（电力电子与电力传动专业论文）基于arm平台的谐波与闪变抑制装置的研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t 、i t l lt h er a p i dd e v e l 叩m e mo f c h i n e s en a l i o n a le c o n o m y ，t h e 佗a mm o 陀锄dm o 佗i n d 州a l 卸dc i v 订 e l c c 埔c a ld e v i c 髂i nd i s 研b u t i o np o w e rn c t t h e 辩l 出，w h i c hh a v e t h ee l e 硎cc h a 髓c t e r i s t i c so fl o wp y w 盯 f 弛n 1 i n e 甄a s y m m c t r y0 ri m p a c b r i n g m 眦hp 0 州盯q 岫t yp r o b l e m s 嚣l o wp o w e rf h c t 昕v 0 1 t a g e f l u c t i l 砒j 锄dn i c k e t h n p h a s ev o l t a g e 咖b a l 卸c e ，h i 9 1 1 o r d e rh a r r n 彻i cp 0 i i t i o na n de t c 1 1 1 e p a p e r 锄a i y t h ec o u r 辩o f h a 珊o n i cp o l l i i t i o n 锄df l i c k 盯，锄da d o p tt h es h u n tc o m p e n s a t i d e v i c eb a 辨do nt l l e n v e n e rt oc o m p e l l s 锄et h eh 洲o n j cc u n n t 卸dr c t i v ec u h 蜘ti no r d 盯t 0s u p p r 鹤sh a 姗o n i c 卸dn i c k c l a 删i n gt 0 他d 伽卸do f t i l a lc o m p e n s a l i ，t h r o u g h 锄a l y s i n gt h e 、v o r k i n gp r i n c i p l eo fs h i i t i l a 丌n 伽i c 锄dn j c k 盱s u p p 燃s i d e v i c eb a s e do nv o l t a g c u n c ei n v 州c r ( v s i ) i nt 1 1 r e e - p h a s es y s t e m 柚d c o m 叫n ga c c u 咖m 酣s n l i c t i i 燃o f m a i nc i f c u 咄也ep a p c r 卵1 e c taf o u 卜l e gi n v e r c r 鹊t h em a i nc i r c u i to f s h t l th a 珊伽i c 卸d 们j c k e rs i l p p 舱s s i o nd e v i c c a 坨a 1 t m ec u 订硼td e 掀嘣m e t l l o db a e do nf b da l 鲥m m j si i s e d ns u p p r e s s i o nd “i c e t h ec o n 仃o lm c t h o do f c o m p e n s 删c u r r e n ti si m p o n a n tc o m p o s i 髓彻o f 艘a l ho f s h u th 锄o n i c 卸d n i c k e rs u p p r 豁s j d “i c e s p 勰v e c t o rp u l w i d t i lm o d u l a t i t e c t i | 1 0 l o 科w i t l lm a l l ya d v 卸t a g c s s 眦h 勰 n i c ed y n 锄j c 瞄p o n 曲i l i 吼h j 曲i l t i l i 盈n o nr a t i oo fd cb 憾v o i t a g e 卸dc o n v e n i e n c eo fc o m p o s i n g d i g 诅lc o n 仃o ls y s l e m ，i sa d o p t i 甜t oc o n 仃0 1t l l ec o m p e i l s a i 卸c u r r e 吡1 1 1 e “g 嘶m mo ff i x e d 侬q u 朗c y 鲫d h y s 觚s i ss v p w m 印p l i c a b i et of o u r 1 e gi n v e r t e ri sd e v e l o p e d 1 1 1 e 啪u l m i 佣卸a l y s i so fs h i l 【h a 姗i c df l i c k e rs u p p r s i o nd e v i c eb yp s c a d ，e m t i ) c u l a t i 鲫舯p g r a mi sp m p e di np a p 盯 t h ei m p l e i i l e n t