（电力系统及其自动化专业论文）电力系统谐波及其抑制技术的研究.pdf

s t e d yo np o w e rs y s t e mh a r m o n i c sa n di t s s u p p r e s s i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e rs y s t e ma n dt h e o p e n i n go ft h e e l e c t r i c i t ym a r k e t ，t h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e mi sr e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o n t h ep o l l u t i o no ft h eh a r m o n i c st ot h eg r i di si n c r e a s i n g l ys e v e r e ，o w i n gt ot h e p r e v a l e n c eo ft h en o n l i n e a rl o a d s ( h a r m o n i cs o u r c e s ) s o ，t h eh a r m o n i ca n di t s s u p p r e s s i o nt e c h n o l o g yi sb e c o m i n gt h et o p i co fc o m m o nc o n c e r nw o r l d w i d e t h ea c t i v ep o w e rf i l t e r i sak i n do fn e w p o w e re l e c t r o n i c sd e v i c eu s e df o r d y n a m i cs u p p r e s s i o no fh a r m o n i c sc a p a b l eo fc o m p e n s a t i n gf o rt h eh a r m o n i c s w i t hv a r i a b l em a g n i t u d ea n df r e q u e n c y ，w h i c hc a no v e r c o m et h ed i s a d v a n t a g e s o fs u c ht r a d i t i o n a la p p r o a c h e so fh a r m o n i cs u p p r e s s i o na sp p f t h i st h e s i sc o n d u c t sr e s e a r c ho ft h eh a r m o n i cd e t e c t i o nm e t h o do ft h e t h r e e p h a s et h r e e - l i n ep a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e r - t h eh a r m o n i cc u r r e n td e t e c t i o n m e t h o d p b a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ，a n dp e r f o r m s s i m u l a t i o na n a l y s e si nt w od i f f e r e n tc a s e s ，i e ，t h es t e a d ys y s t e ma n dt h ea b r u p t l o a dc h a n g e s t h i st h e s i sc o n d u c t sr e s e a r c ho ft h ec o n t r o l l i n gm e t h o do ft h ec u r r e n to ft h e p a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e r ，a n dc h o o s e st h eh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o lm a n n e r a st h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g y f i n a l l y ，t h i st h e s i sd e v e l o p sat h r e e p h a s et h r e e - l i n ep a r a l l e la c t i v ep o w e r f i l t e rw i t ht h ea b o v eh a r m o n i cd e t e c t i o na p p r o a c ha n dc o n t r o l l i n gm e t h o d ，a n d c o n d u c t ss