（电力系统及其自动化专业论文）新型可控无源滤波器的研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 随着大量具有非线性特征的电力设备如电力机车、电弧炉、变 频、变流设备等的投入电网运行，现代电力系统中的谐波污染变得 越柬越严重。圈内外学者对谐波治理做了大量的研究工作，提出了 一些行之有效的方法，主要包括传统的无源滤波器和有源滤波器两 种型式。传统的无源滤波器即l ( ：滤波器具有结构简单，设备投资较 少，运行可靠性较高，运行费用较低等优点，但这种方法的主要缺 点之一是滤波器的电容参数易受外界因素的影响而发生变化，导致 滤波器偏离谐振状态，滤波效果变差。近年来，随着电力电予器什 的快速发展，有源滤波器成为抑制谐波的主要发展方向，它可以对 大小和频率都变化的谐波进行实时补偿，其应用可克服l ，( ：滤波器等 传统谐波抑制方法的缺点。但有源滤波器的初期投资较高，并且它 的控制复杂，容量受器件容量的限制难以做大。 基于此，本文提出种新型可控无源滤波器，既可阻克服传统 的无源滤波器电容参数易发生变化导致补偿效果不佳的缺点；卡h 对 有源滤波器，又节省了初期投资，而且容量也可以做得较大，完全 可以满足大功率谐波源的谐波抑制要求。 本文将双向晶闸管控制的电抗器做为可调电抗器引入到传统的 无源滤波器中，建立了一种新型可控无源滤波器的模型。在滤波器 的l c 参数受外界因素的影响而发生变化时，该滤波器通过调整双向 晶闸管的触发角，使晶闸管控制电抗器的等效电抗相应改变，使滤 波器在l c 参数变化后重新回到谐振状态，从而实现无源滤波器的自 动调谐。 本文对该滤波器进行了原理分析，对滤波器的l c 参数变化与双 向晶闸管的触发角的关系做了详细的公式推导；并用m a t l a b 仿真 软件对滤波器的各环节进行了建模和仿真，仿真结果验证了新型可 控无源滤波器能够随电容值和电感值的变化来调整晶闸管的触发 4 山东大学硕士学位论文 角，从而使滤波器始终保持在谐振状态，使系统的电流波形始终保 持正弦。 本文的最后对所做的工作进行了总结并且对今后的工作提出了 展望。 关键词：无源滤波器晶闸管控制电抗器( t c r )自动渊谐仿真 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h er ea r e l a r g e h u m b e r so fe l e c t r i c p o w e re q u i p m e n t s o f n o n 一1 i l e ar c h a r a c t e r i s t i c s1 i k ee l e c t r i cl o c o m o t i v es e i e c t r i c a r c f u r n a c e s ，t r a n s d u c e r sa n dc o n v e r t o r st h a tr u ni nt h ee l e c t r i c a ln e t w o r k a n dt h eh a r m o n i cp o l l u t i o ni nt h em o d e r np o w e rs y s t e mb e c o m e sm o r e a n di t i or es e r i o u s s c h o l a r si nh o m ea n da b r o a dh a v e d o i r en | u c h r es e a r c ha n de f f o r t t ot h e m i t i g a t i o no fh a r m o n i c s ，a n dp u tf or w a l 。d s o m ee f f e c t i v em e t h o d s ，c h i e f l yi n c l u d i n gc o n v e n t i o n a l p a s s i v ef i l t e r s a n da c t i v ef i i t e r s c o n v e n t i o n a lp a s s i v ef i l t e r s n a m e l yi 。c f i l t e r s p o s s e s st h em e r i t s s u c ha st h e s i m p l es t r u c t u r e ，t h e l e s s e r e q u i p m e n ti n v e s t m e n t ，t h c h i g h e rr e l i a b i l i t ya n dt h el o w e rc os to fr u i n g ，a n di tc a l lc o r n p e n s a t en o t o n l y t h eh a r m o n i c sb u t r e a c t i v e p o w e r w h i c h a r eu s e da th o m e e x t e n s i v e l y b u tt h em a j o r s h o r t c o n a i n go ft h j sk i n do fm e t h o dist h a t t h ei n d u c t o l a n dc a p a c i t a n