（电力电子与电力传动专业论文）电网谐波抑制技术研究.pdf

a b s t r a c th a r m o n l c0 np o w e rs y s t e me l i m i n a t l 0 nt e c h n o l o g i e sa b s t r a c tt o d a y ，p o w e ri sas o r to fi m p o r t a n te n e r g ys o u r c e s ，i ti sw i d e l yu s e di nm a n yf i e l d so fi n d u s t r y 、a g r i c u l t u r ea n dn a t i o n a ld e f e n c e w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i cp o w e ra n de l e c t r o nt e c h n o l o g y an u m b e ro ft h en o n l i n e a r1 0 a d sa n da l lk i n d so fc o m m u t a t i n ge q u i p m e n t sa r cw i d e l ya p p l i e di ne v e r yw a l ko fl i f e ，w h a tt h e yb r i n gam a s so fh a r m o n i cc u r r e n tm a k et h ec o n t e n to fh a r m o n i ci n c r e a s ei nt h ep o w e rs y s t e ma n dq u a l i t yo fp o w e rd r o p s o ，i ti su r g e n tt oe l i m i n a t eh a r m o n i ca n di m p r o v ep o w e rq u a l i t y r e c e n t l y ，w i t ht h eq u i c k l yd e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) i sb e i n ga ni m p o r t a n tw a yt oe l i m i n a t eh a r m o n i cd y n a m i c a l l y i tc a no u t c o m et h ei n h e r e n ts h o r t c o m i n g so fl cf i l t e r s a p fi sa na d v a n c e dp o w e re l e c t r o n i cd e v i c e w h i c hc a l lb eu s e df o rc o m p e n s a t i n gh a r m o n i c s ，r e a c t i v ep o w e ra n dn e g a t i v es e q u e n c ee u r r e n t c o m p a r e dw i t hc o n v e n t i o n a ll cf i l t e r , a p fh a sa d v a n t a g e so f r e a l - t i m ea n da c c u r a c y s oa p fh a sf o r e g r o u n dw i d e l y b u t ，i nc h i n a ，t h es t u d i e sa n de x p l o i t a t i o n si na p fa r ea ti t sb e g i n n i n gs t a g e a n dl a r g ec a p a c i t ym a t u r ep r o d u c t sh a v en o tb e e nc o m i n go u ty e t s ot h es t u d i e si na p fh a v ei m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e i nt h i sp a p e r ，w ea n a l y z et h ek e y so fa p f c a l c u l a “n gt h ep a r a m e t e ro fm a i nc i r c u i t ，h a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n ga n dc u r r e n tt r a c k i n gc o n t r o l l i n g n e u r a ln e t w o r k ( n n ) h a v et h ec h a r a c t e r i s t i co fd e t e c t i n gq u i c k l y , t h ee m p h a s i si sb r i n gf o r w a r dc o m b i n i n gt h en e u r a ln e t w o r ka n da u t oa d a p t i v eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n