a l i o no fs h i i th 锄i c 跏dn i c k e rs u p p r e s s i d e v i c ei s 咖p l e e db a s c do n 也卿 麟e a r c h 卸d 锄u l a t i a l l a l y s 政i n c l u d 器c u 丌哪d 髂i g ho fi n t e l l i g 印c ep 0 州盯m o d u l ei nm a i l ic i f c i l i h a r d w a r ea n d 竹w a 佗d 豁i g ho fc o n 协) ls y s t e l l lb a s e d a r mp l a t f i ) n n 卸de x p e r i m 锄ts y s t e i n c o n s n t u t i o n 【k e y w o r d s 】：h a m 帅i c ，f l i c k 盯，f o u r - k gl n v e n e s p a c ev e c 缸p u l 辩w i d t l lm o d u l a t i 鸭a r 魄 i n t e l l i g e n c ep o w 盯m o d u l e l i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他入已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书丽使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所傲的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 签名：摊嘞 东南大学学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生 院办理。 签唁i 勃名：主 影隰 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 电能质量问题 电能质量包括四个方面的相关术语利概念”：电压质培( v o l t a g eq l i 叻即用实际电压与额定 电压间的偏差( 偏差含电压幅值，波形和相位的偏差) ，反映供电企业向用户供给的电力是否合格；电 流质餐( c u n n tq u a l i t y ) 即对用户取用电流提出恒定频率、正弦波形要求，并使电流波形与供电电压 同相位，以保证系统以高功率因数运行，这个定义有助于电网电能质量的改善，并降低网损；供电 质餐( q u a l 姆o fs u p p l y ) 包含技术含义和非技术含义两个方面：技术含义有电压质量和供电可靠性； 非技术含义是指服务质量( q i l a l bo f s e r v i c e ) 包括供电企业对用户投诉的反应速度和电力价格等；用 电质量( q u a l 时o f c o n s u m p t i o n ) 包括电流质量和非技术含义，如用户是否按时、如数缴纳电费等，它 反映供用双方相互作用与影响用电方的责任和义务。一般地，电能质量的定义为：导致用户设备故 障或不能正常工作的电压、电流或频率偏差。 电能质餐问题是众多单一类型的电力系统干扰问题的总称，电能质量问题按照产生和持续的时 间可分为稳态电能质量问题和暂态电能质量问题。稳态电能质量问题包括电压偏差、频率偏差、三 相电压不平衡、谐波、电压波动和闪变等，暂态电能质量问题包括电压暂降、供电短时中断和过电 压等。 i e e e 第2 2 标准协调委员会( s t a n d a r d sc 0 0 r d i m t i n gc o m i t t e e2 2 ) 和其他国际委员会推荐采用 1 1 种专用术语来说明电能质量的主要扰动，具体如下”1 ： 电压暂降( s a g s ) ：电压有效值减少至标准电压的0 1 p u 至0 9 p u ，持续时间半个周波至一分 钟。 短时供电中断( i n t e r n i p t i o n s ) ：一相或多相完全失去电压( 低于o 1 p u ) ，持续时间在半个 周期至一分钟。 电压暂升( 钿e l l s ) ：电压超过标准电压的0 1 p u ，通常在1 1 至1 8 p u ，持续时间在半个周期 至一分钟。 瞬时脉冲或突波( t r a l l s i e n t s ) ：两个连续稳态之间的瞬时变化过程，可以是任一极性的单方向 脉冲，也可以是发生在任一极性的阻尼振荡波的第一个尖峰。 谐波( h a o n i c s ) ：电力系统中的非线性设备和负荷，使电压或电流中含有高次分量，从而导致 电压或电流的正弦波形发生畸变。 电压缺口( n o t c h e s ) ：电压缺口是一种持续时间小于半周期的周期性电压扰动，主要是由于电力 电子设备本身电流换相，造成瞬时短路而引起。通常电压缺口的频率成分很高，很难用谐波分析设 备对它进行分析。 电压波动( v 0 1 t a g ef l u c t i l a t i o n s ) 与闪变( f 1 i c k e r ) ：电压波动是在包络线内的电压的有规则变 动，或是幅值通常不超出o 9 p u 至1 1 p u 电压范嗣的一系列电压随机变化。配电网中绝大多数的 电压波动是由电弧炉引起。 