c ep a r a m e t e r sc h a n g ee a s i l yb e c a u s eo ft h c i n f l u e n c eo fe x t e r n a lf a c t o r sl i k e t e m p e r a t u r ea n da g i n ge t c ，w h i c h m a k e st h ef i l t e rd e v i a t ef r o mt h e r e s o n a n c es t a t e f i l t r a t i o n e f f e c t b e c o m es w r o n g ；m o r e o v e rp a r a m e t e rd e s i g nm e t h o d so t 、c o n v e n t i o n a l p a s s i v ef i l t e r s l i k en o n l i n e a r p r o g r a m m i n g t a wa n d b i gs y s t e m s d e c o m p o s i n ga n dc o o r d i n a t i n gl a wa r ev e r yc o m p l i c a t e d ，a n dt h e r ear e m a n y d e f e c t s t ot h e p a r a m e t e rd e s i g no w i n g t ot h e e x i s t e n c eo f u n c e r t a i nf a c t o r s ，w i t ht h ee l e c t r i ca n de l e c t r o n i cd e v i c e sd e v e l o p e d q u i c k l y i nr e c e n t y e a r s ，a c t i v e f i l t e r sb e c o m et h ec h i e f d e v e l o p i n g d ir e c t i o no ft h e m i t i g a t i o n o fh a r m o n i c s ，a n di t c a l l c a r r vo nt h e r e a l t i m e c o m p e n s a t i o n t ot h eh a r m o n i c s w h o s ed i m e n s i o n a n d f r e q u e n c y a l1 c h a n g e ，a n d i t s a p p l i c a t i o n c a n s h r l n o u n tt h e s h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lm e a s u r e so ft h em i t i g a t i o n o fh a r m o n i c s 6 山东大学硕士学位论文 s u c ha s i cf i l t e r se t c b u tt h ei n i t i a li n v e s t m e n tofa c t i v ef ii t c r s i s h i g h e r ，i t s c o n t r o li s c o m p l i c a t e d ，a n di t sc a p a c i t y i sh a r dt ob el a r g e d u et ot h ec o n f i n e m e n to fp a r t sc a p a c i t y an e wk i n do f s e l f t u n i n gp a s s i v ef i l t e ri sp u tf o r w a r di n t h i sp a p e r 、 i tn o to n l ys u r m o u n tt h es h o r t c o m i n go f c o n v e n t i o n a lp a s s i v ef i l t e r s t h a tf i l t r a t i o ne f f e c tb e c o m e sw r o n gb e c a u s ei n d u c t o ra n dc a p a c i t a n c e p a r a m e t e r sc h a n g ee a s i l y ；c o m p a r i n g t oa c t i v e f i l t e r s ，i t s i n i t i a l i n v e s t m e n ti sr e d u c e d ，a n di t sc a p a c i t ya l s oc a nb ed o n eg r e a t l y ，a n di t c a n s a t i s f y t h e r e q u i r e m e n t o ft h e m i t i g a t i o n o fh a r m o n i cs0 | 、 h i g h - p o w e rh a r m o n i cs o u r c e sc o m