gb a s e do nt h ep r i n c i p l eo fn o i s ee a c ho t h e re l i m i n a t i n g t h ed e t e c t i n gm e t h o do fn e u r a ln e t w o r k ，i ti sa p p l i e dd e t e c t i n gt h et o t a lh a r m o n i cc u r r e n t a tt h es a m et i m e ，b e c a u s eo fr e d i a lb a s i sf u n c t i o n sf r b f ) c h a r a c t e r i s t i c s - - s m a l lc a l c u l a f i v eq u a n t i t y , f a s tc o n v e r g e n c e ，w i t h o u tl o c a lm i n i m a lp o i n t ，w ea p p l yr b fn e u r a ln e t w o r kt or e p l a c et h et r a d i t i o n a lb a c kp r o p a g a t i o nn e u r a ln e t w o r k ，c o n s i s t i n gas o r to fn e wm e t h o df o rh a r m o n i cd e t e c t i n g _ r b f n n sh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i n g ，a n da n a l y z i n gi t sp r i n c i p l eo f f i l t e r , t h es t r u c t u r eo f r b f n na n dt h ea r i t h m e t i co f a d j u s t i v ew e i g l t st h em e t h o d so fc o n t r o l l e dp w mc o n v e r t o ra r ei n t r o d u c e d ，a n dd e t a i l e d l ya n a l y z et h ed e a d b e a tc u r r e n tm e t h o d a tt h es a m et i m e ，t h em e t h o do fc o n t r o l l e dc a p a c i t a n c ev o l t a g ea td i r e c tc u r r e n ts i d ei sa l s oa n a l y z e d i no r d e rt ov e r i f yt h ee r i e c to fr b f n nh a r m o n i cc h l t e n td e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gm e t h o d s t h e ya r ev e r i f i e di nt h et h i r dp a r to f t h i sp a p e rt h r o u g ht h es i m u l a t i o no fm a t l a b t h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h e i re f f e c t t h es t u d i e si nt h i sp a p e rh a v es o m eg u i d a n c e sa n dr e f e r r e n c e so nt h ee x p l o i t a t i o no ft h ea c t i v ep o w e rf i l t e re x p e r i m e n t a ls y s t e m k e yw o r d s ：h a r m o n i ca p fr b ft h ec o n t r o l l i n gm e t h o do fd e a db e a tc u r r e n tm a t l a bs i m u l a t i o ni l人庆札油学院硕t ：j o f 究生学位除文1引言绪论电能作为现代社会中使用最广泛的能源，其应用程度是衡量一个国家发展水平的重要标志之一。近年来，随着我国电力事业的迅猛发展，电力系统的规模r 益扩大，电能紧缺的问题已逐步解决，但与此同时，用户对提高电能质量的呼声也越来越高。电能质量。+ 般是指电压或电流的幅值、频率、波形等参量符合规定值的偏差。9 0年代以前电力系统中许多机电设备都能在上述参量相对较大的变化范围内正常地工作i但是在9 0 年代后期信息技术的飞速发展，基于计算机、微处理器控制的用电设备和电力电子设备在工业生产中大量投入使用，他们对干扰比机电设备更加敏感，因此对供电质量的要求也更高1 2 j 。一旦出现电能质量问题，轻则造成设备故障停运，重则造成整个系统的损坏1 3 1 ，由此带来的损失是难以估量的。从环境的角度来看，电力系统也是一种“环境”，同样存在着污染的问题，电网中存在的谐波电流和谐波电压就是对电网环境的一种严重污染【4 l 。