（电气工程专业论文）并联混合型有源电力滤波器的理论与应用研究.pdf

博+ 学位论文 摘要 无源滤波器( p f ) 作为传统的谐波治理手段，由于存在只能滤除特定 次谐波和可能与电网发生串并联谐振等缺点，将逐步被新型装置所取代。 混合型有源滤波器由于有效综合了有源滤波器( a p f ) 和无源滤波器的各 自优点，正成为谐波治理和无功补偿一体化系统的研究和发展方向。本 文以江西某铜箔厂大容量无功补偿和谐波抑制项目为依托，以并联混合 型有源电力滤波器( h a p f ) 的工程实现为主线，研究内容涵盖了并联型 h a p f 的基本滤波原理、检测和控制算法、主电路参数的设计和相关工程 实现技术等方面，形成了较为完整的并联型h a p f 的技术方案，其重点及 取得的成果主要体现在以下几个方面： 1 、建立了并联型h a p f 的统一电气模型，探讨了不同基本控制策略 下并联型h a p f 的滤波原理及优缺点，提出在工况分析的基础上优选基本 控制策略以避免电网参数波动对滤波效果产生的消极影响。 本论文分析了几种常见的并联型h a p f 的结构，采用输出建模法建立 了并联型t t a p f 的统一电气模型，将不同基本结构的并联型h a p f 进行规 类分析，在此基础上探讨了四种不同基本控制策赂下并联型h a p f 的滤波 原理及其优缺点，比较分析了各种基本控制策略下电网参数波动对滤波 系统工作性能产生的影响，为并联混合型有源滤波器在复杂工况下基本 控制策略的最优选择提供了有效的指导。研究表明采用根据负载谐波电 流的基本控制策略滤波效果最好，但其前提条件是电网相关参数波动较 小，这样的特点使得该基本控制策略相对来说更为适合于一般工矿企业 的谐波治理工程。 2 、分析了并联型h a p f 的系统延时产生的原因及其对系统滤波性能 产生的影响，提出了一系列有效减小延时以提高系统滤波效果的方法。 研究表明并联型h a p f 信号处理流程中的各个环节都存在一定的延 时，其中以数字化控制器控制信号的离散化所产生的延时为主。延时不 但将降低滤波装置的谐波治理效果，还可能导致某些高次谐波放大，甚 至影响基于锯齿载波的脉宽调制。针对延时产生的原因，论文提出可通 过采用高速的a d 转换芯片和微处理器以及内部具有相位补偿功能的互 感器、提高系统的采样频率、应用基于改进规则采样法进行p w m 调制的 死区补偿方法以及在信号处理中采用信号预测方法来减小延时对系统造 成的影响，同时详细介绍了死区补偿和信号预测方法的具体应用。 并联混合型有源电力滤波器的理论与戍用研究 3 、分析了并联型h a p f 进行分频控制的必要性，提出了基于广义积 分的模糊自整定p i 控制方法，在精简分频检测环节的基础上有效实现了 并联型h a p f 的分频控制。 在对并联型t t a p f 结构特点分析的基础上，本论文得出了并联型i t a p f 需要进行分频控制的结论。这是由于并联型h a p f 的有源部分或者直接与 一条或几条无源滤波支路相连，或者在电路中还并联有其它无源支路以 改善滤波效果并兼作无功补偿，因此对某些次数的谐波进行控制是没有 必要的，同时在补偿谐波注入电网的过程中各次谐波的幅值变化和相位 偏移都各不相同，需要分频进行考虑。基于以上原则，本论文提出了分 频控制的思路，并应用广义积分的特点实现了对周期量的分频积分，精 简了对参考信号进行分频检测的环节，同时采用模糊算法进行比例和积 分系数的在线调整，在确保控制精度的同时大大改善了算法的动态性能， 由此形成了基于广义积分的模糊自整定p i 控制方法，实现了对h a p f 的 有效分频控制。 4 、结合工程实际，提出了一套并联型h a p f 的参数设计理论和典型 应用方案。 以串联谐振注入式h a p f 为例，本论文分析了相关主电路参数取值可 能对滤波性能产生的影响，提出一套适合大功率谐波抑制和无功补偿的 并联型h a p f 的结构和参数设计方法，同时将模糊算法和遗传算法引入相 关参数的多目标优化设计中。 在并联型h a p f 基本原理、信号检测和控制方法以及主电路参数设计 的研究基础上，本论文根据江西某铜箔厂并联型h a p f 的应用实例，从设 计之初的仿真分析出发，提出一套用于大容量谐波抑制和无功补偿的并 联型h a p f 应用方案，涵盖了从h a p f 的设计仿真到现场投运的整个项目 实施流程，同时详细说明了相关软硬件的设计原则和基本功能，可为并 联型h a p f 的推广应用提供有益的指导。 关键词：h a p f ；电气模型；控制策略；延时；分频控制：优化设计 h a b s t r a c t a st h et r a d i t i o n a lh a r m o n i cc a n c e l i n gt o o l ，p a s s i v ep o w e rf i i t e r ( p f ) i s r e p l a c i n gb ys o m en e we q u i p m e n t sf o ri t ss e v e r a li n s u p e r a b l ed i s a d v a n t a g e s ， s u c ha st h em o r ep o s s i b i l i t yo fr e s o n a n c i n gw i t hp o w e rn e ta n dt h es i m p l e x f i l t e r i n gp e r f o