（计算机应用技术专业论文）基于pwm的变电站谐波消除技术研究.pdf

人连理l ：人学专业! 学位硕f ：学位论文 摘要 随着乌鲁木齐电网的发展，各类工业电器及电力电子器件的应用同益广泛。近年来 尤其是钢铁企业炼钢电弧炉及轧机容量的增大，使得各种非线性负荷注入电网的谐波越 来越多。谐波对电能的质量危害十分严重，产生了网损增大，无功功率不平衡等问题， 危及变电站设备的安全稳定运行，谐波的治理已经成为乌鲁木齐电力供应部门密切关注 的问题。 本文从企业实际工作出发，对特定谐波消除p i v m 技术进行了研究，分析了谐波的测 量算法和非周期分量对谐波测量的影响，给出了改进算法，还将特定消谐p w m 技术应用 于单相a s v g 中，不仅实现了双向调解无功功率的目的，同时降低了开关损耗及电子器 件本身对电网的谐波污染。 我们对1 1 0 k v 腾飞变，2 2 0 k v 钢东变及2 2 0 k v 电炉变进行了谐波仿真分析。仿真结 果表明利用特定消谐p w m 技术的单相a s v g 具有滤除谐波、补偿无功功率的功能，同时 具有丌关频率低和效率高等优点。能够满足对现场电能质量的分析和监测要求。 关键词：变电站综合自动化；p w m 控制；单相a s v g ；波形分析 大连理工大学专业学位硕士学位论文 r e s e a r c ho fs u b s t a t i o nh a r m o n i ce l i m i n a t i o nt e c h n i q u eb a s e do np w m a b s tr a c t w 汕t h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i c i t y 酣do fw u l u m u q i ，a l lk i n d so fi n d u s t r i a le l e c t r i c a l a p p l i a n c e sa n dm o d e mp o w e re l e c t r o n i ca p p l i a n c e sa r eu s e dr a p i d l ya n dw i d e l y e s p e c i a l l yi n r e c e n ty e a r s ，c a p a c i t yi n c r e a s eo fs t e e l - m a k i n ge l e c r i ca r cf u r n a c ea n dr o l l i n gm i l l ，v a r i o u s n o n - l i n e a rl o a d sr e n d e rh a r m o n i c st h a ti n p u te l e c t r i c i t yg r i dg r a d u a l l yi n c r e a s e ，t h u ss e r i o u s l y j e o p a r d i z et h ee l e c t r i c i t yq u a l i t y n e t w o r kl o s so fd i s t r i b u t i o nn e t w o r ki si n c r e a s e d ，r e a c t i v e p o w e ri s u n b a l a n c e d a l lt h o s et h r e a t t h e s a f e t y f u n c t i o no ft r a n s f o r m e rs u b s t a t i o n d e v i c e s h a r m o n i c sc o n t r o lh a sb e c o m eo n eo ft h em o s tc o n c e m e di s s u e sf o rp o w e rs u p p l y d e p a r t m e n t s s t a r t i n gf r o mt h ea c t u a ln e c e s s i t i e s ，t h eh a r m o n i ce l i m i n a t i o np w mt e c h n i q u ei s r e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h ec l a s s i f i c a t i o no fh a r m o n i e sa n a l y z e r si sp r e s e n t e d t h ee f f e c t so f m e a s u r i n ga l g o r i t h ma n da p e r i o d i cw e i g h to nh a r m o n i c sa r ea n a l y z e d a ni m p r o v e da l g o r i t h m i sp u tf o r w a r d t h i ss h e p w mt e c h n i q u ei sa