i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw i t hm a t l a b ，w h o s er e s u l t sv e r i f yt h eg o o d c o m p e n s a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e r i n gd e v i c e k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ，h a r m o n i c ，h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ，a c t i v ep o w e rf i l t e r ， i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者躲粢啪重_ 细7 年 ， 学位论文使用授权说明 石月z 刀日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 岖猫时发布 口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名捌导师躲壮砷年月多罗日 广西大学硕士掌位论文电力系统谐波及其抑制技术的研究 致谢 本论文是在导师林苗副教授和郑江教授的悉心指导下完成的。他们的 言传身教将使我终生受益。 课题的研究过程中和研究生学习中，得到了电气工程学院领导、各位 老师和同学们的帮助与热情支持。在此，谨表示真诚的谢意! 衷心感谢评审论文的各位专家、教授为本文提出宝贵意见和建议，他 们付出的辛勤劳动必将使本文的研究更加完善和实用。 特别感谢我的父母以及亲友给予我无尽的关心和支持。对他们在我成 长道路上的默默的关爱和支持表示深深的敬意! 最后，再次向所有帮助、关心过我的每一位领导、老师、亲友、同学 和朋友表示衷心的感谢! = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究 成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究： 作做出贡献的 其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 广西大掌司l 士学位论文电力蓉统谐波及其抑制技术的研究 第一章绪论 本文研究了三相三线制并联有源电力滤波器的谐波检测方法和装置的控制 部分实现过程。通过m a t l a b 仿真验证了构建的三相三线制并联有源电力滤波 器可以有效抑制谐波。 本章重点介绍了论文工作的相关的背景知识。从电能质量引入电力系统谐波 的概念，谐波治理的现实意义。有源电力滤波器的发展、研究现状及应用的重要 性。 1 1 引言 1 1 1 电能质量 2 0 世纪8 0 年代以来，国际上越来越关注电能质量问题【h 】。电能既是一种 经济、实用、清洁、容易控制和转换能源形态，又是电力部门向电力用户提供发、 供、用三方共同保证质量的一种特殊产品( 同样具有产品的若干特征，如可被测 量、预估、保证和改善) 。如今，电能作为走进市场的两品，与其它商品一样， 无疑也应讲求质量。电力系统供电的电能质量是电力工业产品的重要指标，涉及 发、供、用三方权益。优良的电能质量保证电网和广大用户的电气设备和用电设 备安全、经济运行。现代社会中，电能作为一种广泛使用的能源，其应用程度成 为一个国家发展水平的主要标志之一。随着科学技术和国民经济的发展，对电能 的需求量日益增加，同时对电能质量的要求也越来越高。 电能质量问题的提出由来已久，衡量电能质量的指标也是随着电力系统的发 展而备受关注i 删。在电力系统的发展早期，电力负荷的组成比较简单，主要由 同步电动机、异步电动机和各种照明设备等线性负荷组成，衡量电能质量的指标 主要有：频率偏移和电压偏移两种。2 0 世纪8 0 年代以来，随着电力电子技术的 发展，非线性电力电子器件和装置在现代工业中得到广泛应用，不少用户对电能 的利用都要经过电力电子装置的转换和控制，这些装置给人们生产和生活带来方 便和效率的同时，使电力系统的非线性负荷明显增加。 广西大掌司| ：b 掌位论文电力系统谐波覆其抑制技术的研究 1 1 2f a c t s 和d f a c t s 技术 多年来，电力工作者已达成共识：提高电网的安全运行水平和电能质量，除 电网结构本身要合理外，还必须要有先进的调节控制手段。电网的安全，经济运 行在很大程度上取决于其“可控度”。正是在此基础上美国电力研究院 n h h i n g o r a n i 博士于1 9 8 6 年提出了灵活交流输电系统( f l e x i b l ea c t r a n s m i s s i o ns y s t e m s 。f a c t s ) 的概念【7 一l ，它“应用电力电子技术的最新发展 成就以及现代控制技术实现对交流输电系统的参数，以至网络结构的灵活快速控 制，以期实现输送功率的合理分配，降低功率损耗和发电成本，大幅度提高系统 稳定性、可靠性”。f a c t s 设备投入运行在互联电力系统中增加了极其强有力的 控制手段。 f a c t s 装置在输电系统获得快速应用的同时，配电系统的电能质量问题，因 新的非线性负荷的引入而恶化，随着信息时代的来临，锘口造业及日常生活中都出 现了敏感负荷( 如半导体制造厂等) ，电能质量的恶化严重影响这些负荷的正常 工作。