n m a n c e h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ( h a p f ) ，c o m b i n e dt h e m e r i t so fa c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) a n dp f , i sb e c o m i n gt h er e s e a r c h i n g f o c u so fh a r m o n i ce l i m i n a t i n ga n dr e a c t i r ep o w e rc o m p e n s a t i n ge q u i p m e n t s b a s e do nt h ep r o j e c to fh a r m o n i c ss u p p r e s s i o na n dv a rc o m p e n s a t i o ni na c o p p e rf o i lf a c t o r yi nj i a n gx ip r o v i n c e ，t h i sd i s s e r t a t i o ne x p a n d st h e s t r u c t u r e ，p r i n c i p l e ，d e t e c t i o na n dc o n t r o lm e t h o do fh a pf a sw e l la st h e o p t i m u md e s i g nm e a n so fm a i np a r a m e t e r sa n ds o m ei m p o r t a n tr e a l i z i n g t e c h n o l o g i e s t h ee m p h a s i sa n da c h i e v e m e n to ft h ep a p e rm a i n l ym a n i f e s t s i nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 b yt h ee s t a b l i s h m e n to ft h eu n i v e r s a le l e c t r i cm o d e l ，t h et h e s i s c a r r i e so na nc o m p a r a t i v ei n v e s t i g a t i o ni n t ot h ef i l t e r i n gp r i n c i p l eb a s e do n s e v e r a lk i n d so fb a s i cc o n t r o ls t r a t e g i e sa n dp r e s e n t sav i e w p o i n tt h a tw e s h o u l dc h o o s et h eb e s tc o n t r o ls t r a t e g eb yd e t a i l e da n a l y s i so ft h el o c a l s i t u a t i o nt o m i n i m i z i n gt h en e g a t i v e i n f l u e n c eo ff i l t e r i n gp e r f o r m a n c e ， w h i c hc a u s e db yp o w e rp a r a m e t e r sf l u c t u a t i o n t h i sp a p e rp r e s e n t st h eu n i v e r s a le l e c t r i cm o d e lb a s e do nt h ed e t a i l e d a n a l y s i so ft h ec o n f i g u r a t i o no ft h es e v e r a ln o r m a lh a p f i th e l p st ot h e u n i f o r mr e s e a r c ho fd i f f e r e n ts o r t h a p f b yt h ee s t a b l i s h m e n to f t h e e l e c t r i cm o d e l ，t h i sp a p e rc a r r i e so na ni n v e s t i g a t i o ni n t ot h eh a r m o n i c f i l t e r i n gp r i n c i p l eo fs h u n th a p fb a s e do ns e v e r a lk i n d so fi t sa c c e p t e d b a s i cc o n t r o l s t r a t e g i e s f u r t h e rm o r e ，ac o m p a r i s o nr e s e a r c h ，w h i c h f o c u s e so nt h ei n f l u e n c eo fs h u n th