p p l i e di nt h es i n g l e p h a s ea s v g ，w h i c hn o t o n l yr e a l i z e st h ep u r p o s eo fc o m p e n s a t i n gb i d i r e c t i o n a lr e a l t i m er e a c t i v ep o w e r ，b u ta l s o d e c r e a s e st h eo u t p u th a r m o n i cc o m p o n e n ta n dr e d u c e st h eh a r m o n i cp o l l u t i o nt h a te l e c t r o n d e v i c e sp r o d u c e t h es y s t e mi ss i m u l a t e dt ot e s ta n dm o n i t o rh a r m o n i c si nt h r e et r a n s f o r m e rs u b s t a t i o no f 110 k vt e n g f e i ，2 2 0 k vg a n g d o n ga n d2 2 0 k vd i a n l u t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a t s i n g l e - p h a s ea s v gb yu s i n gt h es h e p w mt e c h n i q u eh a st h ef u n c t i o no fc o m p e n s a t i n g r e a l - t i m er e a c t i v ep o w e r ，f i l t e r i n go u tt h eh a r m o n i ca n dm a n ym e r i t ss u c ha sl o w e rs w i t c h i n g f r e q u e n c ya n dh i 曲e f f i c i e n c y i tc a l lm e e tt h er e q u i r e m e n t so fe l e c t r i c i t yq u a l i t ys p o ta n a l y s i s a n dm o n i t o r i n g k e y w o r d s ：s u b s t a t i o ni n t e g r a t e da u t o m a t i o njp w m c o n t r o ljs i n g l e - p h a s ea s v g ； w a v e f o r m a n a l y s i s - i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：基王鲤筮变电韭造速消险茧盔珏壅 作者签名：直绚日期：2q 1 2年j l 月卫日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，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。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 日期：2 q q 2年j l 月j 王日 日期：2 q q 2 年坐月j 王日 大连理工人学专业学位硕士学位论文 己i 吉 ji 目 由于电能的生产、输送、消费具有特殊性，所以对电力系统的正常运行有三点基 本要求，包括保证可靠地持续供电、保证良好的电能质量、保证系统运行的经济性。 随着高科技产业的发展和工业自动化水平的不断提高，越来越多的用户采用性能好 的、效率高的、对电源特性敏感同时又向电力系统注入电磁干扰的新设备，其结果是， 从工业用电开始逐渐扩展到全电力系统，各种电能质量现象对供用电双方产生的危害 逐渐暴露出来”1 。无功功率的不平衡和谐波的存在是影响电能质量的重要方面。 电能的传输中不但存在着有功功率损耗，而且存在着无功功率不平衡卜1 。无功功 率的不平衡对公用电网的影响很大，主要表现在：1 ) 会增加设备容量。无功功率的 增加，会导致电流增大和视在功率的增加，从而使发电机、变压器及其它电器设备和 导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸也要加大；2 ) 设备及线路损耗增加。无功功率的增加，网络的功率因数和电压降低，电器设备不能 得到充分应用，促使网络传输能力下降，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增 加；3 ) 使线路及变压器的电压增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生 剧烈波动，使供电质量严重降低卜。所以说无功功率的平衡对供电系统和负荷的运行 都是十分重要的。