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东北走擘硕士学位论文 电力有源滤波技术研究 摘要 随着电力电子技术的飞速发展，大功率开关器件被大量应用到各种电源装置 中，为各种设备提供了一个高速、高效、节能的控制手段。但是，由于利用开关 的通断对电能进行变换，必然会产生无功电流和高次谐波，引起波形失真，对电 力系统各项设备及其用户和通信线路产生日趋严熏的有害影响。传统的无源补偿 装簧是并联电容器或l c 滤波器，其阻抗固定，不能跟踪负荷无功需求的变化，远 远不能满足电力系统对无功功率和谐波进行快速动态补偿的要求。有源电力滤波 器( 简称a p f ) 是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的新型电力电子装置，它能对 大小和频率都变化的谐波和无功分量进行实时的补偿，又被称为静止无功发生器 ( s v g ) 。作为柔性交流输电系统( f a c t s ) 中的重要部分，a p f 的研究受到了各国 学者的高度重视。 如何实现大功率有源电力滤波器已取得了不少的研究成果。对于大容量的电 力电子装置，如果简单地采用普通电路的主电路拓扑，则对所使用的电力电子器 件在容量方面有比鞍高的要求。由于电力电子器件随着容量的增大其所允许的开 关频率却越来越低，而较低的开关频率又直接影响有源电力滤波器的补偿效果， 所以在将有源电力滤波器用于大容量谐波补偿时就面临着器件开关频率与容量之 间的矛盾。为解决这一矛盾，国内外学者提出了各种性能优越的有源滤波器主电 路拓扑结构。要实现大容量的谐波补偿或实现有源补偿功能的多样性，需要a p f 具有较大的装置容量。但由于受目前电力电子器件功率、价格及其串并联技术等 的限制，这势必使装置初始投资变大，并且大容黉的有源电力补偿还将带来大的 损耗、大的电磁干扰以及制约a p f 的动态补偿特性等问题。因此，各种性能优越 的混合型补偿方案的研究应运而生。本文从谐波的分析入手，将几种应用比较广 泛的拓扑进行归拢比较，指出它们各自的优缺点，分析了负载谐波特一胜及补偿原 理及电压失真补偿，并通过试验验证了分析的结果。最后，比较了几种a p f 的控 制方法。 关键词有源电力滤波器：谐波补偿i 谐波治理；拓扑；滤波器控制策略 i i 东北走学硕士学位论文 a b s t r a c i s t u d yo n a c t i v ep o w e rf i l t e rt e c h n o l o g y a b s t r a c t a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r i ca n de l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , m a n yh i g hp o w e r s w i t c hp a r t sa r ea p p l i e di nd i f f e r e n tk i n d so fe l e c t r i c a lp o w e rr e s o u r c ee q u i m e n t i tm a k e s c o n t r o lq u i c k e r ，m o r ee f f i c i e n ta n ds a v i n gm o r ee n e r g y i nt h eo t h e rh a n d ，w i t ht h es w i t c h i n g t oe n e r g yt h e r ew i l lb er e a c t i v ec u r r e n ta n dh a r m o n i c sc o m i n go u ta n dt h e yw i l lm a k et h e w a v ed i s t o r t i o nw h i c hd oh a r mt om a n yk i n d so ff a c i l i t i e si np o w e rs y s t e ma n dc u s t o m e r s t h ea f f e c tt oc o m m u n i c a t i o nn e ti sm s ob e c o m i n gm o r ea n dm o r es e r i o u s t r a d i t i o n a l c o m p e n s a t i n ge q u i p m e n t si n c l u d ep a r a l l e lc o n n e c t e de p a c i t o ra n dl cf i l t e r t h e yc a n n tf o l l o w t h ev a r i e t yo fr e a c t i v ep o w e rf o ri t sf i x e di p e d a n c ew h i c hw i l ln o tm e e tt h ed e m a n df o r q u i c k l yc o m p e n s a t i o n t or e a c t i v e p o w e r a n dh a r m o n i c s a c t i v ep o w e rf i l t e r i s e l e c t r i c e l e t r o n i ce q u i p m e n tw h i c hc a nc o m p e n s a t et od y n a