（电气工程专业论文）单相谐波抑制变压器及其配套有源和无源混合滤波器研究.pdfVIP

a b s t r a c t w i t hw i d eu s eo ft h ee l e c t r o 砖ce q u i p m e n t 黻di n d u s t r 主a l 嬲dc i v i l i 城e l e c t r i c i t y l o a dr a p i di n c r e a s e d ，ag r e a ta m o u n to fh a r m o n i cc u r r e n t si 内e c t e di n t ot h ep o w e r s y s t e m ，t h e nc a u s e dt h ep o w e rq u a l i t yd e c l i n e ，l o s si n c r e a s e da n de m c i e n c yo fs y s t e l n d e p f e s s e d ，专h es e e u f i l ya n ds t 2 国i l i l yo fp o w e rs y s t e mo p o r a | t i o ni ss e f i o l l s l ya f l f e e t e d 。 t h e s eh a r m o n i c sa c to nt h et r a n s f b 烈n e rc a u s ea d d i t i o n a lh a r m o n i c sl o s s e so f 纽趣s 孙f 趣e 毛l 霉越专携鼗s 孙r 越e f 鑫d d i l i o 纛越童e m p e 鑫t 珏r e f i s e a 矗di t s 毽s e a g el i f e 专i 辙e d e c r e a s e d s ot h er e s e a r c ho fh a 珊o n i cs u p p r e s s i o no ft r a n s f - 0 r m e r sa n di t s f i l t e r d e v i c e si so fg e a ls i g a i 翳e a n c e 。 t h ec o n c e p to fh a r m o n i ca n di t s o c c u r r i n gr e a s o n sa n dh a z a r d si sn o t e d ，t h e h a n n o n i cd a m a g et ot r a n s f 0 r m e r sp o i l l t e do u ti 鼓p a r t i c u l a r l y ；t h eb a s i cs t r l l c t u r ea 摭d f l i t e rp r i n c i p l eo fp a s s i v ef i l t e r sa n da c t i v ep o w e rf i l t e ra f ed e s c r i b e d ；a n dav a f i e t yo f t h eh y b r i df i l t e r ss t r u c t u r ea r ei n t r o d u c e d 。 s o m ed i 虢r e n th 皴檄o n i ed e 艳e 童i n g 搬e t h o d sa r ea n a l y s e d ，a n d 也e 主rl i 搬i t a t i o n si n a p p l i c a t i o na r ep o i n t e do u t t h et h e o r yo fi n s t a n e o u sr e a c t i v ep o 、e ra n di t su s i n gi n 攮es i 珏g l e p h 鑫s ed e 专e c i o ne i f e u i 专i sd e s c r i b e d 。善h e 羹，嬲i 魅p r o v e dd e e e i o n 擞e 穗o d b a s e do nt h et h e o r yo fi n s t a n e o u sr e a c t i v ei s i i l t r o d u c e d ，a n dah a r m o n i cc u r r e n t d e t e c t i o nm e t h o 耋b 鑫s e do nt h e 撒e o r yo fp h a s ed i s t i n g 醢i s h i 珏gi sf e e o l n l 稳e 蕤d e da 纛d s i m u l a t i o ni si m p l e m e n t e dt od e m o n s t r a t et h es u p e r i o r i t yo ft h i sd e t e c t i o nm e t h o d s e v e r a lc o m m o l l l yu s e dc o n t r o l l i n gm e t h o d so fa c t i v ep o w e ff i l t e ra f ec o l