（材料加工工程专业论文）材料电加工设备谐波抑制技术研究.pdf

摘要 随着电力电子技术的迅速发展，大量新型电力电子设备在材料电加工行 业获得了广泛应用，给电网带来了严重的谐波污染，引起一系列用电质量问 题，严重地危害了电网的安全可靠运行。同时谐波的存在限制了功率因数的 进一步提高，造成用电效率低下和电网容量的巨大浪费。随着人们对电网谐 波污染问题认识不断加深，以及相关谐波限制标准的出台，解决电力电子装 霞应用中带来的谐波污染问题势在必行。 材料电加工设备主要有两种，种是可控硅控制的调压设备，这类设备 的电路结构形式是桥式整流后接电感滤波，主要以电流源的方式向电网注入 谐波。另外种是各种逆变电源，这种设备在桥式整流后接大电容滤波，主 要以电压源的方式向电网注入谐波。近年来逆变电源的应用越来越广泛，解 决逆变电源的谐波问题具有很大的现实意义。 解决谐波问题主要有两种方法，即补偿的方法和校正的方法。补偿的方 法是通过装设谐波补偿装置来补偿谐波，例如有源电力滤波器( a c t i v ep o w e r f i l t e r ) 。校正的方法是对设备本身进行改造，使其不产生谐波，例如功率因数 校正技术( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 。谐波源类型的不同，采用的谐波抑制的 方法和效果也不同。从理论上讲，校正的方法需要对所有转换的能量进行转 换处理，采用补偿的方法具有更高的效率，也可以对多个谐波源集中进行补 偿，因此采用补偿方法是解决谐波问题更为理想的一种方式。 第二章对材料电加工设备的两种主要类型的谐波源进行了理论分析，给 出了电路参数和输入侧性能之间的关系，从而有利于在实际电路设计中，综 合考虑输入侧性能和输出性能基础上选择电路参数。对材料电加工设备中负 载波动时的谐波特点进行了一定的分析。对谐波源类型和不同谐波补偿方法 的谐波抑制效果进行了分析，为谐波抑制方法的选择提供了指导。 第三章介绍了谐波检测方法中的几种功率理论，在对瞬时无功功率理论 进行频率分析的基础上，提出了谐波的闭环检测方法，介绍了闭环谐波检测 的设计方法，并通过d s p 加以实现。闭环检测的方法相比传统的方法具有较 北京工业大学工学博士学位论文 商的精度，适合于有源滤波器这种控制精度要求较高的场合。 第四章建立了三相电压型变流器的数学模型，解释了电压型变流器可以 川来进行谐波补偿的内在本质。对三种电流检测方式进行了分析，针对检测 电源电流控制方式出现的不稳定现象进行了校正设计。并联型有源滤波器直 流侧电压的控制直接关系到谐波抑制的效果和并联型有源滤波器的稳定运 行，对并联型有源滤波器直流侧的控制进行了深入分析，提出了直流侧电压 环的校正设计方法，并给出了仿真和实验结果。从并联型有源滤波器直流侧 电压环的调节原理出发，提出了基于能量平衡原理的并联型有源滤波器的控 制方法，这种方法只需检测两路电流信号和一路电压信号，使得并联型有源 滤波器的控制得以简化，并把这一原理推广到三相p w m 整流器的控制中，通 过仿真和实验对上面提出的两种方法进行了验证。 第五章分析了并联型有源滤波器在补偿逆变电源谐波时的稳定性问题。 对稳定性进行了分析，提出了使用l c l 滤波器和并联型有源滤波器来补偿逆 变电源谐波的方法。这种方法是解决逆变电源谐波问题的新思路，对于解决 当前由于逆变电源谐波造成的污染问题有较大的现实意义。有源滤波器的控 制中，电流控制环节是关键之一。对有源滤波器电流控制技术研究发现，数 字控制环节的固有延迟将会影响到系统的稳定性。从适合数字控制的角度， 以四阶参考模型为基础和引入最小拍控制思想，设计了p i 控制器参数和微分 引前校正装置，提高了电流跟踪的速度和精度。在有源滤波器控制中，电网 电压是一个周期性的干扰，通过引入扰动补偿，提高了电流跟踪的动态精度。 第六章介绍了有源滤波器控制系统的软、硬件设计。有源滤波器对控制 系统有较高的要求。本文以t m s 3 2 0 f 2 4 0 为核心，设计了有源滤波器的数字 控制系统，前端扩展了信号调理电路和高速a d 采样电路，后端扩展了高速 d a 。利用过零比较器和d s p 的捕捉端口实现了和电网电压的同步。此外扩展 了通信端口，1 2 c 串行e e p o m 等。基于所设计的硬件，设计了有源滤波器控 制系统所要求的所有软件，包括谐波检测、数字滤波、电流环的校正、电压 环的校正、p w m 、错误处理等。 第七章在前面研究分析的基础上，研制了实验样机。通过实验样机，对 基于能量平衡原理的p w m 整流器的控制、并联型有源滤波器补偿电流型谐波 和使用l c l 滤波器和并联型有源滤波器补偿逆变电源谐波进行了实验。实验 证明谐波抑制的效果。 