y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r o p e r a t i n g p e r f o r m a n c e ，p r o d u c e db y d i f f e r e n tc o n t r o ls t r a t e g i e s ，i s p u tf o r w a r d c o n s i d e r i n gt h ec h a n g eo fp o w e rn e t w o r kp a r a m e t e r s t h ec o n c l u s i o nm a y h e l pt ot h eo p t i m i z e dc h o i c eo ft h eb a s i cc o n t r o ls t r a t e g yu n d e rt h ec o m p l e x o p e r a t i n gm o d ea n dg u a r a n t e et h es e c u r i t yo p e r a t i o no ft h ew h o l es y s t e m 2 t h ed i s s e r t a t i o na n a l y s e st h er e a s o na n di t sa f f e c to fh a p fs y s t e m t i m ed e l a y b a s e do ni t ，as e r i e sm e a n so fm i n i m i z i n gt h ei n f l u e n c ew h i c h c a u s e db yt h i sd e l a yi sp u tf o r w a r dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e r t h er e s e a r c hs h o w st h es y s t e mt i m ed e l a ye x i s t si ne v e r yp a r to fd i g i t a l m 垫壁堡窒型至塑! ! 垄壅鍪矍竺矍篁三堡丝至圣 s i g n a lp r o c e s s i n g f l o w i nt h e mt h e d e l a yc a u s e db yd i g i t a ls i g n a l d i s t r i b u t i o ni st h em o s ti m p o r t a n to n e t h i sd a l a yi sn o to n l yn e g a t i v et ot h e f i l t e r i n gp e r f o r m a n c eb u t a l s o e a s y t o m a g n i f y s o m e h i g hf r e q u e n c y h a r m o n i e s a tt h es a m et i m ei tw o u l di n f l u e n c et h ep w mm o d u l a t i o nb a s e d o ns a w t o o t hw a v e t a k i n gi ta st h ef o u n d a t i o n ，t h i sp a p e ra l s op r e s e n t ss o m e m e t h o d st or e d u c et h ed e l a ya n dg i v e sai n t r o d u c t i o na b o u tt h em e t h o d s a p p l y i n gi nh a p f t h ew a y si n c l u d es e l e c t i n gt h eh i g hs p e e da dc h i p sa n d m i c r o p r o c e s s o r ，a d o p t i n gt h ec u r r e n ta n dv o l t a g et r a n s f o r m e r sw h i c hh a v e t h e f u n c t i o no fp h a s ec o m p e n s a t i o n ，i m p r o v i n gs a m p l i n gf r e q u e n c ya n d c o m p e n s a t i n gt h ed e a d t i m ee f f e c t f u r t h e r m o r e ，a p p l y i n gs i g n a l f o r e c a s t m e t h o di sa n o t h e re f f e c t i v ew a yt om i n i m i z ei t sb a di n f l u e n c e 3 a c c o r d i n gt ot h en e c e s s a r ya n a l y s i so ff r e q u e n c yd i v i d i n gc o n t r o li n h a pf t h i sd i s s e r t a t i o n p r e s e