（电力电子与电力传动专业论文）混合式谐波与闪变综合抑制技术的研究.pdf

东南大学博士学位论文 电流源复合控制策略的控制性能最好，所以确定为混合式综合抑制装置推荐的控制策略。文章同 时在对有源滤波装置的p w m 控制策略进行总结的基础上，提出了一种基于电流滞环比较的优化空 间电压矢量p w m 控制策略。经过仿真分析，文章所提的控制策略能够达到较为理想的控制效果。 第五章对混合式谐波与闪变综合抑制装置的试验样机的设计进行了研究。文章首先分析了无 源滤波器的设计方法，并对有源滤波装置的器件选择进行了说明，在此基础上提出了样机的整体 设计方案。文章利用d s p 和f p g a 及其它外围芯片设计了混合式综合抑制装置的测控单元，对该 测控单元的硬件电路和软件流程进行详细的说明。最后通过试验对文章所提出的主电路结构、检 测算法和控制策略进行了验证。 第六章对本文开展的工作进行总结，并对需进一步开展的工作以及研究方向进行了展望。 【关键词】：混合式谐波与闪变综合抑制，功能切换判据，优化f b d 法，电流源控制策略，基于滞 环比较的空间矢量p w m a b s t r a c t h a r m o n i ca n df l i c k e rs u p p r e s s i o nb e c o m e sm o r ei m p o r t a n tf i e l dw h i c hi si n v o l v e di nt h ep o w e r e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , p o w e rs y s t e m , e l e c t r i c a la u t o m a t i o nt e c h n o l o g ya n do t h e rf i e l d s w i t hf a s t d e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , a p p l i c a t i o n so fa l lk i n d so fp o w e re l e c t r o n i c sd e v i c e si n m a n yf i e l d sh a v eb e c o m em 0 1 ea n dm o r ew i d e t h en o n l i n e a r , i m p a c ta n di m b a l a n c eo fl o a d si ns y s t e m m a k eh a r m o n i ca n dr e a c t i v ep o w e r sv a r yf a s t ，w h i c hl e a dt ov o l t a g ef l u c t u a t i o no rf l i c k e r p a s s i v ep o w e r f i l t e rh a st r a d i t i o n a l l yb e e nu s e dt oc o m p e n s a t eh a r m o n i c s a n dr e a c t i v ep o w e rg e n e r a t e db yl a r g e i n d u s t r i a ll o a d s b u tt h ec o m p e n s a t i o np e r f o r m a n c em o s t l yd e p e n d so ns y s t e mp a r a m e t e r s ，a n dt h e r ea r e s o m ed i s a d v a n t a g e sh a r dt oo v e r c o m e ；w h i l ea c t i v ep o w e rf i l t e rc a n tb ew i d e l ya p p l i e db e c a u s eo fi t s h i g hc o s t t h ee q u i p m e n to fh y b r i dh a r m o n i ca n df l i c k e ri n t e g r a t e ds u p p r e s s i o n ( e h h f ) i san o v e ld e v i c e t oe l i m i n a t eh a r m o n i c sa n ds u p p r e s sv o l t a g ef l u c t u a t i o nd y n a m i c a l l yt h o u g ht h eh a r m o n i c so rr e a c t i v e p o w e r sv a r yi na m p l i t u d e sa n df r e q u e n c i e s i tg e t so v e rt h ed i s a d v a n t a g eo ft h ep a s s i v ef i l t e ra n dt h y r i s t o r s w i t c h e dc a p a c i t o rw h i c hi