m i cv c r i a t yo fr e a c t i v ep o w e ra n d h a r m o n i c s b e c a u s ei tc a nc o m p e n s a t ei nr e a l l i m et ov o l u m ea n d 矗e q u e n c yo fr e a c t i v ep o w e r a n dh a r m o n i c s ，t h i se q u i p m e n ti sa l s oc a l l e ds v g a sa ni m p o r t a n tp a r to ff a c 7 i s ，t i l e r e s e a c ho f a p fr e c e i v e dm o r ea n dm o r er e g a r db ym a n yc o u n t r i e s w eh a v er e a p e dm a n yr e s e a c hp r o d u c t i o n si n g c t i n gh i g h - p o w e ra p f f o re l e c t r i c e l e t l o n i ce q u i p m e n tw i t hl a r g ec a p a c i t y ，i ti sh a r dt og e tm o r ev o l u m ei nc a p a c i t yw h e nw e u s en o r m a lc i r c u i tf l a m e b e c a u s es w i t c hf r e q u e n c yi sb e c o m i n gl o w e rw h e nt h ee q u i p m e n t c a p a c i t y i sh i g h e ra n dt h el o w e rf r e q u e n c yw i l la f f e c tt h ec o m p e n s a t i n gi m p a c to fa p f d i r e c t l y w ew i l lf a c et h ed i f f i c u l t yt h a ts w i t c hf r e q u e n c yi sc o n f l i c tt oc a p a c i t yv o l u m ew h e n a p fi su s e di nh i g hp o w e rc o m p e n s a t i o nt or e s o v l et h i si s s u e ，m a n ym a i nc i r c u i tf r a m e s w i t hg o o dp e r f o r m sw e r et a k e nb yr e s e a r c h e r st oc o m p e n s a t eah i g hp o w e rh a r m o n i c so r a c h i e v e v a r i e t y o fa c t i v ec o m p e n s a t i o n ，i tn e e d sa p fh a v i n gm o r ec a p a c i t yv o h n l l e r e s t r i c t e db yt i l ei t e m ss u c ha s p a n sc a p a c i t y ，p r i c ea n dt e c h n o l o g yo fs e r i e s p a r a l l e l c o a n e c l i o n ，t h ei n v e s t m e n ta l s ob e c o n l e sl a r g e a f pw i t hh i g hp o w e rw i l lm a k em o r ew a s t e ， b i g g e re l e c t r o m a g n e t i s md i s t u r b a n c ea n dr e s t r i c t i n ga p fd y n a m i cc o m p e n s a t i n gf e a t u r ew i t h t h e s ei s s u e s ，m a n ys c h e m e so nr e s e a r c h i n gi t y b r i da c t i v ep o w e rc o m p e n s a t i o nc o m eo u tt h i s p a p e rw i l ls t a r tw i t ha n a l y s e0 nh a r m o n i c sa n dt h e nc o m p a r ek i n d so fc i r c u i tf l a m e su s e d f r e q u e n t l yn o w t h e i rd i s a d v a n t a g ea n dg o o df e a t u r ea r ep o i n t e do u tw h e nc o m p a r i n g b a s i n go ot h e s ea n a l y s e ，w eb e g i nt os t u d ) 0 nh a r m o n i cf e a t u r eo fl o a d ，c o m p e