不仅大多数网络组件消耗无功功率，大多数负载也需要消耗无功功 率。为了保证电力系统安全稳定地运行，网络组件和负载所需要的无功功率必须从网 络中某个地方获得。为了输送无功功率，要求两端电压必须有一个幅值差，这只能在 很窄的范围内实现，这些无功功率如果都要由发电机提供并经过长距离传送是不合理 的，而且通常是不可能的。合理的方法是在需要消耗无功功率的地方产生无功功率， 就地补偿，这样才能及时调整补偿量。 而且大量电力电子装置随着现代电力电子技术的发展而得到广泛的应用，在给人类 生活带来好处的同时，也给电网中带来了日益严重的谐波污染。在实际的电力系统中， 由于电源或负荷的非理想特性，对电力系统的运行会产生不良影响，危害电力系统和各 类用电设备，轻则增加能耗、缩短寿命，重则造成用电事故，直接危害安全生产。因此 也必须对谐波问题进行深入的研究，从而减少甚至消除因谐波而造成的一切不良后果。 基于以上分析，有必要研究一种新型的无功补偿装置，既能实现无功功率的补偿 和调节负荷电压的目的，又能消除谐波，以保证电力系统的正常运行。本文所要研究 的先进静止无功发生器( a s v g ：a d v a n c e ds t a t i cv a rg e n e r a t o r ) 就是一种可满足 上述要求的无功发生电源。a s v g 可以平衡电网中的无功功率，且有效地消除谐波污 染。 基于p w m 的变电站谐波消除技术研究 谐波污染情况的加重使人们对如何消除谐波的问题越来越关注，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 ) 控制技术作为以电压型逆变器为主的高性能电力电子装 置的核心技术，就引起人们的广泛关注，p w m 控制技术也得到深入的研究p 1 。a s v g 是 由逆变器构成的，开关元件是门极可关断晶闸管( g t o ：g a t e - t u r n - o f ft h y r i s t o r ) 或绝缘栅双极型晶体管( i g b t ：i s o l a t i o ng a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ) 等，这类管 子的特点是输出阻抗高、速度快、热稳定性好，且通态压降低、耐压高和承受电流大， 但是开关频率较低p 1 。因此要采取一种可使开关元件工作在较低频率的p w m 方法，在 对用于逆变器的各种p w m 技术的谐波抑制效果进行分析、对比的基础上，我们采用了 其中抑制谐波的最佳技术特定谐波消除p w m 技术( s h e p w m ：s e l e c t e dh a r m o n i c e 1 i m i n a t i o np w mt e c h n i q u e ) ，对其进行深入的研究，以使其在无功补偿方面实现 广泛的应用。 将特定谐波消除p w m 技术应用于a s v g 中，可以有效地降低开关元件的开关频率， 而且采用p w m 逆变器的电力电子装置本身不产生谐波。这对于提高电力电子装置本身 的性能，延长用电设备的使用寿命，稳定电力系统运行，提高供电的电能质量都具有 重要的意义。 人近理l 人学专业学位硕上学f ) ：论文 1绪论 1 1电力系统谐波产生的原因 电力系统谐波产生的原因是由于电力系统中某些设备和负荷的存在非线性特性，即 在电力负荷上所加电压与其的电流不成线性正比关系而造成的电网波形畸变1 5 。7 】。当电 力系统的正弦波形电压加在非线性负载上时，产生的负载电流波形为非正弦波形，波形 的畸变即产生了谐波。电厂发出交流电的频率是5 0 赫兹，波形是正弦波。通常称工频。 在电力系统方面，谐波是指多少倍于工频频率的波形，简称“次”，是指从2 次到3 0 次范围，如5 次谐波电压( 电流) 的频率是2 5 0 赫兹，7 次谐波电压( 电流) 的频率是 3 5 0 赫兹；超过1 3 次的谐波称高次谐波。在电力系统中向用电网注入谐波电流或在用电 网上产生谐波电压的电气设备称为电力系统的谐波源溶】。 系统中的主要谐波源可分为两大类：一是含半导体非线性元件的谐波源，二是含电 弧和铁磁菲线性设备的谐波源。各类负荷都使电力系统的电流和电压产生畸变，对电力 设备和各种子大用户设备及通信线路和电子设备产生危害或干扰影响【9 - 旧】。 1 2 谐波对变电站设备的影响和危害 1 2 1 电力谐波对变电站的主变和互感器的影响 电力谐波的存在可能会引起局部设备的并联或串联谐振，谐波过电网电压会导致电 力变压器、pt 设备( 指电压互感器) 的损坏。电力系统谐波电压的存在增加了电力变 压器、pt 设备的磁滞损耗、涡流损耗，使绝缘材料绝缘性能下降，电力谐波电流的存 在增加了设备铜损。对具有非对称性负荷的电力变压器而言，若负载电流中含有直流分 量，将造成主变压器的磁路饱和。当系统运行电压偏高或三相不对称时，励磁电流中的 谐波分量增加，绝缘材料承受的电气应力增大，影响绝缘的局部放电和介质增大。对三 角形连接的绕组，零序性谐波在绕组内形成换流，使绕组温度升高。 对变压器而言，谐波电流可导致铜损和杂散损增加，谐波电压则会增加铁损。与纯 正基本波运行的正弦电流和电压相较，谐波对变压器的整体影响是温升较高。