现代社会高技术竞争日趋激烈，用户将越来越难以忍受，因电能质量而造 成的损失。同时电能质量的恶化也降低了配电系统的效率，如谐波的存在要占用 配电系统的容量，挤压了基波容量的空间，谐波还带来了损耗，降低了电能的利 用效率。配电系统的电能质量问题还可能影响输电系统的效率，降低输电系统的 安全稳定运行水平。正是基于这种需求，用于输电系统的f a c t s 技术逐步延伸到 配电系统，形成了以变流器为核心的电能质量控制技术，简称为用户电力技术 ( c u s t o mp o w e r ) ，也称为d f a c t s 技术1 7 1 。 就全球范围而言，从2 0 世纪8 0 年代末开始，电力工业放松管制，对传统电 力工业体制进行引入竞争机制，打破垄断建立开放的电力市场。在电力市场条件 下，用户和供电企业都追求自己最大利益。为了适应这种需要，1 9 8 8 年美国的 n g h i n g o r a n i 博士提出了c u s t o m p o w e r ( 用户电力技术) 的概念，这是一种应 用现代电力电子技术，计算机技术和控制技术，按用户特定要求提供电力供应并 实现对电能质量控制的技术。c u s t o mp o w e r 又称d f a c t s 。1 9 9 6 年，日本北海道 大学和茨城大学的学者正式提出了上述概念相似的f r i e n d s ( f l e x i b l e ， r e l i a b l ea n di n t e l l i g e n te l e c t r i ce n e r g y d e l i v e r ys y s t e m ) ，并组织“f r i e n d s 研究会”。两者目的都是建立灵活、可靠的电力供应系统，改善电能质量，更好 地满足用户需求1 4 7 j 。 目前，广泛应用的用户电力技术控制装置有f 5 7 1 ：电力有源滤波器( a c t i v e 广西大学司e 士掌位论文电力习臼瞻谐波反其抑制掣u k 的研究 p o w e rf i l t e r ，a p f ) 、动态电压调节器( d y n a m i cv o l t a g er e g u l a t o r 。d v r ) 、 配电系统静止补偿器( d i s t r i b u t i o ns t a t c o u ，d s t a t c o m ) 、统一电能质量控制 器( u n i f i e dp o w e rq u a l i t yc o n t r o l l e r ，u p q c ) 以及不停电电源( u n i n t e r r u p t e d p o w e rs u p p l y ，u p s ) 等等。 1 2 谐波的危害 1 2 1 谐波的概念 国际上通行的谐波定义为l 乳i i j ：“谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其 频率为基波频率的整数倍。”谐波次数必须为正整数。在某些暂态现象中，电 力系统会出现一些非整数次的分数次谐波，如：问谐波、次谐波和分数次谐波等， 这些概念与谐波概念完全不同f ”。 1 2 2 谐波的危害 谐波研究的意义，在于谐波的危害十分严重，主要表现在以下几个方面： 1 引起供电电压畸变。 2 增加用电设备消耗的功率，降低系统的功率因数。 3 增加了输电线路的损耗，缩短了输电线寿命。谐波电流一方面在输电线路 上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电 损耗。对于架空线路而言，电晕的产生和电压峰值有关，虽然电压基波未超过规 定值，但由于谐波的存在，当谐波电压与基波电压峰值重合时，其电压峰值可能 超过允许值而产生电晕，引起电晕，损耗增加。对于电缆输电情况，谐波电压以 正比于其幅值电压形式增强了介质的电场强度，这会影响电缆的使用寿命。据有 关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约6 0 【1 2 】。 4 增加变压器损耗。谐波使变压器铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体中的 涡流损耗和导体外部因漏通而引起的杂散损耗l l 孤。同时也使铁耗增加。另外， 三的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会 使电流超过额定值。对于带不对称负载的变压器来说，如果负载电流中含有直流 分量，会引起变压器磁路饱和，从而大大增加交流励磁电流的谐波分量【1 2 l 。 5 对电容器的影响。谐波对电容器的危害是通过电效应、热效应和谐振引起 谐波电流放大l l 硼。国内外电网运行经验表明：受谐波影响而导致的电气设备损 广西大掌司e 士掌位论文电力膏0 晓慵波反其抑徊拉术的研究 坏中电容器占有最大比例【1 4 】。谐波的存在往往使电压呈现尖顶波形，最不利的 情况是谐波和基波电压峰值的叠加，峰值电压上升使电容器介质更容易发生放 电。一般来说，电压升高1 0 ，电容器寿命缩短i 2 【l4 】。由于谐波使通过电容器 的电流增加，使电容器损耗增加，从而引起电容器发热和温升，加速老化。