n s a t i n g t t t 东北大拳硕士学位论文 a b s t r a c t p n n c i p l ea n dc o m p e n s a t i o n0 1 1v o l t a g ed i s t o r t i o na tf a s tt h ea n a l y t i cr c s o u l ti sv a l i d a t e db y e x p e r i m e n t a t i o n i nt h i sp a p e r s o m ek i n d so fc o n t r o l so na p f a l ea l s oa n a l y z e d k e yw o r d s ：a c t i v ep o w e rf i l t e r ( a p f ) ；h a r m o n i cc o m p e n s a t i o nt o p l o g ys t r u c t u r e ；c o n t r o l s t r a t e g yo ff i l t e r v 东北走擎硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题背景及其意义 电力系统波形畸变并不是一个新的问题，早在1 9 2 0 、1 9 3 0 年间德国科学家就 提出静态汞弧变流器引起的波形畸变问题，到了5 0 、6 0 年代由于高压直流输电技 术的发展，推动了交流器谐波问题的研究，对变流器问题的研究有大量参考文献。 k i m b a r kew 在其著作( d i r e c tc u r r e n tt r a n s m i s s i o n 中对此进行了总结，该 书包括了电力系统谐波方面6 0 篇以上的参考文献。近年来更由于太容量电力整流， 变流设备以及电子工业设备在各工业部门和电力系统及其自动控制中的广泛应 用，世界各国都对谐波问题给予十分重视和关注，从1 9 8 4 年开始，每两年召开一 次的电力系统谐波国际会议( i c h p s ) 为这个领域的国际交流提供了赢接的渠道 极大地推动了谐波领域的研究和交流，为谐波研究的深入开展提供了一个有利的 平台。 我国对谐波问题的研究起步较晚，1 9 8 8 年吴竞昌等编写的电力系统谐波 一书是我国早期关于谐波问题较有影响的著作。随后，许克明等也于1 9 9 1 年出版 了电力系统高次谐波，林海雪等1 9 9 8 年出版了电力网中的谐波。这些著作 都对人们认识和研究谐波做出很大的贡献。1 9 9 8 年王兆安等出版的谐波抑制和 无功功率补偿是国内迄今为止较为全面的谐波分析和治理方法的著作，特别是 其中关于有关滤波器的分析和阐述被国内许多研究者广泛引用和参考。1 9 9 3 年国 家标准g b 1 、1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波的颁布，不少电网的谐波含量已 大大超过丁该标准，并出现了问题，引起电力部门的关注，谐波管理和监督工作 正在纳入电力生产的正常轨道。 电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱，有人预言：电力电子技术连 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 技术带来方便、高效的巨大利益的同时，它的非线性、冲击性和不平衡用电特性， 也给公用电删的供电质量造成严重污染，对公用电网注入大量的谐波和无功功率。 另一方面，随着以计算机为代表的大量敏感设备的普及应用，人们对公用电网的 供电质量要求越来越高对电网中的谐波含量及用电设备的功率因数提出了更严 格的要求。 传统的谐波抑制和无功补偿方法是无源滤波技术，即是用由电力电容器等无 源器件构成无源滤波器，该无源滤波器与需补偿的非线性负载并联，为谐波提供 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 一个低阻通路的同时也提供负载所需要的无功功率。虽然无源滤波器具有简单、 方便的优点，但它也存在如下缺点： 只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐 波放大 只自补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿： 其滤波特性受系统参数影响较大，并且其滤波特性有时很难与调压要求相 协调； 重量与体积较大等等。 针对无源滤波技术的上述缺点，1 9 7 6 年，l g y u g i 提出用p 州逆变器构成“电 力有源滤波器”( a c t i v ep o e rf i i t e r 简称a p f ) 。8 0 年代以后，由于电力电子 器件及其控制技术的发展，a p f 技术的发展逐步走向成熟，在国外已得到广泛应用。 与无源滤波器相比a p f 具有高度可控制和快速响应特性，并且能跟踪补偿各次谐 波、自动产生所需变化的无功功率，其特性不受系统影响，无谐波放大危险，相 对体积重量较小等突出优点，因而已成为电力谐波抑制和无功补偿的重要手段。 a p f 的推广应用也必将给我国电力工业带来巨大的经济效益和社会效益。 1 2 有源电力滤波器的研究现状 在国际上，各个国际组织如电气及电子工程师协会、国际电工委员会( i e c ) 和国际大电网会议( c i g r e ) ，纷纷推出了各自建议的与谐波有关的标准。在这些 标准中，被广泛接受的有i e e e5 1 9 标准和i e c 5 5 5 2 标准。