但不可能包含这些谐波电流的 零序分量，也不可能包含其它次谐波电流的零序分量。不对称的三相三线或 三相四线电压中，各线电压中也可能包含3 、6 、9 等次谐波，但同样不可能包 含这些谐波电压的零序分量，也不可能包含其他次谐波的零序分量。 电力系统的畸变谐波源主要是一些具有非线性伏安特性的输配电和用电 设备，包括各种换流装置、电子电压调整设各、电弧炉、感应炉以及现代工 业设备为节能和控制使用的各种电力电子设各，还有各种家用电器和照明设 备等。 我们都希望以最小损耗和最大效率地让用电设备发生能量转化。由于畸 变谐波的大量存在，无疑降低了目标效果。在正弦电路中，流过线性负载的 电压和电流都是正弦的，电路的有功功率p 就是平均功率，p = u l c o s 妒，电路 的视在功率5 1 一u - 。功率因素定义 为有功功率和视在功率的比值，x = p s 。 此时的功率因素也就是c o s 。 在含有畸变谐波的非线性电力系统中，其有功功率p 为 p = ru i d ( c o t ) = u ，f s 妒。 ( 卜1 0 ) 其中电压有效值u 有下标表示谐波次数。 视在功率s = u i = 匿 2 l = i 2 p ： i n = l 电流有效值t =这里公式中的所 u 一电压有效值，i 一电流有效值，西一电流与电压的相位差。 在1 1 0 式中的有功功率包含了高次谐波的功率，并不是我们所需要的基 波有功功率，为了更广泛地研究电能质量问题，我们将基波电压和基波电流 作为目标对象，设基波电压有效值u ，基波电流有效值及与电压相位差分别 第3 页共6 4 页 三相电源系统电能质量调节器的研究 为，。和破。可以得到 基波有功功率p = u 1 ，c o s 以 基波无功功率q ，= u l j is i n # 1 则p 2 + q ；= 昕矸 ( 1 1 2 ) j 1 、 不同频率的电压电流之间不产生有功功率“1 ，则视在功率的平方 s 2 = u 2 ，2 = u ? 矸+ 芝“：主：令d 2 = s 2 一p 2 一谚= 芝“：妻，： ( 1 一1 3 ) “ n = 2 “ n = 2 d 就是谐波电流所产生的功率，那么此时三相电源所提供的总功率由基 波有功功率、基波无功功率和谐波功率组成。由此得到广义的三相电源系统 电能质量问题的定义，即除产生基波有功功率外的各种引起总功率增加的电 压电流。本课题基于这一广义的电能质量问题定义，研究设计一种三相电源 系统电能质量调节器。 11 2 电能质量问题的危害及影响 由于电能质量问题存在，使得三相电源系统增加了畸变的电压和电流， 其危害和影响也就显而易见。 1 ) 增加设备容量额外的畸变电压和电流，导致视在功率增大，从而使 设备额定容量、相应的测控和保护装置的额定容量也增加。 2 ) 增加设备和线路损耗无功功率电流的增加，使得线路的损耗增加， 功率因数降低，使电网和设备的效率降低。 3 ) 线路压降增大由于线路阻抗的存在，大量的无功电流注入电网会引 起电网电压下降。 4 ) 影响设备工作性能和使用寿命各种畸变波形的冲击会导致继电器保 护和自动装置误动作：高次谐波会对邻近通信系统产生干扰；影响电气设备 的正常工作；影响电能的准确计量“1 。 1 1 3 电能质量调节器研究的目的和意义 据有关资料统计“1 ，在电力系统中，有功功率的电网损耗只占总负荷的 1 0 以内，而无功和谐波所造成的电网损耗却占负荷的3 0 以上。不计谐波冲 击所造成的直接和间接经济损失，就从节药能源利用来看，进行电网谐波治 理和无功补偿，将大大提高电能的利用效率。与此同时，现代高科技电气产 品不断涌现与普及，需要“绿色”电源的支撑“”“。国家标准g b t 4 5 4 9 1 9 9 3 电能质量公用电网谐波、g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 电能质量电压允许波动和闪 变等对电能质量也作了详细规定阳1 。电能质量问题成了现代电力系统中首 第4 页共6 4 页 江苏大学硕士学位论文 要解决的问题。 