n p a r a t i v e a n a l y s e d ，a n dc h o o s e do n e e y c l ec o n t l ? o lm e t h o dt h a tr e s p o n s ef a s ta n dt h es t r u c t u r e o fc o n t r o lc i r c u i ts i m p l ea sr e s r a r c hk e y t a r g e t i no r d e rt os o l v et h ed i s a d v a n t a g e so f o n e c y c | ee o 盛f o l l e da p f ，an e wc o n t f o lm e 童h o do fa p fc o m b i n e dc u f r e 毗d e t e c t i 歉g m e t h o db a s e do np h a s e - d i s t i n g u i s h i n gt h e o r ya n do n e c y c l ec o n t r o li sp r o p o s e d ，i tc a n b ef l e x i b l e乏o c 魏o o s e 专越g e l sc o 氆p e 鑫s 戤i o 趣鑫藏d s i 磁糕l a t i o no f 乏h i sp f o g f a 趱 i s i m p l e m e n t e d t h e g e n e f a lc o 建c e 9 毫 a n dl o p o l o g i e a ls 重u c 纯r e p fs i 芏l g l e p h a s e 魏a f l 建。鼓i c s u p p r e s s e dt r a n s f 6 锄e r sa r ei n t r o d u c e d ，t h i st r a 觳s f 0 n n e ru s i n gt h e i ro w nm a g n e t i c p o t e n t i a lb a l a n c ep r i n c i p l et os u p p r e s sh a r m o 觳i c v a 以o u s h a r l n o n i c s u p p r e s s e d 缸a n s f o r m e rs t m c t u r e sf e l a t i v e st op a s s i v e 蠢l t e r s ，a c t i v ef i l t e r sa n dh y b r i d 矗l t e r sa r e g i v e n ，a n dt h et e c h n i c a lf e a t u r e so fs i n g l e - p h a s eh a r m o n i c - s u p p r e s s e dt r a n s f o f m e r s 鑫f ed e s c r i b e d 斑 f i 箍羹l y ，谯e 曩l t e f i 数gm e 也o do fs i 纛g l e 一面鑫s e 魏a 强。靛i c s u p p f e s s e d 秘勰s f o 强e ri s p r e s e n t e d ， t h em a i np a r a m e t e r so f f i l t e r i n g d e c i v e so f h a r m o n i c s u p p r e s s e d t f a n s f o l 搬e fa f eo f j e ：e e d ，a n dt 董l es i l 致u l a t i o no fi n d u e t i v e h a r l 建o n i e s l l p p f e s s e d t r a n s f o r m e r s 觚da u t o - c o u p l i n gh a m o n i c s u p p r e 8 s e dt r a n s f o r m e r sa r ei m p l e m e n t e d ， t h er e s u l t so fs i m u l a t i o ns h o w t h a t ：t h e 糕l t e f i n ge 1 f e c to ft h i sh a r l 溉o n i c s l l p p r e s s e di s g o o d ，a n dp e r 如r m a n c ei ss u p e r i o rt oc o n v e n t i o n a lf i l t e r i n gm e t h o d s ，t h u sp r o v i d e s t h e o r e t i c a lf o u n d a t i o nf o rt h ef - o l l o w i n gr e s e a c h e s k e yw o r d s ：s i n g l ep h a s eh a r m o n i cs u p p r e s s i o n 仃a n s f o r m e r ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ； h 8 r l 致。