在我国，原水利电力 部于1 9 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 d l 2 6 8 4 电力系统谐波管理暂行规定。国家技术监督局于1 9 9 3 年颁布了谐波 国家标准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1 9 9 4 年在我国开 始实施。 有源电力滤波器技术近期的发展主要集中在以下几个方面：( 1 ) 谐波理论的 进一步研究；( 2 ) 控制系统的简化与数字化；( 3 ) 与无源滤波器的混合使用。 有源电力滤波器必须实时检测、计算补偿对象的谐波电流。基于频域运算的 模拟带通滤波方法需要采用锐截止的高阶带通滤波器，对电网频率波动和电路元 件参数较敏感。基于快速付里叶变换为基础的全数字频域滤波方法，根据采集到 的一个电周期的电流值进行计算，得到该电流所包含的谐波次数。其缺点是需要 一定的时间采样并且要进行两次变换，计算量大、存在较大时延、实时性较差、 补偿效果不好等问越。 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 8 0 年代以后日本学者赤木泰文等人提出了瞬时无功功率理论。以该理论为基 础，可咀得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流的实时检测方法，对于谐波 和无功补偿装置的研究和开发起了极大的推动作用。三相电路瞬时无功功率理论 已经成功地应用到三相三线制系统，在国外有源电力滤波器已被广泛使用。 基于瞬时无功功率理论的各种检测计算电路，实现时多为模拟电路，其线路 较为繁琐、结构较为复杂。许多学者提出了许多简单的理论和方法，力图来完成 谐波分离工作。随着d s p 芯片的日趋完善，采用数字化方法来实现这部分工作的 研究也在积极地进行。 由于有源滤波器的价格要远高于无源滤波器，新的综合电力滤波系统，由传 统无功补偿滤波器和小容量有源滤波器构成，与被补偿的谐波负载并联连接，大 大提高了无源滤波器的滤波效果，同时价格也比全部使用有源滤波器大大降低。 现在国外这方而的工作已相当成熟，许多公司的产品己进入中国。 国外工程界对a p f 已有了多年的实践，已有多家国外著名公司的有源滤波器 产品进入国内市场。我们对一些国外产品进行实际研究，力图对a p f 的设计及国 产化工作做一些探讨。 ( l ) 补偿容量的确定 有源电力滤波器中最基本的是并联型，其容量取决于与母线电压有效值与补 偿电流有效值的乘积。只补偿谐波时，有源电力滤波器的补偿电流与负载电流的 谐波分量大小相等而方向相反。如果要求同时补偿谐波和无功，则装置容量由要 求的谐波组成及要求补偿的无功程度共同决定。 ( 2 ) 功率电子器件的选用 大部分中小容量的有源电力滤波器中，主回路采用的器件基本为i g b t ，只有 当容量达到m w 级的大容量装置才使用g t o 。在a p f 装置中选用i g b t ，有阻下的优 点：驱动电路简单；模块开关频率高，相对交流滤波电感可小；反应速度快，适 合于快速反馈、快速控制。 ( 3 ) 控制电路采用的方式 工程化的有源电力滤波器很多是采用模拟和数字相结合的控制方式，实践证 明当涉及到电流反馈控制的时候，模拟方式总是优于数字方式，d s p 芯片的出现， 使得人们有可能对以往的摔制电路进行优化。但应用于a p f ，目前的d s p 芯片的性 能有许多限制，很多国外产品都是采用模拟和数字相结台的控制电路，补偿速度 和补偿精度都较满意。 ( 4 ) 谐波电流的检测方法 谐波的检测方法可以有负载电流榆测、电源电流检测、电源屯压检测等方法， 东北大学硕士学位论文 第一章绪论 工程实践中用负载电流的检测方法与用电源电流的检测方法之比为1 0 ：1 。负载电 流检测，是一个前馈系统；电源电流检测，可以组成一个闭环系统。从实际使用 效果来看，检测电源电流方式进行补偿的结果比只检测负载电流方式的补偿效果 好。同时，应用电压检测方法的比例也有所增加，设置检测电压的目的在于补偿 闪变。 ( 5 ) 内部高通滤波器的设计 有源滤波器主电路中各桥臂开关器件高频开通关断，会在工作频率附近产生 次数很高的谐波。为了消除这些谐波，需要在系统中并联由电容、电感等组成的 高通滤波器。但该高通滤波器的引入，有可能带来谐振和电网侧电流及公共连接 点电压波形畸变。国外成熟产品可以用检测电网侧电流的方式工作，组成一个闭 环系统，将自身原因带来的谐振和畸变问题消除。 ( 6 ) a p f 的多台并联使用 当有源电力滤波器用于大容量谐波补偿时，将面临着器件开关频率与容量之 间的矛盾。目前工业现场中常采用多台小容量有源电力滤波器并联，每个a p f 有 各自的主电路和控制电路，a p f 的控制和补偿由其自身来完成，各台有源电力滤波 器输出的补偿电流由通信方式进行协调控制，一台为主，其余为从。 ( 7 ) 有源滤波器和无源滤波器的捏合使用 将a p f 与无源滤波器并联使用，合理分担补偿需求，可使a p f 容量减小。但 由于并联无源滤波器的影响，负荷的等效谐波阻抗将减小，当其不满足远大于电 网的谐波阻抗条件时，a p f 的补偿特性将受电网阻抗的影响，a p f 的谐波补偿电流 还可能注入无源滤波器中。因此需对a p f 和无源滤波器的设计进行特殊考虑，并 不是简单地l + 1 进行并联，这在研究有源滤波器较早的国家己得到验证。 东北大学硕士学位论文 第二章谐波、谐波源及其主要危害 第二章谐波、谐波源及其主要危害 2 1 谐波的基本概念 ”谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经奠定 了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。