p l e t e l y s e l f - t u n i n gp a s s i v ef i l t e ru s e st h et h y r i s t m c o n t r o l l e dr e a c t o r ( t c r ) a sav a r i a b l er e a c t o r t h ee q u i v a l e n ti n d u c t i o no ft h ev a r i a b l er e a c t o ri s c h a n g e db ya d ju s t i n gt h et h y r i s t o r st r i g g e r i n ga n g l et om a k et h ef i l t e r h o l dr e s o n a n c ea f t e rt h ei n d u c t o ra n dc a p a c i t a n c ep a r a m e t e r sd e v i a t i o n ， a n dt h ef i l t e rf i n is h e ss e l f - t u n i n gp r o c e s s t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d s i m u l a t i o no ft h i sf i l t e ra r eg i v e n ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t s s h o wt h a t s e l f - t u n i n gp a s s i v ef i l t e ri s s u i t a b l ef o rh a r m o n i c sm i t i g a t i o nf o rm o s t o fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t s a tl a s t ，t h ep a p e rd r a w sac o n c l u s i o no fw h a th a v eb e e nd o n ea n d p u t sf o r w a r dt h ep r o s p e c to f f u t u r ew o r k k e y w o r d s ：p a s s i v ef i l t e r ，t h y r i s t o r c o n t r o l l e dr e a c t or ( t c r ) ， s e l f - t u n i n g ， s i m u l a t i o n 7 山东大学硕士学位论文 符号说明 “一一电压 ( ，一一电压的有效值 一一初相角 m 一一角频率 ，一一频率 7 _ 一周期 z 。一一滤波器对月次谐波的阻抗 尺。一一滤波器对h 次谐波的电阻 一一系统的角频率 出，一一n 次谐波的角频率 月一一滤波器的电阻 c 一一滤波器的电容 ，一一电抗器的电感 上一一晶闸管控制电抗器( t c r ) 的等效电感 d 一一晶闸管的触发角 妒，一一电路的功率因数角 每导通角 f 一电流 ，一一基波电流的有效值 8 一一基波电流的初相角 ，。一一n 次谐波电流的有效值 卜一一电流的总有效值 纰一一三次谐波角频率 缈；一五次谐波角频率 功，一七次谐波角频率 脚一十一次谐波角频率 8 山东大学硕士学位论文 c 一一电容变化值 比一一电感变化值 厂一一频率变化量 厶一一系统电感 承一一系统电阻 ，一一负载电感 兄，一一负载电阻 c ，一一三次滤波器的电容 ，一一三次滤波器的电感 cs 一一五次滤波器的电容 ，一一五次滤波器的电感 c 一一七次滤波器的电容 三，一一七次滤波器的电感 c 7 ，一一变化后的三次滤波器的电容 l 3 一一变化后的三次滤波器的电感 f s 一一变化后的五次滤波器的电容 ，。一一实验的系统电压有效值 一一实验的系统频率 c 。一一实验的滤波器电容 ，一一实验的滤波器电感 尺。一一实验的滤波器电阻 9 山东大学硕士学位论文 1 1 概述 第一章引言 非线性负载尤其是电力电子装黄使用的增多，使谐波电流大最 进入电网，引起电网闪变、频率变化、三相不平衡和谐波，影响电 能质量、输电效率和设备寿命的安全运行与正常使用，如何对谐波 进行滤波和补偿已成为电力电子技术、电力系统、电气自动化、理 论电工等领域巾迫切需要解决的重要课题“一。 本章首先介绍了电网谐波的基本概念、研究现状，然后又对谐 波产生的原因和造成的危害进行了细致的分析，最后扼要叙述了谐 波标准和谐波研究的意义。 1 2 电力系统的谐波 1 2 1 谐波问题及研究现状 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代就引起了人 们的注意。当时在德国，由于使用静l l 汞弧交流器而造成了电压、 电流波形的畸变。19 4 5 年j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是 早期有关谐波研究的经典论文。“，其结论至今仍被工程界采用。 到了5 0 年代和6 0 年代，高压直流输电技术的发展，推动了变 流器谐波研究的进一步深入，这一时期发表了许多有关变流器谐波 的论文。e w k i m b a r k 在其著作中对此进行了详细的总结”。