关键词：谐波抑制；材料电加工；d s p 控制；有源滤波器；l c l 滤波器 i i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i c s ，e l e c t r i ce q u i p m e n t sh a v eb e e n w i d e l yu s e di nt h ef i e l do f m a t e r i a lm a n u f a c t u r e t o d a y d u et ot h e i rn o n l i n e a r i t y ，a 1 0 to fh a r m o n i cp o l l u t i o nh a sb e e n b r o u g h t t op o w e r s y s t e m sa n dr e s u l t si na s e r i e s o fp o w e rq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yp r o b l e m so f p o w e rs y s t e m a tt h es a m et i m e ，t h e h a r m o n i c se x i s t i n gi ni n p u tc u r r e n t ，g i v el i m i tt oa d v a n c et h ep o w e rf a c t o rf u r t h e r a n dr e s u l ti na 】o we f f i c i e n c y , w h i c hm e a n sa ne n o r m o u sw a s t eo fc a p a c i t yo f p o w e rs y s t e m i nl i t t l em o r e t h a nt e ny e a r s t h ee l e c t r i c i t yp o w e r q u a l i t yh a sg r o w n f r o mo b s c u r i t yt oam a j o ri s s u ea n dt h el i m i t sh a v eb e e np r o p o s e di nt h en e w i n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s ，s ot h es o l u t i o nt ot h ep r o b l e ma b o u th a r m o n i cp o l l u t i o ni s i m p e r a t i v eu n d e r t h es i t u a t i o ni nt h en e a rf u t u r e t h e r ea r cm a i n l yt w ot y p e so fe l e c t r i ce q u i p m e n t si nm a t e r i a lm a n u f a c t u r e 0 d eo ft h e mi st h o s ee q u i p m e n t su s es c rt or e g u l a t et h eo u t p u tv o l t a g e ，w h i c h i n p u tc i r c u i ti sa l li n d u c t o ra sf i l t e ra f t e rb r i d g es c r r e c t i f i e ra n di n j e c t sh a r m o n i c s a sac u r r e n ts o u r c e t h eo t h e r sa r ev 面o u si n v e r t e r s ，w h i c hi n p u tc i r c u i ti sa c a p a c i t o ra sf i l t e ra f t e rad i o d eb r i d g er e c t i f i e ra n di n j e c t sh a r m o n i c sa sav o l t a g e s o u r c e i nr e c e n ty e a r s ，t h ei n v e r t e r sa r cm o r ea n dm o r e p o p u l a r , s oi ti sm e a n i n g f u l ， t os o m ed e g r e e ，t os o l v et h eh a r m o n i cp o l l u t i o np r o b l e ma r i s e nb yt h eu s eo f i n v e r t e r s g e n e r a l l y , t h e r ea r em a i n l yt w ow a y st os o l v et h eh a r m o n i cp o l l u t i o n ，t h a ti s c o m p e n s a t i o nm e t h o do r c o r r e c t i o nm e t h o d t h ec o m p e n s a t i o nm e t h o di st o c o m p e n s a t e t h eh a r m o n i c s t h r o u g hc o m p e n s a t i o ne q u i p m e n t ，s u c h a sa c t i v ep o