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 使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1 9 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。到了5 0 年代和6 0 年代， 由于高压直流输电技术的发展，发表了有关交流器引起电力系统谐波问题的大量 论文。7 0 年代以来，由于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、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界 各国都对谐波问题予以充分和关注。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和用电设备谐波的标准和规 定。 谐波( h a r m o n i c ) 即对周期性的变流量进行傅里叶级数分解，得到频率为火 于l 的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷而产生的。电能质量公 用电网谐波( g b t 1 4 5 2 9 9 3 ) 中规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次 奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值。该标准还规定了甩网公共连 接点的谐波电流( 2 2 5 次) 注入的允许值；而且同一公共连接点的每个用户向电 嘲注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备 容量之比进行分配，以体现供配电的公正性。 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到 与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大干电网基波频率的分量，这部分电 量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值( n = f n f 1 ) 称为谐波次数。电网中有 时也存在非整数倍谐波，称为非谐波( n a n h a r m o n i c s ) 或分数谐波。谐波实际上 是一种干扰量，使电嘲受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、 测量、危害及抑制，其频率范围一般为2 n 。 4 0 。 2 2 滤波的性能要求 电压波动( f l u c t u a t i o n ) 印电压方均根值系列的变动或连续的改变，闪变 ( f 1 i c k ) 即灯光照度不稳定造成的视感，足由波动负荷，如电弧炉、轧机、电 弧焊机等引起的。电能质量电压波动和闪变( g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 ) 是在原来标推 东北大学硕士学位论文 第= 章谐波、谐波源及其主要危害 第二章谐波、谐波源及其主要危害 2 1 谐波的基本概念 ”谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在1 8 世纪和1 9 世纪已经奠定 了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。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 使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1 9 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。到了5 0 年代和6 0 年代， 由于高压直流输电技术的发展，发表了有关变流器引起电力系统谐波问题的大量 论文。7 0 年代以来，由于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、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界 各国都对谐波问题予以充分和关注。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和用电设备谐波的标准和规 定。 谐波( t t a r m o n i c ) 即对周期性的变流量进行傅里叶级数分解，得到频率为大 于l 的整数倍基波频率的分量，它是由电网中非线性负荷而产生的。电能质量公 用电网谐波( 6 b t 1 4 5 2 9 - - 9 3 ) 中规定了各电压等级的总谐波畸变率，各单次 奇次电压含有率和各单次偶次电压含有率的限制值。该标准还规定了电网公共连 接点的谐波电流( 2 2 5 次) 注入的允许值；而且同一公共连接点的每个用户向电 网注入的谐波电流允许值按此用户在该点的协议容量与其公共连接点的供电设备 容量之比进行分配，以体现供配电的公正性。 供电系统谐波的定义是对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解，除了得到 与电网基波频率相同的分量，还得到一系列大于电网基波频率的分量，这部分电 量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值( n = f n f 1 ) 称为谐波次数。