7 0 年代 以来，随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系 统、工业部门、交通及家庭中的应用日益广泛，其产生的谐波及造 成的危害也日趋严重，使世界各国都对谐波问题给予了充分的关注。 国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术 组织都制定了限制电力系统谐波利用电设备谐波的标准和规定。 我图对渚波问题的研究起步较晚。吴竟昌等人1 9 8 8 年出版的电 山东大学硕士学位论文 力系统谐波一书是我国有关谐波问题较有影响的著作。夏道止等 1 9 9 4 年出版的高压真流输电系统的渚波分析及滤波是近年出版 的代表性著作”1 。此外，唐统一等人和容健纲等人分别独立翻译了 j a r r i l l a g a 等的电力系统谐波一书”“，也在国内有较大的影 响。 1 2 2 电力系统谐波的基本概念n “1 ( 1 ) 电力系统中非正弦波形的出现 电力系统中工作在正弦稳态情况下的电力网电压可表示成 “( r ) = j 、2 u s i n ( o j t + 卢) ( 1 一1 ) 式中u 一一电压的有效值，其幅值为2 u ； 一一初相角； ：2 n f ：塾 7 。 g o 、厂和，一角频率、频率和周期。 幅值、初相角和频率是确定正弦波的三个特征量，通常称其为 正弦波的三要素。 在电路中线性无源元件上的电流和电压的关系，有比例 ( u = r i ) 、微分( ：三罢) 和积分( “：去f j 西) 等关系，正弦周期函数在 d l l ：4 进行加、城、微分和积分等运算时，仍保持正弦函数的特点，所以 在电力系统中要求尽可能由正弦波形的电源供电。但是，目前电网 电压的波形往往偏离正弦波形而发生畸变，而且波形的畸变日趋严 重。 在供电系统中波形畸变问题主要由两大因素所造成。 ( 1 ) 大功率换流设备和调压装置等的广泛应用。大量家用电视机 和调光灯等普遍采用晶闸管以及各种非线性负荷的增加导致波形畸 变。 ( 2 ) 设备设计思想的改变。过去倾向于采用在额定情况以下工作 山东大学硕士学位论文 或余量较大的设计。现在为了竞争，对电1 ：设备倾向于采用在临界 情况下的设计。例如有些设计者为节省材料使磁性构料工作在磁化 曲线的深饱和区段，在此区段内运行会导致激磁电流波形严重畸变。 由此可见，非线性负荷接至供电系统，以及供电系统本身存在 非线性元件，是造成电网电压波形畸变的根本原因。 ( 2 ) 谐波的含义和性质 幽际上公认的谐波含义为“谐波是一个供电周期电气量的正弦 波分量，其频率为基波频率的整数倍”。由于谐波的频率是基波频牢 的整数倍，也常称它为高次谐波。 国际电工标准中( 1e c 5 5 5 2 ，1 9 8 2 ) ，国际大电网会议( c i ( ；i e ) 的文 献中( 工作组报告3 6 - 0 5 ) 对谐波也都有明确的定义。“谐波分量为周 期量的傅立叶级数中大于l 的n 次分量”，对谐波次数n 的定义则为 “以谐波频率和基波频率之比表达的整数”。 l e 眦标准中定义为“谐波为一周期波或量的正弦波分量，其频 率为基波频率的整数倍”。 以上定义明确了谐波的的性质： ( 1 ) 谐波次数n 必须是正整数。例如，我国电力系统的额定频率 是5 0 1 t z ，二次谐波为1 0 0h z ，三次谐波为l5 0l t z ；有些国家电力系 统的额定频率是6 0l l z ，则其基波为6 0h z ，二次谐波为12 0 z ，三 次谐波为1 8 0l l z 。 不能为非整数，因此也不能有非整数谐波。 ( 2 ) 谐波和暂态现象必须加以区别。为了区分谐波和暂态现象， 根据傅立叶级数的基本理论，被变换的波形必须是周期性的和不变 的，虽然实际上很难完全做到，因为电力系统负荷是变动的，而负 荷的变动会影响系统中谐波的含量。但在实际分析中只要被分析的 现象或情况持续段适当的时问，就可以应用傅立叶级数。因此， 需要分清楚什么是谐波现象( 波形保持不变) 、什么是暂态现象( 每周 的波形都发生变化、有衰减现象等) 。 ( 3 ) 短时间谐波( s h o r td u r a t j 0g lh a r l l l o n ics ) 和暂态现象中的 谐波分量。这是指晶闸管控制的轧钢机等设备工作时的短时削的突 1 2 山东大学硕士学位论文 发电流脉冲( b u xs 1 ) 。这种突发的脉冲包含着暂态分量和谐波分垦。 如果这类电流脉冲及其引起的电压畸变是间断性质的 ( i n t e r m i t t e n 。) ，也就是说电流脉冲的持续时间不超过2 s ，而且两个 电流脉冲之间的时间间隔不小于3 0 s ，则这种暂态分量和谐波分量是 允许的。关键问题是防止对其它电力设备，例如对电力电容器造成 的损害和对电子设备的干扰。如果在供电点的基波电压不超过额定 供电电压的1 0 6 ，应当不会有发生损坏的危险。对于这类用电设备， 控制的因素常常不是电流脉冲而是在其生产过程中造成的电压波动 所引起的闪变( f l ic k e r ) 。为了使闪变减小到可以容许的限度，供电 点处的短路电流必须保持在一定的水平或是装设电压波动补偿装 置，并附带谐波滤波器。 1 2 3 谐波产生的原因 谐波是怎样产生的? 在理想纯净的电力系统中，电流和电压都 是纯正弦波。在只含线性元件( 电感、电容及电阻) 的简单电路里， 流过的电流与所加电压成正比，所以如果所加的电压是正弦的话， 流过的电流就是正弦的。