w e r f i l t e r t h ec o r r e c t i o nm e t h o di st oc h a n g et h ee q u i p m e n tn o tt oi n d u c eh a r m o n i c s ， s u c ha sp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n f o rd i f i e r e n th a r m o n i cs o u r c e sa n dw i t hd i f r e r e n t m e t h o d s t h ep e r f o n n a n c ei sq u i t ed i f i e r e n t t h ec o r r e c t i o nm e t h o dm u s td e a lw i m a 1 1e n e 堆yn e e d i n gt ot r a n s f e r b u tc o m p e n s a t i o nm e t h o dj u s td e a lw i t ha p a r to f a 1 1 e n e r g ya n di tc a l lb eu s e dt oc o m p e n s a t eag r o u po fl o a d t h e r e f o r e ，t h e o r e t i c a l l y ， c o m p e n s a t i o nm e t h o d i sm o r ei d e a lc o m p a r e dw i t hc o r r e c t i o no n e t h es e c o n dc h a p t e rg i v e sa l la n a l y s i st ot h et w ot y p e so fh a r m o n i cs o u r c e si n m a t e r i a le l e c t r i cm a n u f a c t u r e t h cr e l a l i o nb e t w e e nt h ei n p u tp e r f o r m a n c ea n dm e p a r a m e t e ro ft y p i c a lc i r c u i ti sg i v e nv i at h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o n t h e r e s u l t sc a nb eu s e da sar e f e r e n c et os e l e c tt h ep a r a m e t e ro n 也eb a l a n c eo fi n p u t a n do u t p u tp e r f o r m a n c e ， t h et h i r dc h a p t e rm a i n l yi n t r o d u c e saf e e d b a c kh a r m c l n i cd e t e c t i o nm e t h o d ， w h i c hi sb a s e do df r e q u e n c ya n a l y s i so fi r p ( i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e r i i i 北京工业大学工学博士学位论文 t h e o r y ) t h ed e s i g nm e t h o da n dd s pr e a l i z a t i o nt ot h i sm e t h o di sp 面i 磊 i _ 亍矗 e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h ef e e d b a c kd e t e e t k mi sm o r ea c c u r a t e t h a nt h ec o n v e n t i o n a lo p e n l o o po n e s ot h eh a r m o n i cf e e d b a c kd e t e c t i o nc a n m e e t t h eh i g hr e q u i r e m e n t o f a p f ( a c t i v e p o w e r f i l t e r ) c o n t r o ls y s t e m r h ef o r t h c h a p t e ra n a l y z e s t h em a t h e m a t i c a lm o d e io f 3 - p h a s ev s ia n d i n v e s t i g a t e t h ec u r r e n td e t e c t i o nm e t h o d sf o ra p f w h e nt h e s o u r c ec u r r e n t d e t e c t i o