电网中有 时也存在非整数倍谐波，称为非谐波( n o n h a r m o n i c s ) 或分数谐波。谐波实际上 是一种干扰量，使电网受到“污染”。电工技术领域主要研究谐波的发生、传输、 测量、危害及抑制，其频率范围般为2 n 4 0 。 2 2 滤波的性能要求 电压波动( f l u c t u a t i o n ) 即电压方均根值一系列的变动或连续的改变，闪变 ( f l i c k ) 即灯光照度不稳定造成的视感，是由波动负荷，如电弧炉、轧机、电 弧焊机等引起的。电能质量电压波动和闪变( g b l 2 3 2 6 - - 2 0 0 0 ) 是在原来标准 弧焊机等引起的。电能质量电压波动和闪变( 5 8 1 2 3 2 62 0 0 0 ) 是在原来标准 东北大学硕士学位论支 第二章谐波，谐波潭及其主要危害 g b l 2 3 2 6 - - 9 0 的基础上，参考了国际电工委员会( i e c ) 电磁兼容( e m c ) 标准i e c 6 j 0 0 3 7 等而修t r 而成的，适用于由波动负荷引起的公共连接点电压的快速变动及 由此町能人对灯闪明显感觉的场合，该标准规定了各级电压下的【习变限制值。 三相电压不平衡允许值指的是在电力系统正常运行的晟小方式下负荷所引起 的电压不平衡度为最大的生产( 运行) 周期中的实测值，例如炼钢电弧炉应在熔 化期测量等。电能质量三相电压允许不平衡度( g b t 1 5 5 4 3 1 9 9 5 ) 适用于交 流额定频率为5 0 h z 电力系统正常运行方式下由于负序分量而引起的p c c 点连接点 的电压不平衡，该标准规定：电力系统公共连接点正常运行方式下不平衡度允许 值为2 ，短时间不得超过4 。 有源滤波( a p f ) 在柔性交流输电系统( f a c t s ) 家族中具有广义性。电能质 量的许多问题均可通过不同的控制手段由有源滤波装置来解决。如谐波抑制、无 功补偿、相间对称校正等。其次，在时域和频域分解的观点上，电能质量的诸多 问题与谐波是统一的，仅作用频率不同，如：基波频率整数倍的分量为通常意义 ，h 的谐波；分数倍、非整数倍分量分别称为闪变、间谐波；而基波无功、非周期 量可以分别看成是频率为系统频率和零频率的分量等。 有源滤波器的性能要求，应以在任何状况下能精确、快速地分离出谐波和无 功分量，并进行实时补偿来进行谐波抑制、无功补偿、相间对称校正为依据。 有源滤波器的稳态滤波性能可视为滤波的精度指标，即输入稳定的谐波源， 不论检测出谐波和无功分量的时延如何，以最终检测出的谐波与电网电流之差( 即 经过补偿后的电流) 的t h d ( t o t a lh a r m o n i c sd i s t o r t i o n ) 作为衡量标准。根据 实际工业情况，以奇次谐波为主。 有源滤波器的动态滤波性能可视为滤波的速度指标，即撮终补偿后的t h d 值 在一定范国的条件下，在谐波出现或突变后的第几个周波，检测出的谐波分量才 能完全跟踪上实际谐波分量。对实际中各种复杂的工况，应考虑的情况有：负荷 电流幅值突变( m a g n i t u d ef l o p ) ，非周期脉冲干扰( n o n p e r i o d l cp u l s e ) ，谐波 相位突变( p h a s es h i f t ) ，电网电压的畸变影响( v o l t a g eh a r m o n i c s ) 。 2 3 产生谐波的主要谐波源 电网谐波来自于3 个方面： ( 1 ) 发电源质量不高产生谐波： 发电机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 和其他一些原囚，发电源多少也会产生一些谐波，但一般来说很少。 ( 2 ) 是输配电系统产生谐波： 东北大学硕士学位论文 第= 幸谐波，谐波源及其主要危害 输配电系统中主要是电力变压器产生谐波，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0 5 e ( 3 ) 是用电设备产生的谐波： 晶闸管整流设备。由于晶闸管整流在电力机车、铝电解槽、充电装置、开关 电源等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。我们知道， 晶闸管整流装置采用移相控制，从电网吸收的是缺角的正弦波，从而给电网留下 的也是另一部分缺角的正弦波，从而给电网留下的也是另一部分缺角的正弦波， 显然在留下部分中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负 载时则含有奇次谐波电流，其中3 次谐波的含量可迭基波的3 0 ；接容性负载时则 含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全 控桥6 脉整流器，变压器原边及供电线路含有5 次及以上奇次谐波电流；如果是 1 2 脉冲整流器，也还有1 1 次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生 的谐波占所有谐波的近4 0 ，这是最大的谐波源。 变频装置。变频装置常用于风机、水泵、电梯等设备中，由于采用了相位挣 制，谐波成份很复杂，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，随着变频调速的发展，对电网造成的谐波也越来越多。 电弧炉、电石炉。