su s e dc o n v e n t i o n a l l y t h ee l e c t r o n i cs y s t e mi se x c e l l e n tw h i c hh a ss e v e r a l f u n c t i o n s t h ep a p e rc o n t a i n ss i xc h a p t e r s c h a p t e ro n ei n t r o d u c e ss i g n i f i c a n c ea n dm a i n l yc o n t e n t so ft h et o p i c f i r s t l y , t h er e a s o no f h a r m o n i ca n df l i c k e ri si n t r o d u c e d ，a n dt h ec l a s s i f i e ds t a n d a r da n dt h eh a r ma n dt h et r e a t i n gm e a s u r e m e n t o ft h eh a r m o n i ca n df l i c k e ra r es u m m a r i z e di nt h i sc h a p t e r t h e n ，t h ep a p e ra n a l y s e st h i st o p i cr e s e a r c h s b a c k g r o u n da n dt h er e s e a r c hs i g n i f i c a n c e ，s i m u l t a n e o u s l yi n t r o d u c e ss o m em e t h o d sw h i c ha r e c o n v e n t i o n a l l yu s e dt oe l i m i n a t eh a r m o n i c sa n ds u p p r e s sv o l t a g ef l u c t u a t i o n i ti sa l s op r e s e n t e dt h e t e c h n o l o g yo fh y b r i dh a r m o n i ca n df l i c k e ri n t e g r a t e ds u p p r e s s i o n l a s t l y , m a i n l yc o n t e n t so ft h ep a p e ra r e p r e s e n t e d c h a p t e rt w of o c a l l yd i s c u s s e se h h ft o p o l o g i c a ls t r u c t u r ea n di t sw o r k i n gp r i n c i p l e f i r s t l y , t h e t o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo ft r a d i t i o n a lh y b r i dp o w e rf i l t e ri ss u m m a r i z e d t h e n ，t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r e sa n d w o r k i n gp r i n c i p l eo fe h h fa r ea n a l y z e d t h et o p o l o g i c a ls t r u c t u r ei sm a i n l yb a s e do nh y b r i dp a r a l l e l a c t i v ep o w e rf i l t e rw h i c hi si np a r a l l e lw i t has m a l li n d u c t a n c eb yc o u p l i n gt r a n s f o r m e r , t h e ni ns e r i e sw i t h p a s s i v ep o w e rn e t , w h i c hi sc o n s i s t e di np a s s i v ep o w e rf i l t e ra n dt h y r i s t o rs w i t c h e df i l t e r p a p e ra n a l y z e s t h es t r u c t u r ea n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h y r i s t o rs w i t c h e df i l t e ri nd e t a i l t h ec o n d i t i o no fc h a n g i n g e h h f sf u n c t i o n si sp r e s e n t e d l a s t l y , t h es i m u l a t i o nr e s u