nm e t h o di sa d o p t e d ，t h e r em i g h tb ea nu n s t a b l ep h e n o m e n o n ac o r r e c t i o n m e t h o di sp r o p o s e dt os o l v et h eu n s t a b l ep r o b l e m t h ed cs i d ec o n t r o lo fa p f i m p o s e s t h ed i r e c te r i e c to nt h e p e r f o f i n a n c ea n d t h es t a b l er u n n i n go fa p f s y s t e m b a s e do ni n t e n s i v ea n a l y s i so f t h ed cc o n t r o lo f a p f lt h ec o r r e c t i o no f d c v o l t a g e l o o pi sp r o p o s e d ，a n d t h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t sa r es h o w n f r o mt h et h e o r yo f d c v o l t a g er e g u l a t i o n ，an o v e lc o n t r 0 1m e t l l o d ，b a s e do n 恤ea c t i v ep o w e rb a l a n c e t h e o r y ，i sp r o p o s e d ，o n l yt w oc u r r e n ts e n s o r sa n do n ev o l t a g es e n s o ra r en e e d e di n t h i sm e t h o d a tt h es a m et i m e ，t h i sm e t h o dc a nb eg e n e r m i z e dt ot h ec o n t r 0 1o f p w mr e c t i f i e r t h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t sv e r i f yt h em e t h o d p r o p o s e da b o v e i nt h ef i 鼢c h a p t e r ，r e s e a r c hh a sb e e nd o n eo nt h eu n s t a b l ep h e n o m e n o n w h i c ho c c u r si nt h ec o m p e n s a t i n gs y s t e mw h e r es h u n ta c t i v ep o w e rf i l t e r ( s a p f ) i su s e dt oc o m p e n s a t et h ei n p u tc u r r e n th a r m o n i c so fi n v e r t e r i ti sp o i n t e dt h a t 也es a p fi so ft h e p o t e n t i a l i n s t a b i l i t vi ft h ei n v e r t e rl o a d p r e s e n c e ss o m e c a p a c i t i v ei m p e d a n c e t h e n i no r d e rt o s o l v et 1 eu n s t a b l ep r o b l e m al c l p a s s i v e f i l t e ri sa d d e dt o c h a n g et h ec h a r a c t e r i s t i co fe q u i v a l e n ti m p e d a n c e so f i n v c r t e rf i n a l l y 也em e t h o di sv e r i f i e db yt e s t s i ts h o w st h i sm e t h o dc a ni m p r o v e s t a b i l i t ya n dg e tag o o dp e r f o r m a n c eo f h a r m o n i c ss u p p r e s s i o n t h ec u r r e n tc o n t r o l m e t h o di so n ek e yo fs a p fc o n t r o l ，t h e r em i g h tb eu n s t a b l ep h e n o m e n o nf o r s a p fc o n t r o li ft h ed e l a yo f d i g i t a lc o n t r o li