实际上，当电流流过与所加电压不呈线性 关系的负载时，就形成非正弦电流。电力系统中的谐波就是由这类 非线性负载所产生的，产生的具体原因如下： ( 1 )电力电子设备及其新技术的大量采用，如换流器等大容量 的电力晶闸管设备的非线性负荷大量增加，以及各种家用 电器的普及使用。 ( 2 )为节省原材料，铁芯设备的工作点进入饱和区。如变压器、 电抗器等，其铁磁饱和特性呈非线性。 ( 3 )电弧炉用户的增多及其容量的增大。各种炼钢电弧炉在熔 化期间以及交流电弧焊机在焊接期间，其电弧的点燃和剧 烈变动形成的高度非线性，使电流不规则的波动。其非线 性呈现电弧电压与电弧电流之间的不规则的随机变化的 伏安特性。 1 山东大学硕士学位论文 供电来说这些原因分另4 对应了三种类型的非线性负载：( 1 ) 电了 开关型；( 2 ) 铁磁饱和型；( 3 ) 电弧型。另外对于电力系统三相，有 三相平衡和三相不平衡的非线性特性。三相不平衡同样会造成谐波， 电气化铁道是当前中压供电系统中典型的= j 三相不平衡谐波源。 由于系统旌加于负荷的电压基本不变，潴波源负荷通过向电力 系统取得一定的电流做功，该电流不因系统外界条件和运行方式而 改变。而谐波源固有的非线性伏安特性决定了电流波形的畸变，使 其产生的谐波电流与基波电流呈非线性关系。因此非线性负荷一般 都为谐波电流源，向系统注入一定的谐波电流。 1 2 4 谐波造成的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规 定的电压阀值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污 染，它使电器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，人们对偕 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，没有引起足够重视。近三四十年柬，各种电力电予装置的 迅速普及使褥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重视。谐 波对公用电网和其它系统的危害大致有以下几个方面2 “” ： ( ) 损耗谐波使公用电网中的元件产生了附加的损耗，降低j 发 电、输电及用电设备的效率，大量的三次谐波流过中性线时会使线 路过热甚至发生火灾。 ( 2 ) 谐波影响各种电器设各的正常工作。谐波对电机的危害足 引起附加损耗和发热。谐波电流注入电机后，畸变波形电流在电机 绕组中产生的总损耗等于基波电流产生的基本损耗和各次谐波电流 产生的附加之和。同时，定子三相绕组中的谐波电流产生各自转速 的谐波旋转磁场在转子铁芯中产生涡流损耗。由于涡流而导致的发 热会影响绕组的绝缘强度。此外，谐波还会引起旋转电机的振动并 1 4 山东大学硕士学位论文 发出l 噪声，长时间的振动会使金属疲劳和机械损坏。谐波还会使电 容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏。 负荷电流中的谐波在变压器中造成的损耗产生附加发热，降低 了其负荷能力，其他如变压器电感与系统电容之问，可能在谐波频 率时，发生谐振和温度周期变化，引起机械绝缘应力及铁芯震动， 产生附加损耗使变压器降低了带负荷能力。谐波电流除引起变压器 绕组的附加损耗外，也引起外壳、外层硅钢片和某些紧固件发热， 并有可能局部过热。谐波电流还会引起变压器的振动，使噪声增大。 ( 3 ) 谐波会引起公用电网中局部并联谐振和串联谐振，从而使 谐波放大，就使( 1 ) 和( 2 ) 中的危害大大增加，甚至引起严重事故。 谐波电流在导线上的发热比均方根电流造成的预期发热为高， 这是由于集肤效应和邻近效应造成的。集肤效应是由于导线内部被 外部各层所屏蔽，电流集中于外部，导线的电阻增加并随频率和导 线的直径而增加。邻近效应是由于导线磁场使邻近导线内的电流分 布畸变。例如对5 次谐波电流，在邻近4 o a w c 导线的交流和直流电 阻之比为1 3 3 。 三相四线制的配电网向单相负荷供电时，在中性导线上会造成 不正常的高电流( 三次谐波电流) ，整流器中性电流可达相电流的1 7 倍并造成中性线的过负荷。 ( 4 ) 谐波会导致继电保护和自动控制装置产生干扰和造成误动 作或拒动。尤其是一些衰减时间较长的暂态过程，如变压器合闸涌 流中的谐波分量，由于其幅值强大、谐波含量也很大，更容易引起 继电保护的误动作。我国电力系统中，曾发生过电气化铁道造成的 负荷电流畸变和不对称，使某电厂一台2 0 万k w 机组的保护跳闸和 某系统中的2 2 0 k v 线路保护跳闸，造成大面积停电的严重事故。1 1 0 t ( v 供电线路因电铁谐波和负序影响跳闸和误指示的情况则更频繁发 生。 ( 5 ) 谐波会使电器仪表测量不准确。现代指示均方根值的电压 表和电流表相对的不受波形畸变的影响。受谐波影响较大的讨量电 1 5 山东大学硕士学位论文 能的感应犁电能表，其误差与由于频率特性和非线性度造成的误差 有关。ie f f 工作组报告中指出，电压和电流都畸变喇，在6 0 1 l z 正弦 波载波实验中，当电弧角为9 0 。时，其汜录误差可能高达一2 0 。如电 压波形不畸变而负荷电流为正弦波载波，则当电弧角为9 ) 。时，为 5 记录误差。在高度非正弦的情况下，应避免使用感应型电能表，因 为计量误差大并且在4 0 0 l0 0 0 i i z 范围内可能发生机械潴振故障。 