电容 器温升每上升8 ，寿命缩短i 2 【1 4 】。由于电容器的容抗与频率成反比，因此在 谐波电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的 波形畸变比基波电压的波形畸变大得多，即使电压中谐波所占比例不大，也会产 生显著的谐波电流。特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就会引起很大 的谐波电流，导致电容器因过流而损害l l2 1 3 o s 造成继电保护、自动装置工作紊乱。谐波改变继电器的工作特性0 3 1 5 j ， 这与继电器的设计特点和原理有判m 】。当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零 工作的数字继电器容易产生误差。谐波对过电流、欠电压、距离、频率继电器等 均会引起误动、拒动、保护装置失灵或动作不稳定。 7 增加感应电动机的损耗，使电动机过热【l3 j 。另外，当电动机的谐波电 流频率接近某零件固有频率时，会使电动机产生机械振动，发出噪声。 8 造成换流装置不能正常工作。当换流装置的容量达到电网短路容量的1 3 1 2 或以上时，或者虽未达到此值而电网参数易引起较低次谐波次数( 第2 次 至第9 次) 的谐波谐振时，交流电网电压畸变可能引起常规控制角的触发脉冲间 隔不等，并通过正反馈而放大系统的电压畸变，使整流器工作不稳定，对逆交器 可能发生连续的换相失败而无法工作【9 i g o 9 引起电力计量误差。用户为线性用户时，谐波潮流主要由系统注入线性用 户，电能表计量的是该用户吸收的基波电能和部分或全部谐波电能，计量值大于 基波电能，线性用户不但要多交电费，还要受到谐波破坏。用户为非线性用户时， 用户除了自身消耗部分谐波，还向电网输送谐波，电能表计量电能时基波电能和 扣除这部分谐波电能的部分和或全部和，计量值小于基波电斛1 9 j 。因此，非线 性用户( 谐波源) 不仅污染电网，还少交了电费。 1 0 干扰通信系统。谐波通过电容祸合、电磁感应、电气传导对通信系统产 生干扰，如损害通话清晰度、引起危害过电压等【i 1 4 o 1 1 对其它设备影响。谐波还会对以下设备产生影响：使断路器断弧困难， 断路器开断能力降低；引起避雷器谐波过电压而损害；延迟或阻碍消弧线圈灭弧 作用；电压互感器由于谐振而损害：增大中性线电流；电视机图像变坏、翻滚； 广西太掌硕士掌位论文电力月i 麓谐波及其抑御技术的研究 收音机引起杂音；微机系统、数据传输系统、自动录波系统出现数据丢失、误动、 误显示和波形异常等。 1 3 电力系统谐波抑制技术措施 电力系统谐波抑制措施主要有三种【1 2 l ： 受端治理：即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力。 主动治理：即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的 谐波。 被动治理：即外加滤波器，阻碍谐波源产生的谐波注入电网，或者阻碍电力系 统的谐波流入负载端。 1 3 1 受端治理措施 1 改善供电环境，选择合理的供电方式：一般当电网短路容量大于谐波源供 电变压器容量2 0 倍时，其产生的高次谐波对系统就不会有危险的影响，产生的 谐波电压、谐波电流也在规定值以下【2 们。高一级电网的短路容量均大于同系统 低一级电网的短路容量，因此将谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网 供电，可以减少谐波对系统或其它设备的影响，这必须在电网规划和设计阶段考 虑。保持负荷的三相平衡，能有效减少三次谐波。对谐波源负荷由专门的线路供 电，减少谐波对其它负荷的影响，有助于集中抑制和消除谐波。例如，将母线分 为三段：把所有大、中型晶闸管整流装置和中频装置集中在一段母线上，其它不 产生谐波的负荷和照明由另两段母线供电。 2 避免电容器对谐波放大。并联电容器对谐波电流放大机理如图1 一l ： 国1 1 并联电容器对渚波电流放大等效电路图 f i g 卜1e q u i v a l e n tc i r c u i td i a g r a mo ft h e l p l i f i c a t i o no fs h u n tc a p a e i t o rt o h a r m o n i c s 限、，、一 一 ， 、 广西大掌硬士学位锚文电力r 系统谐波及其抑制执术的习f 究 i 。为谐波电流源；乙= 尼+ 7 ) k = 尼+ ，m 为系统n 次谐波阻抗值；x c 为电 容器基波电抗值，n 次谐波电抗值为兄= 三鼠。 刀 n 次谐波阻抗：z 5 瓦干- 灭j x = 。z = 丽 卜1 ) 由上式可知：装设并联电容器后，系统谐波阻抗发生变化，且 l ：二丝一 五 l ： 坐型堑 上 ( 1 - 2 、 凡+ ，( 一)尼+ j ( 一矗) 、 7 当x 龃= x 蚰发生并联谐振，i 。，ia 均大于i ，谐波电流被放大。 f 因为) 【l i = n x 。) 【c n _ 1 n ) 【c ，故谐振点谐波次数为n f j = ，即当谐波源中含有次 y 五 ff 数为卢次的谐波时，将引起并联谐振。若谐波源中含有谐波次数接近卢时， v 工v 嚣 虽不谐振，也会导致该次谐波放大。 