sa c c o u n t e d a p ic o n t r o l l e rf o rd i g i t a l c o n t r o li sd e s i g n e d a n dp ip a r a m e t e r sa r ec o n d u c t e df r o ma4o r d e r sr e f e r e n c e m o d e la n dp r i n c i p l eo fd e a d b e a tc o n t r 0 1 ad i f i e r e n t i a ll e a d i n gc o r r e c t i o na n da i l i n t e r f e r i n gc o m p e n s a t i o na r ei n d u c e dt oc u r r e n tc o n ：t f o li o o p ，w h i c hi m p r o v et h e s t a b i l i t ya n d t h ea c c u r a c yo fc u r r e n tt r a c e t h es i x t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fc o n 打0 1 s y s t e mf o ra c t i v ep o w e r f i l t e r b e c a u s eo ft h eh i 吐r e q u i r e m e n to fa c t i v ep o w e r f i l t e r , ad i g i t a lc o n t r o ls y s t e mi sd e s i g n e db a s e do nt m $ 3 2 0 f 2 4 0d s p as i g n a l r e g u l a t o ra n d a h i g hd i g i t a ls a m p l ei ca r ee x t e n d e d t ot h ef r o n to fd s p a n da h i g h d ai se x t e n d e dt ot h eb a c ko fd s pt h ec r o s sz e r oc o m p a r a t o ra n dt h ec a p t u r ep o r t o fd s pi su s e dt ob ei np h a s ew i t hp o w e rv o l t a g e b e s i d e s ，ar $ 2 3 2p o r t ， 1 2 c e e p o ma n dr a ma r ee x t e n d e dt ot h ec o n t r o ls y s t e m ah i g hr e a l - t i m e s o f t w a r ei sd e s i g n e db a s e do nt h eh a r d w a r e w h i c hi n c l u d e sh a r m o n i cd e t e c t i o n ， d i g i t a lf i l t e r 、c u r r e n tc o r r e c t i o n ，v o l t a g ec o r r e c t i o n ，p w m ，e r r o rd i s p o s a la n d s oo n t h es e v e n t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h ep r o t o t y p ea n dt h et h r e et e s t s a r ed o n e w h i c ha r et h ep w mr e c t i f i e ra n da c t i v ep o w e rf i l t e rc o n t r o lb a s e do n t h ee n e r g yb a l a n c e a n dt h ei n v e r t e rh a r m o n i cc o m p e n s a t i o nw i t hl c l f i l t e ra n d s a p f t h ep r o p o s e dm e t h o d sa n dag o o dp e r f o r m a n c eo fh a r m o r i l em i t i g a t i o na r e v e r i f i e db yt h et e s t s ， k e yw o r d ：h a r m o n i cm i t i g a t i o n ；e l e c 衄cm a n u f a c t u r e o f m a t e r i a l ；d s pc o n t r o l ； a c t i v ep o w e rf i l t e r ；l c lf i l t e r i v 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 成果。