l tv e r i f i e st h i sc o n d i t i o n c h a p t e rt h r e ec a r r i e so nt h er e s e a r c ho fa ni n s t a n td e t e c t i n gm e t h o do fe h h f f i r s t l y , t h et r a d i t i o n a l i p i qm e t h o db a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v et h e o r ya n dt h ef b dm e t h o db a s e do nf r y z ep o w e rt h e o r y l i i 銮塑奎堂堡圭兰垡丝奎 a r er e s p e c t i v e l ya n a l y z e d s e c o n d l y , t h ee r r o ro ff b dm e t h o di sa n a l y z e di nd e t a i l ，a n db a s e do nt h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e ni p i qm e t h o da n df b dm e t h o d ，an o v e li m p r o v e df b dm e t h o di sp r e s e n t e d i t e f f e c t i v e l yi m p r o v e st h er e a l - t i m ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mb ym o d i f i e df i l t e r sa n df e e d b a c k s i m u l a t i o n r e s u l t sv e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h ep r e s e n t e ds c h e m e c h a p t e rf o u ri sa b o u tt h er e s e a r c hw o r k0 1 1c o n t r o ls t r a t e g yo fe h h f f i r s t l y , w o r k i n gp r i n c i p l eo f c u r r e n ts o u r c ec o n t r o ls t r a t e g yi s a n a l y z e d a sc o m p l e xc o n t r o ls t r a t e g yh a st h eb e s tc o m p e n s a t i o n p e r f o r m a n c e ，i ti sa p p l i e dt ot h ei n t e g r a t e dd e v i c e s e c o n d l y , b a s e do nt h es u m m a r i z a t i o no ft h ep w m c o n t r o ls t r a t e g yo ft r a d i t i o n a l l ya c t i v ep o w e rf i l t e r , t h ei m p r o v e ds p a c ev e c t o rp u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ( s w w m ) c u r r e n tc o n t r o lm e t h o db a s e do nh y s t e r e s i sl o o pc o m p a r i s o ni sp r e s e n t e da n da p p l i e dt ot h e i n t e g r a t e dd e v i c e l a s t l y , t h ec o n t r o ls t r a t e g yo fe h h fi sv e r i f i e db yt h es i m u l a t i o nr e s u l t , a n ds i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h a tt h et h e o r e t i c a la n a l y s i si sc o r r e c t , t h ed e v i c ec a nw o r k r e l i a b l y c h a p t e rf i v em a i n l yi n t r o d u c e st h ee x p e r i m e n td e v i c eo fe h h fd e s i g n f i r s t l y , p a p e ri l l u m i n a t e s t h ep r o c e s so fp a s s i v ef i