尤其是， 这些由谐波所引起的额外损失将与电流和频率的平方成比例上升，进而导致变压器的基 波负载容量下降。 因此电力系统谐波的存在会降低变电站主变等设备的使用效率和使用寿命。 基于p 1 j i l m 的变电站谐波消除技术研究 1 2 2 电力系统谐波对电力电容器的影响 为了补偿电网中的无功功率、提高用电网功率因数和系统的电压质量，变电站常常 装设并联补偿电容器。谐波电流旦被电容器放大并迭加在电容的基波电流上，这将使 流过电容器电流的有效值增加，并且电压峰值也会大增加，电力电容器会由于谐波电流 引起附加绝缘介质损耗加大、温度升高，加快电容器绝缘老化，甚至引起过热使电容器 损坏l i 。电压峰值的增加造成电容器发生局部放电不能熄灭，这也是电容器损坏的一个 主要原因。当补偿电容器组的输入端电压为非正弦波形时，会在电容器介质中产生附加 的有功损耗，导致电容器额外发热、设备运行温度升高【l2 1 。此外还会使补偿电容器介质 老化的物理过程显著加快t b o4 1 。 1 2 3 谐波对开关设备的影响 出于电网谐波电流的存在，使基波电流过坐标零点时，电路中的电流并不为零，因 此延长了断路器的灭弧时间，影响其开通与断开的容量：像其它设备一样，谐波电流也 会引起丌关之额外损失，并提高温升使基波电流承载能力降低f 5 , 1 5 - 17 】。温升的提高对断 路器某些绝缘组件而言会降低其使用寿命【l 酊。 1 2 4 谐波对继电保护自动装置的影响 畸变的电流、电压波形既降低了继电器动作的灵敏度。也增加了保护动作的延时， 从而导致继电器在某些情况下误动作或拒动作。接于差动回路、零序回路或负序回路的 继电器或自动装置，对谐波的作用很敏感，因它所接受的动作电流或电压仅为相电流或 电压的一个很小的百分数，即整定的动作值都很小，而它的动作电压和动作电流中的谐 波含有率却能达到很高值，故降低了装置的灵敏性，可能造成误动。在电力系统中有的 电力保护闭锁装置因频繁误动不得不解除运行睨。变电站的故障滤波器会由于谐波电 压的影响而误动，造成系统保护装置误报警，影响保护系统对实际故障电流、电压事故 波形、突变量等重要数据的有效记录。电力谐波也会对载波系统构成干扰，引起各类设 备如遥控设备、通信设备、负荷控制和遥测设备的运行异常1 2 。晶体管方向阻抗继电器 中采用了“绝对值比较式 的方向元件和具有“记忆 初始电压的元件，谐波含量及谐 波频率仍能影响其动作特性，谐波频率愈高或谐波含量愈大，特性曲线在x 轴方向缩短 愈多【删。我们最常用的光纤纵差保护，是利用光缆通讯的线路纵差保护装置，由于其 比相回路是比较两侧电流通过模数转换后的采样点，并通过相邻的几个点进行计算判 断，当电流中谐波电流含量较高时，会引起波形畸变。畸变的波形不能真实反应系统运 人连理j ：人学专业学位硕士学位论文 行状况，比相回路不能j 下确判断，引起不正确动作。因此必须限制电网谐波，减少电网 谐波对电力系统继电保护及自动装置的影响，从而保障电网的安全运行。 1 2 5电力谐波对电度计量及常用指示仪表的影响 电网谐波的存在会影响电度计量及指示仪表的准确性和可靠性【2 3 j 。目自i 在电力企业 计量中主要采用静电感应式电能表。该表是按工频纯f 弦交流额定工况设计制造的。电 能表转速所反映的功率是基波和各次谐波共同作用下产生的【2 4 1 一般情况下，谐波所产 生的电度量可以忽略不计，但当用户中有电解槽、电力机车、电弧炉等较大的谐波源时， 基波电流和谐波电流都会在电能表转盘上产生涡流，计量点的电压电流畸变较大，含有 较多高次谐波用电网会严重影响总电度量的计量，此时电度表己不能如实地反映用户的 用电情况i 巧吐川。 使用静电感应式电能表计量电能时，常常会遇到下例情况： ( 1 ) 对于畸变电源供电的线性负荷，这时静电感应式电能表记录的是基波电能及部 分谐波电能【2 3 1 ，谐波电能将影响用户用电设备的计量，造成此类用户多交电费，同时， 用电设备受到损失。 ( 2 ) 对于j 下弦波电源供电的非线性负荷，此类用户所产生的谐波功率及电能将有一 部分倒流入电网或经过谐波通道送向其它用户，此时静电感应式电能表记录的是基波电 能和扣除- , 5 部分的谐波电能1 2 引。该用电用户不但是电网的污染源，还要少交电费，对 供电部门和其它用户是不公平的。 ( 3 ) 对于畸变波电源供电的非线性负荷，具体情况要具体分析，不同次的谐波电能 的流向，有的可能流向负荷，同时也有倒流回电网的可能，应根据用电具体情况进行具 体分析。 1 2 6 谐波对电缆和电动机的影响 对电力电缆而言，在导体中非正弦波电流所产生的热量与俱有相同均方根值的纯证 弦波电流相较，则非正弦波会有较高的热型1 0 3 0 。3 1 】。该额外温升是由众所周知的集肤效 应和邻近效应所引起的，而这两种现象取决于频率及导体的尺寸和间隔。这两种效应如 同增加导体交流电阻，进而导致损耗增加。 谐波电流和电压对感应及同步电动机所造成的主要效应为在谐波频率下铁损和铜 损的增加所引起之额外温升【3 2 1 。这些额外损失将导致电动机效率降低，并影响转矩。当 设备负荷对电动机转矩的变动较敏感时，其扭动转矩的输出将影响所生产产品的质量。 例如：人造纤维纺织业和一些金属加工业。 基于p w m 的变电站谐波消除技术研究 对于旋转电机设备，与正弦磁化相比，谐波会增加噪音量。