间谐波( i n t e r i i a m o n i c s ) ：含有基波非整倍数频率的正弦电压或电流称为间谐波。其主要来源 是静j l 变频器( s t a t i cf r e q u e n c yc o n v e r t e r ) 、循环换流器( c y c l e c o n v e r t e r ) 、感应电动机和电弧 发生装置等。问谐波会使显示装置引发视觉闪变。 频率偏差( f r e q u e n c yd e v i a t i o n s ) ：电力系统中发生故障会导致系统的频率变化超出允许的范 围。 过电压( o v e r v o l t a g e ) ：持续时问大于1 分钟，电压数值大于标准电压。典型的过电压值为1 1 1 东南大学硕一l ：学位论文 至1 2p u 。 欠电压( u n d e r v o l t a g e ) ：持续时间大于1 分钟，屯月乏数值小于标准电压。典型的欠电压值为o 8 至o 9 p u 。 目前随着供电网内非线性负荷、冲击性负荷的增多，在实际情况中电能质量问题中的谐波与闪 变往往同时存在，其表现出的危害也特别突出。因此，如何抑制谐波与闪变，是电力研究人员及用 户急需解决的问题。 1 1 2 谐波的定义和相关标准 ( 1 ) 谐波的基本概念 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦交流量进行傅立叶级数分解，得到频率与丁频相同的分 量为基波，而频率为基波频率大于l 整数倍的分鼍为谐波。谐波频率与基波频率的比值称为谐波次 数。谐波含有率( h r ) 为周期性交流罱中含有的第h 次谐波分馈的方均根值与基波分最的方均根值 之比( 辩j 百分数表示) 。总谐波畸变率( 1 h d ) 为周期性交流量中的谐波含量的方均根值与基波分量 的方均根值之比( 用百分数表示) 。 ( 2 ) 谐波的相关标准”1 国家标准电能质量公用电网谐波( g b 厂r1 4 5 4 9 9 3 ) 中规定了公用电网谐波的允许值及其测 试方法，该标准适用于交流额定频率为5 0 h z ，标称电压l l o k v 及以下的公用电网。 标准中规定了公用电网谐波电压( 相电压) 的限值，见表1 1 表1 1 公用屯网谐波电压( 相电压) 跟值 电网标称电压电压总谐波畸变率 各次谐波电压含有率 k v 奇次 偶次 0 3 85 o4 ，o2 0 6 4 o3 21 6 1 0 3 5 3 o2 41 2 6 6 1 1 0 2 o 1 6 o 8 值。 公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量( 方均根值) 不应超过表1 2 中规定的允许 表1 2 注入公共连接点的谐波电流允许值 标准基准短路 谐波次数及谐波电流允许值a 电压容蹙 k vm 、，a 23456789 l ol l1 21 3 1 4 1 5 0 3 81 07 8 6 23 9 6 22 64 41 92 11 62 81 3 2 4 l l1 2 61 0 04 33 42 l3 41 42 4 1 1 1 18 51 67 11 36 16 8 l o1 0 02 62 01 32 08 51 56 46 85 19 34 37 93 74 1 3 52 5 01 51 27 71 25 18 83 84 13 15 62 64 72 22 5 6 65 0 01 61 38 11 35 49 34 14 33 35 92 75 o2 3 2 6 1 1 0 7 5 01 29 66 o9 64 o6 83 o3 22 4 4 32 03 71 71 9 2 第一章绪论 1 1 3 电压波动与闪变的定义和相关标准 ( 1 ) 电压波动与闪变的基本概念 电压闪变实际上是电压波动的一种特殊反映。闪变( f l i c l 【e r ) 其本意是指由于电光源供电电压小幅 度的快速变化导致电光源输出照度( 或亮度) 的闪烁对人服所产生的不良刺激的一些现象。目前闪变一 词的含义己经拓宽，也包含了电源电压的变化对一些敏感设备所产生的不良影响，所以广义上的闪 变包括电压波动的全部有害作用。 电压波动是指工频电压包络线的一系列变动或周期变化，以其相邻的方均根值的两个极值c ，一 和c 0 。之差u 相对额定值的百分数表示“。a c ，= 兰鼍；! 鱼1 0 0 u ( 2 ) 电压波动与闪变的相关标准 为解决电压波动与闪变问题带来的危害，1 9 9 0 年我国技术监督局发布了国家标准 电能质量中 电压允许波动和闪变( g b1 2 3 2 6 9 0 ) 。该标准实施以来，对于控制电网的电压波动和闪变起到了 十分重要的作用，推动了电压波动和闪变治理工程的开发、实施以及相关仪器的研制工作。2 0 0 0 年 1 2 月1 日起实施的国际电能质量电压波动和闪变( g b1 2 3 2 6 2 0 0 0 ) 此标准是g b1 2 3 2 聃0 的修 订版，主要参考了i e c 6 l 0 0 0 - 3 7 ( 即国家指导性标准g b ，z 1 7 6 2 5 5 2 0 0 0 ) 等标准，这是国家标准与国 际标准的发展趋势相统一。该标准适用于电力系统正常运行方式情况下，由波动负荷引起的公共连 接点的电压的快速变动及由此可能引起人对灯光闪烁明显感觉的场合，标准规定了电压波动和闪变 的限值以及侧试、计算和评估方法。 