抑制电容器对谐波电流放大方法有：改变电容器的安装位置，安装点与电 源自j 的感抗就不同，所引发谐振的频率也不同。选择合式的安装地点，可有效避 免与电源电抗相互作用而发生并联谐振。改变与电容器的串联电抗器，也就相 当于改变了系统阻抗，可以避免谐波电流放大。限定电容器组的投入容量【1 4 1 ， 可以有效减少电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行。将电容器组的 某些支路改为滤波器 2 0 1 。 3 减少发电机谐波电动势畸变率。对于作为电力系统电源的同步发电机，提 供符合标准的正弦波形电能质量是对它的基本要求。然而由于气隙磁场实际上不 完全按正弦分布，产生的感应电动势中必然存在各次谐波。然而，在发电机制造 上，可以采取一系列措施来消除或减少谐波电动势：星形连接不会出现三次或 三的倍数次的各奇次谐波，因此，现代同步电机多采用星形连接。凸极同步发 电机采用适当极靴宽度和不均匀气隙长度，可使气隙磁场波形尽可能接近正弦分 布，减少谐波电动势产生。采用短距绕组，增加每极每相槽数，可减少谐波电 动势产生。水轮发电机等多极电机，转子励磁绕组常采用分数槽绕组，实现了 极对与极对之间的分布，减少了磁势中的谐波分量。采取以上措施后，目前发电 机的谐波电动势畸变率小于1 【1 5 l ，一般可以忽略不计。 4 变压器采取措施，抑制谐波产生。变压器绕组如有一侧接成三角形，可以 广西大掣“曩士掌位论文电力j ；统谐波a 其抑制技术的研究 有效消除三次及其倍数次谐波，及时停运穿载变压器，选用有载调压变压器，可 以及时调整变压器母线电压。使变压器不致于过激磁，从而减少谐波产生。 5 提高设备抗谐波干扰能力，使其在谐波一定限度环境中能够正常工作，研 制新型抗谐波设纠2 1 2 2 1 。 6 改善谐波保护性能。对谐波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能够保 证在谐波超标情况下，设备不致于损坏，但不能保障设备的正常工作。 1 3 2 主动谐波治理的措施 1 增加整流装置的脉动数。整流装置产生的特征谐波电流次数与脉动次数p 有关，h = k p + 1 ( k = l ，2 ，3 ) 【2 3 】。当脉动数增加时，整流器产生的谐波次数 也增高，而谐波电流近似与谐波次数成反比，因此一系列次数较低，幅值较大的 谐波得到消除，谐波源产生的电流将减少。 2 改变谐波源的配置或工作方式。具有谐波互补性的装置应集中，否则适当 分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。 3 采用多重化技术。将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波 叠加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较 高。 4 谐波叠加注入【”1 。利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，把 谐波电流加到产生的矩形波形上，可以用于降低给定的运行点处的某些营波。缺 点是必须保证使三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生器的功率损耗常常 高达直流功率的l o 。 5 采用p w m 技术。采用脉宽调制p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 技术， 使变流器产生的谐波频率较高、幅值较小1 1 2 1 。波形接近正弦波，但只适用于自 关断器件构成的变流器。 6 设计或采用高功率因数交流器。比如采用矩阵式变频器，四象限变流器等， 可以使变流器产生的谐波非常少，但功率因数可控制为l 。 1 3 3 被动治理谐波的措施 1 采用无源滤波器p p p ( p a s s i v ep o w e rf ilt e f ，p p f ，p f ) 或称为l e 滤波器， l c 滤波器【1 82 3 由电容元件、电感元件和电阻元件按照一定参数配置一定的拓扑 结构连接而成的滤波装置。l c 滤波器是出现最掣1 0 1 ，虽然存在一些较难克服的 广西大掌硕士掌位论文电力鼻臼毫谐波及箕抑制技术的研究 缺点玎删，但因其结构简单、设备投资少、运行可靠性较高、运行费用较低 等优点，因此至今仍是应用最多的滤波方法【”j 。 2 采用有源电力滤波器a p f ( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。有源电力滤波器是 一种用于动态抑制谐波的新型电力电子装置，它以有对于大小和频率都变化的谐 波进行补偿，其应用可克服l c 滤波器等传统谐波抑制方法缺点。随着电力电子 技术水平的发展，有源滤波技术得到极大发展，在工业上已经进入实用阶段。 1 4 有源电力滤波器介绍 1 4 1 有源电力滤波器发展 1 有源电力滤波器的发展最早可以追溯到2 0 世纪6 0 年代末( 1 9 6 9 年) b m r i r d 和j f m a r s h 的论文中【2 ”。文中描述了通过向交流电网注入三次谐波 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新方法。