像五次和七次这种谐波 源，在发电机或电动机负载系统上，可产生六次谐波频率的机械振动。机械振动是由振 动的扭矩引起的，而扭矩的振动则是由谐波电流和基波频率磁场所造成，如果机械谐振 频率与电气励磁频率重合，会发生共振进而产生很高的机械应力，导致机械损坏的危险。 1 3 传统的无功功率调节装置 早期无功补偿装置的典型代表是同步调相机。它能补偿固定的无功功率，还能对变 化的无功功率进行动态补偿，即可发出无功功率，又可吸收无功功率。至今在无功补偿 领域中这种装置还在使用，但是从整体上说，这种补偿手段已经陈旧，主要缺点是投资 大，运行维护复杂，且损耗大。 并联电容器的成本较低，但是只能补偿固定的无功功率，发出感性无功功率以提高 电压，在电压高时却不能吸收感性无功功率来使电压降低：在系统中有谐波时可能发生 并联谐振，使谐波放大，烧毁电容器，且存在着响应速度慢、维护困难、损耗和噪声大 等缺点。 7 0 年代木发展起来的晶闸管控制的静止无功补偿器( s v c ：s t a t i cv a r c o m p e n s a t o r ) ，它有四种不同的结构：可控硅阀控制空心电抗器型( 又称t c r ) 、可控 硅阀控制高阻抗变压器型( 又称t c t ) 、可控硅开关控制电容器型( 又称t s c ) 、自饱 和电抗型( 又称s s r ) d 引，在无功功率的补偿方面取得了较好的效果，它具有可连续调 节的性能且响应迅速，而且没有旋转部件。但是仍然存在着本身会产生大量谐波、连续 可控性差、电抗器电容等储能组件容量很大、设备占地面积较大的弊病，且输出无功和 系统电压有关，当系统电压降低很多、需要无功支持时，输出无功反而会降低，导致电 压水平进一步恶化，还需加装大量电容和电感构成的谐波滤波器，会增加成本。 1 4a s v 6 的简介 大功率门极可关断晶闸管g t o ( g a t e - t u r n o f ft h y r i s t o r ) 的出现使得采用电子丌 关逆变器的可控无功发生电源得到快速发展并进入实用阶段，g t o 的关断是靠对门极施 加负脉冲来实现，无需强迫换相电路。8 0 年代以来，采用自换相变流电路的无功补偿装 置先进静止无功发生器( a s v g ) 开始发展起来，较之传统的无功补偿装置，它具有 响应速度快、吸收无功连续、谐波电流小、损耗低等优点，特别是在欠压条件下仍然可 有效地发出无功功率和在系统对称运行条件下所需的储能电容容量较小，从而可以减小 装置的体积。因此，a s v g 已经成为无功补偿的一个高效的技术发展方向1 3 4 0 5 1 ，是今后柔 性交流输电系统的一个重要元件。 人连理i ：人学专业! 学位硕仁学 7 ：论文 1 5a s v g 的结构 由于直流侧连接的储能元件不同，a s v g 装置可以分为电压型和电流型两种主电路结 构，由于运行效率的原因，目前大部分都采用电压型桥式结构。 由于a s v g 的工作原理是建立在电压型逆变器【3 6 4 2 】上的，其基本构成单元逆变 器模块通常采用单相桥二电平逆变器，三相桥二电平逆变器和三相桥三电平逆变器三种 形式。对于实际的电力系统而言，即便是在正常工作条件下对称也是相对的，而不对称 则是绝对的，在系统故障中不对称故障的概率更高达9 0 以上；而作为电力电子装置的 a s v g 的行为对于电网的不对称较之传统的电磁组件更为敏感，因此从理论上和实践中解 决a s v g 在不对称条件下的生存与作用问题就成了其能否大规模投入工业应用的关键， 得到人们越柬越大的关注。采用单相桥逆变器模块的明显优点就是便于进行分相控制， 这对于a s v g 在系统电压不对称运行时，特别是不对称故障时的控制是一个重要的优点 1 3 4 1 。 o 1 6目前国内外a s v g 的研究现状 自1 9 7 9 年日本三菱公司和关西电力推出世界上第一台采用强迫换流方式的 2 0 m v a r a s v g 并网试验以来，世界著名的电力公司都竞相研究并力图抢占这一未来电力 系统发展的重要领域；日本的三菱、日立、东芝分别于1 9 9 1 年推出了8 0 m v a r 和5 0 m v a r 的基于g t o 的a s v g ，美国g e 公司和西屋公司与电力科学院( e p r j ) 也于1 9 8 8 年和 1 9 9 5 年分别安装了1 0 m v a r 与1 0 0 m v a r 的装置，德国西门子公司的单机容量为8 m v a r 装置也于1 9 9 8 年投入运行。三菱公司的8 0 m v a r 装置是利用曲折变压器连接的多重化结 构【4 3 】。东芝与日立的装置均采用与普通变压器连接的多重化结构。根据我国国情和已有 的技术发展，a s v g 是解决我国电压稳定的有效手段，并且也是我国f a c t s 发展的主 要方向。1 9 9 4 年研制大容量a s v g 被列为电力部重点科研攻关项目，同年在电力部的 支持下，河南省电力局决定和清华大学共同研带l j 士2 0 m v a r 的a s v g ，为进行机理研究， 先研制一台+ 3 0 0 k v a r 的中间工业试验装置【3 引。该装置已于1 9 9 5 年8 月在清华大学并网 运行。