电力系统公共连接点，由波动负荷产生的电压变动d 的限值和变动频度r 、电压等级有关，标准 中规定了电压变动的限值，见表1 3 。 表1 3 电压变动限值 d r 一1 l v ，m v h v r l43 l r s l 032 5 l o r 1 0 02 1 5 + 1 0 0 r s l 0 0 01 2 5l 注：1 很少的变动频度r ( 每日少于1 次) ，电压变动限值d 还可以放宽，但不在本标准中规定。 2 对于随机性不规则的电压波动，依9 5 概率大值衡量，表中标有”的值为其限值。 3 本标准中系统标称电压u n 等级按以下划分： 低压( l ) u n 1 k v 中压r m v ) 1 k v u n 3 5 k v 高压( h 3 5 k v u n 2 2 0 k v 1 2 谐波与闪变产生原因及其对电能质量的影响 1 2 1 电力系统中谐波产生的原因及其危害 ( 1 ) 谐波产生的原因 在电力的生产，传输，转换和使用的各个环节中都会产生谐波。 谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备：( a ) 具有铁磁饱和特性的铁芯设备， 如：变压器、电抗器等；( b ) 以具有强烈1 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：( c ) 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( 整 流器、逆变器、变频器) 、相控调速和凋压装置，犬容鬣的电力品闸管可控开关设备等，它们大量的 3 东南人学硕t 学位论文 _ i j 丁化工、电气铁道，冶金，矿山等| 二矿企业以及再式各样的家朋电器中。以上这些非线性电气设 备( 或称之为1 f 线性负荷) 的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流，也就是说，即使电源给这些负 荷供给的是止弦波形的电压，但由于它们其非线性的电压一电流特性，使得流过电网的电流是非正 弦波形的，这种电流波形是由基波和与基波频率成整数倍的谐波组成。 随着电力电子设备使用的不断增加，同时这些设备产生的谐波又具有较大的振幅，所以目前它 们是供电系统中的主要谐波源。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。除了带感性负 载的整流电路所产生的谐波污染和功率冈数滞后问题之外，直流侧使用电容滤波的二极管整流电路 也是严重的谐波污染源。 ( 2 ) 谐波的危害 对于电力系统来说，电力谐波的危害主要表现有以下几方面“： ( a ) 增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益： 电力谐波对输电线路的影响： 谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区 内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。 电力谐波对变压器的影响： 谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加 了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言，会大大增加励磁电流的谐波分量。 电力谐波对电力电容器的影响： 含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐波阻抗很小，谐波电流叠加在电 容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波 还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。 ( b ) 影响继电保护和自动装置的工作可靠性： 特别对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失 去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。 ( c ) 对通讯系统工作产生干扰： 电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路 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，甚至在极端的情况下，还会 威胁着通信设备和人员的安全。 ( d ) 对用电设备的影响： 电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现 过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。 此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响。 l - 2 2 电压波动与闪变产生的原因及其危害 ( 1 ) 电压波动与闪变产生的原因9 “1 0 电压波动和闪变主要是由于冲击性功率的电力负荷设备f 如冶炼电弧炉、轧钢机、电气机车、电 弧焊机等) 在运行过程中有功功率和无功功率的大幅度变动引起的，从各种波动负荷性能分析，由电 弧炉引起的电压波动和闪变较为严重。