除电表本身产生误差外，谐波负荷从系统中吸收基波功率而向系统 送出谐波功率。这样，受谐波影响的用户既从系统吸收基波功率又 从谐波源吸收无用的谐波功率，其后果是谐波源负荷用户少付电费 而受害的用户反要多付电费。 f 6 ) 谐波干扰相邻通信线路和铁道信号线路的正常工作，轻者 引进噪声，降低通信质量；重者导致信号丢失，使通信系统无法jj ： 常工作，甚至在极端情况下还会发生危及设备和人身安全的事故。 因此，电力网中不大的不平衡谐波电流分量，如果耦合到通信线路 上，就可能产生很大的噪声。谐波对通信系统的干扰是一个在国际 e 被卜分重视的问题。1 。 ( 7 ) 谐波对其他用户设备的影响。高次谐波除了对上述设备，= 生影响外，还会对下列用户设备产生影响：影响电视机的画面质 量；影响电子显微镜的画面清晰度；使日光灯的镇流器及补 偿用电容器过热和损坏；对电子计算机产生干扰；影响仪用 互感器的测量精度；使熔断器在没有超过整定值时就熔断；影 响其他换流设备“。 1 2 5 谐波标准 为了避免谐波的危害，保持高的电能质量，不少国家和国际组 织制定了限制用电设备谐波的标准。在这些标准中，被广泛接受的 有t e e e6 0 5 1 9 标准”。1 和te c6 0 5 5 5 2 标准1 。ie e e6 0 5 l9 于1 9 8 1 年制定，并于19 9 2 年进行了修订，该标准是从电网的角度来对公用 连接点的电压和电流的波形畸变进行限制。i e c6 0 5 5 5 2 标准则是对 1 6 山东大学硕士学位论文 负载产生的谐波进行限制，使负载注入电网的谐波在规定的范围内。 1e c6 0 5 5 5 2 标准于19 8 2 年制定，在l9 9 5 年修订，修订后的标准为 i f c6 1 0 0 0 3 2 。在我国，原水利电力部于19 8 4 年根据国家经济委员 会批转的全国供用电规则的规定，制定并发布了s 叭2 6 8 4 电 力系统谐波管理暂行规定“，国家技术监督局于19 9 0 年和1 9 9 3 年分别颁布了电能质量、谐波方面的国家标准g b l 2 3 2 5 9 0 ( 电能质量 供电电压允许偏差) 、g b l 2 3 2 6 ( 电能质量电压允许波动和闪变) 和 g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波“，该标准已于19 9 4 年3 月1 日起在我国全面开始实施。 1 2 6 谐波研究的意义 谐波研究的意义，首先是因为谐波的危害十分严重。谐波使电 能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和 噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波 可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成 电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使 电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设 备会产生严重干扰。 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。 电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电 子连同运动控制将和计算机技术一起成为2 1 世纪最重要的两大技术 。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电予技 术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问 题进行更为有效的研究。 谐波研究的意义，更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环 境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色” 的主要标志之一1 。在电力电子技术领域，要求实旌“绿色电力 电子”的呼声也日益高涨。目前，对地球环境的保护己成为全人类 的共识。对电力系统谐波污染的治理也已成为电工科学技术界所必 1 7 山东大学硕士学位论文 须解决的问题。 1 3 本文的主要研究工作 本文的主要研究内容是在认真研究了传统无源滤波器的滤波原 理的基础e ，提出了一种新型可控无源滤波器的模型，对这种滤波 器进行了详细的原理分析，并用1 l j i a t i 。a b 仿真软件对滤波器的各环节 进行了建模和仿真。最后对滤波器做了简单的模拟试验。 本文共分六章：第一章为绪论，介绍了谐波的研究现状、谐波 产生的原因以及造成的危害等，概述了本文的研究内容；第二章主 要介绍了目前采用的几种谐波抑制技术一无源滤波器，有源滤波 器和主动型谐波抑制技术；第三章首先介绍了新型可控无源滤波器 的基本原理，然后又进行了理论公式推导，得出了触发角与电感、 电容、频率四者之间的关系；第四章对单相桥式整流电路和i 相全 控桥整流电路进行了仿真；第五章对滤波器做了简单的无源滤波实 验，并对实验结果进行了详细地分析；第六章得出结论并对以后的 工作进行了展望。 