在1 9 9 9 年清华大学和河南电力局联合研制的以g t o 为开关器件、通过变压器耦 合到配电系统的多重化结构的士2 0 m v a r 的a s v g 装置投入运行。 1 7p w m 技术 1 7 1 p w m 技术简介 p w m 技术就是利用电力半导体开关器件的开通和关断特性，将直流电压转换成一种 固定形状的电压脉冲序列从而实现电力电源的变频、变压及控制和消除谐波的目标。 基于p w m 的变电站谐波消除技术研究 目f i 已经提出并且得到应用的p w m 技术有许多种。在微处理器快速发展的形势下p w m 技 术种类翻新很快，从初始的追求输出电压波形的正弦，到兼顾输出电流波形的正弦，再 到磁通的正弦；从运行效率最优，负载转矩脉动最少，再发展到追求电网噪音的消除等， p w m 控制技术的发展过程时一个不断创新和完善的过程【3 1 。 因为p w m 技术具有功率因数高，可同时实现变频、变压及抑制谐波的特点，具有广 阔的发展前景和不断提高的优越性，所以p w m 逆变器的应用很广泛，其范围已遍及以下 各个领域： ( 1 ) 交流变频调速系统 ( 2 ) 不问断电源u p s ( 3 ) 中频电源 ( 4 ) 高性能交流稳压电源 ( 5 ) 储能利用 除了这些方面，p w m 逆变器还可用于高压直流输电、特种电源设备等电力电子装置 中。 在文【3 】中将p w m 控制技术分为三类( 1 ) 正弦p w m ( 其中包括以电压、电流或磁 通的诈弦为目标的各种p w m 方案) ；( 2 ) 随机p w m ；( 3 ) 优化p w m 。 1 7 2 正弦p w m 技术 目前在逆变器中应用最广泛的p w m 技术就是正弦p w m 4 4 - 4 6 ，简称为s p w m 。s p w m 脉宽 调制技术是建立在每一个特定时间间隔内脉冲的能量等效于正弦波所包含的能量的概 念上发展起来的一种脉冲宽度调制技术。正弦p w m 已为人们所熟知，而旨在改善输出电 压、电流波形，降低电源系统谐波的多重p w m 技术在大功率变频器中有其独特的优势( 如 a b ba c s l 0 0 0 系列和美国r o b i c o n 公司的完美无谐波系列等) ： s p w m 技术可以由模拟电路，也可以由数字电路或大规模集成电路芯片来实现。采用 模拟电路设计方法的缺点是在于元件过多、线路复杂、稳定性及抗干扰能力差、精度也 难以保证。采用数字化的设计方法存在难以实时控制的局限性。 1 7 3 随机p 删脉宽调制技术 电机绕组的电磁噪音及谐波造成的振动引起了人们的关注为求得改善，随机p w m 方法应运而生。其原理是随机改变开关频率使电机电磁噪音近似为限带白噪声( 在线性 频率坐标系中，各频率能量分布是均匀的) ，尽管噪音的总分贝数未变，但以固定开关频 率为特征的有色噪音强度大大削弱。负载电流中一些幅度较大的中频谐波分量，容易引 人连理l ：人学专业学位硕士学位论文 起电动机的机械共振，会降低系统的稳定性。现在提出的方法是改变电网噪声的频谱分 布，使电力逆变器输出电压的谐波均匀地分布在较宽的频带范围内，以达到抑制电网噪 音和用电设备机械共振的目的，就被称为随机p w m 技术【3 4 7 4 8 1 。随机p w m 技术的基本 原理是：对电力电子开关导通位置或开关频率以随机的方式加以改变，从而得一个宽而 均匀的连续频谱的逆变器输出电压，能有效地抑制幅值较大的谐波成分。 但是随机p w m 技术仅限于超小功率范围，不适于大功率的p w m 逆变器，另一方 面，由于其谐波分量分布范围较广，因此对滤波是不利的。 1 7 4 $ h e p w m 技术 特定谐波消除p w m 技术是优化p w m 技术的一种，是1 9 7 8 年由美国的h s p a t e l 教授和r g h o f t 教授首先提出的，其原理是直接利用系统输出电压的数学模型来求解丌 关角，从而达到消除指定次谐波的目的。特定谐波消除p w m 技术的原理是在电压特定 位置设置缺口，通过每半个周期中逆变器的多次换向，恰当地控制逆变器脉宽调制电压 波形，通过脉宽平均法把逆变器输出的方波转换成等效的正弦波，以消除某些特定次数 的谐波【4 9 巧2 1 。特定谐波消除p w m 技术会增加高次谐波的含量，不能减小电压的总谐波 失真，但是由于对应于高次谐波的阻抗较大，所以可以明显的降低输出电流的谐波含量 1 5 3 1 o 特定谐波消除p w m 技术应用存在困难，主要在于：在现有的方法中，求解开关角 时均采用牛顿迭代法求解一组非线性方程，而且选取合适的初值是解法收敛的必要条 件，这就决定了运算要花费较多的时间，不利于在线计算，因而现有的多采用离线计算， 利用查表法取得开关时刻，这就需要较大的数据表格，占用内存很大，速度较慢。但是 随着以d s p 为代表的高速计算技术的发展和一些优化算法的出现，在线求解非线性方 程已不是难事，因此在线s h e p w m 技术已成为可能；另一方面，廉价大容量存储芯片 的出现，也为用基于查表法的离线特定谐波消除法来实现在宽频率范围内的高性能功率 处理提供了更好的基 i t l t s i , s 2 j 。 可以通过对提高输出波形质量和效率所遇到的问题和应用的范围不同等方面的研 究，来解决特定谐波消除p w m 技术优化问题【5 4 枷】，达到降低电力电子开关设备的开关 频率、减少损耗、便于系统硬件实现等目的。