n t s a f u z z y - p i c o n t r o lm e t h o db a s e do n g e n e r a l i z e di n t e g r a t o r i nt h i sw a yae f f e c t i v ef r e q u e n c yd i v i d i n gc o n t r o l m e t h o d ，w h i c hs i m p l i f i e d t h ef r e q u e n c yd i v i d i n gd e t e c t i o np a r ti nt h e c o n t r o lf l o w ，i sr e a l i z e d b yt h ea n a l y s i so ft h es p e c i a lc o n f i g u r a t i o nc h a r a c t e r sac o n c l u s i o ni s p u tf o r w a r dt h a taf r e q u e n c yd i v i d i n gc o n t r o lm e t h o ds h o u l db ea d o p t e di n h a p f b e c a u s et h ea c t i v ep a r to fh a p fi sc o n n e c t e dw i t hp a s s i v ef i l t e r s d i r e c t l yo rt h e r ea r es o m ea n o t h e rp a r a l l e lp a s s i v eo n e si nt h ec i r c u i t ，i ti s u n n e c e s s a r y t oc o n t r o ls o m ec e r t a i no r d e r sh a r m o n i c s m o r e o v e r ，t h e a m p l i t u d ec h a n g e sa n dp h a s ee x c u r s i o n sa r en o ts a m eb e t w e e nt h ed i f f e r e n t f r e q u e n c yd u r i n gt h ep r o c e s so fc o m p e n s a t e dh a r m o n i e si n j e c t i n g g r o u n d o nt h ea b o v ep r i n c i p l e s ，t h i sp a p e rp r e s e n t saf u z z y p ic o n t r o lm e t h o db a s e d o ng e n e r a l i z e di n t e g r a t o rt or e a l i z et h ef r e q u e n c yd i v i d i n gc o n t r o lo fh a p f i nt h i sm e a ng e n e r a l i z e di n t e g r a t o ri su s e df o rf r e q u e n c yd i v i d i n gi n t e g r a l a n df u z z ya r i t h m e t i ci sf o ra d j u s t i n gp ic o e f f i c i e n t st i m e l y c o m p a r ew i t h o t h e rk i n d so fc o n t r o lm e t h o d s ，t h ep r o p o s e do n ei sm o r es i m p l ea n de a s i e r t or e a l i z e t h es h o r t e rr e s p o n s et i m ea n dh i g h e rc o n t r o lp r e c i s i o na r ea l s o t h ea d v a n t a g e so fi t s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ts h o w st h em e t h o dc a nm e e t t h eh a r m o n i cs u p p r e s s i n gr e q u i r e m e n to ft h eh a p fc o n t r o l l e r 4 b a s e do nt h ep r o j e c to fh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dv a rc o m p e n s a t i o n ， t h i s p a p e rp r e s e n t s aw a yo fs y s t e mp a r a m e t e r sd e s i g na n dat y p i c a l a p p l y i n gb l u ep r i n ti nh a p f a st h ee x a m p l eo fr