为解决电能质量问题，人们首先解决晟主要的问题一谐波抑制和无 功功率补偿，提出并实现了许多有源滤波与无功补偿的方案“”3 。并联型有 源电力滤波器“”对于谐波抑制、无功功率补偿和中性线电流补偿都有很好的 效果，其技术也相对成熟，己应用于实际。而串联型有源电力滤波器“4 1 对于 谐波电压补偿、电压平衡和电压闪变的抑制等方面都有不错的表现，但在实 际应用中并不多见。将串联和并联有源电力滤波器联合使用，构成统一电能质 量调节器( u p q c ) ，它除有具有串联和并联型有源滤波器的特性外，还在电网 和负载之间进行谐波隔离，为负载提供高质量电源的同时，也使电网电能质量 不受非线性负载干扰。电能质量调节器是一种高性价比的解决电能问题的理 想装置，已受到广泛的关注和研究o “。在电力电子技术时代，那种依靠无源 滤波技术治理谐波早已不能满足要求，而采用单纯的无功补偿或有源滤波虽 是用户电力技术实施的主要手段之一，但与电能质量调节器相比，远没有对 配电网进行综合电能质量补偿的效果，成功研制和应用三相电力系统电能质 量调节器，不仅能有效地解决目前其它电力补偿装置无法克服的问题，而且 必将带来显著的经济社会效益。 1 2 国内外电能质量调节技术的的发展历史、现状及趋势 1 2 。1 国外电能质量调节技术的的发展状况 早期的电能质量补偿系统主要是为提高功率因素而设计的，由于无功功 率会带来设备投资和运行费用的增加的后果，无 功功率补偿技术引起了人们的重视。假设有功功 率p 不变，可作功率图，如图1 1 所示，要将功率 因数由c o s 提高到c o s ，需将无功功率q 减小到 q 。而随着减小到q ，视在功率也由s 减小到s ， 从而在电网电压不变时，电流也减小，使设备容 量、损耗减小。可见无功补偿技术就是功率因数 补偿技术。 七十年代后，由于电力电子技术的广泛应 图1 1 无功功率补偿原理 用，谐波引起的故障和事故不断发生，谐波问题也引起了人们的关注。为了 解决谐波污染问题，基本思路有两种：一是加装谐波补偿装置( 滤波装置) 。 二是对谐波源进行改造，使之不产生谐波。前面一种就是谐波补偿和抑制技 术，包括l c 无源滤波器和有源滤波器两种；后者则是功率因数校正技术。 由于技术条件的限制，有源滤波和无功补偿成为电能质量调节问题上的 两个主要分支，被分别独立研究、设计制造和应用。国外有源电力滤波器的 第5 丽其6 4 面 三相电源系统电能质量调节器的研究 研究以日本为代表，对有源电力滤波器进行了深入的研究，现阶段已进入了 批量的实际应用，有源电力滤波系统在欧美国家应用也日趋广泛。 从1 9 8 3 年日本学者a k a g i h 提出“三相电路瞬时无功功率理论”，为有 源电力滤波器中的谐波和无功电流检测技术提供了个较为完善的理论基 础起，电能质量补偿方法进入了有源控制调节阶段”3 。主要代表成果有： 1 9 8 6 年a k a g i b 提出用并联有源电力滤波器产生反相谐波电流抵消谐波一但 要求有源滤波器的容量较大“；1 9 8 7 年，m t a k e d a 等人提出用并联有源电 力滤波器并联无源滤波器的混合型有源电力滤波器方案以减小有源电力滤 波器的容量一但必须使l c 无源滤波器的参数与电网阻抗合理配合“；1 9 8 8 年f z p e n g 等人提出串联有源电力滤波器加并联无源滤波器的结构对谐波 进行陷波一但要求有源滤波器的耐谐波电压值较高”。 早期的无功补偿装置的典型代表是同步调相机和并联电容器。如今，静 止无功补偿装置( s v c ) ，在输电系统的阻抗补偿、长距离输电的分段补偿、 负载的无功补偿中，都有大量的应用。静止无功补偿可以采用固定电容器+ 晶闸管控制电抗器( f c + t c r ) 或直接采用晶闸管投切电容器( t s c ) 。 t c r 可以通过晶闸管的触发延时角血实现无功功率的动态连续调节和 补偿，而t s c 只能进行分组投切，分段进行无功补偿，不能连续调节无功功 率；比s v c 更为先进的现代补偿装置是静止无功发生器( s v g ) ，其基本电 路也和a p f 一样，是三相桥式电压型或电流型变流电路。