这些负荷的特点是：有功功率和无功功率随机的或周期性的 大幅度波动，工作中功率冈数较低，会产生大量的谐波，有的负荷三相严重不对称。 ( a ) 大功率电动机启动 三相异步电动机的功率越来越大，为额定电流4 7 倍的启动电流引起的电压波动在钢铁企业配 电网是一个突出的问题。大电动机的启动电流，不仅数值很大，且有很低的滞后功 率因数，使电压的波动更大。企业供电系统的阻抗由高压线路、变压器、低压线路三个部分的阻抗 组成。其中变压器的阻抗最大，启动电流引起电压波动主要反映在变压器的出线端。所以，为了使 电动机得到较大的启动转矩，若容许电动机在额定电压直接启动，会造成更大的线路上的电压波动。 ( b ) 冲击性负荷的运行 4 第一章绪论 由丁生产工艺的要求，其电气传动电动机的负荷是冲击性的，如轧钢机、冲床、剪扳机等。它 们的特点是负荷在r t 作时间中作剧增和剧减的变化并周期性的交替变更，引起较大的电压波动不 可避免。特别是现代轧钢机传动装置的机组容量日益增大，有的达数万千瓦，而且负荷变动异常剧 烈，其特点是重复冲击，周期变化。有的机组工作时，有功尖峰负荷可达额定容量的1 8 0 ，周期 约为数秒。与激烈的有功功率变动相适应，无功功率亦以相同程度发生波动，而且这种负荷上升的 时间约为o 2 s 左右。无功功率波动会引起工厂母线很大的电压波动。 ( c ) 反复、短时工作制的负荷 这一类负荷的特点是负荷作增减地变化，且是周期性的交替，但交替的周期又不为定值，其交 替的幅值也不为定值。如吊运工件、产品及原料的吊车，手工焊接_ j 的交直流电焊机、电动带锯、 电动圆盘锯等。目前，不少企业为了节约电能，在交直流电焊机上装设了自动断屯装置。在节约用 电的同时，电动机的启动电流和焊接变压器的涌流却加剧了所在电网的电压波动。 ( d ) 配电网短路电流 企业车间有许多低压配电线路及电气设备，界区内的高压配电线路也分布较多。由于种种原因， 可能发生不同性质的短路，在保护装置配置的整定恰当、开关设备正常的情况之下，各级电压的短 路事故都能迅速的切除。但是以故障点为中心的系统电压将下降，或出现短时间的电压波动。 ( e ) 照明灯电路闭合时的启动电流 企业内部的白炽灯的照明容量常达数千瓦到数十千瓦，在闭合其总电源开关时，由于钨丝的冷 态电阻比热态电阻小得多，故其瞬时的启动电流晟高可达额定电流的8 一l o 倍，但在第7 个周波开 始衰减到额定值。由于时间很短暂，作用不显著，因而影响不明显。 ( 2 ) 电压波动与闪变的危害 电压波动和闪变常常会引起许多电工设备不能正常工作，其危害表现在： ( a ) 引起车间、工作室和生活居室灯场所的照明灯光闪烁，使人的视觉易于疲劳甚至难以忍受而产 生烦躁情绪，影响工作效率和生活质量。 ( b ) 影响产品的质量：电焊工作中由于电压的波动造成屯弧不稳定，从而影响焊接质量；切削金属 工件时，电压的波动会影响工件产品的质量和数量；对于电弧炉，电压的波动会影响金属熔炼时间， 增加电能的消耗。 ( c ) 电视机画面亮度变化、图像垂直和水平摆动。 ( d ) 影响对电压波动较敏感的工艺或实验结果，如实验时示波器波形跳动，大功率稳流管的电流不 稳定。导致实验无法进行。 ( e ) 电子仪器、电子计算机、自动控制设备等工作不正常。 1 3 谐波补偿与闪变抑制技术现状 1 3 1 谐波补偿技术现状 目前解决谐波问题的思路有两条：一条是对电力电子装置本身进行改造，如采用多重化技术、 p w m 整流技术以及有源功率因数校正技术等，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置：另 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。谐波补偿装置可分为无源滤波 器和有源电力滤波器： ( 1 ) 无源滤波器。针对谐波问题，传统方法是采用l c 滤波器。它是由电容器、电抗器和电阻器适 当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，起旁路滤波的作坩。l c 滤波器具有结构简单、设备投资少、 运行费川较低等优点。但这种方法有如f 不足“： 只能抑制设计要求规定的谐波成分，有时由于高次谐波的成分复杂，必须同时加入多个滤波电 路，这会使整个无源滤波装置的容量和体积增大，损耗增加。同时考虑剑成本问题，不可能仅 靠增加无源滤波器数龄的办法来提高滤波效果； 谐波电流过大时可能造成无源滤波器的过载，损害设备； 5 东南人学硕l 学位论文 无源滤波器的滤波效果将随系统的运行情况而变化，特别是对电网阻抗和频率的变化十分敏感， 在这种情况下难以保证滤波效果。在一个复杂的电力系统中，这两个参数的变化规律很难精确 预知，冈此一个实际的无源滤波器要达到理想的滤波效果是很难的； 对特殊的谐波成分或系统阻抗和频率变化时，有可能与电源阻抗在电源侧发生并联谐振而产生 “谐波电流放火”现象，从而使无源滤波装置无法正常工作，严重时会损害无源滤波器； 可能与电力系统发生串联谐振，造成电压波形畸变而产生附加的谐波电流流进无源滤波器，影 响滤波效果。 ( 2 ) 有源电力滤波器。目前，谐波抑制的一个重要趋势是采_ 【l j 有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t c r 一一a p f ) 。