l t e rn e td e s i g n ，t h ec o m p o n e n to fa c t i v ep o w e rf i l t e rs e l e c t i o n ，a n dt h ei n t e g r a t i v e d e s i g no fe h h et h e n ，t h em e a s u r e m e n ta n dc o n t r o lu n i to fe h h fi sd e s i g n e d , w h i c hi sb a s e do nt h ed s p p l a t f o r m l a s t l y , e h h f sw o r k i n gc h a r a c t e r i s t i c sh a sb e e np r o v e dt h r o u g hv a r i o u sk i n d so fe x p e r i m e n t s c h a p t e rs i xs r m m a r i z e st h er e s e a r c hw o r ko ft h ee h h f f , a n dl o o k sf o r w a r dt ot h ef u r t h e rr e s e a r c h d i r e c t i o n k e y w o r d s ：h y b r i dh a r m o n i ca n df l i c k e ri n t e g r a t e ds u p p r e s s i o n ，t h ec o n d i t i o n so fc h a n g i n ge h h f s f u n c t i o n s ，i m p r o v e df b d m e t h o d ，c u r r e n ts o u r c ec o n t r o ls t r a t e g y , s v p w mc u r r e n tc o n t r o lm e t h o db a s e d o nh y s t e r e s i sl o o pc o m p a r i s o n i v 图表说明 文章插图的说明 图i 一1某电焊生产线工作电流的数值及波形5 图2 1a p f 与p f 并联的混合式滤波装置示意图1 0 图2 2并联谐振注入式混合滤波装置示意图一1 0 图2 - - 3串联谐振注入式混合滤波装置示意图1 0 图2 4 a p f 与p f 串联的混合式滤波装置示意图i i 图2 - - 5两类混合式滤波装置的统一分析模型1 2 图2 6混合式谐波与闪变综合抑制装置主电路1 3 图2 7晶闸管投切滤波器的原理图1 4 图2 8 t s f 等效分析电路1 5 图2 9 晶闸管过零触发电路示意图1 7 图2 1 0 无功突变判定方法示意图1 9 图2 一i i 模糊控制原理示意图1 9 图2 1 2 输入量和输出量的隶属度函数2 l 图2 1 3 功能切换判定流程2 1 图2 1 4 闪变抑制的仿真结果2 3 图3 一i采用低通或带通滤波器的电流检测方法2 4 图3 2自适应噪声消除技术原理2 5 图3 3 a b 坐标系中的电压、电流矢量2 7 图3 4 易一电流检测法原理结构图2 8 图3 5 基于易一法电流检测算法的仿真结果3 1 图3 6f b d 法n 相电路等效图3 3 图3 7f b d 法电流检测原理图3 4 图3 8 f b d 电流检测算法的仿真结果3 8 图3 9综合抑制装置运行的等效模型4 0 图3 1 0 陷波器特性曲线4 2 图3 1 1 低通滤波器特性曲线k 4 3 图3 一1 2 新型检测滤波器特性曲线4 4 图3 1 3f b d 法中引入反馈环节4 4 图3 1 4 优化f b d 算法的原理图4 7 图3 一1 5 优化f b d 检测算法的仿真效果4 9 图3 1 6a 相电流波形5 0 图3 1 7 改进滤波器前后检测电流波形比较5 0 图3 1 8 传统f b d 算法和优化f b d 算法的动态特性5 1 图4 一l电压源控制策略的原理5 2 图4 2综合装置等效电路图5 5 图4 3闭环控制策略的等效电路5 5 图4 4开环控制策略的等效电路5 7 图4 5复合控制策略的等效电路5 9 图4 6 闭环控制方式的补偿特性图6 1 图4 7 k s - - - - 0 时闭环控制方式的抑制谐振特性图6 2 图4 8 k s = 3 时闭环控制方式的抑制谐振特性图6 2 图4 9开环控制方式的补偿特性图6 4 图4 1 0k l = 1 时开环控制方式的抑制谐振特性图6 4 图4 一l l 复合控制方式的补偿特性图6 5 i 东南大学博士学位论文 图4 1 2 电流源复合控制方式的抑制谐振特性图6 6 图4 1 3 有源滤波装置主电路6 8 图4 一1 4 三维空间电压矢量分布图7 0 图4 一1 5 电流调节方案框图7 1 图4 一1 6 对称负载下的等效主电路拓扑结构7 3 图4 一1 7 负载a 相电流和中线电流波形7 5 图4 1 8 系统a 相电流和a 相桥臂电流波形7 5 图4 一1 9 补偿后系统中线电流波形7 5 图4 2 0 有源滤波装置( a p f ) 试验结果7 