s v g 和s v c 不同， s v c 需要大容量的电抗器或电容器等储能元件，而s v g 在其直流侧只需要 较小容量的电容器维持其电压即可。s v g 通过不同的控制，既可以使其发出 无功功率，呈容性，也可以吸收无功功率，呈感性。】“” 表1 1目前各种电能质量调节技术的比较 电能质蕈调节防掉补偿稳补偿动 节能 消除防灾 容量成本 技术电 态电压态电压谐波害 稳压电源无有无无无无大高 无源滤波无无无无有无大低 自启动电源有有无无无无大高 一 普通u p s有有无无无无人局 一 动态补偿u p s有有有无 有无 大向 d v r无 有 有有有无小低 配电系统静止 无无无有有有人低 无功补偿器 a p f 无 无无有 有有小低 u p q c有有有有有有小较高 s s t s有无有无无有大低 分布式发电有有有有有有大高 第6 页批6 4 页 江苏大学硕士学位论文 1 9 9 4 年，h a k a g i 等人提出了一种综合了串联有源电力滤波器和并联有源 电力滤波器的综合有源滤波系统“，至此，开始了对电能质量的全面补偿调 节研究。1 9 9 8 年，国外学者提出了统一电能质量调节器( u p q c ) ”。”1 。这种a p f 兼有串、并联a p f 的功能，可较好地调节配电系统的供电电能质量问题，具有 较高的性价比，表卜1 是目前各种电能质量调节技术的简单比较。 1 2 2 国内电能质量调节技术的的发展现状 ， 我国对电能质量问题的研究起步较晚，吴竞昌等人1 9 8 8 年出版的电 力系统谐波一书是我国有关谐波问题较有影响的著作”“。夏道止等1 9 9 4 年出版的高压直流输电系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作 ”。此外，唐统一等人和容健纲等人分别独立翻译了j a r r n t a g a 等的电 力系统谐波一书，也在国内有较大的影响。在有源电力滤波器方面，我国 同样起步较晚，直到1 9 8 9 年才见到这方面研究的文章”，1 9 9 3 年4 + 见到试 验性的工业应用实验”，国内的研究基本处在理论及实验室阶段，工业应用 上只有少数几台样机投入运行。 西安交通大学的王兆安等人，对谐波及无功电流的实时检测方法进行了 一定的研究，提出了以瞬时功率理论为基础的i p - i q 等谐波检测算法”“，同时 还对基于d s p 芯片的单相综合有源电力滤波系统的数字控制的实现进行了研 究。“。清华大学的朱东起等和浙江大学的钱照明等都做了一些非常有意义的 研究。”“1 。目前，采用多重化技术，西安交通大学已研制出1 2 0 k v a 并联型有 源电力滤波器的试验样机“；由清华大学和河南电力局联合研制开发的我国 最大容量的柔性交流输电装置一2 0 m v a r 静止无功发生器( s v g ) ，已于 1 9 9 9 年3 月并网成功”“。 为保证三相电网的供电质量，不仅要加强输电系统的输送能力和运行安 全性，提高配电系统的供电可靠性，而且要抑制和消除各种( 包括来自系统 侧和用户侧的) 干扰对电能质量的影响。近年来，电能质量调节技术已取得 较大的进展 3 9 - 4 2 ) 象不间断电源( u p s ) 、动态电压调节器( d v r ) 、有源 电力滤波器( a p f ) 、静止无功补偿器( s v c ) 、固态切换开关( s s t s ) 、 统一电能质量控制器( u p q c ) 、静止无功发生器( s v g ) 、分布式发电系 统( d g ) 等等，已经正在或即将在生产实际中广泛应用。 1 3 电能质量调节技术的的发展趋势 从三相电源系统发展要求来看，电能质量调节技术正向大容量、低成本、 低损耗、多功能、小体积和高补偿性能方向发展。近年来，在国内外的研究 和应用中，是主要围绕以下几个方面进行的”1 。 1 ) 电能质量控制的基础理论研究，包括统一的畸变波形下电能质量的含 第7 页共6 4 页 三相电源系统电能质量调节器的研究 义，电能质量的界定方法、评价体系的研究，各功率成份的定义及物理意义研 究等，先进科学的理论可以得到更精确的畸变波形辨识方法。 