纛i e ；p h 鑫s ed i s 专i n g u i s 董薹i 魏g ；o 珏e e y e l ee o 曩t f o l ；s i l a 毪l 鑫专i 。毅 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本入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： 呈瓷液日期：矽窖年r 月日 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。 本学位论文属子 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密回。 ( 请在以上相应方框内打“) 日期：矽君年，月f r 日 日期2 漪年夕月 嗣 硕士毕业论文 第1 章绪论 随着现代工业技术的发展，电力系统中非线性负荷大量增加。同时由于半导 体工艺的不断提高和各种新型器件的出现，电力电子装置的应用越来越广泛，它 们的存在使电能得到了有效的利用，但其自身所具有的非线性也使得电网的电流 和电压发生畸变，给电网中其它设备及电网本身的安全运行带来不利的影响。随 着电力系统用电负荷种类越来越复杂，系统中的畸变分量也越来越严重，这些分 量对变压器的运行构成了极大的威胁；同时，现代工业、商业及居民用户的用电 设备对电能质量更加敏感，对电能质量的要求也越来越高。随着用电负荷的增长， 电压等级的提高和变压器容量的增大，解决这个问题的紧迫性也日益引起了电力 部门的关注。 1 1 谐波的概念 “谐波”这一名词起源于声学，在声学中谐波表示一根弦或一个空气柱以基 波频率的倍数频率振动。电气学中谐波被定义为一个信号，该信号的频率是实际 系统频率( 即电网额定频率) 的整数倍。在国际电工标准( i e c 5 5 5 2 ) 于国际大电网会 议( c i g r e ) 的文献中定义：“谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于l 的”次分 量 。i e e e 标准5 1 9 1 9 8 1 中定义为：“谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其 频率为基波频率的整数倍”【1 1 。 在电力系统中由于电源电压非正弦或由于电网器件非线性而产生的非正弦 龟流和电压，一般具有周期特性( 或近似认为服从周期规律) 。对于周期为丁= 2 万国 的非正弦电压，若满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里叶级数1 2 】： = + ( c o s ，刎+ s i n ，删) ( 1 1 ) 式中 = 跏忙去了咆脚) = 等p ( f ) c 。s 黝础= 去j “( 磁) c o s 磁砝( 耐) ( 1 2 ) 0”0 = 号p ( r ) s i i l 删= 三卜( 耐) s i i l 撇耐( 耐)1 0”o 式( 1 1 ) 也可表示为： 单相谐波抑制变压器及其配套有源和无源混合滤波器研究 玖，) = + “s i n ( 删+ 九) ( 1 3 ) 乩= 届可，辔屯= 瓷 2 妒 4 ， 舰厶= 争1 0 0 j 2 荟q 2 ( 15 ) 厶。丕厶2 ( 1 石) 妒0 ( m 7 ， 嘲= 鲁1 0 0 ( ) 一 1 2 谐波的产生与危害 1 2 1 谐波的产生 在电力系统中，通常总是希望交流电压与交流电流呈正弦波形。正弦电源电 压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上时，所产生的电流和电压分别为比例、 积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但是，如果正弦电源电压施加在非线性 电路上时，电流就变为非正弦波，电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也 变为非正弦波。如果电源电压是非正弦波，则即使施加在线性电路上，也将产生 非正弦的电流和非正弦的电压【l 】，即产生了谐波。电网中的谐波主要还是由各种 非线性负载产生的，特别是近几年来，随着电气化铁路、冶金工业、化学工业的 2 硕士毕业论文 发展以及家用电器的普及，电力系统中的非线性负荷日益增加，使电网中的谐波 问题日趋严重。总的来说，产生谐波的非线性负载很多，主要分为以下三大类： ( 1 ) 具有铁磁饱和特性的铁芯设备，如：变压器，电抗器等： ( 2 ) 以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放电灯、交 流弧焊机、炼钢电弧炉等； ( 3 ) 以电力电子元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变流设备( 如整流 器、逆变器、变频器) 、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备 等。电力电子装置是电力系统中最主要的谐波源，它们大量的用于化工、电气铁 道、冶金，矿山等工矿企业以及各种家用电器中。 