尽我所知，除了文中特另e d i l 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，也不包含为获得北京工业大学或其它教 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：里垒鳌 日期 关于论文使用授权的说明 2 ，d 昂苦妒 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：塑至望导师签名：遁垄醢日期：地篮盘够 第一章结论 1 1 课题背景 第1 章绪论 谐波研究的意义一方面在于谐波的危害十分严重，另方面，电力电子 装置产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子技术自身发展的重大障碍【l 。1 。在 国际和国内，要求电力电子装置“绿色化”( 无谐波) 呼声越来越高。电力系 统的谐波问题近几年来在世界范围内得到了广泛关注，国际电工委员会 ( i e c ) 、国际大电网会议( c i g r e ) 、国际供电会议( c i r e d ) 及美国电气和 电子工程师学会( i e e e ) 等国际性学术组织，都成立了专门的电力系统谐波 工作组，并制定了限制电力系统谐波的相关标准【8 1 ”。在此背景下，谐波抑制 有关问题的研究成为当前电工技术领域的一个研究热点。随着电力电子技术 的迅速发展，大量新型电力电子设备在材料加工行业得到了广泛应用，如各 种感应加热炉、电弧炉、逆变电源、可控硅调压设备等 1 3 q 8 1 ，这些设备本质 上都是非线性的负载，在消耗大量无功的同时向电网注入大量谐波电流，引 起一系列用电质量问题，严重地危害了电网的安全可靠运行1 1 ”。另一方面， 谐波和无功功率的存在，也导致了功率因数低下，用电设备效能得不到充分 发挥，造成资源巨大浪费。因此，有必要对材料电加工设备产生谐波问题及 其抑制方法进行研究。 传统的材料电加工设备大多采用晶闸管相控调压方式控制的，这类设备 主要采用桥式整流后接大电感滤波这种结构，其输入电流波形为方波，含有 较大的谐波( t h d 约3 0 ) 。同时，为了得到较好的滤波效果，电感选取较 大，造成功率因数低下( 0 2 o ，5 ) 。这些设备的大量使用，会造成电网电压波 动、电压降低、频率变化等一些供电质量问题，对这类设备的谐波和无功补 偿技术进行研究一直以来都是谐波抑制技术研究的重要内容【l 2 j 。 北京工业大学工学博士学位论文 2 - - m l , i ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 曼| 。! ! ! ! _ _ - - _ 电力歼关器件的发展和可靠性的提高推动了逆变技术在材料加工设备中 的应用，其结果是给电网带来了更严重的谐波污染，逆变电源的谐波问题得 到了人们f 。泛的关注。普遍认为，逆变电源具有以下的优点 1 4 - i5 1 ；( 1 ) 重量 轻、体积小；( 2 ) 高效节能；( 3 ) 动态性能良好；( 4 ) 能获得更好的工艺 性能：( 5 ) 智能化和多功能化。但是，这些都只是注重了其输出侧性能，从 输入侧来看，目前逆变电源一般采用二极管桥式整流后接大电容滤波这种结 构，其输入电流波形为尖角波，含有丰富的谐波( 7 0 2 0 0 ) 。同时，传 统的观点认为，逆变电源的功率因数接近l ，所以效率高，但这也只是考虑了 其基波的位移功率因数。从新的功率因数的定义来看，由于逆变电源输入的 谐波畸变率很高，如果将谐波畸变也考虑进去，真正的功率因数也只要0 7 左右。所以，尽管逆变电源和可控硅电源相比，效率有了很大提高，但逆变 电源也不是一种理想的用电方式，需要对逆变电源的谐波问题及其抑制措施 进行研究。 为解决谐波和功率凼数问题，基本思路有两条【l j ：一条是装设谐波补偿装 置米补偿谐波，这种方法理论上对各种谐波都是适用的，例如有源电力滤波 器( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) 。另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产 生谐波，其功率因数可控制为1 ，例如功率因数校正技术( p o w e rf a c t o r c o n e e t i o n ) 。传统的解决谐波的问题的方法是通过无源的滤波的方法来进行 的，这种方法成本高，补偿的效果受电网阻抗和负载阻抗的影响，易出现谐 振而过载。随着电力电子技术的发展和功率理论的完善，为解决谐波问题提 供了更先进的手段，这就是采用有源滤波的方法。这类方法具有更好的动态 性能，可以对动态的谐波和无功进行补偿，受电网阻抗和负载变化的影响小， 经过补偿可以使非线性负载等效为一个电阻负载，是一种最为理想的用电方 式，在能源问题、环境问题日益突出的今天，得到了广泛的关注和大量的研 究。 材料电加二 设备大多是各种类型的整流设备，按其电路结构，可以把谐 波源类型分为两类；类是晶闸管类电源，其产生的谐波电流基本不受电网 阻抗的影响，可以等效为一个谐波电流源，对这类谐波源一般采用补偿的方 法来进行谐波抑制。