伴随着现代工业的发展，科学技术和生产水平不断提高，特别是电力电子技术、节能技术和控制技术的进步，大量的非线性负载被广泛的应用于各行各业，虽然在经济上和生活上带来了一系列的效益和方便，但是也使电网谐波含量大为增加。谐波干扰使电力系统继电保护装置和自动控制装置误动作或拒动，产生严重的运行事故，严重危害着电力系统的安全稳定运行【5 ；同时，大量的谐波注入电网还会给接入电网的用电设备造成很大的危害，使设备的寿命降低、产生噪声和附加损耗增加等：对电感和电容构成的串联或并联电路还有可能产生串联谐振或并联谐振，其形成的谐振过电压或过电流将大大增加，给电容器、系统及用户造成严重危害f 酿。谐波对电力系统的影响和危害同自然坏境污染一样，己成为一种公害。为了保证供电质量、提高系统运行的安全性和经济性，电网谐波抑制问题已成为当前电力系统中迫切需要解决的课题。2 抑制谐波的方法抑制谐波的主要途径有两种”j ：一是主动型谐波抑制方案，即对接入电网的设备本身进行改进，限制其产生谐波的含量或不产生谐波。具体方法有：开发新型变流器，使其不产生谐波且功率因数为1 ，这种变流器被称为单位功率因数变流器( u n i t yp o w e rf a c t o rc o n v e r t o r ) ；在中小功率电力变换装置中，采用脉宽调制技术的整流电路的有功功率因数校正( p o w e rf a c t o rc o r r e c tp f c ) 电路，已经在开关电源中获得了广泛应用：在大功率电力变换装置中，采用多绕组变压器的多脉整流或将多脉整流与控制移相相结合构成准多脉整流。这种技术的缺点在于成本高、效率低。同时，在运用脉宽调制技术的电力电子系统中，还会产生高次谐波，还要抑制高次谐波。二是被动型谐波抑制方案，是通过外加设备达到谐波抑制的目的，即装设无源电力滤波器( p o w e rf i l t e r p f ) 、有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r - a p f ) 或混合型电力滤波器进行滤波。采用这些电力滤波器就地吸收谐波源所产生的谐波电流，是抑制谐波污染的有效措施，也是电力系统中抑制谐波广泛采用的方法。下面将对这种抑制方案进绪论行详细讨论。根据滤波原理，将电力滤波器分为无源电力滤波器和有源电力滤波器两种。1 无源电力滤波器无源电力滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的t 要手段，是一种用并联滤波器滤除谐波的典型电路结构，通常是根据所要实现的功能由电力电容器、电抗器和电阻组合而成| 8 1 。一个简单的串联l c 电路与谐波源并联，应用其谐振原理，使某次谐波在这个支路发生谐振，呈现低阻状态，使该次谐波电流不再流入电网，达到抑制该次谐波的目的。如果要滤除若干次谐波，就用若干个单调谐l c 滤波器并联接到电网。无源电力滤波器还可以设计成双谐振的，同时滤除两种频率的谐波，还可以设计成高通滤波器，以滤除某一次以上的谐波。无源电力滤波器的优点：因其结构简单，电压和容量可以做得很大，在吸收谐波的基础上还可以补偿无功，改善功率因数；维护方便；造价低，运行费用也低：对某一次商次谐波吸收效果明显；设计和制造经验成熟。因此成为传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。无源滤波器虽然存在上述诸多优点，但它也有不足之处。无源滤波器的滤波原理是在系统中为谐波提供一并联低阻通路，因此由于结构原理上的原因，在应用中存在着一些难以克服的缺点一l ：( 1 ) 只能抑制按设计要求规定的谐波成分，抑制较低次谐波的单调谐滤波器只对调谐点的滤波效果明显，而对偏离调谐点的谐波无明显效果。而实际工程设计时考虑到设计投资，不可能依靠增加滤波器的办法解决。( 2 ) 滤波特性受系统参数影响较大，滤波效果随系统运行情况而变化，当系统阻抗和频率波动时，滤波效果变差。特别是对电网阻抗和频率的变化十分敏感，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，因此一个实际的滤波器要达到理想的滤波效果是很难的。( 3 ) 当系统阻抗和频率变化时，可能与系统发生串联或者并联谐振，从而会产生谐波放大现象，使装置无法运行，甚至使整个滤波系统无法正常运行。( 4 ) 当系统中谐波电流增大时，无源滤波器可能过载，甚至损坏设备。( 5 ) 装置体积大，损耗大。( 6 ) 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调。基于上述无源滤波器设计和运行中存在的问题，国内外的设计研究人员研究出若干解决办法，通过采取优化设计，在一定程度上提高了无源滤波器的使用效果。但无源滤波器由于原理上带来的缺点是无法彻底克服的，因此，有必要采用其它滤波方式来抑制谐波。2 有源电力滤波器有源电力滤波器是一种能够弥补无源滤波器不足的一种新型谐波抑制设备，是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小变化的谐波以及变化的无功进行补偿。它的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。其应用可克服l c 无源滤波器等传统谐波抑制和无功补偿方法的缺点，与传统无源滤波器相比，具有突出的优点，概括起来主要有i l 叫( 1 ) 实现了动态补偿，可对频率和大小都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿，对补偿对象的变化有极快的响应。