2 ) 智能化、高性能、高速度的数字微处理器正越来越多地用于实时检测 运算控制装置。 3 ) 研究不同干扰条件下电能质量指标的科学测量方法及各种电能质量检 测仪器和设备。 4 ) 在补偿电流技术方面，主要采用p w m 调制和高频开关器件的多重化 技术，实现对高次谐波的有效补偿。当u p q c 的容量小于2 m v a 时，通常采用 i g b t 及p w m 技术进行畸变波形补偿；当容量大于5 m v a 时，通常采用g t o 及 多重化技术进行畸变补偿。 5 ) 在应用方面，主要是提高补偿容量，降低成本和损耗，进一步改善补 偿性能，多功能化，有源装置小型化等等。 1 4 本课题的研究内容 本课题的研究内容，主要是在掌握国内外有关资料的基础上，对电能质 量调节补偿系统的理论进行了研究，并通过计算机仿真和实验对有源电能质 量补偿系统的运行情况进行比较分析，研究如何实时准确地检测出电网中的 畸变电压和电流，实时地进行动态补偿。本课题的主要内容如下： ( 1 ) 对电力系统谐波和无功问题产生的原因及其危害、电能质量调节技 术的发展现状进行了简述。 ( 2 ) 阐述电能质量调节器的组成和分类，分析低通滤波器检测高次谐波 电流的一些相关问题，比较了几种不同检测方法对检测结果误差的影响，分 析了现有的谐波检测方法的不足，重点研究了基于瞬时无功功率理论的畸变 波形的检测方法，提出新的同步检测方法，并对p ，q 法和j 。一i o 和同步检测法 进行了仿真。 ( 3 ) 利用仿真分析三相系统电源阻抗和线路中串联变压器时对系统的影 响：对比了并联有源滤波器和电能质量调节器进行电能质量调节的差别。 ( 4 ) 通过仿真比较了直流侧无功容量对电能质量调节的影响；对比了输 出补偿方法对补偿结果的影响。 ( 5 ) 一种三相电源系统电能质量调节器的实现，它由小容量无源滤波器 和串并联有源滤波器构成，不仅滤除电网系统中的非正序有功基波和各种畸 变分量，而且补偿三相电压不平衡、电流不平衡，并且补偿无功。对一三相 电源系统进行负载突变、三相不平衡试验，对比分析谐波抑制和无功补偿试 验结果。 第8 页共6 4 页 江苏大学硕士学位论文 第二章电能质量调节器的系统构成及分类 电能质量调节器( u p q c ) 是一种用于动态抑制谐波、补偿无功功率的新型 电力电子装置，i ，c 滤波器等传统方法也能进行不同程度的谐波抑制和无功补 偿，因而在任何新型电能质量补偿系统中，它都是不可缺少的组成部分之一。 电能质量调节器的拓朴结构如图2 1 所示，它主要由串联有源滤波器和 并联有源滤波器构成，串、并联有源滤波器的直流侧使用共同的电容连接起 来，作为两变流器与电网之间能量交换的电能储备。串联有源滤波器通过耦 合变压器连接在电网与负载之间，按受控电压源方式工作，主要用来补偿电 压谐波、不平衡和调节电压幅值。并联有源滤波器并联在负载端，按受控电 流源方式工作，补偿无功谐波、不平衡电流。直流侧电压的稳定，可由两个 有源滤波器共同调节。 图2 1 电能质量调节器的结构 u p q c 的补偿指令检测分为电压补偿检测和电流补偿检测两部分。尽管 u p q c 由串联a p f 和并联a p f 复合而成，但它的电压检测和电流检测却不能单 独进行，因为u p q c 作为一个整体，其内部存在着能量的交换和平衡。本文采用 同步检测法，即先检测电网基波正序电压，再根据基波正序电压及功率平衡原 理、来计算出每相负载基波有功电流，从而确定电流补偿指令，故电压检测的 精确度直接影响到整个电能质量调节器的补偿效果。 电能质量有源滤波器的单相等效电路如图2 2 所示，图中高通滤波器的 最高截止频率呵设计为远大于工频，这样可有效进行高频去耦，减少线路中 谐波对开关器件的高频冲击，延长a p f 的使用寿命。为方便分析，将h p f 和负载合并，其等效阻抗为z ；假设电源u ，= 【，+ u 。，流过等效负载的电流 j ，= ，+ ，。，则得到如下方程。 u 。