1 2 2 谐波的危害 谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的 环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。在电力电子设 备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那 时谐波污染还不严重，没有引起足够的重视。近三四十年来，各种电力电子装置 的迅速普及使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也 不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注【2 一】。谐波对公用电网和其 他系统的危害大致有以下几个方面： ( 1 ) 增加发电、输电、供电和用电设备的附加损耗。由于电流频率为基波的 整数倍，高频电流的集肤效应增加了对谐波电流的有效电阻，使设备功耗、能耗 增加，导体发热严重。 ( 2 ) 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性。谐波严重影响电力系统中以 负序( 基波) 量为基础的继电保护和自动装置，因为按负序( 基波) 量整定的保护装 ，置，整定值小、灵敏度高。如果在负序基础上再叠加谐波干扰( 电气化铁道、电弧 炉等谐波源本身即负序源) 则可能引起发电机负序电流保护误动跳闸，产生严重后 果。其它如变电站主变复合电压启动过电流保护装置负序电压元件误动、母线差 动保护的负序电压闭锁元件误动以及线路各种型号的距离保护、高频保护、故障 录波器、自动准同期装置等发生误动，都会严重威胁电力系统的安全运行。 ( 3 ) 影响测量和计量仪器的准确性。电力计量装置按5 0 h z 的标准的正弦波设 计，供电电压或负荷电流中的谐波成分会影响感应式电能表的正常工作。 ( 4 ) 干扰通信系统的工作。电力线路上流过的3 、5 、7 、ll 等幅值较大的奇 次高频谐波电流通过磁场耦合，在邻近的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系 统的工作，影响通信线路通话的清晰度，而且在谐波和基波的共同作用下，触发 电话铃响，甚至在极端情况下威胁通信设备和人员的安全。高压直流换流站换相 过程中产生的电磁噪声( 3 1 0 k h z ) 会干扰电力载波通信的正常工作，并使利用载波 工作的闭锁和继电保护装置动作失误，影响电网运行的安全。 3 单相谐波抑制变服器及其配翡有源和无源混合滤波器研究 ( 5 ) 影响用电设备的正常工作。谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面 亮度发生波动变化，并使机内的元件过热，计算机及数据处理系统出现错误。 当然，谐波危害的程度将因谐波量的大小以及设备的其它各种条彳譬的不同丽 不同，但危害是客观存在的，应予以足够的重视和有效的管理，将危害限制在尽 可能小的范围内。 1 3 谐波对变压器的影响 变压器是借助于电磁反应，以相同的频率，在两个或更多的绕组之间变换交 流电压和电流而传输交流电能的种静止电器。它是电力系统中联系不同电压等 级网络不可缺少的电气设备，广泛存在于各级网络中。般来说从发电、供电一 直到用电，需要经过三到四次的变压过程，因此不仅变压器的总台数要超过发电 机的总螽数，露时运行交压器的总容量也远超过运行发电瓿的慧容量，并且也超 过运行电动机的总容量。所以说变压器在电力系统中占有十分重要的地位。 变压器的激磁毫流中含有谐波电流，使变压器威力谐波源。对大中型变压器， 谐波电流一般不足变压器额定电流的l ，其作用是使铁心磁通趋向于正弦波形， 故并不弓l 起该变压器本身的铁损和发热增大。变压器通电时，涌流中的谐波电流 可能达到和超过变压器的额定电流，但历时很短( 以秒计) ，正常时也不会构成对 变压器本身的威胁。但当来自其它谐波源并流过变压器的谐波电流，除了能引起 变匿器绕组附加发热外，对筹壳、外层的钢片和某些紧阖零件，还会弓l 起发热， 甚至会弓l 起严重的局部过热。谐波还会使变压器噪声变大，由于变压器既是谐波 源，又是传送其他谐波源所产生谐波的中闯环节，所以变压器受到的谐波电压和 谐波电流之间，并没有固定的比例关系【5 】。 谐波对变压器的影响，主要是增加了它的铜耗和铁心损耗。在高次谐波下， 变压器绕组中的交流电阻因集肤效应和邻近效应，随着谐波电流频率的增大而增 加，而铁心损耗则随着谐波电压频率的提高而增加。因此在变压器中相同的谐波 含有量下，高次谐波分量比低次谐波分蟹所弓l 起的交压器的发热更为显著。 在直流输电中，由于滤波装置通常连接在交流系统侧，换流器所产生的谐波 分量并未经过滤波，因此换流交压器绕组中的谐波电流分量较大，它对变压器损 耗和发热的影响更为严重。另外，在设计换流变压器时，除应考虑因谐波损耗发 热而需额外增加的容量 7 】外，还需注意到油箱壁上可能会出现一些不希望有的 “热点。 此外，当换流器的触发脉冲间隔不等或存在其它产生非特征谐波的因素时， 换流变压器的阀侧绕组中可能会出现壹流分量电流，使变压器磁路因直流偏磁而 增加其饱和程度，结果导致交流激磁电流中谐波分量增大，使谐波的影响更加严 重。 