有源电力滤波器是一种电力电子装置，这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟 踪补偿，与无源滤波器相比，有源电力滤波器( a p f ) 具有高度的可控性和快速的响应性，其主要 优点如下4 “1 ”： 实现了动态补偿，可对频率和幅值都变化的谐波进行实时补偿，对补偿对象的变化有极快的响 应。 正常情况下，即使补偿对象电流过大。有源电力滤波器装置也不会发生过载，并且所需储能元 件的容鼍也不大。 谐波补偿特性不受系统阻抗的影响，可避免与被补偿系统发生谐振。 既可以对单个谐波源进行补偿，也可以对多个谐波源集中补偿。 根据a p f 与被补偿系统的连接方式不同，a p f 可分为：串联型有源电力滤波器( s 鲥e s a p f ) ，并 联型有源电力滤波器( s h u n t a p f ) 和串并联型( 又称为统一电能质量调节器u p q c ) 。 1 3 2 闪变抑制技术现状 改善电压波动与闪变的方法主要有：选择合理的供电接线方式；合理减少系统阻抗；安装无功 功率补偿装置；合理选择有载调压变压器等。目前，大部分用于抑制电压波动与闪变的补偿装置主 要有：静止无功补偿器( s v c ) ，静止无功发生器( s v g ) ，以及统一电能质量控制器( u p f c ) 等“” ( 1 ) 合理的供电接线方式 所谓合理的供电接线方式就是给负荷变化剧烈的电气设备以专线单独供电，这是一条简便的、 行之有效的方法，国外都有类似的结论。考虑到一个大的工业用户不会是仅由一条线路供电，因此， 就可以利用其中的一条线路专门供给某剧烈变化的负荷，并作为工厂中其他负荷的备_ i l j 电源。其中 一种方法是采用双路电抗器和分裂绕组变压器，但这种方式只有在系统阻抗x s 相对变压器或电抗器 阻抗很小时，才能得到预期的效果，否则，电压波动仍然会影响其他用户。 ( 2 ) 提高供电电压，增加短路容量 电压损失的百分比与电网额定电压的平方成反比，所以提高供电电压无疑会对抑制电网电压波 动的数值起到良好的作用。短路容量愈大，同样的冲击功率，电压的波动愈小，增加短路容量的方 法有：采坩双线并联供电；在给剧烈变动负荷供电的线路上不设置电抗器；采用串联补偿。运行结 果表明，当冲击负荷不超过供电系统容量的2 0 ，电压波动值不会超过2 ，完全可以满足人们视 觉提出的要求。 ( 3 ) 有载调压变压器( o u ) 有载调压变压器( o u ) 主要适用于电压或者负荷变化比较大、用电设备对电压质量要求比较 高( 例如，要求自起动的电动机和要求运行速度稳定的电动机，电加热装置等) 的场所。有载调压 变压器由电力变压器、有载分接开关和有载调压控制器组成。变压器部分与普通电力变压器相似， 只是高压侧线圈分为基本段与调压段两部分。基本段为连续式，调压段为单层或双层圆筒式，其抽 头接入有载分接开关。o u 通过改变变压器高压侧的分接头，实现变压器低压侧输出电压稳定在 规定的范围内的目的。应h jo u 主要的优点在于：采用o u 调压可以在带负荷运行的条件下， 操作灵活方便。o l l 不但可使因系统电压变动而引起的变压器低压侧电压波动得到调整，而且还 可获得逆调压的效果。另外，对于设有总降压站的企业，在总降压站内采_ h j 有载调压变压器，比在 下级各变配电所大量采用有载调压变压器更经济、更方便。 6 第一章钟i 论 ( 4 ) 静止无功补偿器( s v c ) s v c 可以有效地抑制与消除电压波动，闪变与电压不平衡，以达到综合补偿的效果“4 ”。目 前，国内外普遍采用静止型无功功率补偿装置( 简称s v c ( s t a t i c 、研c o m 口c n s a t o r ) 完成负荷无功功 率的动态补偿，采用电力电子技术的s v c 有四种不同的结构类型和控制方法： 可控硅开关控制空芯电抗器型( t c r ) 。它是可控硅控制线性电抗器实现快速连续的无功功率调 节，具有反应时间快( 5 2 0 m s ) 、运行可靠、无级补偿、分相调节，能平衡有功，适用范围广， 价格便宜等优点。t c r 装置还能实现分相控制，有较好的抑制不对称负荷的能力，因而在动态 无功功率补偿系统中采用撮广泛。但这种装置采用了先进的电子和光导纤维技术，对维护要求 高。 可控硅开关控制高阻抗变压器型( t ( x ) 。优点与t c r 型筹不多，但高阻抗变压器制造复杂， 谐波分量也略大一些。由于有油，要求一级放火，只宜布置在一层平面或户外，容量在3 0 m v 口 以上时价格较贵。 可控硅开关控制电容器型( 髑c ) 。分相调节、直接补偿、装置本身不产生谐波，损耗小。但是 它是有级调节，有暂态过程。 自饱和电抗器型( s s r ) 维护较简单，运行可靠，过载能力强，响应速度快，降低闪变效果好。 但其噪音大，原材料消耗大，补偿不对称电炉负荷自身产生较大谐波电流，无平衡有功负荷能 力。 ( 5 ) 静止无功发生器( s v g ) 近年研制开发了一种新型的静止无功发生器( s 诅t i c 、嘶g e n e r a t o r ，简称s v g ) ”基本原理就是 将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联到电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电压的幅值 和相位，或者直接控制其交流侧电流就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流，现动态无 功补偿的目的。