该文虽未 出现有源电力滤波器一词，但其描述的方法是有源电力滤波器基本思想的萌芽， 可以被认为是有源电力滤波器思想的诞生。 2 1 9 7 1 年，h s a s a k i 和t m a e h i d a 发表的论文中，首次完整的描述了有源 电力滤波器的基本原理【2 剐。但是由于当时是采用线性放大方法产生补偿电流， 损耗大、成本高，因而仅在实验室中研究，未能在工业中应用。 3 1 9 7 6 年美国西屋电气公司的l g y u g y i 和e c s t r y c u l a 提出了采用脉冲 宽度调制( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p 州) 控制的有源电力滤波器确定了主电 路基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一理想的谐波电 流发生器，并讨论了实现方法和相应的控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础 f 2 9 l 。但是由于电力电子技术发展水平还不高，全控型器件功率小、频率低，因 而有源电力滤波器仍局限于实验研究。a p f 研究在7 0 年代后半期没有得到大的 发展。 4 进入2 0 世纪8 0 年代以来，新型电力半导体器件的出现，p 州技术的发 展，尤其是1 9 8 3 年日本长岗科技大学h i r o f u m ia k a g i 、a k i r an a b a e 等人提出 了“三相电路瞬时无功功率理论( i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y ) ” 又称为“p q 理论”、“a k a g i - - n a b a e 理论”，以该理论为基础的谐波和无功 电流检测方法在三相有源电力滤波器中得到了成功的应用，极大促进了有源电力 广西大掌硕士掌位论文 电力系统谐波a 其抑制技术的研究 滤波器的发展目前，三相电路瞬时无功功率理论被认为是有源电力滤波器主要 理论基础之- - 1 。 5 1 9 8 6 年，一台9 0 0 k y a 的并联a p f ( 基于b j t 的电压源逆变器) 和6 6 0 0 k v a 并联p p f 组成的混合a p f 投入使用。1 9 8 8 年，彭方正等人提出了串联混合a p f ， 其有源部分容量占负载容量的比值相比于并联a p f 小很多【3 0 1 。从此到9 0 年代中 期，a p f 研究进入了一个飞速发展时期，并且不断投入实际应用，许多商家甚至 有了系列化产品。这一时期，a p f 研究主要集中在：提出大量的新型拓扑，力图 降低a p f 成本；拓展a p f 功能，如闪变抑制( 消除) 、不平衡补偿等；谐波提取 方法丰富与完善；系统模型的建立以研究a p f 动态响应和稳定性问题；数字控制。 6 从9 0 年代中期至今，a p f 研究主要集中在自适应算法、神经网络算法、 小波变换、遗传算法、滑模变结构等新型的参考信号提取方法和控制方法，以及 新型数字控制器( 如数字信号处理器) 的采用。 1 4 2 有源电力滤波器研究现状 目前，有源滤波技术已经在日本、美国、德国等少数工业发达国家得到应用， 有工业装置投入运行，装置容量最高达2 0 m v a 。国内对有源电力滤波器研究起 步较晚，直到2 0 世纪8 0 年代末才有论文发表。9 0 年代以来高等院校和科研机 构开始进行a p f 研究，虽然在理论上取得一些成果，但由于多方面条件限制， 工业领域没有广泛应用。 谐波问题的研究可以分为以下几个方面：谐波的定位与检测【3 5 1 、与谐波 有关的功率理论的研究、谐波治理。 1 5 本文主要工作综述 本文首先从电能质量角度引入谐波概念，对谐波问题及其危害进行了研究， 指出了谐波及其抑制的重要性和谐波治理刻不容缓。下面本文的主要工作如下： 1 通过学习国内外大量的参考文献，从电能质量引入电力系统谐波的概念， 谐波治理的现实意义。有源电力滤波器的发展、研究现状及应用的重要性。研究 了电力系统从三个方面抑制谐波的措施。 2 有源电力滤波器基本原理和拓扑分类，重点分析了本文所研究三相三线制 并联有源电力滤波器补偿特性。 g - - 西大掣“曩士掌位论文电力秉统谐波反其抑制技术的研究 3 谐波补偿技术，首要解决谐波的精确检测问题，分析了目前受关注的几种 谐波检测方法，重点研究了本文所研究三相三线制并联有源电力滤波器谐波检测 方法一基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法一。并在两种不同情况一 系统在稳定和负载突变不同情况下的仿真分析，证明茹检测方法能实时、准 确地检测负载变化情况下的谐波。 4 介绍了并联有源电力滤波器主电路工作原理及其工作状态。研究了并联有 源电力滤波器电流控制方法，主要研究本文采用的滞环控制方式。对并联有源电 力滤波器直流侧电压控制方法并从根本原因方面进行了详细分析，对并联有源电 力滤波器延时补偿问题进行了探讨。 5 最后对前面所研究的谐波检测方法和控制部分构建了三相三线制并联有 源电力滤波器，结合某化工厂谐波实测结果分析，进行了m a n a b 仿真实验，仿 真结果验证了该滤波装置的补偿特性和良好性能。 ，西大掌硕士掌位论文 电力习臼睫谐波覆其抑制技术的研究 第二章有源电力滤波器原理 有源电力滤波滤波器可以动态抑制谐波的新型电力电子装置，可以对大小和 变化的谐波进行补偿，有效改善电能质量，克服了无源电力滤波器的缺点。基于 我国目前滤波的主要是无源滤波器，本章有必要首先介绍无源滤波器基本原理及 分类。通过分析无源滤波器优缺点，引入了有源电力滤波器，介绍了有源电力滤 波器基本原理和拓扑分类，分析了本文所研究的三相三线制并联有源电力滤波器 补偿特性。 2 1 无源电力滤波器 无源电力滤波器( p a s s i v ep o w e rf i l t e r ，p p f ，p f ) 又称为l c 滤波器，是 由电容元件、电感元件和电阻元件按照一定的参数配置，一定的拓扑结构连接而 成。无源电力滤波器是目6 口广泛采用的谐波抑制手段【7 1 8 1 。 2 1 1 无源电力滤波器原理 滤除谐波原理实质是为电路中的谐波提供一条释放路径，即保留基波而使谐 波短路，使谐波可以通过滤波器直接流回谐波源而不注入系统。 滤波器设置在需要滤除的谐波频率上使感抗和容抗相等而抵消，通常称为调 谐。而r 为低值电阻，在调谐频率上，滤波器表现出高阻抗特性，这样该频次谐 波就可以顺利通过滤波器而返回谐波源。对于非调谐的基波和其它次谐波，滤波 器则表现为高祖抗，因而影响很小。 2 1 2 无源电力滤波器分类 无源滤波器分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器【7 18 1 。 f - 西大掌硕士掌位论文电力j 瀛谱波反其抑制技术的研究 1 单调谐滤波器 丁 重重 z m r ad 图2 - i 单调谐滤波器电路原理图及阻抗频率特性 f i g 2 - 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fs i n g l e t u n e df i l t e ra n di t si m p e d a n c e f r e q u e n c y c h a r a c t e r i s t i c 图2 - 1 ( a ) 为单调谐滤波器电路原理图，滤波器对1 i 次谐波( = 聍国，) 的阻抗为： 1 乙础向+ j ( n c a , l - 意 ( 2 式中下标厶表示第7 次单调谐滤波器。 由上式画出滤波器阻抗随频率变化的关系曲线，如图2 - 1 ( b ) 所示。 单调谐滤波器是利用串联、f 谐振原理构成的，谐振次数1 7 为： l 肛：面 2 - 2 ) 国、l l 在谐振点处，z 二= 如，因很小，n 次谐波电流主要由分流，很 少流入电网中。而对于其他次数的谐波，z 自 r m ，滤波器分流很少。因 此，简单地说，只要将滤波器的谐振次数设定为需要滤除的谐波次数一样， 则该次谐波将大部分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。 滤波器阻抗中的低值电阻r 与滤波器的品质因数q 有关”1 。q 决定了 滤波器调谐的敏锐度。q 越大，则r 越小，滤波器的调谐越敏锐。q 过大， 会使被滤除的谐波频带过窄，当系统频率或滤波电容器，电抗器参数发生 偏差时容易发生失谐；q 过小，会使滤波器的损耗增大。品质因数的典型取 值为q = 3 0 6 0 2 3 1 。 注意事项：滤波电抗器和电阻器均接在电容器的低压侧，以便使电 容器的外壳承受较小的对地电压。在三相系统中，整个滤波器宜采用星 一 v 一 广西大掌硕士掌位论文电力系统谱波及其抑制技术的研究 形接线，其主要优点：一是，一相中任何一个电容器故障击穿时，短路电 流较小，避免引起相间短路；二是，电抗器不承受短路电流冲击，且需要 采用“半绝缘”，因为在系统单相接地时，电抗器对地电压仅为相电压； 三是，便于分相调谐l “1 8 】。 2 双调谐滤波器 双调谐滤波器如图2 2 所示【7 1 8 】。它有两个谐振频率，能同时吸收 两个频率的谐波，其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器 的阻抗特性可以看作由上段l l 、c l 、r 1 组成串联阻抗z 1 和下段l 2 、r 2 与 c 2 、r 3 组成并联阻抗z 2 ，则滤波器阻抗为z = z l + z 2 。采用双调谐滤波器代 替两个单调谐滤波器，可以减少基波损耗，降低l 2 上的冲击电压。双调谐 滤波器正常运行时，由于并联支路的基波阻抗比串联支路的基波阻抗小得 多，因此并联支路所承受的基波电压远小于串联支路所承受的基波电压。 图2 - - 2 双调谐滤波器原理图 f i g 2 - 2s c h e m a t i cd i a g r a mo fd o u b l e t u n e df i l t e r 由于双调谐滤波器比两个单调谐滤波器成本低，近年来在一些高压直 流输电工程得到了应用。目前已有国外公司开发出三调谐滤波器并在高压 直流输电工程应用【7 1 。 3 高通滤波器 电网中高次谐波含量较低，同时由于高次谐波遇到的谐波阻抗大( 系 g - 西大掌硪士掌位论文电力系统谐波覆其抑制技术的研究 统阻抗一般是感性的) ，因此滤除高次谐波时不采用调谐滤波器，为了降 低成本，通常采用高通滤波器滤除谐波，高通滤波器对所有的高次谐波阻 抗均较小，可以将某一频率以上的谐波滤除。