硕士媾监论文 由于谐波污染闯题越来越严重，所以探讨各种谐波抻制直至消除谐波的方法， 已成为电力电子技术、电力系统、电气自动化、理论电工等领域中的重要研究课 题。本论文主要研究单相谐波抑制变压器及其配套的滤波装置。 1 4 谐波抑制方法与研究现状 解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题的基本思路有两条：一条是 装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的；另一条是对电力电 子装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控制为l ，这当然只适用 于作为主要谐波源的电力电子装置。谐波补偿装置主要分为三大类：无源滤波器 ( p o w e f 鞴l 重e f ，缩写力p f ) 、有源电力滤波器( a e 毫i v ep o w e f 残l 妻e f ，缩写为船f ) 及 其无源和有源混合滤波器( h y b r i da c t i v ep o w e rf i l t e r ，缩写为h a p f ) 。 。1 4 。l 无源滤波器 传统装设的谐波补偿装置是采用无源滤波器。无源滤波器既可补偿谐波，又 可补偿无功功率，两且结构简单，一直被广泛使用。无源滤波器一般是由电容、 电感和电阻等无源元件构成的谐振电路，它利用电感、电容元件的谐振特性，在 阻抗分流回路中对某次谐波形成低阻抗支路，从丽减小流向电嬲的相应的谐波电 流。图1 1 示出了6 种无源滤波器的电路结构图【引。 q 厶 怒 8 ) 单调谐 b ) 双调谐c ) 双调谐高固二阶高通 滤波器滤波器通滤波器滤波器 凸 e ) 三除高遴 滤波器 c 型阻尼 滤波器 图1 1 无源滤波器的瞧路结构 图1 1 a ) 所示为单调谐滤波器的基本电路，其调谐频率为q = 三c 。阻抗频 率特性如式( 1 8 ) 所示。 、 z ( 国) 姐+ 歹【础一亳j ( 1 8 ) 当频率缈 皴时，滤波器支路呈感性； 当频率彩= 鳞时，滤波器支路呈纯阻性，其阻抗为最小值灭。单调谐滤波器的结 构简单，但滤波特性受系统频率和电感及电容参数的影响大，容易造成失谐，使 ， r ) 狂y 工tj坚 f q 三 怒厂i t l l 单掴谐波抑制变压器及其辩套有源和光源混合滤波器研究 滤波效果交差。 单调谐滤波器只对某次谐波具有滤波作用。若要求同时滤除多次谐波，则需 要并联多组滤波器，敲占用场地大，成本较高。该滤波器的优点是参数配置简单， 滤波器可单独投入或退出。 图1 曲) 所示为双调谐滤波器的基本电路，其中g 、厶、墨构成串联谐振电路， 其调谐角频率为q 。= y 厶c l ；c 2 、厶、恐组成并联谐振电路，其调谐角频率为 q ：= l 岛c 2 。墨，恐可以是两个电抗器本身的内阻，也可以是外加的电阻。 双调谐滤波器的阻抗频率特性失： 獭) = 码一剖+ 雨箍豫丽 ( 1 9 ) l z ( 国) i 随频率变化的曲线如图1 2 所示。该特性由串联电路与并联电路两部分 的组合瑟得出，具有两个谐振点，其频率为缀和鸦，盟满足下列关系雕： q l q 2 然q 哆 若取哆l = = q ，则 q = 卿哆 ( 1 1 0 ) 式中，她称为双调谐滤波器的中心频率，它等于两个谐振频率的几何平均值。 z o 霉1 2 双调谐滤波器黪黻抗频率特性 在基波( 或直流) 情况下，双调谐滤波器中串联电路所承受的电压基本上等于 电网电压，而并联电路所承受的电压却大大低于电网电压。与采用两个单调谐滤 波器相比，双调谐滤波器中并联电路的器件耐雁水平比前者低得多，故降低了绝 缘成本。 双调谐滤波器的主要优点是在基频下的功率损耗较小，且只有串联电路中的 电感器承受全部冲击电压。此外，并联电路中的电容g 的容量允许仅按谐波无功 容量设计，其值一般较小。敖近年来国内并直流输电工程孛双调谐滤波器应用较 6 硬士攀监论文 为广泛。我垦的葛渊壤，上海、天生轿广州霹三峡。常鲻等直流输电工程均采用了 双调谐滤波器。 图l 。l 中、e ) 、蟛分裂为二阶、三阶1 秘c 型三静离通滤波器。 二阶高通滤波器的阻抗频率特性为： z 努) 嚣去+ 器 辑 l z ( 国) l 随频率变化的曲线如图1 3 所示。该曲线在某一很宽的频带范围内呈现 为低阻抗，影成对次数较高谐波的低阻通路，使得这些谐波电流大部分流入高逶 滤波器。 图1 3 = 阶高通滤波器的阻抗频率特性 在三种高遴滤波器中，二阶离通滤波器的滤波性能最好：应用最为广泛，僵 其基波损耗大于三阶高通滤波器。与二阶高通滤波器相比，三阶高通滤波器在电 阻支路中增加一个容量很小的电容c ，提高了滤波器的基波阻抗，大大减少了基 波损耗，这是三除高遥滤波器豹主要优点。但由于滤波性能不如二阶高逶滤波器， 故在工程上较少采用。c 型高通滤波器的滤波性能介于二阶与三阶高通滤波器之 闯，其基波损耗也较小，在工程上有一定应用，缺点是对基波频率失谐和元徉参 数漂移比较敏感。 无源滤波方案成本低、技零成熟，傻存在以下不是蝴o 】： ( 1 ) 谐振频率决定予元件参数。元件参数一定时，所滤除的谐波次数也一定。 ( 2 ) 滤波器l c 参数的漂移将使滤波特性发生改变，导致滤波性能不稳定。 ( 3 ) 滤波特性依赖于系统阻抗等参数，蔼系统阻抗隧电力系统的结构及运行 方式和工况的改变而改变。另外，谐波频率也可能随时发生变化。