e s o n a n c ei n j e c t i o nh a pf t h i sp a p e rp u t sf o r w a r da i v s e r i e sd e s i g nm e t h o d so fc o n f i g u r a t i o na n dp a r a m e t e r si n l a r g ec a p a c i t y h a p f i nt h e mf u z z ya n dg e n e t i ca l g o r i t h ma r ei n t r o d u c e dt oi m p l e m e n tt h e o p t i m a ld e s i g no fm u l t i - o b j e c t a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho ff i l t e r i n gp r i n c i p l e ，s i g n a ld e c t i o n ，c o n t r o l m e t h o da n dp a r a m e t e rd e s i g n i n gm e a n si nh a p rt h ed i s s e r t a t i o nb r i n g s f o r w a r das e r i e so fa p p l y i n gb l u ep r i n tw h i c hi sr i g h ts u i t b l ef o rt h el a r g e c a p a c i t yh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o np r o j e c t b a s e do i lt h ep r o j e c ti nac o p p e rf o i lf a c t o r yi nj i a n gx ip r o v i n c e ，t h ep a p e r c o n t a i n s s e v e r a lk e yt e c h n o l o g i e si n i m p l e m e n th a p f w h i c hi n c l u d i n g s i m u l a t i o n ，e q u i p m e n ts e l e c t i o n ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n i t w o u l d h e l pt ot h es p r e a d i n ga p p l i c a t i o no fh a p fi nc h i n a k e yw o r d s ：h a p f ；e l e c t r i cm o d e l ；c o n t r o ls t r a t e g i e s ；t i m ed e l a y ； f r e q u e n c yd i v i d i n gc o n t r o l ；o p t i m a ld e s i g n v 并联混合型有源电力滤波器的理论与席用研究 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 插图索引 a p f 和p f 两者并联1 0 串联谐振注入式混合有源电力滤波器1 0 并联谐振注入式混合有源电力滤波器1 0 a p f 和p f 串联后再并联接入电网1 1 谐振阻抗型混合有源滤波器1 1 电感替代基波谐振电路的混合有源滤波器1 1 串联型a p f 和并联型p f 的混合1 2 串联型a p f 和并联型a p f 的混合1 2 s h a p f 结构示意图1 4 r 1 t h a f 结构示意图1 5 a p f s i c 结构示意图1 5 并联型h a p f 网侧单相电气模型1 7 采用控制策略一时系统的等效电路1 8 采用控制策略二时系统的等效电路1 9 采用控制策略三时系统的等效电路2 0 采用控制策略四时系统的等效电路2 0 不同控制策略下叮1 与k 的关系2 2 不同控制策略下玑与k 的关系2 3 不同控制策略下玑与k 的关系2 5 不同控制策略下玑与k 的关系2 5 不同控制策略下仇与k 的关系2 7 不同控制策略下r 。与k 的关系2 7 并联型h a p f 参考信号流程图2 9 离散化控制信号图3 0 补偿残余度、谐波次数和延时的关系图3 3 考虑系统延时时谐振注入式有源滤波器数学模型3 4 系统闭环传递函数幅频特性图3 5 考虑延时的p w m 调制3 6 p w m 逆变器i t 相桥臂3 7 死区效应波形示意图3 7 逆变器输出等效误差电压与输出电流的关系3 8 误差方波幅频谱图3 9 5 次谐波输出向量图3 9 自适应预测算法和基于p w m 调制的死区补偿方法框图4 2 v i 1 2 3 4 5 6 7 8 1 1 l 1 1 1 j 1 l 图图图匿图图图图 博十学位论文 自适应滤波器的原理框图4 3 p w m 周蒂4 5 a p f 控制系统的一般结构4 8 串联谐振注入式有源滤波器单相结构图5 0 a p f 与p f 串联后并联接入电网的h a p f 单相结构图5 1 单相等效图5 1 波特图5 2 基于直流分量的p 