( 2 ) 可同时对谐波和无功功率进行补偿，补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需要储能元件容量也不大，且补偿无功功率的大小可做到连续调节。( 3 ) 即使补偿电流过大，有源电力滤波器也不会发生过载，并能正常发挥补偿作大庆石油学院硕，h 计究生学位论文用。( 4 ) 受电网阻抗的影响不大，不容易和电网阻抗发生谐振。( 5 ) 能跟踪电网频率的变化，故补偿性能不受电网频率变化的影响。( 6 ) 既可对一个谐波和无功源单独补偿，也可对多个谐波和无功源集中补偿。基于有源滤波器的上述优点，采用有源电力滤波器是对谐波进行抑制的一个发展趋势，因而受到广泛的重视，对于保证电力系统运行的安全性、可靠性和经济性具有重要意义，具有广阔的应用前景。3a p f 的发展历史1 9 6 9 年，b m b i r d 和j f m a r s h 发表的论文”中描述了向交流电网中注入三次谐波电流来减少电源电流中的谐波成分，从而改善电源电流波形的方法，但这种方法不能使电源电流成为正弦波。虽然它没有描述一个完整的有源电力滤波器，但所述方法可视为有源电力滤波器基本思想的萌芽。1 9 7 1 年，日本h s a s a k i 和t m a c h i d a 发表的论文1 1 2 l 首次完整的描述了有源电力滤波器的基本原理，首先提出有源电力滤波器的原始模型。但当时采用线性放大的方法来产生待补偿的谐波电流，因其损耗大、成本较高、效率低，在实际电力系统中并无实用价值，仅在实验室研究，未能在工业中应用。1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g y i 提出利用大功率晶体管组成的p w m 逆变器构成的有源滤波器消除电网谐波【l ”，确立了当今有源滤波器的基本拓扑结构。然而由于当时电力电子技术发展水平和大功率快速可关断器件的限制，只能在实验室研究，还是未能在实际中应用。进入8 0 年代以后，随着电力电子技术的飞速发展，大功率可关断器件( g t r ，g t o ，i g b t 等) 生产技术的不断进步，以及对非正弦条件下无功功率於偿理论的深入研究，特别是瞬时无功理论的提出，为有源电力滤波器的实用化提供了必要的条件，使有源滤波器快速发展起来。1 9 8 3 年，日本长岗科技大学的赤木泰文( h a k a g i ) 等人提出了“三相电路的瞬时无功功率理论1 1 4 j ，即p - q 理论。该理论突破了传统的以平均值为基础的功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功能量为解决三相系统畸变电流的瞬时检测提供了理论基础，对有源电力滤波器的快速发展起到极大的推动作用。随后又研制出7 k v a 的有源电力滤波器试验装置，用于补偿2 0 k v a 的三相整流器在交流侧所产生的高次谐波和无功电流，获得了较好的补偿效果，其实验结果证明了有源电力滤波器的可行性和实用性。此后，在日本出现了许多大容量、能实现各种功能的有源电力滤波器工业应用装置。1 9 8 6 年，日本k o m a t r s u g i & i m u r a 等人研制出一套用于三相整流器补偿的1 5 k v a 两重型a p f ，可以补偿1 9 次以下的高次谐波，补偿率达9 0 以上。1 9 8 7 年，日本东洋电机制造株式会社研制成使用静电感应晶闸管( s i t h ) 的1 0 0 k v a有源滤波器。1 9 9 0 年，f z p e n g 等人提出了串联a p f 加并联p f 的混合有源滤波器结构l l ”。1 9 9 1 年，h f u j i t a 等人提出了a p f 与p f 串联后再与系统并联的混合有源滤波器结构。1 9 9 2 、1 9 9 5 年，l g y u g y i 等人先后提出了串联有源滤波器( s a p f ) 和并联有源滤波器( p a p f ) 混合的有源滤波器结构【1 7 l 【l ”，并命名为“统一电能质量调节器( u p q c ) ”，这种a p f 具有谐波隔离、电压调整、电压波动不平衡补偿以及谐波电流和负序电流补3绪论偿等多种功能。1 9 9 6 年，f z p e n g 、杨君、李庚银等人分别对p q 理论i | w 进行了改进。1 9 9 8 年，h f u j i t a 等人对“统一电能质量调节器( u p q c ) ”进一步讨论和研究。1 9 9 9 年，r t c h e n g 等人提出将两台方波逆变型a p f 分别串接在交流系统中原有的p f 端部的混合有源滤波器结构。2 0 0 1 年，a m g o l e 等人提出a p f 与p f 串联后再并入交流系统的滤波结构。这种结构只滤除交流系统中主要的1 1 、1 3 次谐波分量，同时也提供一部分无功功率。近年来，研究人员主要在谐波检测和控制方面进行了部分改进。4 国内外研究现状及发展趋势有源电力滤波器作为消除电力公害、改善供电质量的有力工具，在美国、f 1 本、德国等发达工业国家己广泛用于国民经济的各个生产部门。自1 9 8 2 年世界上第一台g t o有源电力滤波器在日本投入运行，最大的一台容量达到2 0 m v a 。同本作为电力电子技术最发达的国家，有源电力滤波器己经到了普及应用阶段。与国外相比，我国的有源滤波技术还处在研究阶段，北方交通大学王良博士1 9 9 1年研制出3 k v a 的有源无功及谐波综合补偿器r h c c 实验装置，并对三相不平衡系统无功与高次谐波补偿的理论和方法进行了较为系统的研究。