6 图4 2 l 负载电流的波形及频谱7 7 图4 2 2 仅投入无源滤波装置时的仿真波形7 8 图4 2 3 电流源开环控制l 弘l 时的仿真波形7 8 图4 2 4 电流源闭环控制k s = 5 时的仿真波形7 9 图4 2 5 电流源闭环控制k s = 1 0 时的仿真波形8 0 图4 2 6 电流源复合控制斑产1 、璐= 5 时的仿真波形8 0 图4 2 7 电流源复合控制k l = i 、k s = 1 0 时的仿真波形8 l 图4 2 8 混合式谐波与闪变综合抑制装置的容量仿真分析结果8 2 图5 1 混合式谐波与闪变综合抑制装置结构示意图8 3 图5 2无源滤波网络的仿真效果8 6 图5 3无源滤波网络的频率扫描结果8 7 图5 4电流滞环控制示意图8 8 图5 5正弦电流波形的局部示意图8 8 图5 6 混合式谐波与闪变综合抑制装置设计图9 1 图5 7混合式谐波与闪变综合抑制装置测控单元的框图9 2 图5 8d s p 微处理系统框图9 3 图5 9f p g a 的功能框图9 4 图5 一1 0i g b t 控制信号逻辑框图9 5 图5 一1 1 霍尔电流、电压传感器的接线图9 5 图5 1 2 过零检测与交流信号保护电路9 6 图5 一1 3 测控程序主程序流程9 8 图5 1 4 装置上电控制程序流程1 0 0 图5 一1 5 谐波与闪变综合抑制控制程序流程1 0 2 图5 一1 6 保护控制程序流程1 0 2 图5 一1 7 负载侧电流的电压与电流和负载电流的畸变率1 0 3 图5 一1 8 采用无源滤波后系统侧电流的电压与电流和负载电流的畸变率1 0 3 图5 一1 9 采用混合式装置滤波后系统侧电流的电压与电流和负载电流的畸变率1 0 4 图5 2 0 混合式装置的a 相输出支路的波形1 0 4 图5 - - 2 1 补偿前的电压电流波形和功率因数1 0 4 图5 - - 2 2 补偿后的电压电流波形和功率因数1 0 5 图5 - - 2 3 补偿前、后的电流畸变率1 0 5 图5 - - 2 4d s p 检测的负载电流和基波有功电流计算结果1 0 5 图5 - - 2 5d s p 计算的参考指令电流和实际的输出电流1 0 6 图5 2 6 混合式装置的实物图1 0 6 i i 图表说明 文章表格的说明 表2 一l 闪变判定模糊推理关系2 0 表4 一l 四桥臂变流器开关函数及电压组合6 9 表4 2 三相不对称负载系统的电压矢量选择表7 2 表4 3 对称负载下的空间电压矢量选择表7 3 表4 4 对称负载时变流器开关状态及相应的各电压值7 3 表4 5 负载电流各次谐波含量7 7 表4 6 仅投入无源滤波装置时负载电流和系统侧电流各次谐波含量7 8 表4 - - 7 电流源开环控制k l = l 时负载电流和系统侧电流各次谐波含量7 9 表4 8 电流源闭环控制k s = 5 时负载电流和系统侧电流各次谐波含量7 9 表4 9 电流源闭环控制k s = 1 0 时负载电流和系统侧电流各次谐波含量8 0 表4 1 0 电流源复合控制l l 、k s = 5 时负载电流和系统侧电流各次谐波含量8 1 表4 一l l 电流源复合控制k l = 1 、k s = 1 0 时负载电流和系统侧电流各次谐波含量8 l 表5 一l 负载电流的数据8 6 表5 2 无源滤波器参数8 6 i l l 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，论文中不包含其他人已经 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而 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做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：日期： 关于学位论文使用授权的说明 平j 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。 签名：埠导师签名：j 鎏雠 【 一 第一章绪论 第一章绪论 近年来，电网中整流器，变频调速装置，电弧炉，电气化铁路以及各种电力电子设备不断增加， 而这些负荷的非线性、冲击性和不平衡的用电特性使得电网中的电流和电压发生畸变，对公用电网是 一种严重的污染，谐波问题变得日益严重【l 】【2 】。谐波使公用电网中的元件产生附加的功率损耗，降低 发电、输电及用电设备的效率：影响各种电气设备的正常工作甚至直接损坏电气设备；导致继电保 护和自动控制装置的误动或拒动，使电气测量仪表的计量不准确；对邻近的通信系统产生干扰，降 低通信质量；引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，造成严重的危害p j 。 特别是冲击性、非线性负荷的大量增加，如大量使用的各种晶闸管整流电源、电弧炉和变频调速装 置等，这些典型的非线性负荷从电网吸收或注入谐波电流，从而导致电网的功率因数降低、电网电 压波形发生畸变、电压波动与闪变和三相不平衡等电能质量问题【4 】。因此电网中的谐波与闪变等电 能质量问题得到了广泛的关注。 1 1 谐波补偿与闪变抑制技术的研究现状及发展趋势 现代电子事业的发展和各种非线性器件的普遍使用，使得用电设备和电网之间存在着大量的谐 波畸变功率交换，降低了功率因数。