1 分频控制框图5 3 基于广义积分的模糊p 1 分频控制方法总体框图5 4 广义积分p l 控制器原理框图5 5 隶属度函数5 6 基于广义积分的模糊p 1 分频控制仿真模块5 8 基于直流分量的分频p i 控制方法5 9 0 1 s 一0 3 s 母线电流图5 9 0 1 s 一0 3 s 母线电流f f t 分析结果图5 9 0 9 s 一1 s 母线电流图6 0 0 9 s 1 s 母线电流f f t 分析结果图6 0 实验装置6 0 智能整流桥负载6 1 实验波形6 1 串联谐振注入式有源滤波器主电路结构图6 3 最优隶属函数6 7 系统单相等效电路图6 9 串联谐振注入式h a p f 的有源部分结构图7 0 输出电感值不同时直流侧电压比较图7 2 输出滤波器优化设计仿真比较图7 6 整流装置进线图8 1 仅投入1 1 次支路时的情况8 4 仅投入1 3 次支路时的情况8 5 仅投入注入支路时的情况8 5 投入1 1 次和1 3 次支路时的情况8 5 投入1 1 次和注入支路时的情况8 6 投入1 3 次和注入支路时的情况8 6 三条支路都投入时的情况8 6 串联型h a p f 的整体仿真图8 7 v n ”1 2 3 4 5 6 7 8 9 m u他n”拍协1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 3 3 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 4 5 5 5 5 5 5 6 6 6 6 6 6 6 6 6 图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图图 并联混合型有源电力滤波器的理论与府埘研究 图6 1 0 图6 1 1 图6 1 2 图6 1 3 图6 。1 4 图6 1 5 图6 1 6 图6 1 7 图6 。1 8 图6 1 9 图6 2 0 图6 2 1 图6 2 2 图6 2 3 图6 2 4 图6 2 5 图6 2 6 图6 2 4 图6 2 4 工况1 补偿前母线电流仿真图8 7 工况1 补偿后母线电流仿真图8 8 工况2 补偿前母线电流仿真图8 9 工况2 补偿后母线电流仿真图8 9 工况3 补偿前母线电流仿真图9 0 工况3 补偿后母线电流仿真图9 0 工况4 补偿前母线电流仿真图9 1 工况4 补偿后母线电流仿真图9 1 并联型h a p f 应用系统和电缆连接图9 2 高压开关柜、无源支路和隔离变压器9 3 上位机系统硬件平台9 4 上位杌系统软件结构图9 4 基于智能i p m 模块的电压型逆变器9 6 基于d s p 的下位机控制器9 6 i p m 模块驱动板原理图9 7 d s p 控制器结构框图9 7 有源输出屏内部图9 9 h a p f 现场装置图9 9 h a p f 投入前后数据采集软件截图9 9 v i 博十学位论文 附表索引 表2 1不同结构的h a p f 中z 1 和z 2 组成1 7 表2 2仿真参数表2 2 表2 3不同控制策略下，7 ，表达式2 3 表2 4 不同控制策略下吼和r 。表达式2 4 表2 5 不同控制策略下叩。和，7 ，表达式2 6 表3 1系统参数表3 5 表4 1 k 。参数调整规则表5 7 表4 2a k ，参数调整规则表5 7 表5 1传统方法与优化方法设计结果比较7 5 表6 1无源支路设计表8 3 i x 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：黼砰嗍聊年够月弓日 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“4 ”) 作者签名： 导师签名： 日期：川年毕月| ；e 1 日期：砂7 年牛月多e 1 x 耳， =泵奚嘲安 泓矛 博士学位论文 第1 章绪论 电能是现代社会生产和人民生活中主要的和必不可少的重要能源， 随着社会的发展和科技的进步尤其是电力电子装置的广泛应用，一方面 电力系统中的谐波污染随着非线性负载的数量和容量增加而日趋严重， 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 也闩益提高，愈发严重的谐波污染与越来越高的电能质量要求形成了一 对尖锐的矛盾。据中国电力报道，我国仅由电能质量问题造成的年 电能损失就高达4 0 0 多亿元，冶金、铁路、矿山等企业的谐波严重超标， 因谐波闯题导致的开关跳闸、大面积停电甚至电力系统解列等事故也屡 见不鲜，因此对电力系统的谐波污染进行综合治理已成为摆在科技工作 者面前的一个具有重要现实意义的研究课题。而有源电力滤波器( a c t i v e p o w e rf i l t e r a p f ) 由于具有高度可控性和快速响应性，能对频率和幅 值都变化的谐波进行跟踪补偿，因而受到广泛的重视，成为目前国内外 供电系统谐波抑制研究的热点。 本章从谐波研究的背景出发，探讨了谐波治理的意义和主要措施， 阐述了有源滤波技术的发展概况和国内外研究现状，最后介绍了本论文 选题的背景及各章节的主要内容。 1 1 谐波研究的背景 电力系统的波形畸变并不是个新现象，从交流电的出现到2 1 世纪的 今天，如何将其限制在可以接受的范围内一直是电力工程师所关心的问 题。早在1 8 世纪和1 9 世纪，几位数学家，特别是f o u r i e rj b j ，就为 谐波的分析奠定了基础。