1 9 9 1 年1 2 月初，由华北电力科学研究院和冶金自动化研究院联合研制的3 3 k v a 双极型晶体管( b j t ) 电压型a p f 在北京木材厂中心变电站投入工业试运行，补偿9 0 k w 晶闸管直流电机传动系统，抑制3 、5 、7 、9 、1 1 、1 3 次谐波电流，各次谐波电流的残留率小于5 。1 9 9 3 年，华北电力学院纪延超博士用大规模集成电路完成3 k v a r 新型电力有源滤波器实验控制系统。1 9 9 5 年，华北电力大学的李庚银博士对6 k v a 的无功及谐波综合补偿装置进行了实验研究。此外，重庆大学、合肥工业大学、西安交通大学浙江大学等高校的研究人员，也对a p f 或r h c c进行了理论研究或实验研究，工业应用中只有少数几台投入运行1 2 。随着我国国民经济的飞速发展，电力系统高次谐波问题的日益严重，对有源电力滤波器的研制和应用也提高到一个新的认识高度。伴随着我国电能质量治理工作的深入开展，利用a p f 进行谐波治理将会具有巨大的市场应用潜力，有源滤波技术必将得到广泛的应用。目前，世界上a p f 的主要生产厂家有曰本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。a p f 从产生到现在，经过了许多科学技术人员的不断改进，已经可以在工业生产中应用，随着各方面技术的发展a p f 也在继续不断地改进，正向着下面几方面发展：1 、通过采用p w m 调制和提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿。当a p f 的容量小于2 m v a 时，通常采用i g b t 及p w m 技术进行谐波补偿。当容量大于5 m y a 时，通常采用g t o 及多重化技术进行谐波补偿。2 、大功率滤波装置从经济上考虑，可以采用a p f 与l c 无源滤波器并联使用的混合型有源滤波系统，以减小a p f 的容量，达到降低成本、提高效率的目的。其中l c 无源滤波器用来消除高次谐波分量，a p f 用来补偿低次谐波分量。3 、从长远角度看，随着大量换流器用于变频调速系统，其价格必然下降。同时，随着半导体器件制造水平的迅速发展，尤其是i g b t 的广泛应用，混合型有源滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串并联a p f 由于其功能强大、性价比高，将是一种很有发展前途的有源滤波装置。4 、可通过单节点单装置的装设，达到多节点谐波电压综合治理的a p f 的出现，使电力系统谐波治理朝着动态、智能、经济效益好的方向发展。犬庆石油学院硕士研究生学位论史5 本文所做的工作本文详细分析和研究了有源电力滤波器的主电路设计、谐波检测和控制策略等问题，提出了将径向基函数神经网络应用于谐波检测的新方法，并在m a t l a b 软件环境下进行了仿真实验，验证其有效性。论文的具体结构如下：绪论：阐述了日前电能质量存在的问题、抑制谐波的方法和有源电力滤波器的发展历史。第一章：阐述了谐波的定义、产生、危害和抑制标准。第二章：对有源电力滤波器的主电路进行设计，分析了其基本构成、工作原理和各种类型有源滤波器的特点，重点对主电路元件参数进行设计。第j l 章：对比分析了有源滤波器的谐波检测方法和控制方法，提出了将径向基函数神经网络应用于谐波检测的新方法。第四章：对检测方法和控制方法进行仿真实验，对仿真结果进行分析。结论：对整篇论文进行总结并且对今后的研究工作进行展望。5第一帝谐波埋论堆础1 1 谐波的定义第一章谐波理论基础自从使用交流电起，谐波就已经存在于电力系统中了。电力系统中，理论上的电压和电流波形是工频下的正弦波，但实际的波形总有不同的非正弦畸变。谐波的概念实际来自于研究正弦波形畸变的数学方法，国际上公认的谐波定义【”】为：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波的整数倍”。在电力系统中，我们通常所说的谐波主要是指频率是基波频率整数倍的正弦波，也常称为高次谐波。从数学的角度来分析谐波，可以更清楚地理解它【2 。根据傅立叶级数，任何周期波形都可以被展开为傅立叶级数，即( r ) = 口。+ c o s ( h f ) 十瓦s i n ( h 峨f ) = a o + os i n ( ”c o o t + q 9 。)( 1 1 )n = ln = 1式中：坂r ) 是一个角频率u o 的周期函数qs i n ( m o t 十纷) 是基波分量，幅值为c 1 ，相位为仍s i n ( n c o o t + 6 p ) 是第n ( 胗1 ) 次谐波分量，幅值为c n ，相位为纯。当电力系统有较强的谐波源，又没有采取有效的抑制措施，电网的电压或电流波形就会发生畸变。可以用傅立叶级数将畸变的电压波形“( f ) 或电流波形f ( ，) 表示成若干个正弦波叠加的形式，即。( ，) ：面。i n ( q f + 仍) + 妻三u 。s i n ( ”q f + ) 0 - 2 )或f ( f ) = 2 ls i n ( 0 3 i t + 纪) + 2 ls i n ( n c 0 1 t + ( o ) 0 - 3 )，k 2式中：u 、。是基波电压、电流有效值；强是基波电压、电流初相位；队、厶是疗次谐波电压、电流有效值；纯是n 次谐波电压、电流初相位。把含有谐波的电压或电流波形用傅立时级数表示成数学形式后，就可以很清晰地看出各次谐波的幅值、初相位，便于分析和计算。但是，在大多数情况下，不是要知道各次谐波的大小和相位，而是要知道电压或电流中谐波所占的比例。