有利于充分发挥特定谐波消除p w m 技术 的优越性，将其更快、更有效、更好地应用于工程实际。 目前，国内外对特定谐波消除p w m 技术的研究主要集中在以下几个方面：1 离线 求解开关角：2 在线实时求解开关角：在线实时求解开关角是为了实现变频变压；3 基于p w m 的变电站谐波消除技术研究 对特定目标的优化：主要有：( 1 ) 总谐波电流有效值失真度最小；( 2 ) 效率最优；( 3 ) 转动 脉动最小：( 4 ) 是造成电机机械共振的低次谐波电流最小。 1 8 本课题主要研究内容 单相a s v g 在不对称系统中相对于三相a s v g 具有便于分相控制的优点，所以本 论文主要对单相a s v g 的基本原理进行研究，采用绝缘栅极双极型晶体管( i g b t ) 作 为丌关元件，实现其在配电网中调节无功功率和稳定负荷电压的目的；同时对特定谐波 消除p w m 技术优化进行研究，并将其应用于单相a s v g 中，以消除谐波污染。 本课题的主要工作如下： ( 1 ) 将特定谐波消除p w m 技术应用于单相a s v g 中，控制单相a s v g 的开关元件 的开合，使逆变器输出电压近似正弦波，分析单相a s v g 的工作原理，以实现单相a s v g 在调节负荷电压和无功功率基础上消除谐波的功能； ( 2 ) 利用特定谐波消除p w m 技术来求解开关角对的现有方法中，采用牛顿迭代法求 解一组非线性方程，因而选取合适的初值是解法收敛的必要条件，所以要对初值求取方 法进行研究； ( 3 ) 为了使特定谐波消除p w m 技术的在线求解成为可能，就必须提高算法的收敛 性本文要对特定谐波消除p w m 技术的算法进行分析，拟提出一种开关角非线性方程 组的等效转化解法，旨在提高算法的收敛性，减少了计算时间： ( 4 ) 为了实现降低丌关频率，减小开关损耗的目的，利用求解出的_ 丌关角的信息，对 特定谐波消除p w m 技术进行优化： ( 5 ) 利用仿真软件o r c a d p s p i c e 9 1 对应用特定谐波消除p w m 技术的单相a s v g 的 各种工作情况进行了仿真分析 大连理工人学专业学位硕士学位论文 2 单相a s v g 的基本原理 本章主要介绍了单相a s v g 的结构，侧重分析了应用特定谐波消除p w m 技术作为控 制方法的单相a s v g 的工作情况，用数学推导说明了单相a s v g 实现配电网中调节无功和 抑制谐波的原理。 2 1单相a s v g 的结构 a s v g 是静止的新型动态无功补偿设备，其工作原理和同步调相机相似。它调节无 功功率是靠改变a s v g 的逆变器输出的电压和系统电压之间的相角，迫使a s v g 的滤 波电容上电压变化，而导致逆变器输出电压增大或减少。主电路应分为采用电压型桥式 电路和电流型桥式电路两种类型，其电路基本结构如图2 1 中的a ) 和b ) 所示。两者的 不同之处主要在于直流侧是采用电容还是电感作为储能元件。对电压型桥式电路，还需 再串联上电抗器才能并入电网：对电流型桥式电路，还需在交流侧并联用于吸收换相产 生的过电压的电容器。因为采用电流型逆变器不容易控制，而且运行效率不高，所以迄 今为止，投入使用的a s v g 大多采用自换相的电压型桥式电路作为动态无功补偿的装 置。 a )采用单相电压型逆变器 b )采用单相电流型逆变器 a ) s i n g l e p h a s ev o l t a g ei n v e r t e r b ) s i n g l e p h a s ec u r r e n ti n v e r t e r 图2 1a s v g 的电路基本结构 f i g 2 1 a s v gc i r c u i tb a s i cc o n f i g u r a t i o n 本文采用绝缘栅双极型晶体管( i g b t ) 作为逆变器中的开关元件，利用特定谐波消 除p w m 作为控制策略，实现单相a s v g 在配电网中调节无功和抑制谐波的目的。 基于p 嘲的变电站谐波消除技术研究 2 2 单相a s v g 的工作原理 当采用特定谐波消除p w m 脉冲控制方式，可以使电压型逆变器的输出电压的总谐 波畸变值t h d 很低，即电路中高次谐波分量消耗的有功功率很小，因此只需要考虑基 波有功功率和无功功率在系统中各部分之间的交换即可。由图2 2 所示的基波等效电路， rrf 其中u s 为电网电压，u ，为电压型逆变器的输出电压，为了方便起见，将负载端用一个 含有各次谐波成分的理想电流源来等效1 6 l j 。 图2 2 单相a s v g 的基波等效电路图 f i g 2 2 s i n g l e - p h a s ea s v gb a s i c w a v ee q u i v a l e n tc i r c u i tp i c t u r e 设电网电流的基波分量的向量为，s t ，流经逆变器的电流基波分量为七t ， 的电流源的电流基波分量为j t 。