= i , z 。+ m u + i = z ( 2 - 1 ) 第9 页共6 4 页 三相电源系统电能质量调节器的研究 i 。+ n i h = 1 z 代入条件后，解得 ( 2 2 1 玑+ u h ( 1 一m ) = i f ( z z ，) + 厶( z z ，一n z , ) ( 2 - 3 ) 当m = 1 ，n = z z , 一l ，时，2 3 式中只存在基波电压u ，和基波电流，从 而去除了线路中的高次谐波波。 图2 2u p q c 等效原理电路图 电能质量调节器的三大组成部分中，l c 滤波器、数字低通滤波器、并 联和串联有源滤波器的结构形式较多，下面分别进行说明。 2 1l c 滤波器 l c 滤波器是由滤波电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置， 并联装设在谐波源处，用来吸收谐波源产生的谐波电流，并进行无功补偿。 l c 滤波器分为单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器三种。其中单调谐 滤波器可用来滤除某一次或相邻的两次谐波；高通滤波器用于滤除某一次及 以上各次谐波；低通滤波器用于滤除某一次及以下各次谐波。 对于大容量的谐波源，次数较低、含量较大的几次谐波，如3 、5 、7 次， 可对每次谐波各装一个单调谐滤波器，将谐波分别滤除。次数较高的几次谐 波，如1 1 次及以上各次，则装一个高通滤波器将其谐波全部滤除。对于小容 量的谐波源，可装一个高通滤波器，这样可使各次谐波电流进入滤波器，不 再注入系统。双调谐滤波器承受基本电压的能力较高，基波功率损耗较小， 但结构比较复杂，调谐较困难，当前在高电压的场合应用较多。实际应用中 常用几组单调谐滤波器和一组二阶高通滤波器组成滤波装置。“” 21 1 单调谐滤波器 单调谐滤波器为电容、电感的串联谐振电路，用于滤除某一特定频率处 的谐波，。电路原理图见图2 - 3 ( a ) 。滤波器对n 次谐波( o ) n = r t ( o s ) 的阻抗为： 1 z m = r m + j ( n o , ，五一_ i ) ( 2 - 4 ) 第1 0 页共6 4 页 江苏大学硕士学位论文 式中，下标f n 表示第n 次单调谐滤波器。 z ，i 图2 - 3 ( a ) 单调谐滤波器原理图图2 - 3 ( b ) 滤波器阻抗随频率变化的关系曲线 由2 - 4 式可画出滤波器阻抗随频率变化的关系曲线，如图2 - 3 ( b ) 所示。 单调谐滤波器是利用串联l 、c 谐振原理构成的，谐振次数n 为： 1 n = = 一 。4 l c ( 2 5 ) 在谐振点处， i zm l = rm ，因rm 很小，n 次谐波电流主要由rm 分流，很少流 入电网中。而对于其他次数的谐波，若谐波次数小于调谐频率的谐波，则 f z f n l r f n ，滤波器呈容性；若谐波次数大于调谐频率的谐波，则l z f n l r f n ，滤 波器呈感性。由于离开调谐频率的 z f i 增大很快，故两侧谐波不能被大量的分 流和吸收。z 。) ) r 。，滤波器分流很少。因此，只有将滤波器的谐振次数设 定为与需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将太部分流入滤波器，从而起 到滤除该次谐波的目的。滤波器的品质因数为调谐频率处的感抗或者容抗与 电阻r 之比，用q 表示 9 = 等= j 考佃 ( 2 咱) q 决定了滤波器调谐的敏锐度。q 越大，即r 越小，谐波阻抗频率特性的陡 度即绝对值id z ，。1 d fi 越大，滤波器的调谐越敏锐。q 过大，会使被滤谐波 频率的频带过窄，当系统频率或滤波器电容、电感参数发生偏差时容易失谐， q 过小会使滤波器的损耗增大，调谐滤波器品质因数的典型值为q = 3 0 6 0 。 21 ，2 高通滤波器 高通滤波器也称为减幅滤波器，共四种形式，即一阶、二阶、三阶和c 型。二阶高通滤波器滤波性能最常用。