用下面两个概念来衡量谐波所占的比例。一个是”次谐波含有率，另一个是谐波总畸变率1 9 1 ，现分述如下：h 次谐波电压含有率h r u ( h a r m o n i cr a t i o ) 表示为：大庆石油学院硕i 。研究生学位论文h r u ，：u r f t k , 1 0 0 ( 1 4 )式中：为第n 次谐波电压有效值：u l 为基波电压有效值。玎次谐波电流含有率h r ( h a r m o n i cr a t i o 厶) 表示为：h r i o = 争x 1 0 0 ( 1 - 5 )式中：厶为第月次谐波电流有效值；1 1 为基波电流有效值。谐波电压含量己，h 和谐波电流含量“分别定义为：r 一u h = 、嵋yn = 2兀_小j 薹e( 1 6 )( 1 7 )电压谐波总畸变率t h d o ( t o t a lh a r m o n i cd i s l o r t i o n 和电流谐波总畸变率t h d i ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o nd 分别定义为：m 户昔露觋= 去撰e根据上面所给的公式，就可以计算出电压或电流中谐波的含量。1 2 谐波的产生( 1 - 8 )( 1 - 9 )公用电网中的谐波是如何产生的昵? 对于这个问题我们可以从三个方面来回答。第一、电源本身质量不高产生的谐波发电机是产生电能的装置，由于三相绕组在制作上很难做到绝对对称，铁心也很难做到绝对均匀一致和其它一些原因1 2 “，致使电源多少也会产生一些谐波。第二、输配电系统产生的谐波输配电系统中主要是电力变压器产生谐波【2 ”，由于变压器铁心的饱和，磁化曲线的非线性，加上设计变压器时考虑经济性，其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上，这样就使得磁化电流呈尖顶波形，因而含有奇次谐波。它的大小与磁路的结构形式、铁心的饱和程度有关。铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中3 次谐波电流可达额定电流的o 5 。电源和输配电系统虽然产生谐波，但这两方面产生的谐波所占的比例是很小的。第三、用电设备产生的谐波这方面的谐波所占的比例很大，是电网主要的谐波源。在用电设备中，下面些设备都能产生谐波：1 晶闸管整流装置近年来，为了适应生产和生活的需要，整流设备在电力机车、电解和电镀、电池充7第一章i 蹄波理论婊础电器和开关电源等1 2 方面的广泛应用，给电网造成大量的谐波。尤其是带感性负载的整流电路所带来的谐波污染和功率因数降低，更是困扰电力系统征常运行的主要问题。1 9 9 2年，日本曾经进行一项具有代表性的谐波源用户的调查，结果是8 9 的谐波源来自整流器。2 变频设备变频器应用于电机调速，可以提高生产效率、节约能源和减小环境污染，但它含有的输入电流波形呈尖峰状，其谐波成分复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，这类装置的功率一般较大，随着变频设备在电机调速系统中的广泛应用，对电网造成的谐波污染也越来越严重。3 电弧炉、电石炉电弧炉、电石炉的熔炼期，由于加热原料时电炉的三相电极很难同时接触到高低不平的炉料，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器的三角形连接线圈而注入电网。其中主要是2 7 次的谐波，平均可达基波的8 一2 0 ，最大可达4 5 。4 家用电器电视机、录像机、计算机、调光灯具等，因具有调压整流装置，会产生较深的奇次谐波。在洗衣机、电风扇、空调等有绕组的设备中，因不平衡电流的变化也能使波形改变。这些家用电器虽然功率较小，但数量巨大，也是谐波的主要来源之一。1 3 谐波的危害理想的公用电网提供的电压应该是单一的固定频率及规定的电压幅值。由于谐波源的存在，对公用电网造成了很大的污染，破坏了用电设备所处的环境。同时也对周围的通信系统造成威胁。谐波污染与功率因数降低、电磁干扰被称为威胁电力系统的三大“电力公害”，严重成胁着电力系统的安全稳定运行。谐波的危害是多方面的，主要体现在以下几个方面：对供配电线路的危害、对电力设备的危害、对用电设备的危害、对人体和电力测量准确性的影响。l 对供配电线路的危害( 1 1 影响线路的稳定运行供配电系统中的电力线路与电力变压器一般采用电磁式继电器、感应式继电器或晶体管继电器予以检测保护，使得在故障情况下保证线路与设备的安全。这些继电保护装置容易受谐波影响，产生误动或拒动，严重威胁供配电系统的稳定与安全运行i 2 ”。( 2 ) 影响电网的质量电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如民用配电系统中的中性线，由于荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波，其中3 次谐波的含量较多，可达4 0 ：三相配电线路中，相线上的3 的整数倍谐波在中性线上会叠加，使中性线的电流值可能超过相线上的电流。另外，相同频率的谐波电压与谐波电流要产生同次谐波的有功功率与无功功率，从而降低电网电压，浪费电网的容量。2 对电力设备的危害( 1 1 对电力电容器的危害在电力系统中常用并联电容来提高功率因数，补偿电容和电感相连接，这样供电系统与补偿电容和电感构成了谐振回路。当电网存在谐波时，有可能发生谐振，由谐振知识可知，其回路中产生的过电压或过电流将远远大于供电电压或电流，使电容器出现过电流与过负荷，温度增高，寿命减少。