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，使得燃烧不稳定，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27 次的谐波，平均可达基波的8 2 0 ， 最大可达4 5 。 气体放电类电光源。荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯等属于气 体放电类电光源。分析与测量这类电光源的伏安特性，可知其非线性十分严重， 有的还含有负的伏安特性，它们会给电网造成奇次谐波电流。 家用电器。电视机、录像机、计算机、调光灯具、调温炊具等，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、空调器等有绕组的设备中， 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。 2 4 谐波的危害 东北大学硕士学位论文 第二章谐波、谐波菲及其主要危害 电网谐波造成电网污染，正弦电压波形畸变，使电力系统的发供用电设备出 现许多异常现象和故障，情况日趋严重。谐波的危害电力系统中谐波的危害是多 方面的，概括起来有以下几个方面： 2 4 1 对供配电线路的危害 ( 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。但 由于电磁式继电器与感应式继电器对10 9 6 以下含量高达4 0 时又导致继电保护误动 作，因而在谐波影响下不能全面有效地起到保护作用。晶体管继电器虽然具有许 多优点，但由于采用了整流取样电路，容易受谐波影响，产生误动或拒动。这样， 谐波将严重威胁供配电系统的稳定与安全运行。 ( 2 ) 影响电刚的质量 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 4 2 对电力设备的危害 ( 1 ) 对电力电容器的危害 当电网存在谐波时投入电容器后其端电压增大，通过电容器的电流增加得 更大，使电容器损耗功率增加。对于膜纸复台介质电容器，虽然允许有谐波时的 损耗功率为无谐波时损耗功率的1 3 8 倍：对于全膜电容器允许有谐波时的损耗功 率为无谐波时的1 4 3 倍，但如果谐波含量较高，超出电容器允许条件，就会使电容 器过电流和过负荷，损耗功率超过上述值，使电容器异常发热，在电场和温度的作 用下绝缘介质会加速老化。尤其是电容器投入在电压已经畸变的电网中时，还可 能使电网的谐波加剧，即产生谐波扩大现象。另外，谐波的存在往往使电压呈现 尖顶波形，尖项电压波易在介质中诱发局部放电，且由于电压变化率大，局部放 电强度大，对绝缘介质更能起到加速老化的作用，从而缩短电容器的使用寿命。 一般来说，电压每升高1 0 ，电容器的寿命就要缩短1 2 左右。再者，在谐波严重 的情况f ，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。 ( 2 ) 对电力变压器的危害 东北大学硕士学位论文第二章谐波、谐波源及其主要危害 谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的涡流损耗与导体外 部因漏磁通引起的杂散损耗都要增加。谐波还使变压器的铁耗增大，这主要表现。 在铁心中的磁滞损耗增加，谐波使电压的波形变得越差，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，或者说在选择 变压器额定容量时需要考虑鹭出电网中的谐波含量。除此之外，谐波还导致变压 器噪声增大，变压器的振动噪声主要是由于铁心的碰致伸缩引起的，随着谐波次 数的增加，振动频率在i k h ，左右的成分使混杂噪声增加，有时还发出金属声。 ( 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趋肤效应越明显，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。 2 4 3 对用电设备的危害 ( 1 ) 对电动机的危害 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，当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 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 而发热，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 越太；热磁型的断路器，由于导体的集肤次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，由于谐波汇漏电流的作用，可能使断路器异常发热， 出现误动作或不动作。对于电磁接角器来说，谐波电流使磁体部件温升增大，影 响接点，线网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、报警与楼宇自动化等弱电设备，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。 东北大学硕士学位论文第二章谐波、谐波源及其主要危害 其中电感应与静电感应的耦台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。 影响电力测量的准确性 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。 