因此，根据某 一系统阻抗参数及运霉亍王嚣麝设计的滤波器，难以满足系统动态运行静滤波要求。 ( 4 ) 电网的参数与l c 可能产生并联谐振，使某次谐波分量放大，影响了电网 供电质量。 7 单相谐波抑制变压器及其配套有源和无源混合滤波器研究 ( 5 ) 电两中的某次谐波电孤可能在l c 中产生很大的谐波电流，使l e 滤波器 过载。 ( 6 ) 电容器组无功功率补偿能力与公共连接点电压的平方威燕比关系，补偿 效果并不理想。 王。4 2 有源电力滤波器 1 有源电力滤波器的基本原理 曩前，谐波挪铡魏一个重要趋势是采用畜源电力滤波器。有源电力滤波器也 是种电力电子装置。它由检测电路、控制电路及电力电子变换装置( 注入电路) 等部分组成。其基本原理是，检测蛰偿对象中的谐波电流，通过控制手段，剩用 补偿装置产生一个与谐波电流大小相等而方向相反的补偿电流，来注入到补偿对 象中，从而使电网电流只包含基波分量。这种有源滤波器的补偿特性不受系统阻 抗的影响，且可随时跟踪谐波电流的幅值和频率，达到动态补偿的效果。有源滤 波器按接入方式可分为并联型和串联型，按有源部分的性质可分为电压型和电流 型。 2 有源电力滤波器的分类 ( 1 ) 并联型a p f 并联型a p f 是最早期豹有源邀力滤波装置 见图1 4 ) ，这种 装置相当于一个谐波电流发生器，它跟踪谐波源电流中的谐波分量，产生与之相 反的谐波电流，从而抵消谐波源产生的谐波电流。通过不同的控制作用，可以对 诣波、无功、不平衡分量等进行补偿，因此功能很多，连接也方便。几个有源滤 波器还可以并联起来使用，来补偿大容量的谐波电流，由此可见，并联型结构的 有源滤波器应用范围比较广泛。但是由于电源电压直接加在逆交器上，对开关器 件电压等级要求高；负载谐波电流含量高时，这种有源滤波装置的容量也必须很 大，投资也大。因为兼具大的补偿容量和宽静餐偿频带比较困难，所以并联型a p f 只适合于电流型谐波源的谐波治理。 k 、 厂圆 厘1 。4 并联型毒潦电力滤波器重l 。5 睾联型考源电力滤波器 ( 2 ) 串联型a p f 串联型a p f 通过变压器串联于输电线路中( 见图1 5 ) ，是另 一种基本的a p f 形式，它相当于一个电压控制电压源，跟踪谐波源电压中的谐波 分量，产生与之相反的谐波电压，从而隔离谐波源产生的谐波电压。这种结构的 s 磁士擎业论文 有源装置容量小，运行效率高，对电压型谐波源有较好补偿特性。因此事联型a p f 一方面可用于改善系统的供电电压，为负载提供基波正弦供电电压，特别适用于 对电压很敏感的负载；另一方面可用于治理电压型谐波负载，如带电容滤波的整 流器，避免负载产生的谐波电压影响电网电压波形。但串联a p f 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，且负载的基波电 流全都流过连接用的变压器，冀工程实用性受到限制。与并联型a p f 一样，负载 谐波含量较大时串联型a p f 装置容量也将很大，从而极大增加初期投资。 a p f 可以克服无源滤波器的露有缺陷，滤波性能好，但赉予a p f 成本较高、 装置容量相对较大，开关器件的等级较高，初期投资大、运行效率低的缺点，实 际应用中单独使用的并联型和串联型a p f 情况较少，一般的研究多集中在使有源 装置容量降低的无源、有源混合补偿装置上。 l 。4 3 混合型有源电力滤波器 无源滤波器结构简单，成本低，但滤波性能不佳，而有源滤波器正好相反。 为结合两者的优点，人们提出了多种无源滤波与有源滤波楣结合的混合有源电力 滤波器( h a p f ) 。 l 。并联型a p f + 并联p f 1 9 8 7 年，飘k e d a m 等人提出并联p f 和并联型a p f 相结合的混合有源电力滤 波器( 见图1 6 ) 。在这种电路中，无源滤波器可以包括多组单调谐滤波器及高通滤 波器，也可以必包括高通滤波器( 此时，p f 补偿、吸收比较固定的无功功率和频 率较高的谐波成分，而a p f 补偿变化较快的冲击性无功功率和频率较低的谐波成 分) 。这种电路巾，a p 擎仍起着谐波替偿的作焉，p f 滤除大部分谐波，因此a p f 容量很小。但在使用这种装置时，电网与a p f 及a p f 尚p f 之间存在谐波通道， 特别是a p f 与p f 之间的谐波通道，可能使a p f 注入的谐波又流入p f 及系统中。 同时，a p f 容量虽然降低了，但是a p f 仍然承受全部基波电压，开关器件的耐压 等级没有降低。 图1 6 并联型a p f + 并联p f 韵h a p f翻1 7 串联型a p f 十并联p f 韵h a p f 2 串联型a p f + 并联p f 1 9 8 8 年，p e n g f z 等人首先提出串联a p f 加并联p f 的混合型滤波器结构( 见 9 单相谐波抑制变服器及其配簇有源和无源混合滤波器研究 圈1 7 ) ，这种方式中，无源滤波器p f 并联在负载两端，有源滤波器a 雕串联在 负载与系统电源之间，相当于一个受控的谐波电压源，产生与流过它的谐波电流 成趸倍比例的谐波电压。a p f 对谐波呈现高阻抗而对基波呈极低阻抗，因此a p f 相当于一个加在电源和负载之间的谐波隔离装置。串联a p f 将迫使负载的谐波电 流流入p f ，同时也阻止了电源的谐波电压串入负载侧。对谐振频率处的谐波，p f 里极低阻抗。这种方案结合了无源滤波器和有源滤波器备自的优点，装置的补偿 容量可以做得很大。