在谐波严重的情况下，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸【2 8 1 。大庆彳i 油学院硕一【州究生学位论义( 2 ) 对电力变压器的危害谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗和杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现存铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形畸变得越严重。则磁滞损耗越大。同时由于以上两方面的损耗增加，因此要减少变压器的实际使用容量。除此之外，谐波还导致变压器噪声增大，随着谐波次数的增加，振动频率在i k h z 左右的谐波成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声1 2 9 。( 3 ) 对电力电缆的危害由于谐波次数高，频率上升，再加之电缆导体截面积越大集肤效应越明显，从而导致导体的交流电阻增大，使得电缆的允许通过电流减小。另外，电缆的电阻、系统母线侧及线路感抗与系统串联，提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系统并联，在一定数值的电感与电容下可能发生谐振。3 对用电设备的危害( 1 ) 对电动机的危害p ”谐波对异步电动机的影响，主要是增加电动机的附加损耗，降低效率，严重时使电动机过热。尤其是负序谐波在电动机中产生负序旋转磁场，形成与电动机旋转方向相反的转矩，起制动作用，从而减少电动机的出力。另外电动机中的谐波电流频率接近某零件的固有频率时，还会使电动机产生机械振动，发出很大的噪声。( 2 ) 对低压开关设备的危害i j ”对于配电用断路器来说，全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增大丽发热，同时由于对电磁铁的影响与涡流影响使脱扣困难，且谐波次数越高影响越大；热磁型的断路器，由于导体的集肤效应与铁耗增加而引起发热，使得额定电流降低与脱扣电流降低；电子型的断路器，谐波也要使其额定电流降低，尤其是检测峰值的电子断路器，额定电流降低得更多。由此可知，上述三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。对于漏电断路器来说，由于谐波泄漏电流的作用，可能使断路器异常发热，出现误动作或不动作；对于电磁接触器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影响接点，线圈温度升高使额定电流降低。对于热继电器来说，因受谐波电流的影响也要使额定电流降低。在工作中它们都有可能造成误动作。( 3 ) 对弱电系统设备的干扰对于计算机网络、通信、有线电视、消防报警与楼字自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比；传导则通过公共接地耦合，有大量不平衡电流流入接地极，从而干扰弱电系统。4 对人体和电力测量准确性的影响目前采用的电力测量仪表中有磁电型和感应型，它们受谐波的影响较大。特别是电能表( 多采用感应型) ，当谐波较大时将产生计量混乱，测量不准确f 3 “。从人体生理学来说，人体细胞在受到刺激兴奋时，会在细胞膜静息电位基础上发生快速电波动或可逆翻转，其频率如果与谐波频率相接近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的脑磁场与心磁场“。2 4 谐波限制标准由于公用电网中的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，我们需要采取措施对谐波进行抑制。同时，在实际系统中，完全消除谐波是不可能的，为保证电能质量，保证系统的安全经济运行，世界上许多国家都给出了限制电网谐9第一章l 阡波理论蚺础波的l 目家杯准，或由权威机构制定限制谐波的规定，世界各国制定的谐波标准大都比较接近。谐波指标的选取要满足：必须具有物理意义：能反映出谐波影响的大小：可通过测量判断谐波是否超过允许值；为了能广泛的采用必须简单和实用。为此，在我国现行的标准是国家技术监督局于1 9 9 3 年发靠的中华人民共和国国家标准g b t1 4 5 4 9 9 3电能质量公用电网谐波，该标准从1 9 9 4 年3 月1 目开始实施。该标准包含谐波电压限值和谐波电流允许值；谐波电压限值是指公用电网谐波电压( 相电压) 限值，见表1 1 。表1 - 1 公用电网谐波电压限值电网标称电网总谐波畸变率各次谐波电压含有率电压( k v )奇次偶次o 3 85 o4 ，02 064 o3 1 21 61 03 53 02 ，41 ，26 61 1 02 o16o 8谐波电流允许值是指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 中规定的允许值。