同时，基波无功电流也占用电网容量，使电网的供电能力下 降，供电品质降低。而谐波使电能的生产、传输和利用效率下降，电网损耗增加，并由于零序谐波 在中性线上叠加，使得中性线电流过大，容易引发中性线断线等故障，影响电网安全稳定运行1 5 。 另外大多数谐波源的功率因数偏低，也给电网带来了额外的负担，并且影响供电质量。随着社会经 济的飞速发展，电网的负荷也在急剧加大，特别是冲击性、非线性负荷的大量增加，如钢铁企业等 大量使用的各种晶闸管整流电源、电弧炉和变频调速装置等【6 】【7 1 ，这些典型的非线性负荷从电网吸 收或注入谐波电流，从而导致电网的功率冈数降低、电网电压波形发生畸变、电压波动与闪变和三 相不平衡等电能质量问题。因此对于谐波和闪变等电能质量的治理得到了广泛的关注。 虽然目前很多研究已经对电网的谐波污染进行了分析并提出了谐波治理的一些措施，但是有关 谐波对功率冈数的影响分析和对谐波网损的计算分析还较少【8 儿引。在实际研究过程中发现，通常电 压的波形畸变都很小，而电流波形的畸变一般都很大。因此，在不考虑电压畸变，只考虑谐波电流 的情况下，视在功率为： 其中：d 2 = u 2 e n = 2 由于电流的谐波的总畸变率为： 删r d f =阿 i i1 1 ( 1 2 ) 故式“一1 ) 可改写为：名= 1c o s 仍i - - 了考雩嚣孑 q 一3 ， 可见，线路的功率因数不仅与基波电压、电流之间的相位差余弦有关，还与电流的谐波畸变率 有关。有谐波就必然会产生畸变功率，功率因数就要降低。但目前人们对于畸变功率的危害却认识 2 鲲 屯 q一， + ： n p r o p s 2 ： = s 名 ，j、l 东南大学博士学位论文 不足，畸变功率本质上也是在供电和用电之间形成能量的往返传输，但它使瞬时导通电流密度增 加、占用系统设备容量、产生高频加热损失、降低电源效率甚至引起供电设备损坏等危害，可见因 它使功率因数下降造成的损失往往比传统无功损失更大。由此可见，对电网进行谐波治理，降低畸 变功率对于提高电网的功率因数也许比补偿无功提高功率因数的效果更加明显。 同时，谐波电流在电网中流过时，与同频谐波电压产生谐波功率。谐波功率无任何效益，只是 以发热的形式在传输过程中各环节及用电设备中消耗掉。所以谐波功率实质上就是因谐波而产生的 线损一谐波网损。在一些配电网中的谐波网损占总网损的6 左右【l o 】，有些高达7 5 8 ，显著的提 高了线损率，不利于电网的经济运行，所以应当采取措施抑制谐波以实现节能。另外，由于零序谐 波在中性线上叠加造成中性线电流过大的缘故，中性线的线损最低也为2 9 9 ，最高竟达到了 9 9 9 。这不但增加了网损，还极易引起中性线断线故障。可见，谐波在电网中流动不但增大了网 损和供电成本，降低了电能利用率。还可能引起各种故障，影响电网的安全稳定运行。综合前面的 分析可知，治理谐波对于提高系统功率因数，降低网损等方面意义重大。同时闪变的发生也会造成 很多严重的后果，因此必须要对谐波和闪变进行抑制。 1 1 1 传统的谐波补偿与闪变抑制技术 为了补偿无功电流、改善供电质量来实现功率因数的提高从而实现节能降耗，可以采用电力滤 波装置就近吸收谐波源所产生的谐波电流，从而对谐波污染进行抑制。通常采用由电力电容器、电 抗器和电阻器适当组合雨成的无源滤波装置进行滤波。由于无源滤波器是通过在系统中为谐波提供 一个并联低阻通路，以起到滤波作用，其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定的，因而存在 以下缺点f 1 】： ( 1 ) 滤波特性受系统参数的影响较大； ( 2 ) 只能消除特定的几次谐波，而对某些次谐波甚至会产生放大作用； ( 3 ) 滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调； ( 4 ) 谐波电流增大时，滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过负荷： ( 5 ) 电容器参数随着介质老化容易发生变化，出现失谐现象，使滤波效果变差； ( 6 ) 有效材料消耗多，体积大。 而由于无源滤波器具有结构简单、设备投资较少、运行费用较低等优点，目前我国使用较多的 则是这类无源滤波器。 由于无源滤波具有以上缺点，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。早在2 0 世纪7 0 年代初期，国外学者就提出了有源电力滤波器( a c t i v ep o w e rf i l t e r , a p f ) 的 概念0 2 j ”】，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目的。1 9 7 6 年美国西屋电气公司提出利 用大功率晶体管组成的p w m 逆变器构成a p f 消除电网谐波。由于受到当时功率半导体器件水平的 限制，a p f 的研制一直处在试验研究阶段。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( 如g t r ，g t o ，i g b t 等) 的不断进步，以及对非正弦条件下无功功率补偿理论 的深入研究，特别是瞬时无功理论的提出，为a p f 的实用化提供了必要的条件【j4 1 。