山东大学硕士学位论文 第二章谐波抑制技术 2 1 谐波抑制概述 为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，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1 ，这当然只适用于作为主要谐波源的电力 电子装置。 装设谐波补偿装置的传统方法是采用l c 调谐滤波器。这种方法 既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使 用。这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态影响， 易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使l c 滤波器过载甚至烧毁。 此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果也不甚理想。尽管如 此，l c 滤波器当前仍是补偿谐波的最主要手段。 目前，谐波抑制的一个重要趋势是采用有源电力滤波器( a c t i v e p o w e r s f l i t e r a p f ) 。有源电力滤波器能对频率和幅值都变化的谐 波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响，因而受到广泛 的重视，并且己在日本等国获得广泛应用”“。 对于作为主要谐波源的电力电子装置来说，除了采用补偿装嚣 对其谐波进行补偿，还有一条抑制谐波的途径，就是开发新型变流 器，使其不产生谐波，且功率因数为l 。这种变流器被称为单位功率 因数变流器( u n ，y p o w e r sf a c t o rc o n v e r t e l - ) 。高功率因数变流器 可近似看成为单位功率因数变流器”1 。 2 2 有源滤波器( a p f ) 有源电力滤波器的基本思想在六七十年代就已经形成”3 。8 0 年代以来，由于大中功率全控型半导体器件的成熟，脉冲宽度调制 1 9 山东大学硕士学位论文 ( p u ls p w ( jl hb l o d u l a t io n 一一p w n l ) 控制技术的进步，以及基于瞬时 无功理论的谐波电流瞬时检测方法的提出”“2 ”，有源电力滤波器才 得以迅速发展。 有源电力滤波器的变流电路可分为电压型和电流型，目前实际 应用的装置中，9 0 以上是电压型。从与补偿对象的连接方式来看， 又可分为并联型和串联型，目前运行的装置几乎都是并联型。上述 类型都可以单独使用，也可以和l c 滤波器混合使用。 2 2 1 有源滤波器的原理 有源滤波器( a p f ) 又称为有源电力在线调节器( a c t i v e p o w e r l i n ec 0 n d i t i o i l e rs ，简记a p l c ) 是近年来提出的新型无功、谐波补偿 方式，有源滤波器通过检测补偿对象的电压和电流，经指令电流运 算电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路 放大得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要补偿的谐波电流大小 相等、方向相反而抵消，从而使电力网的电流、电压恢复5 0 h z 的纯 正弦波形，另外有源滤波器还可以发出基波无功电流，进一步减少 负载的无功功率，提高功率因数“、“。 2 2 2 有源滤波器的特点 有源滤波器与无源滤波器相比有以下特点： ( 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 ) 有源滤波装置是一个高阻抗电流源，它的接入对系统阻抗 不会产生影响，因此此类装置适合规模化、系列化生产。 ( 3 ) 当电网结构发生变化时，装置受电网阻抗的影响不大，不 存在与电网阻抗发生谐振的危险，同时还能抑制串并联谐振。 ( 4 ) 补偿无功功率时不需要储能元件，补偿谐波时所需储能元 件也不大。 山东大学硕士学位论文 ( 5 ) 用同一台装置可同时补偿多次谐波电流和非整数倍的谐波 电流，既可以对一个谐波和无功源进行单独补偿，也可以对多个谐 波和无功源进行集中补偿。 ( 6 ) 当线路中的谐波电流突然增大时，有源滤波器不会发生过 载，并能正常发挥补偿作用，无需与系统断开。 ( 7 ) 装置可以仅输出所需补偿的高次谐波电流，不输出基波无 功功率，不但减小了无源滤波器的总容量，还避免轻负荷时无功倒 流现象的发生。 2 2 3 有源滤波器的分类 有源电力滤波器发展了十几年，形成了许多种类，而且根据不 同的划分原则，可以分成不同的类别。最早的有源电力滤波器为单 独使用的并联型有源电力滤波器，经过多年的发展，为了尽量发挥 有源电力滤波器的特长、提高其性能，并尽量减小其损耗，提出了 串联混合型有源电力滤波器、并联混合型有源电力滤波器等等，为 了适应不同的对象，产生了不同类型的有源电力滤波器。 有源电力滤波器可以按照所使用的变流器类型、主电路结构和 电源相数来进行分类”3 ”“。所使用的变流器类型可分为c s l ( 点流型) 和v s i ( 电压型) 结构；按与负载连接的拓扑结构可分为并联型、串联 型和串并联混合使用型；根据使用的场合电源相数来分可分为单相、 三相三线和三相四线用有源电力滤波器等。 有源电力滤波器的主电路有两种类型的变流器。即电流型p w m 变流电路和电压型p w m 变流电路。它的作用是产生非正弦电流来补 偿非线性负载的谐波电流。电流型有源电力滤波器虽有较高的可靠 性，但却有较高的损耗并且在交流侧需要连接数值较大的电感，在 一般场合下使用的较少。