在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代的德国，研究者由 静止汞弧变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波的概念。当时最有 影响的是r i s s i kh 所著的t h em e r c u r ya r cc u r r e n tc o n v e r t e r 【，另一 篇有关静止变流器产生谐波的经典论文是r e a dj c 在1 9 4 5 年发表的 t h ec a l c u l a t i o no fr e c t i l i e ra n dc o n v e r t e rp e r f o r m a n c ec h a r a c t e r i s t i c s 怛j 。2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代高压直流输电技术的发展，推进了变流器 谐波问题的研究。在这一时期发表了大量的论文。k i m b a r ke w 在其著 作d i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n 【3 j 中对此进行了总结，该书包括了电力 系统谐波方面6 0 篇以上的参考文献。7 0 年代以后，国际上多次召开了有 关谐波问题的学术会议，其中从1 9 8 4 年开始，每两年召开一次的电力系 并联混合型有源i 乜力滤波器的设汁与应明研究 统谐波国际会议( i c h p s ) 极大地推动了谐波领域的研究和交流，不少国 家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标淮和 规定1 4 - 5 】，同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发展起来。 我国对谐波问题的研究起步较晚。吴竟昌等1 9 8 8 年出版的电力系 统谐波i 一书是我国有关谐波问题早期较有影响的著作。随后，许克 明等也于1 9 9 1 年出版了电力系统高次谐波i s ，张一中等1 9 9 2 年出 版了电力谐波1 9 】，夏道止等1 9 9 4 年出版了高压直流输电系统的谐 波分析及滤波 1 0 l ，林海雪等1 9 9 8 年出版了电力网中的谐波1 1 1 1 ， 这些著作都对人们认识和研究谐波作出了很大的贡献。此外，唐统一等 和容健纲等分别于1 9 9 1 年和1 9 9 4 年独立翻译了a r r i l a g aj 等的电力系 统谐波d 2 】【”1 ，也在国内有较大的影响。1 9 9 8 年，王兆安等出版的谐 波抑制和无功功率补偿【6 l 是国内迄今为止较为全面的介绍谐波分析和 治理方法的著作，特别是其中关于有源滤波器的分析和阐述，被国内许 多研究者广泛引用和参考。近些年来，国内期刊和有关会议上发表的谐 波相关问题的研究论文也非常多，谐波问题已经成为研究热点。因此可 以蜕，我国对谐波问题的研究起步于8 0 年代，在整个9 0 年代有了长足 的发展，与国外研究水平的差距正在不断减小。 1 2 谐波治理的意义 自从采用交流电作为电能输送的一种方式起，入们就己知道电力系 统中的谐波问题。但是，近年来随着非线性设备的大量使用，使得这一 问题更加突出。 通常作为谐波源，非线性设备可分为以下几类； ( 1 ) 传统非线性设备，包括变压器、旋转电机以及电弧炉等。 ( 2 ) 现代电力电子非线性设备，包括荧光灯、在工业界和现代办公 设备中广泛使用的电子控制装置和开关、电源、晶闸管控制设备等。 电力变压器是一种谐波源，由于经济原因，变压器使用的磁性材料 通常在接近非线性或就在非线性区域运行。在这种情况下，即使所加的 电压是正弦的，变压器的励磁电流也是非正弦的，因而包含谐波。同样， 即使励磁电流是正弦的，电压也不可能完全是正弦的。 对于旋转电机来说，其线圈被嵌入线槽中，由于这些线槽不可能完 全按正弦分布，从而使得产生的磁动势是畸变的，因此旋转电机也被认 为是谐波源。 在荧光灯中，每隔半个周波电压被建立起来直到荧光灯被点亮，点 亮状态下荧光灯呈负电阻特性，其电流由感性的非线性镇流器来限制， 博十学位论文 因此电流是畸变的。 静止无功补偿装置如t s c 、t c r 由于应用晶闸管来控制电容或是电 感的导通时间，因此，它也会产生非正弦的斩波电流。三相变流器产生 谐波则是由于直流电流在交流三相之间不断换相引起的。 在大多数情况下，电网中的谐波成分可能不会对电网和电气设备构 成严重的威胁，但在一定条件下，谐波成分会严重影响电气装置及联到 该装置上的设备的正常运行，甚至会影响电力系统本身的安全稳定运行。 如：广西苹果铝厂1 9 9 6 年6 月因谐波超标，导致电容器爆炸，损坏高压 开关和主变压器，造成大面积停电；湖南涟钢1 9 9 8 年7 月，因5 次谐波 超标，导致豹南山2 2 0 k v 变电站停电1 6 小时；由于电气化铁路产生的负 序电流和谐波电流的影响，郑州电网继电保护误动，致使京广线中断数 小时。 目前电力系统谐波已成为影响电能质量的公害，其危害主要表现在 以下几个方面1 6 - 1 3 1 ： ( 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，从而导致电容器因过 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