由于大部分谐波由相对廉价的无源滤波器滤除，装置成本相 对较低。但是当负载电流中存在p f 不能滤除的谐波时，由于a p f 强制这部分谐 波流入p f ，这将在负载入端产生谐波电压；而且由于a p f 串联在电路中，绝缘 困难，维护也不方便。 3 注入型a p f 为了将单独使用的a p f 上承受的基波电噩移去，使有源装置只承受谐波电 压，从而显著降低有源装置的容量，可以选择用l c 串联或并联谐振网络作为注 入电路i l u ( 见图1 8 和图l 。9 ) 。在图l 。8 的串联谐振注入型a p f 中，l c 2 网络在基 波频率处发生串联谐振，阻抗很小，逆变器不承受基波电压，而对于高于基波频 率的谐波分量，l c 2 网络阻抗较大，a p f 产生的谐波电流绝大部分将流入主电路， 但是要同时获得较好的谐波补偿性能和较小的有源装置容量比较困难，两且支路 上端的电容将很大。并联谐振注入方式原理与之类似，如图1 9 所示，l c 网络在 基波频率处发生并联谐振，阻抗很大，基波电燕基本上加在l c 网络上，焉对予 高于基波频率的谐波分量，l c 网络阻抗很小，并远小于支路中另一个电感的谐 波阻抗，则a p f 产生的谐波电流的绝大部分也将流入主电路。另外，值得一提的 是，串联谐振注入型a p f 可以补偿无功功率，主要由支路上端的电容补偿；而并 联谐振注入型a 1 陌不能补偿无功功率，因为支路上端的并联谐振电路的基波阻抗 很大，难| 以产生较大的基波无功电流注入主电路。 图1 8 串联谐振注入壁a p f豳1 9 并联谐掇注入鍪a p f 4 a p f 与p f 串联后并联接入电网 1 9 9 0 年，f 埒i 专a 。珏等人提出将a p f 与p f 相串联后与电隧并联的混合型方案1 笈， 耋孬 硕圭毕监论文 如图1 1 0 所示，其中a p f 为电流控制电压源，它产生与线路孛谐波电流分量成比 例的电压。该方式中谐波主要豳l c 滤波器滤除，而有源滤波器的作用是改善l c 滤波器的滤波特性，克服l c 滤波器易受电网阻抗的影响、可能与电网阻抗发生谐 振等缺点。在这种方式中，有源电力滤波器不蛊接承受系统基波电压作用，因此 装置容量小，开关器件耐压等级降低。 图1 1 0a p f 与p f 串联后并联接入电网的h a p f 1 5 本文研究主要内容 本文围绕单相系统的谐波抑制交蕊器及其配套的滤波装置进行了一系列的 理论分析和仿真研究。介绍各种无源、单相有源滤波器的滤波原理、结构特点 及各自优缺点；对单相有源滤波器的几种谐波电流检测方式和补偿电流控制方 式进行理论分析和仿真对比，重点研究基于鉴相原理的瞬时检测法和单周控制 方式，并对传统的单周控制有源滤波器进行了改进，理论分析和仿真续果证明 了改进的合理性和实用性；通过单相谐波抑制变压器的理论研究，对变压器绕 组磁势平衡的分析和计算，构造出单相谐波抑制变压器模型，并对两种不同形 式的谐波抑制变压器进行仿真研究，仿真结果证明了该方案的有效性和可行性。 本文的主要研究内容： 第l 章绪论。介绍了谐波及谐波的产生与危害，特别是谐波对变篷器的影响； 介绍了谐波抑制方法及研究现状，分析了无源滤波器、有源电力滤波器和混合滤 波器结构、特点及滤波特性。 第2 章介绍单相有源滤波器的谐波检测方法，重点介绍了基于瞬时无功功率 理论的单相电路电流检测法和基于鉴相原理的电流检测法，并对这两种检测方式 进行建模和仿真对比研究。 第3 章介绍几种单相有源滤波器的跟踪控制方式。重点介绍一种结构简单的 单周控制有源电力滤波器方式，并针对传统单周控制只能同时补偿谐波电流帮无 功功率的不足，提出了一种基于鉴相原理检测法的新型单周控制有源电力滤波器 方式，对该控制方式进行仿真研究。 单相谐波抑制变压器及其配套有源和无源混合滤波器研究 第4 章对比传统的变压器对谐波分量的抑制，根据变压器本身绕组的磁势平 衡原理，研究单相三绕组谐波抑制变压器，分析单相谐波抑制变压器原理，给出 了基于无源滤波器、有源滤波器和混合滤波器的感应型和自耦型谐波抑制变压器 的结构型式。 第5 章对单相谐波抑制变压器的滤波器装置进行具体分析，推导出滤波装置 的主要参数，分别对带各种滤波装置的感应型和自耦型谐波抑制变压器进行仿真 研究，仿真结果表明，所提的变压器谐波抑制方案的正确性。 最后，对本文研究工作进行总结与展望。 1 2 硕士肇业论文 第2 章单相有源电力滤波器谐波电流检测方法研究 2 1 引言 变压器谐波抑制系统的补偿效果如何，主要取决于三个方面：( 1 ) 谐波电流 鳇歪确检测；( 2 ) 系统的控制方案；( 3 ) 主电路的结构。本章主要分析攀耀电路谐 波电流的检测方法。谐波电流检测信号作为补偿电流发生电路的指令信号，准确、 实时的检测出电网中瞬态变化的畸变电流是进行精确补偿的关键。自从有源滤波 器原理被提出以来，谐波电流的检测便引起了广泛的研究，至今已发展出提取基 波分量的带阻滤波器检测法、基于快速傅里叶变换( f f t ) 的数字分析法、自适应检 测法等多种方法以及基于瞬时无功功率理论的电流检测法及在此基础上发展起 来的基于鉴相原理的谐波检测法。 2 2 目前主要谐波电流检测方法综述 2 。2 。董采用带通滤波器或带阻滤波器 采用带通滤波器的谐波电流检测方法原理如图2 1 所示，其工作原理很简单， 帮负载电流乏( f ) 通过工频5 0 h z 的带遇滤波器缀到基频分量誓( f ) ，然后将负载电 流与基频分量之差得到的谐波分量( f ) 做为补偿电流。 