目前国外的 a p f 已进入实用阶段，比如日本已有5 0 0 多台有源滤波器应用于工业领域，而由于多方面的条件限 制，虽然我国在这方面理论上取得了一定进展，但至今几乎没有有源电力滤波器正式产品应用于实 际工程。 钢铁等企业用于冶炼的电弧炉等设备由于其较大的无功电流变化会使得供电系统的电压产生波 动，从而导致电压闪变。人们通常采用晶闸管控制的电抗器与晶闸管投切的电容器构成的静止无功 补偿装置( s v c ) 作为由电弧炉引起的电压闪变的抑制装置，s v c 用作提供无功功率之用。由于晶闸 管只能在电流过零时自然关断，受其开断特性的影响，使得s v c 在随负荷快速波动而改变其输出无 功功率方面受到限制。 2 第一章绪论 为了提高无功补偿装置的性能以抑制闪变，一种采用自换相变流电路的新型静止无功补偿装置 ( s v g ) 成为研究的热点。伴随着大功率门极可关断晶闸管( g t o ) 的出现，s v g 也得到了发展 并进入实用阶段。将s v g 桥式电路通过电抗器并联在电网上，适当地调节桥式电路交流侧输出电 压的相位和幅值，或者直接控制其交流侧电流，就可以使该电路吸收或发出满足要求的无功电流， 实现动态无功补偿的目的。日本已于1 9 9 1 年开发出8 0 m v a r 的s v g 装置并投入实用，美国电力 研究院( e p ) 目前与西屋公司共同开发了1 0 0 m v a r 的s v g 装置。在国内，在s v g 的系统分析 与设计方面，至今还没有较全面的研究成果。 根据以上的分析可知无论是谐波还是闪变( 无功) ，从物理本质上看，都可以归结为波形的问 题。谐波是工频正弦波畸变，无功是电压电流波形相位不同。正是由于这种物理本质的统一性，可 以对电力系统中的谐波和无功进行综合补偿。补偿谐波及无功的传统方法是设置无源滤波器 ( p a s s i v ep o w e rf i l t e r , p f ) ，它存在着一些缺点：电源及线路的阻抗会影响补偿特性；电源端的阻抗 和无源滤波器会产生谐振，导致某些谐波放大；只能补偿一定频率的谐波。目前谐波抑制和无功补 偿的一个重要趋势就是采用有源电力滤波器( a p f ) 。其基本原理是通过检测方法获取补偿对象中 的谐波与无功电流的指令信号，由这个指令信号来驱动有源滤波器的p w m 主电路产生一个与该指 令电流大小相等而相位相反的补偿电流，从而使电网电流只含有基波有功电流分量，以达到谐波抑 制和无功补偿的目的。考虑到a p f 如果容量大则成本高，可采用将a p f 与p f 结合起来混合使用。 由两者构成的混合型有源电力滤波器取两者之长，补两者之短，既克服了a p f 容量大、成本高的 缺点，又可使整个系统获得良好的性能【l 5 j 【l6 1 。 1 1 2 社会经济的发展对谐波与闪变抑制技术提出更高的要求 我国电力工业二十多年来持续快速发展，近年来，城网和农网的建设改造已取得了很大的成 果，电能质量、供电可靠性、自动化程度和管理水平亦有相应提高。随着电力需求矛盾的逐步缓 解，国家金融、高新技术和经济的快速发展、人民生活水平不断提高，电力用户对供电质量和供电 可靠性提出了比传统机电产品更新、更高的要求。自二十世纪八十年代后期以来，电能质量问题及 其解决途径越来越引起国内外专家、学者、电力科研人员、供电部门和电力用户以及企业领导的密 切关注。目前，各国专家、学者正致力于通过系统的方法解决此类问题，而不是将它们看作是单 个、独立的问题进行研究。世界许多国家都发布了限制电网谐波及闪变的国家标准，或由权威机构 制定限制谐波的规定i l 【i 引，比如i e c 1 0 0 0 3 2 、i e e e 一5 1 9 1 9 9 9 、i e c l 0 0 0 3 3 及i e c l 0 0 0 3 5 和 i e c l 0 0 0 3 7 等标准。我国也制定了中华人民共和国国家标准【l9 】【2 0 g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电 网谐波和g b l 2 3 6 9 0 电压允许波动和闪变。 随着节能概念得到全社会的认可，电力系统优化供电质量，采用集中补偿和分散补偿相结合的 方式对电网中的谐波及闪变进行抑制，进行无功优化，提高用电设备的功率因数，以降低线损，实 现节能，并可以实现供电系统的安全稳定运行。 同时随着科学技术及社会文明的不断进步和发展，尤其是以信息技术为先导的知识经济时代的 到来，越来越多的生产设备( 如数控机床、高精度测量仪器和计算机控制系统等) ，以对电能质量 十分敏感的计算机或微处理器、电力电子器件等为核心，对电能质量提出了更高的要求。因此社会 经济的迅速发展要求我们必须提出成熟完善的电网谐波与闪变综合抑制的技术。 1 1 3当前抑制谐波与闪变过程中存在的问题 ( 1 ) 大部分采用技术落后的补偿装置 由于我国电力电子装置目前尚不成熟，以及成本等各方面的原因，大部分使用一些技术落后的 补偿装置，如无源滤波器和基于晶闸管的静止型无功补偿装置等，无源滤波器的参数较难设计，若 设计不当，反而会使谐波电流产生谐振放大，而基于晶闸管的静止型无功补偿装置在系统电压降低 3 东南大学博士学位论文 的情况下，其补偿能力也将跟着下降，并且晶闸管只能在电流过零时自然关断，作为抑制电压闪变 装置其效果不够理