与s v c 相比，s v g 有以下优势：s v c 进行双向补偿时，需同等容鼙的电容和电感， 而s v g 可以实现双向调节，显然要省得多；s v g 有短时过载能力，在满足同样的无功要求下，s v g 容量可以比s v c 小1 5 一2 0 ；s v c 输出感性无功时，用品闸管控制电感时会产生高次谐波，s v g 一般采用多重逆变器方式，基本上没有谐波“污染”；s v c 占地面积大，而s v g 占地小此外，s v g 的维护工作量也较s v c 小。s v g 通过与系统进行无功功率交换，以维持线路电压恒定，因而是抑 制系统电压波动、闪变和提高系统稳定性，特别是电压稳定性的有力工具。 ( 6 ) 统一电能质量控制器( u p f c ) 1 统一电能质量控制器( u p f c ) 结合了串、并联补偿装置的特点，具有对电压、电流质量问题统 一补偿的功能，属于综合的补偿装置。含有储能单元的串、并联组合的用户电力综合补偿装置，该 装置除了应用于配电系统的谐波补偿外，还可以解决瞬时供电中断和电压波动等动态电压质量问题， 提高供电的可靠性。 1 4 本论文主要工作 本论文主要围绕并联型谐波与闪变抑制装置的各个环节的原理及实现方法展开讨论，本章介绍 了电能质龋的定义和相关指标，谐波和闪变的定义、产生原因及其对电能质量的影响等，并对谐波 补偿与闪变抑制技术的现状进行了综述。以下各章节内容如下： 第二章介绍了并联补偿的基本内容以及并联型谐波与闪变抑制装置的工作原理。重点讨论了并 联型谐波与闪变抑制装置的主电路结构和电流检测方法。 第三章对并联型谐波与闪变抑制装置的补偿电流控制方法展开了讨论，针对装置主电路使用的 四桥臂变流器，分析了同定频率的s v p w m 电流控制方法和基于滞环比较的s v p w m 电流控制方法 的原理及利弊，并给出相应的实现方法。利用p s c a 陇m t d c 仿真软件对并联型谐波与闪变抑制装 置的控制方法进行了仿真分析。 第四章是关于并联型谐波与闪变抑制装置的物理实现，介绍了一套应用于三相四线制的并联型 7 东南人学硕l 学位论文 谐波与闪变抑制装置，分别从硬件和i 软1 ，l ：两个方面予以阐述。硬件方面包括基丁智能功率模块的变 流器主电路和基于a r m 平台的控制系统的设计，软件方面包括主程序流程、中断处理子程序流程 等，最后给出了实验系统构成和结果分析。 第五章是对本论文的总结。并提出了并联型谐波与闪变抑制装置中可进一步深入的研究内容。 8 第二章并联型请波j 闪变抑制装置工作原理 第二章并联型谐波与闪变抑制装置工作原理 2 1 并联补偿概述 2 1 1 电力系统并联补偿的特点和作用 根据连接方式的不同。电力系统补偿方式可以分为并联补偿、串联补偿和串并联混合补偿三种。 由于并联补偿方式接入和切除都很方便，因此在电力系统中得到最为广泛的应用。电力系统并联补 偿具有以下特点： ( 1 ) 并联补偿只需要电力系统提供一个节点，并联补偿的另一端为大地或悬空的中性点，因此并 联补偿装置可以容易的接入电力系统。 ( 2 ) 并联补偿不会改变电力系统的结构，接入方式简单，并联补偿可以在系统正常运行时接入系 统，通过调节并联补偿，可以将并联补偿接入造成的影响尽量减到最小，许多情况下可以做 到无冲击投入和无冲击退出运行。由于电力系统对安全稳定运行的要求很高，因此并联补偿 的这个特点使电力系统容易接受并联补偿。 ( 3 ) 并联补偿要么只改变节点导纳矩阵的对角线元素，要么可以等效为注入电力系统的电流源。 因此并联补偿装置接入后，电力系统的复杂程度增加不多，便于电力系统分析。 ( 4 ) 由于并联补偿只能控制接入点的电流，而电流进入电力系统后如何分布由系统本身确定，因 此并联补偿产生的补偿效果通常可以使节点附近的区域受益，防止非线性负荷对电力系统侧 的电能质量产生不良影响。 并联补偿可以改变系统的导纳矩阵的对角元素或向系统中注入电流，通过并联补偿可以方便地 向系统诸如或从系统吸收有功功率，向系统注入或从系统中吸收无功功率。因此，并联补偿可以控 制电力系统的有功功率或者无功功率的平衡。所以并联补偿对电力系统有如下作用： 提高系统电能质量； 维持或控制节点电压； 通过控制功率变化，阻尼系统震荡； 提高电力系统的静态和暂态稳定性； 改变系统的阻抗特性和动态特性。 2 1 2 电力系统并联补偿装置的分类 电力系统并联补偿装置可以按照不同的标准进行分类，如按照并联补偿装置器件的不同可以分 为机械投切阻抗型装置，如传统的断路器投切电抗器、电容器等；晶闸管投切或控制的阻抗型装置， 如静止无功补偿器s v c 等；基于变流器的可控型有源补偿装置，如s v g 、a p f 等。如果按照并联 补偿装置的响应速度可分为慢速型装置、中速型装置以及快速型装置。按照并联补偿装置安装系统 不同可以分为输电系统并联补偿装置和配电系统并联补偿装置。其中输屯系统并联补偿装置主要是 输电系统安全可靠输送电能及保证系统安全稳定运行，而配电系统并联补偿装置主要作用是维持节 点电压，保证为_ l 户提供高质餐的电能。按照并联补偿装置的电压等级分为低压并联补偿装置，中 压并联补偿装置与高压并联补偿装置。 按补偿对象的不同可以分为负荷补偿和系统补偿两种。负荷补偿通常是对影响电能质量的负荷 进行补偿，其目的是提高负荷的功率因数，改善电能质域，减少或者消除由于冲击性负荷、不对称 负荷和非线性负荷等引起的电压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压电流波形畸变等危害。