由上图可以得到j s 为 厶- 2 瓦u s - 酉u l l 负载等效 ( 2 1 ) 设逆变器输出电压滞后电网电压的角度为6 ，则逆变器输出电压的基波分量的向量 可以表示为： 矽，l = u ，l e 声 ( 2 2 ) 逆变器发生的视在功率记为s s = u ，il = u n ( ，l i s l ) ( 2 3 ) 将式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 带入到式( 2 3 ) ，则有 s = 只+ ，g = 阢，1 乍l t 一三篓享气1 另孝笋 c 2 4 ， 毋丹墼型等等塑咝 ( 2 5 ) 大连理j 二大学专业学位硕士学位论文 q f - 旷型塑等高攀 ( 2 6 ， 式中吃和q 分别为负载吸收的有功功率和无功功率：只和q ，分别为电压源逆变器 发生的有功功率和无功功率。 逆变器内阻很小，当系统处于稳态时，逆变器吸收的有功功率b 为零，则有 吃一型型警筹堕唑= 0 ( 2 - 7 ) 因为补偿电感的等效电阻很小，即r ，帮o ，所以由式( 2 7 ) 可以得到 玑：垒：生 ( 2 8 ) u ，i2 u s - s i n 【2 8 ) 由式( 2 8 ) 可见，当u s 和x ，一定时，u 力的大小是由负载所吸收的有功功率只和 逆变器输出电压的相角6 共同决定的。 著今 则由式( 2 8 ) 可以得到 由三角函数的性质决定了 u ，l = 后u s ( k 为一常数) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式( 2 1 1 ) 说明滤波器所能提供的最大补偿量是由滤波电感的基波阻抗值x 厂直接 决定的。 由式( 2 6 ) 和( 2 8 ) 可以得到此时逆变器发生的无功功率为 妒 毒( u 矗- u n u s c o s , 罗) 钮一9 ， q ，2 古( u 磊- u n u s c o s ) ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) 由式( 2 1 2 ) 可以看出，逆变器发出的无功功率一部分为负载所需的无功功率，一 部分为补偿剩余无功功率分量岛。只要选择合适的控制方式，便可以使得逆变器发生 竺嵋 嘻一， 坐彬 盟。 万 ，工 洒 吃 基于p 哪的变电站谐波消除技术研究 的补偿剩余无功功率分量q ，在一定范围内变化，同时使逆变器的输出电压t 也在一 定范围内变化，就能够保证电网发出的无功功率在很小的范围内变化，从而提高了电网 进线端的功率因数，达到无功补偿的目的。 同样可以得到补偿电感，吸收的无功功率为 q 旷( u s - u l l 叫= 凳( 1 + k 2 - 2 k c o s 8 ) ( 2 1 4 ) 电网输出的有功功率马和无功功率酝为 只= 兰七s i i l 万 ( 2 1 5 ) x | 酝= 等( 1 一k c o s s ) ( 2 1 6 a l 从上式可以看出万角在0 的较小邻域内( 一般在一5 。一5 6 之间) 变化，纵的变化率 是很大的，也就是说对应较小的艿变化，有较大的无功输出。而在艿角的小邻域中变 化是很小的，也就是万角的微小增加或减少，对应烙的变化是很小的。这也是a s v g 调 节特性的优点，在通常a s v g 的万角可调范围一般在5 。左右，可以看出它的损耗是非常 小的，同步补偿机相对就有很大的损耗，同步补偿机的6 角变化范围较大，值也大， 这也是同步补偿机相比a s v g 的一个显著缺点。 由式( 2 1 2 ) 和( 2 1 4 ) 一( 2 1 6 ) 可得 珐+ 参羞嘞， 他 式( 2 1 7 ) 说明系统中的能量交换是平衡的。 2 3 单相a s v g 补偿谐波的原理 一般来说，电网电压的畸变量很小，等效阻抗也很小，因此电网进线端对高次谐波 来说可以看作短路，逆变器输出电压的高次分量可以用一个输出高次谐波电压分量的理 想电压源来等效。电网电流的高次谐波分量主要由补偿电感和逆变器输出电压的高次分 量决定。逆变器输出电压的总谐波畸变值t h d 。为 大连理上大学专业学位硕士学位论文 1 0 0 、吆 t h d ，, = 紫l ( 2 1 8 ) ，n 因为特定消谐p w m 技术是利用傅立叶级数分解电压，使低次谐波电压的幅值为零， 所以将其应用于单相a s v g 中时，逆变器输出电压的低次谐波为零，即 ) - 1 u 轰= 0 ( 2 1 9 ) n = 2 则式( 2 1 8 ) 可以被写成 触，：型丝 觋5 首 ( 2 2 0 ) 式( 2 2 0 ) 中的d 为优化消谐p w m 信号最低剩余谐波的次数，一般大于2 0 ，电网 进线电流的总谐波畸变值t h d ，。为 脚：蜓：煎竖 眩2。，t , s ls lx f ls 。 其后的各次剩余谐波的幅值( 玎d ) 均很小，式中的再除以刀，所得的值 更小，这样从式( 2 2 1 ) 可以看出电网进线电流的t h d k 很小，且仅随基波电流的幅值 变化。 2 。4 单相a s v g 的工作原理向量图 当u s 和u l 不同相，存在一个角度差6 ，由于万的存在使得a s v g 能从系统吸收有功， 补偿内部的各种损耗，来维持电容器两端的支撑电压u a 。在动态过程中，j 的变化使 电容器两端充放电，电容器两端电