例如，使用并联型有源电力滤波器来解决可控硅电源的 谐波和无功问题。另类是逆变式电源，这类电源由于直流侧使用较大的电 容，其产生的谐波基本不受电网阻抗的影响，可以将其等效成谐波电压源。 对这类谐波源，传统的方法是采用功率因数校正的方法，也就是在输入侧加 入一级校正环节。本文对使用有源滤波器对逆变电源的谐波进行补偿进行了 研究，指出了单独使用有源滤波器不适合逆变电源谐波补偿的根本原因是存 径稳定性问题。提出了使用l c l 和并联型有源滤波器相结合的方法，弗通过 仿真和实验加以证明。这秘方法为解决逆变电源的谐波问题提供了新的恩路。 本课题主要是研究材料电加工设备的谐波问题并提出了解决方法。在对 当前材料电加工设各的主要负载类型谐波分析的基础上，烤材料电加工设备 的谐波源划分为两种谐波源，针对不同的谐波源，对谐波抑制技术进行了理 论和实验研究，为材料电加工设备的谐波问题的解决进行了有益的探索。研 究的内容主要包括谐波抑制有关的功率理论的问题、谐波检测、并联型有源 电力滤波器的控制问题、并联型有源滤波器在补偿逆变电源谐波时出现的不 稳定性现象、数字控制技术和样机设计等有关问题。 1 2 谐波的危害和谐波限制标准 谐波问题之所以引起人们的关注在于谐波危害大，主要表现在【。3 】： 1 ) 谐波使电能的生产、传输和利用降低； 2 ) 严重污染公共电网，使电气设备过热，产生振动和噪声，使绝缘老化， 干扰其它用电设备；如旋转电机产生的附加损耗和发热，对通讯设备、继电 保护、自动控制装置和计算机产生的干扰和误动作等等； 3 ) 对无功补偿电容器组引起谐振或谐波电流放大，从而导致电容器因为 过负荷而损坏；在三相四线制供电时，三次谐波在中线中是同相的，合成后 电流很大，而依照通常的用电安全规定，中线无保护装置，这就有可能使中 线过热，引起火灾事故，国内外都有这方面的教训： 4 ) 谐波的存在造成电能计量的误差； 5 ) 谐波含量的增加，使功率因数降低，增加了前级设备的功率容量，造 成功率容量的极大浪费。 有鉴于此，国内和国际上都制定一些标准，对电气设备的谐波提出了要 求，例如i e c l 0 0 0 3 2 ( 1 6 a 以下) 、i e c l 0 0 0 3 4 ( 1 6 a 7 5 a ) 、i e e e - - 5 1 9 等标准。其中，i e c l 0 0 0 - - 3 2 它已被采纳为欧洲标准e n 6 1 0 0 0 - - 3 2 ，这意 味着所有小于1 6 a 的电力电子产品要在欧洲销售，必须符合这一标准。对用 户及系统的限制标准，有i e e e 一5 1 9 - 1 9 9 2 、i e c l 0 0 0 - - 2 2 和i e c l 0 0 0 3 6 等。对设备的限制标准，有i e c l 0 0 0 一3 2 ( 1 6 a 以下) 、i e c l 0 0 0 - - 3 4 ( 1 6 一 一 7 5 ) 及其它新的i e e e 标准；i e c l 0 0 0 3 2 是歼面小垂瓦再夏否葡歪百i ：2 孬 丰珂电流小于或等于j 6 a 的电气设备的谐波做出了限制。这个标准分为4 个等 级a 、b 、e 、d ；兀：1 个等级，表1 1 中列出了d 级设备的谐波限制标准，所规 范的最大输入功率为6 0 0 w 。 表卜1i e e l 0 0 0 3 2 对d 级设备的谐波限制标准 t a b l e1 e c10 0 0 - 3 - 2 c u r r e n th a r m o n i cl i m i tf o rd l e v e le q u i p m e n t 谐波次数每瓦所瓦许的矗天谮渡酉丽一 酊丽评蔼厕葫一 m a w a 3 3 423 0 5 1 9 1 1 4 7 10 0 7 7 9 o 5 0 4 0 1 1 0 3 5 o 3 3 i e c l 0 0 0 3 - - 4 除了涉及单一设备的谐波限制标准外，还涉及到整个系统 的安装设备的谐波限制标准，同时还考虑了短路比r 。，表1 - - 2 列出了输入 电流大于】6 a 三相设备的谐波限制标准( 只列出了1 3 次以下的谐波) 。 表卜2i e c l 0 0 0 - - 3 4 对三相设备的谐波限制标准 t a l b e1 - 2i e c l 0 0 0 - 3 4c u r r e n th a r m o n i cl i m i ts t a n d a r df o r 3 - p h a s ee q u i p m e n t 最小短路比谐波畸变系数 单次谐波与基波比的限制值 r s c c 上限t h d i5i j1 1 1il 3 6 6 1 71 21 09 6 1 2 01 8 1 51 21 28 1 7 52 5 2 01 41 28 2 5 03 53 01 8 1 38 3 5 04 8 4 02 51 5 1 0 4 5 05 8 5 03 52 0 1 5 6 0 07 0 6 04 02 51 8 为了防止设备产生的谐波电流回流到供电系统，并对其它用电设备产生 不良影响， e e e - - 5 1 9 对系统共同连接点的谐波电压和谐波电流加以规范，它 把规范的目标放在包括电流和电压谐波在内的大功率商业及工业用户群。