l 蚴一 5 q 乜 一2 - 一 带通滤波器 l + 。 龟澎 5 0 王z 蔬彩 带阻滤波器 凿2 1 采用带通滤波嚣的电流检测方法图2 2 采用带阻滤波器的电流检测方法 采用带阻滤波器的谐波电流检测方法原理如图2 2 所示，其工作原理与采用 带通滤波器的电流检测方法不弱，它的负载电流嚣( ) 通过工频5 0 珏z 豹带阻滤波 器滤除基频分量后直接得到谐波分量厶f ，) 。 由予实现起来简单、方便，所以初期这两种方法应用较多，但是这两种方法 的缺点也是显而易见的。由于这两种电流检测方法的滤波器中心频率固定为工频 5 0 h z ，丽工程实际中的电网频率总是在5 0 h z 上下不断波动，因此当电网频率波 动时，滤波效果显然会变差。除此之外，滤波器的中心频率对元件参数十分敏感 且常常不可避免地产生附加的相移，这样，要使滤波器得到理想的幅频特性和相 频特性是非常禹难豹。另外，这两种方法均无法检测出基波无功电流和负序电流， 大大限制了其使用范围。 单相谐波抑制变压器及其配套有源和光源混合滤波器研究 2 。2 。2 基于f f t 的数字分析法 基于f f t 的数字分析法原理比较清楚，将检测到的一个周期的谐波信号用 f f t 分解，得瓣各次谐波的幅值和褶位，将拟抵消的谐波分量通过带通滤波器或 傅立叶变换器得出所需的误差信号，荐将该误差信号进行f f t 反变换，即可得补 偿信号。这种方法思路比较篱鞲，原理帮工作过程十分清断，对所替偿的谐波可 以进行有目的的选择，适用于各种情况。但缺点是这种方法由于需要对误差信号 进行重构，运算较为复杂，故具有一定舱延时，实对性较差；箍且该方法是建立 在傅里叶分析的基础上，因此要求被补偿的波形是周期变化的，否则会带来较大 的误差，所以也限制了其适用范围。 2 2 3 基于自适应干扰对消原理的谐波电流检测法 自适应干扰对消技术( a n c t ) 是信号处理中的一种信号检测技术，原理如图 ( 2 3 ) 所示，它能把一个信号s 从受干扰信号w ( 的中分离出来。其基本原理是：自 适应滤波器a f 通过系统输出# 脚的调节对参考输入鞭l 进行自适应地滤波，得到 与原始输入中干扰糯近似相等的干扰，于是露内作为w 内与。之差就接近等于 信号s ，从而将信号s 从含有干扰的原始输入中分离出来。 ，矧辎绚 原始输入 凌 p 鳓 ，、 弋二 毒一 刀1 剑 参考输入 夕一 图2 3 自适菠千扰对消原理框圈 谐波电流检测可以借用上述自适应千扰对消技术的原理，把负载电流l ，作为 原始输入w ( 磅，其孛鲍谐波电流毫看作信号s ，霹要检测毒来的信号，丽基波毫 流f ，看成干扰，即相当于，f 和f ，是不相关的。因一般情况下电源电压“。畸变 不大，可视力正弦波，且与l ，网频率，即与0 是相关的，故选用电源惫压作为 参考输入。甜。经过自适应滤波器处理后，其输出i ，+ 最终在幅值和相位上逼近f ， 当和原始输入f 。相减后，系统输出的就是谐波电流氧，从而可实现谐波电流检测。 基于自适应干扰对消原理的谐波电流检测原理框图如图2 4 所示。电源电压 甜，经自适应滤波、移相后得到了两个正交的参考输入量s i l l q f 和c o s 嵋f 。由于输出 电流乇孛含有基波和谐波分餐，因而将s 遗璐f 氍s 蚺f 分裂与输出电流艺穗莱 后可得： 1 4 硕士毕业论文 乞( f ) 如婶= 如唧 c o s 婶+ s 洫唧+ 薹s i n ( q r + 织) ，c o s q ，= c o s q c o s 畔+ 渤q r + 薹s h ( q f + 纸) ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式( 2 1 ) ，( 2 2 ) 中只有乞( ，) 中基波电流的有功分量和无功分量分别与s i l l q r 、 c o s q ，相乘后为直流信号，其它信号与s i l l q ，、c o s q r 相乘的结果为交流信号。 图2 4 基于自适应干扰对消原理的谐波电流检测原理框图 将式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 积分，由于直流信号经过周期积分后得到基波有功平均电流 l 和基波无功平均电流厶，交流信号经过周期积分后得到o ，因此，式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 积分后的结果为基波有功平均电流j ，和基波无功平均电流。再将j ，、分别与 s i n q ，、c o s q ，相乘后得到了瞬时基波有功电流乞和瞬时基波无功电流最后将屯 与f 。、屯相减后可得岛，即 乇= 屯一一 ( 2 3 ) 不难求得自适应谐波电流检测法的传递函数为【1 3 】： 日( s ) = 镏= 赫 ( 2 4 ) 式中的k 为图2 4 中积分器的增益，k 较小时检测精度较高，但动态响应特 性较差，k 值较大时，动态响应特性较好，但检测精度较低，因而要折中考虑。 由式( 2 4 ) 可知，图2 4 所示的检测系统等效于一个二阶谐波器，其中心频率取决 于输入电压的频率，这样的系统对元件参数的依赖性较小，这是自适应谐波电流 检测法的最突出的优点。但是该方法对硬件电路的性能要求很高，否则检测准确 度受到很大的影响。 2 3