电路原理图如图2 - 4 ( a ) 所示 二阶高通滤波器的阻抗为： z 。：三一+ ( 三+ 土一) 1” j n o ，c 、rj n a l 。 ：善兰凳+ ，( ? 生弩一上) ( 2 - 7 ) 2 f 丽+ j 矿丽一面) 。 第1 l 页共6 4 页 三相电源系统电能质量调节器的研究 l r l z l 月 图2 - 4 ( a ) 高通滤波器原理图图2 - 4 ( b ) 高通滤波器i z 。1 随频率变化的关系曲线 j z 。i 随频率变化的曲线如图2 - 4 ( b ) 所示。该曲线在某一很宽的频带范围内 呈现为低阻抗，形成对次数较高谐波的低阻抗通路，使得这些谐波电流大部 分流入高通滤波器。从某一频率f 0 开始，iz 【值很小，当频率低于f 。时其阻 抗显著增大，该f 。称为截止频率，截止频率与滤波器参数r 、c 按下式确定。 f o = 互赢1 当滤波器电路存在谐振状态时 零，调谐频率为 ( 2 8 ) 在谐振频率处，2 7 式阻抗z 的虚部为 ，一竺一 生： ! ； 一2 厅z 碰压一m 后l m - 1 ( 2 9 ) 其中，聊= ，这罩m 一为高通滤波器的结构参数，一般为m = o 5 2 0 。 p r 高通滤波器的品质因数q ，可表示为 o ：旦 。 c o l 为了统一适应各种阻抗频率特性，规定对应l 、c 串联电路谐振时的频率， 即国= 。l _ 时上式的q 值为高通滤波器的品质因数值 4 l c q = r 肛去 不同的m 或q 值会影响到高通滤波器的阻抗频率特性。一般参数m = o j 2 0 ，故高通滤波器q 的典型值为q = 0 7 1 4 “。 213l o 滤波器的设计 设计l c 滤波器时，在满足滤波性能的基础上，应尽量经济合理。当设计 为滤波时，需合理安排滤波器的参数配合、及其谐波阻抗与系统谐波阻抗间 的分流比，要兼顾滤波器安装点的系统阻抗频率特性。在满足滤波条件的基 础上，合理调整滤波器的容量和尺寸“。 l c 滤波器的性能指标应符合国家标准规定：各次谐波电压含有率t l r u n 、 第1 2 页共6 4 页 江苏大学硕士学位论文 电压总谐波畸变率t h d u 年9 注入电网的各次谐波电流大小都应满足相应标准规 定1 1 1 “。 除技术要求和经济分析外，设计滤波装置还应考虑到滤波器的谐振频率会 因电容、电感参数的偏差或变化而改变，电网频率会有一定的波动，可能会 导致滤波器失谐。另外，电网阻抗变化会对滤波装置的滤波效果有较大影响， 严重时会有电网阻抗与滤波器发生并联谐振的可能，应予以充分考虑。 根据以上要求，设计滤波装置的一般步骤如下： 1 ) 准备设计的原始数据，包括估算系统中谐波源向电力系统注入的各次 谐波电流，进行谐波阻抗分析，确定应提供的无功补偿容量大小等。 2 ) 确定滤波装置的构成。 3 ) 滤波装置中各滤波器的初步设计，初步确定各单调谐滤波器、高通滤 波器中各元气件参数、容量等。 4 ) 滤波装置的最后确定，包括计算滤波器之间的影响，校核滤波装置是 否满足谐波抑制的要求，对系统进行谐波电流计算，对不同方案进行经济分 析等。 本课题研究的系统中，负载为三相全控桥式整流电路，负载电流中含有 高次谐波，因而实验系统中需设置一组无源滤波器，设置滤波器的参数应根 据负载及系统构成的综合阻抗的频率特性，并考虑系统谐波源的作用，使其 有效滤除谐波源负载的谐波，从而选择技术、经济最合理方案。 2 1 4 数字低通滤波器的仿真 数字滤波器是指输入、输出均为数字信号、通过一定运算关系改变输入 信号所含频率成分的相对比例或者滤除某些频率成分的器件，数字滤波器和 模拟滤波器相比，因为信号形成和实现滤波的方法不同，数字滤波器具有比 模拟滤波器精度高、体积小、重量轻、灵活、稳定、不要求阻抗匹配等优点。 m a t l a b 的信号处理工具箱为数字滤波仿真实验提供了丰富而简便的模块，只 需调整相应参数就可以得到要设计的数字滤波器。数字滤波器从功能上分有： 低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、