表1 - - 3 列出了i e e e - - 5 1 9 对电压谐波的限制标准。 表l 一3i e e e - - 5 1 9 对电压谐波的限制标准 t a b l e l - 3i e e e 5 1 9v o l t a g eh a r m o n i c sl i m i ts t a n d a r d 母线电压最大单次谐波含量最大谐波畸变系数 6 9 k v 及以下30 5 0 11 5 k v 1 6 1 k 7 1 52 5 1 6 1 k v 以上1 01 5 第一章绪论 表1 4 列出了低于6 9 0 0 0 伏的供电系统中，在不同的短路比s c r 条件下， 其谐波电流值和总的谐波畸变系数的限制，而偶次谐波限制在奇次谐波的2 5 以下。 表卜4i e e e - - 5 1 9 电流谐波限制标准 t a b l e1 4i e e e 51 9c u r r e n th a r m o n i c1 l m i ts t a n d a r d s c r = i 。i 。 n 3 5t h d 1 0 0 01 5 07 o6 02 51 42 0 0 1 3 谐波抑制方法 谐波抑制方法可以分为主动型方法和被动型方法，主动型方法是对设备 本身进行改造，使其不产生谐波。被动型方法是对负载中的谐波和无功进行 补偿，使得整个负载不含谐波。这两种方法研究的主要内容是有源功率因数 校正技术和有源滤波技术的研究。 图1 一l 并联型有源滤波器示意图 f i g 1 一lt h edi a g r a mo fs a p f 在电网的公用负载端并接一个专用的功率变换器，对无功及谐波电流进 行补偿，这就是有源滤波器( a c t i r ef i l t e r ) ，如图1 1 所示。它将负载电 流中的谐波和无功检测出来，然后通过电力电子装置将其反向后补入到电网 中，使得输入电流补偿成为与电网电压同相位的正弦电流。这种方法能对变 化的谐波和无功进行补偿，同时这种方法只是对谐波分量和无功分量进行了 处理，相比较p w m 整流技术，具有更高的效率，因此是二甬t 较爵覆悉丽丽衮 谐波问题的方法 2 9 - 3 3 】。 在负载即电力电子装置本身的整流器； 丑滤波电容之闻增加一个功率变换 电路，这就是有源功率因数校正( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t l o n ，简称 a p f c ) 电路”“”1 ，它将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦 波，消除了谐波和无功电流，因而将电网功率因数提高到近似为i 。有源功率 因数校正主要包括图1 2 5 这几种结构i 1 。 i ，r l l j 丰 - | 嫩 l o a d l d c d c ： 图i 一2 单相单开关功率因数校正 f i g 1 - 2t h es i n g l es w i t c hp f c f o r s i n g l ep h a s e 幽1 3 单相b o o s t 整流器构成的三相a p f c 电路 f i g 1 3 t h e3 - p h a s e a p f cc o n s i s t s o f 3s i n g l e - p h a s eb o o s t r e c t i f i e r s 一1 一i r l u v d 1 _ 1 毛 l l s l 士j 一l i 图1 4 三相单开关功率因数校正电路 f i g1 4t h es i n g l es w i t c hp f c f o r3 - p h a s ec i r c u i t 6 - l o a d 第一章绪论 主尊皋帑： u 。 甲z r l1l + 毒 ； 一埽j v 艘辂：拶巩liv ljv lj 图l 一5 三相连续导通的功率因数校正电路 f i g 1 - 5 t h e3 - p h a s e p f cu n d e r c o n t i n u o u sc o n d u c t m o d e 1 4 相关领域的技术发展和研究现状 谐波抑制和功率因数校正技术的研究涉及到电力电子、电工理论、自动 控制、信号处理等多个学科领域的知识。我国对谐波问题的研究起步较晚。 吴竟昌等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波一书是我国有关谐波问题较有影 响的著作哺1 。 八十年代两大技术推动了有源滤波器的研究，一是可关断器件的出现和 p w m 技术的应用；二是日本学者a k a g i 提出的瞬时无功功率理论p 0 - 2 5 1 ( i n s t a n t a n e o u s r e a c t i v e p o w e r t h e o r y ) 。瞬时无功功率理论通过将三相电压和 电流矢量变换到的n 、b 平面上，并在a 、1 3 面上定义了瞬时无功、有功的 概念，这为无功和谐波的实时检测带来了简便的方法，尽管其物理意义不明 确，但是最终促进了有源滤波器的实现。瞬时无功功率理论自提出以来，人 们对瞬时功率有了新的认识，并阱此为基础，从适合于谐波抑制技术的角度 提出了各种功率理论，在谐波检测和谐波