2 4 4 谐波对人体有影响 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 5 谐波抑制措施 在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入系统的谐波电流，以便 把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方酝的措施： ( 1 ) 降低谐波源的谐波含量 也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积 极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有： 增加整流器的脉动数 整流器是电网中的主要谐波源，其特征频谱为：n = k p l ，则可知脉冲数p 增加，n 也相应增大，而i n l l n ，故谐波电流将减少。因此，增加整流脉动数， 可平滑波形，减少谐波。如：整流相数为6 相时，5 次谐波电流为基波电流的1 8 5 ，7 次谐波电流为基波电流的1 2 ，如果将接流相数增加到1 2 相，则5 次谐波 电流可下降到基波电流的4 5 ，7 次谐波电流下降到基波电流的3 。 脉宽调制法 采用p w m ，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输 出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。在p w m 逆变器中，输出波形是周期性的， 且每半波和1 4 波都是对称的，幅值为1 ，令第一个l 4 周期中开关角为y i ( i = l ，2 ，3 m ) ，且0 y l y 2 y m 2 。假定y0 = 0 ，v m + 1 = 2 ，在( 0 ，n ) 内开关角a = 0 ，y l ，y2 ，y m ，一y m ， n y2 ，n y 1 。p w m 波形按傅里叶级数展开，可知，若要消除n 次谐波，只需 令b n = o ，得到的解即为消除n 次谐波的开关角a 值。 三相整流变压器采用y d ( y a ) 或d 、y ( y ) 的接线 这种接线可消除3 的倍数次的高次谐波，这是抑制高次谐波的最基本的方法。 ( 2 ) 在谐波源处吸收谐波电流 东北太学硕士学位论文 第二章谐波、谐波潭及其主要危害 这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广 泛的抑制谐波方法。主要方法有以f 几种： 无源滤波器 无源滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由l 、c 、r 元件构成谐振回路， 当l c 回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电 网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤 波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点， 如滤波易受系统参数的影响；对某些次谐波有放大的可能；耗费多、体积大等。 因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。 有源滤波器 早在7 0 年代初期，日本学者就提出了有源滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i i t e r ) 的概念，即利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相 位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的日的。 与无源滤波器相比，a p f 具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可 抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点：在性价比上较为合理：滤波特陛不受 系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；具有自适应功能，可自动 跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国 还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电 能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统 的电能质量的方向发展。 防止并联电容器组对谐波的放大 在电劂中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时， 在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备 的安全。可聚取串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取 限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。 加装静止无功补偿装置 快速变化的谐波源，如：电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外， 往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重