电压型有源电力滤波器的主电路在它的直 流侧接有一容量较大的电容，装置轻便且特性较好，目前主要使用 的是这种形式l ”1 。 按有源电力滤波器在系统中的连接方式可将其分成串联型、井 2 1 山东大学硕士学位论文 联型和两者混合使用的统一型等。图2 1 给出了有源电力滤波器的分 类示意图，图中a p f 为有源电力滤波器的英文缩写。 从与负载的连接形式看可分为并联型有源电力滤波器和串联型 有源电力滤波器两大类。目前，有源电力滤波器的研究主要策巾在 交流用有源电力滤波器，直流用有源电力滤波器的研究也在逐步开 展，其典型的应用是在直流输电系统中滤除直流输出谐波，另一应 用是用于实现离精度输出的：直流电源上。”4 。 图2 1有源电力滤波器分类示意图 在实际系统中，有许多非线性负载是连接在单祸电源系统中的： 一些不带零线的三相负载由三相电源供电。还有许多单相非线性负 载，如计算机，家用电器等，分布在四相三线制系统中。有源电力 滤波器可以按使用的电源类型分单相和三相( 三线或四线) 电源用有 源电力滤波器。”“1 。 2 2 4 有源滤波器的缺陷 有源电力滤波器作为改善供电质量的一项关键技术，在日本、 美国、德国等工业发达国家已得到高度重视和日益广泛的应用，因 为它有着无源滤波所不具有的技术优势。但目前想要在配电例中完 全取代无源滤波器还不太现实。因为有源电力滤波器也存在下面一 些缺陷h ”“： 1 非线性电路功率理论及参考电流检测方法 到目前为止，无论是对单相还是三相非线性电路，都还没有 2 2 山东大学硕士学位论文 种功率理论是在逻辑上经得起推敲、得到普遍承认的成熟理论。由 j 二缺乏统、可靠的非线性电路功率成分的理论基础，有源电力滤 波器所必需的补偿参考电流的提取理论也就只能是仁者见仁、智者 见智。但关于补偿电流的检测方法的研究，可为a p f 的控制方案的 实现做技术准备。因此，目前可以认为检测方法的研究超前于幕础 理沦的研究，取得了较好的研究结果。而对于非线性电路的功率理 论，则有待做进一步的深入细致的研究工作 2 器件问题 为实现电流的快速控制，提高补偿性能，开关频率是关键，即 要求器件以高频率工作。此外，应用多重化技术也能提高等效开关 频率。从经济的角度考虑，应使用高容量大功率的器件，但这与使 用高频率产生了矛盾，因为大容量受到频率的限制。如何在两者之 间找到一个折衷方法，获得最佳效果，是一个值得研究的问题。 3 价格问题 与无源滤波器相比，有源滤波器设备初期投资大，有源滤波器 能消除高次谐波，能提高系统的稳定性，抑制闪变和补偿无功等功 能，符合当前电力系统发展的需要，但造价较高。如何提高装置的 性能价格比，是电力电子器件制造技术面临的课题。 4 损耗与可靠性 目前有源滤波器运行成本较高，原因在于为了减小滤波器的体 积和重量，改进设备的性能，势必要提高有源电力滤波器的主开关 元件的工作频率。但是，这会受到可开关元器件本身工作频率的限 制；同时工作频率提高，将使有源电力滤波器的开关损耗迅速增加。 较高的损耗既增加了运行成本，也妨碍了设备容量的进一步提高。 另外，电力有源滤波器通常以高频开关方式工作，还会产生电磁干 扰。 2 3无源滤波器( p f ) 在谐波源附近采用交流滤波装置吸收谐波电流以降低连接点的 山东大学硕士学位论文 谐波电压，是抑制谐波污染的一种有效措施。目前所采用的无源滤 波装置一般由电力电容器、空心电抗器和电阻器适当组合而成，运 行中它和谐波源并联，其滤波原理是对某些谐波频率形成低阻抗通 路，使相应的谐波电流经无源滤波器短路而避免进入输电系统，无 源滤波器除了滤除谐波以外还在基波电压的作用下向谐波负载提供 容性基波无功功率，同时兼顾谐波源无功补偿的需要。 2 3 1 无源滤波器的分类 无源滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、高 通滤波器等。 ( 1 ) 单凋谐滤波器。单调谐滤波器电路如图2 2 所示，它是利用 r 、上、c 电路串联谐振原理构成，在具体工程中接线方式灵活多样。 一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单，缺点是电能损 耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数减少 而增加，低次谐波主要是2 7 次，因此，基波损耗放大。二阶单调谐 滤波器当品质因数在5 0 以下时，基波损耗可减少2 0 5 0 。三阶肇 调谐滤波器是损耗最小的滤波器，但组成复杂，数值也高，用于电 弧系统中，2 次滤波器选用三阶滤波器为好，其他次选用2 阶单调谐 滤波器。 | j 亓 图2 - 2单调谐滤波器的电路图 ( 2 ) 在有些工程中也采用双调谐滤波器。双调谐滤波器电路如 图2 - 2 所示，它有两个谐振频率，同时吸收这两个谐振频率的谐波， 其作用等效于两个并联的单凋谐滤波器。图2 3 还示出了双调谐滤波 器的阻抗频率特性。 2 4 山东大学硕士学位论文 工 阻抗 、t | 频率 图2 - 3) 【调谐滤波器电路及阻抗频率特性 双调谐滤波器与两个单调谐滤波器相比，其基波损耗小，且只 有一个电感三承受全部冲击电压。正常运行时，串联电路的基波阻抗 远大于并联电路的基波阻抗，所以并联电路所承受的：亡频电压比串 联电路低得多。另外，并联电路中的电容c ，容量一般较小，基本上 只通过谐波无功容量。由于双调谐滤波器投资较少，近年来在国内 外些高压直流输电