高通滤波器又称减幅滤波器， 可分为7 1 8 】：一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和c 型 高通滤波器，如图2 3 所示。 r l c 2 r l r a ) 一阶b ) 二阶c)三阶d)c型 图2 - - 3 各种型式的高通滤波器 f i g 2 - 3v a r i o u st y p e so fh i g h p a s sf i l t e r 一阶高通滤波器需要电容较大、基波损耗太大，一般不采用；二阶高 通滤波器基波损耗小，滤波性能好，结构简单，因此工程上应用最为广泛： 三阶高通滤波器基波损耗最小，但特性不如二阶高通滤波器，因此用的也 不多；c 型高通滤波器性能介于二阶高通滤波器和三阶高通滤波器中间， c 。与l 调谐在基波频率上，使基波电流不通过电阻r ，因此可以大大降低 基波损耗，c 型高通滤波器也较常用。其缺点是工作时间长后，电容、电 感参数变化导致调谐频率偏移，基波损耗将明显增大【7 1 。 2 1 3 无源电力滤波器评价 1 无源滤波器优点 ： ( 1 ) 结构简单、成本低，在吸收谐波基础上还可以补偿无功、改善功率 因数。 ( 2 ) 维护方便、技术设计、制造经验成熟。因此，p p f 是目前采用最为 广泛的谐波抑制手段【3 8 1 。 2 无源滤波器缺点 ( 1 ) 谐振频率依赖于元件参数，因此只能对主要谐波进行滤波，l 、c 参 数的漂移将导致滤波性能改变，使滤波性能不稳定【3 乒3 引。 工r h 工 g - 西大掌碛士掌位论文电力秉统谐波a 其抑制技术的研究 ( 2 ) 滤波特性依赖于电网参数，而电网的阻抗和谐振频率随着电力系统 的运行工况随时改变，因而l c 网络设计较困难【2 5 j 。 ( 3 ) 在特定频率下，电源阻抗和l c 滤波器之间可能会发生并联谐振， 使该频率的谐波电流被放大，电网供电质量下降。 ( 4 ) 在特定频率下，电源阻抗和l c 滤波器之间可能会发生串联谐振， 使电源侧某次谐波电压向l c 滤波器注入很大谐波电流。 ( 5 ) 当接在电网中的其它谐波源未采取滤波措施时，其谐波电流可能流 入该滤波器，造成过载【7 2 5 1 。 ( 6 ) 有色金属消耗多，体积大。 2 2 有源电力滤波器 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 ) 是一类重要的电力电子在电力 系统中应用的装置，能对频率和幅值都变化的谐波进行动态跟踪补偿，且补偿特 性不受系统阻抗的影响。和传统的无源电力滤波器相比，是一种很有前途的消除 或抑制负载或电网谐波手段。 2 2 1 有源电力滤波器基本原理 图2 - 4 为最基本的有源电力滤波器系统构成的原理图。 图2 - 4 并联型有源电力滤波器系统构成 f i g 2 - 4c o m p o s i t i o no fp a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e m 系统主要有两大部分组成【”】，即指令电流运算电路和补偿电流发生电路( 由 电流跟踪控制电路、驱动电路、和主电路三个部分组成) 。其中，指令电流运算 电路的主要功能是检测出补偿对象电流中的谐波电流分量，即所谓得谐波检测电 圈 广西大学礓士掌位论文电力系统胡 波及其抑制技术的研究 路。补偿电流发生电路的作用是根据指令电流运算电路得出的补偿电流的指令信 号，产生实际的补偿电流。补偿电流与负载电流中要卒 偿的谐波电流相抵消，最 终得到期望的电源电流。主电路目前均采用p w m 变流器。 2 2 2 有源电力滤波器拓扑分类 图2 5 有源电力滤波器拓扑分类 f i g 2 - 5t o p o l o g i cc a t e g o r yo fa c t i v ep o w e rf i l t e r 1 直流a p f 和交流a p f 根据应用场合不同，a p f 可以分为直流a p f 和交流a p f 两大类。直流a p f 主 要用来消除高压直流输电系统换流站直流侧的谐波，其研究较少，应用也较少。 交流a p f 主要用于交流电力系统，是目前研究主要对纠“1 8 1 。 2 电压型a p f 和电流型a p f 根据交流器中直流侧储能元件不同，可以分为电压型a p f ( 储能元件为电容) 和电流型a p f ( 储能元件为电感) 。由于体积和造价等原因，实际中绝大多数采 用电压型a p f 。根据日本电气学会的调查结果，两者在实际应用中所占比例是电 压型a p f 9 3 5 ，电流型a p f 6 5 蜊”。随着超导储能磁体研究的进展，超导储能 磁体实用化和低成本，电流型a p f 应用会增多。 3 并联型a p f 和串联型a p f 根据接入电网方式，可以分为并联型a p f 和串联型a p f 7 1 甜。并联型a p f 并 联接入电网，相当于一个受控电流源，消除电流型负载的谐波。并联型a p f 最大 优点是安装、调试、维修、保护方便，负载甚至不用断电就可将a p f 安装投入运 行，所以工业上投入运行并联型a p f 占多数。但由于a p f 是和被补偿谐波负载并 联在电网上，须承受电网基波电压，这使其逆变器容量很大，成本很高，这是并 g - 西大掌司【士掌位论文电力囊筑诣波反其抑制技术的研究 联型a p f 最大缺点。串联型a p f 经过耦合变压器串联接入电网，相当于一个受控 电压源。