系 统补偿则通常指对交流输配电系统进行补偿，目的是维持电网枢纽点处的电压稳定，提高系统的稳 定性，增大线路的输送能力以及优化无功潮流，降低线损等。 9 东南人学硕j ：学位论文 2 1 3 电力系统谐波与闪变的并联补偿 从电力系统中谐波与闪变产生的原冈米看，大量的电能质晕问题是由冲击性负荷、不对称负荷 和1 f 线性负荷等引起的。对这些负荷进行负荷并联补偿，可以有效地减少和控制这些负荷引起的电 压波动、电压闪变、三相电压不平衡及电压电流波形畸变等危害。由于负荷特性不一样，造成的电 能质量问题也不一样，所以负荷侧安装的并联补偿装置应该根据负荷的特点采用不同的补偿技术。 负荷补偿技术主要包括无功补偿技术、谐波补偿技术和三相不平衡补偿技术。电网电压波动和闪变 主要是由无功功率的波动与冲击引起的，有功功率的波动对电网电压的影响较小，所以抑制电压波 动与闪变应该以控制无功功率为重点。而非线性负荷与不对场负荷引起的谐波与三相电压不平衡问 题应该通过谐波补偿技术和三相不平衡补偿技术解决。 实际情况中有一些类型的负荷如冶炼屯弧炉、电弧焊机工作时既产生大量谐波电流，同时无功 功率波动很大，功率冈数较低，会引起电网电压波动和闪变。针对这些负荷安装的并联补偿装置就 需要同时具有无功补偿和谐波补偿的能力，才能有效地控制负荷造成的电压波动和闪变，电流谐波 等电能质茸问题。 从电力系统并联补偿的发展来看，最初是采用机械投切的电容器和电抗器对系统进行无功补偿， 改善系统的电压水平。针对谐波问题，传统方法是采埘l c 滤波器。它是由电容器，电抗器和电阻 器适当组合而成的滤波装置。l c 滤波器只能抑制按设计要求规定的谐波成分而且还存在过载问题， 滤波效果也随系统的运行情况而变化。机械投切的无功补偿装置惯性大，动作时间在秒级，满足不 了电力系统对快速性的要求。随着大功率电力电子技术的发展，传统的机械投切的并联补偿装置逐 渐被品闸管投切或控制的并联补偿装置例如t s c 、t s r 、t c r 及静止无功补偿器( s v c ) 所代替。 这些并联补偿装置改变了机械投切装置速度慢的缺点，控制速度快，维护简单，成本较低，但是还 是保持着阻抗型装置的特性。阻抗型装置的补偿效果容易受剑系统电压的影响，如系统电压偏低时， 电流也减小，导致补偿容量与电压平方成比例下降。 随着高压大容量可关断器件如g 1 _ 0 ，i g b t ，i g c t 器件的发展，出现了基于电压型或电流型变 流器的并联补偿装置如s v g 、a p f 等，这种补偿装置的特性完全脱离了阻抗型装置的特性，成为完 全可控的有源型补偿装置，使得这种并联补偿装置的性能有了很大提高。基于变流器的并联补偿装 置不需要大体积的电力电容器和电力电抗器，体积大为减小，响应速度快，装置本身产生的谐波很 小。基于变流器的并联补偿装置另外一个突出的优点就是同时具有无功补偿和谐波补偿的能力，在 负荷侧采用这种并联补偿装置，只要控制方式合适，就能抑制负荷引起的高次谐波，电压波动和闪 变等电能质量问题。 2 2 并联型谐波与闪变抑制装置工作原理 2 2 1 并联型谐波与闪变抑制装置基本原理 基于变流器的并联补偿装置可以按照变流器结构、系统相数、补偿系统的容量和反应速度来分 类。变流器可以是电压源璎变流器( v s i ) 或是电流源型变流器( c s i ) 。按照系统相数分可以为单相、 三相三线制和三相四线制三种结构。按照补偿系统的容量和反应速度可以分为小容量、中容量和大 容量三种补偿系统。本文讨论的是三相系统基于电压源型变流器( v s l ) 的并联型谐波与闪变抑制装 置。 图2 1 所示为基本的并联型谐波与闪变抑制装置原理图 1 0 第二章并联型讲波闪变抑制装置t 作原理 并联型谐波与闪变抑制装置 图2 1 并联型谐波与闪变抑制装置原理图 图中负载产生谐波，并且消耗无功功率，无功功率的波动会引起电压波动和闪变。并联型谐波 与闪变抑制装置分为指令电流运算电路、补偿电流控制电路、驱动电路和主电路四个部分。其中指 令电流运算电路的作用是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，并根据这些电流分量计 算出补偿装置要产生的指令电流。补偿电流控制电路就根据指令电流，通过各种控制算法，产生对 应补偿电流的驱动信号。驱动信号通过驱动电路控制主电路产生实际的补偿电流。主电路是由变流 器和连接电抗或变压器组成，变流器主要采用电压源型变流器( v s i ) 。 图2 1 所示并联型谐波与闪变抑制装置的基本工作原理是：装置通过检测补偿对象的电压和电 流，由指令电流运算电路计算出补偿装置要产生的指令电流。然后通过补偿电流控制电路、驱动电 路和主电路产生实际的补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波和无功电流相抵消，最终达 到抑制谐波，补偿无功功率，消除电压波动和闪变的效果。 假设负载产生的电流为i l ，供电系统提供的电流为i s ，而并联型谐波与闪变抑制装置产生的电 流为i f ，根据基尔霍夫电流定律有： i s = i l - i f ( 2 1 ) 设电网电压为无畸变对称三相电压，负载电流存在畸变，负载电流i l 中分别含有谐波电流分量 i 曲，基波无功电流分量i l q ，基波有功电流分量i 坤，即 i l = iu 斗i l q