表1 - 2 注入公共连接点的谐波电流允许值标准基准谐波次数及谐波电流允许值( a )电压短路容量234567891 01 11 2 1 3 1 4 1 5 1 61 71 81 92 0k vm 、r a0 3 81 07 8 6 23 96 2 2 6 4 41 9 2 11 6 2 8 1 32 4】11 29 71 88 6】67 861 0 04 3 3 42 13 41 42 41 11 18 51 67 11 36 16 85 31 04 790431 01 0 02 6 2 01 32 08 51 56 4 6 8519 34 3 7 9 3 74 13 2602 85 42 63 52 5 0151 27 71 25 1 8 83 84 13 15 6 2 6 4 7 2 2 2 51 93 61 73 21 56 65 0 01 6 1 38 11 35 4934 1 4 33 3 5 9 2 7 s 0 2 3 2 62 o3 8】83 41 61 1 07 5 01 29 6609 6 4 0 6 8 3 0 3 2224 3203 71 7 1 。9 1 52 81 32 5 1 2该标准中还给出了当电网公共连接点的最小短路容量不同于表卜2 基准短路容量时的修正计算式和一些谐波的基本计算式。本章小结本章主要讲述了谐波理论的一些基础知识，分析了谐波的来源、谐波危害、谐波的抑制标准及一些常用的谐波计算式。1 0大庆石油学院颂卜研究生学位论义第二章有源电力滤波器的主电路设计2 1a p f 的基本结构和基本工作原理以并联型为例，给出有源电力滤波器基本结构。图2 1 为基本有源滤波器系统基本构成原理图。图中，e 。为交流电源；负载为非线性负载，产生谐波并消耗无功。图2 1 有源电力滤波器系统基本结构f i g 2 - lt h eb a s i ss t r u c t u r eo fa c t i v ep o w e rf i l t e r有源电力滤波器系统可分为两部分，一部分是谐波检测电路和谐波运算电路，统称为谐波检测部分；另一部分是补偿电流发生电路，它由电流跟踪控制电路、驱动电路和主电路三个部分构成。谐波检测电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波和无功等电流分量，补偿电流发生电路是指由谐波检测电路得出补偿电流的指令信号，产生实际的补偿电流。有源电力滤波器作为一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装嚣，其基本原理是产生与电网中谐波大d , n 等、方向相反的谐波注入谐波源，将谐波抵消掉，使之不会流入系统电源。其具体工作过程为：以图2 1 中为例，谐波检测部分对负载电流进行检测，分离出谐波及基波无功电流部分，经指令电流运算电路计算得出补偿电流的指令信号，经控制电路产生控制信号，由驱动电路将信号放大，来驱动主电路工作，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流分量相抵消，最终得到期望的电源电流”“。2 2a p f 种类及适用条件有源电力滤波器有两种分类方法，一种是根据直流侧储能元件的不同，将有源电力滤波器分为电流型和电压型两种，电流型有源电力滤波器的储能元件是电感，因运行中损耗较大，且输出部分还需增加解调滤波器等缺点而在实际中较少采用：电压型有源电力滤波器的储能元件是电容，工作原理是根据检测控制信号产生p w m 输出电压，再经交流侧电抗器转换成所需的补偿电流，因其在运行中能量损耗小和易于控制等优点，是第一章有源滤波器的土电路| 殳汁闷前有源电力滤波器的研究方向。卜面介绍的另一种分类方法及本文所提及的有源电力滤波器均指电压型有源电力滤波器。根据有源电力滤波器接入电网的方式，将其系统构成分为两大类：并联型和串联型，两者又分别包括不同的类型，如图2 2 所示。述。有源电力滤波器并联犁单独使用方式与l c 滤波器混合使用方式h 墨垦婆遮墨羞壁叮写五丽鬲磊受面困盯五而藤西丽l c 串联谐振方式串联型单独使用方式与l c 滤波器混合使用方式图2 2 有源电力滤波器分类结构f i g 2 2c l a s so fa c t i v ep o w e rf i l t e r每一种类结构都各有其特点和适用的环境，现对每一种类型有源, f 9 3 3 滤波器进行简2 2 1 并联型有源电力滤波器并联型有源电力滤波器包括单独使用的并联有源电力滤波器、与l c 混合使用的并联型有源电力滤波器和注入电路方式三种。1 、单独使用的并联型有源电力滤波器这种类型的有源电力滤波器构成原理1 3 6 1 如图2 - 3 所示氍才困电源i匦叵卜j图2 3 单独使用的并联型a p ff i g 2 - 3s i n g l eh a n d e ds h u n ta p f其工作原理可用如下的一组公式描述：z ，= k + z 。1t 。+ z 肼 s 22 l f( 2 1 )j c2 - - i l hj式中：i s 为系统电流，屯为负载电流；f c 为补偿电流：i l l 负载基波电流；i l h 负载谐波电大庆右油学院颂l 研究生学位论文流此方案中，a p f 相当于受控电流源，电流值为所要补偿的电流。对于电流源性质的谐波源，补偿特性不受电源阻抗的影响。单独使用的并联型有源电力滤波器具有如下优点：可用于补偿谐波，补偿三相不对称电流，补偿供电点电压的波动，补偿无功功率，可以根据需要连续调节。但也存在缺点：由于a p f 是和被补偿的谐波负载并联在电网上的，须承受电网电压，且谐波全部由a p f 补偿，这使其容量很大。而构成a p f 主电路的p w m 变流器的容量和动态性能成反比，很难使a p f 在具有大的容量的同时，还具有良好的动态特性和低的开关损耗。另外，a p f 的初始投资和运行费用要比p f 高。影响到实际应用和推广。适用场合：主要用于带感性负载的整流器负载。2 、与l c 滤波器混合使用方式”“这种方式是为了克服单独使用的并联型有源电力滤波器要求容量大的这一歃点而设计的，其基本思想是利用l c 滤波器来补偿部分