（控制科学与工程专业论文）低压配电网有源电力滤波器关键技术研究.pdf

博 i 学位论文 摘要 论文对低压配电网有源电力滤波器 a c t i v ep o w e rf i l t e r a p f 的参考电流 计算方法 控制技术 主电路优化设计等关键技术进行了深入研究 a p f 能治理 谐波污染 补偿无功功率 平衡三相电流 是改善低压配电网电能质量的有效手 段 然而低压配电网a p f 在国内的应用尚未达到成熟阶段 在工业化推广过程中 存在很多技术问题有待解决 为此 论文针对低压配电网a p f 应用过程中的关键 技术进行了细致深入的研究 主要内容包括 1 提出了一种基于复合低通滤波器 l o wp a s sf i l t e r l p f 的参考电流 计算新方法 研究了基于f b d s f r y z e f b u c h h o l z m d e p e n b r o c k 法的参 考电流计算原理 分析了l p f 对参考电流计算结果的影响 设计了基于模糊决策 的复合l p f 该复合l p f 由截止频率为1 0 h z 和3 0 h z 的双二阶b u t t e r w o r t hl p f 组成 模糊决策单元根据负载电流的波动幅度和谐波电流的最低次数进行模糊推 理 以确定优先选用的l p f 与传统方法相比 该方法解决了参考电流计算算法 的准确性和动态性能之间的矛盾问题 在电网电压不对称 谐波电流频率和幅值 动态变化的条件下 能够确保参考电流检测结果的准确性 且动态响应速度快 原理简单 理论分析和仿真结果证明了参考电流计算新方法的正确性和有效性 2 提出了基于空间矢量脉宽调制 s 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 v p w m 的a p f 预测电流控制策略 该策略通过自适应线性神经元 a d a p t i v e l i n e a rn e u r o n a d a l i n e 预测下一控制周期的参考电流 并采用模糊算法在线调 整a d a l i n e 的学习率 有效地补偿了a p f 的逆变器控制等效延时 然后通过 s v p w m 方法 使a p f 的输出电流可以快速 准确地跟踪参考电流预测值 仿真 结果证明 与未加参考电流预测算法的控制策略相比 采用基于s v p w m 的预测 电流控制策略后 a p f 的谐波抑制效果和动态性能均得到明显改善 3 研究了低压配电网a p f 控制策略的稳定性 从电流控制内环和电压控 制外环两方面分析了控制策略的稳定性 在电流内环控制稳定性的分析过程中 首先建立基于预测电流控制的a p f 电流环等效结构 并将电流环分解为参考电流 预测和s v p w m 环节两个串联的闭环 然后用l y a p u n o v 函数分析参考电流预测 算法的稳定性 再利用s v p w m 控制的a p f 闭环传递函数分析s v p w m 环节的稳 定性 以此证明电流控制内环的稳定性 在电压外环控制稳定性的分析过程中 建立了基于p i 控制的电压控制环等效结构 利用劳思判据分析电压控制外环的稳 定性 低压配电网a p f 研制成功后 通过上述方法分析了控制策略的稳定性 4 提出了低压配电网a p f 输出滤波器的优化设计方法 对低压配电网a p f i i 低压配电网有源电力滤波器关键技术研究 的主电路结构和参数进行了研究和优化设计 详细分析了输出滤波器的功能和设 计原则 并根据输出滤波器的功能将低压配电网a p f 的输出滤波器设计步骤分 解 根据a p f 的容量和补偿性能设计输出滤波器中的v s i 侧串联电感 根据功率 开关导致的高次谐波特点 设计滤除高次谐波的高通滤波器和电网侧串联电感 并利用遗传算法对输出滤波器的参数进行优化设计 5 研制了额定输出电流为1 2 0 a 的低压配电网a p f 并成功应用于广西某 矿业公司的谐波抑制工程 根据主电路优化方法设计了满足低压配电网谐波抑制 要求的a p f 主电路结构和参数 通过基于复合l p f 的参考电流计算方法确定参 考电流 并利用预测电流控制实现对参考电流的快速和准确跟踪 实际运行结果 表明本文设计的a p f 谐波抑制效果好 动态响应速度快 根据对a p f 运行数据 的分析 论文进一步分析了影响a p f 补偿性能的各种因素 并提出了一些可行的 改善办法 最后 提出了采用a p f 与电容柜构成的谐波抑制和无功补偿综合系统 实际工程运行结果表明 该综合系统的谐波抑制和无功补偿效果明显 且成本较 低 具有良好的工程推广应用前景 关键词 有源电力滤波器 低压配电网 f b d 法 预测控制 稳定性分析 谐波 抑制 i 博士学位论文 a b s t r a c t k e yt e c h n o l o g i e ss u c ha sr e f e r e n c ec u r r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o d c o n t r o ls t r a t e g y a n do p t i m a ld e s i g no fm a i nc i r c u i tf o r l o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka c t i v ep o w e r f n t e r a p f a r ed e e p l ys t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o n a p fc a nd e a lw i t hp o w e rq u a l i t y p r o b l e m s b u tt h e r ea r em a n yt e c h n i c a li s s u e st ob es l o v e di np r o c e s so fe n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n s t h er e s e a r c ho n l o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka p fi so f2 r e a t 1 m p o n a n c et oi t se a r l yi n d u s t r i a l i z a t i o na p p i i c a t i o n a n dt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to f t h i st h e s i sa r ea sf b l l o w s 1 an o v e lr e f e r e n c ec u r r e n tc a l c u l a t i o nm e t h o db a s e do nc o m p o s i t el o wp a s s f i l t e r s l p f s i sp r o p o s e d s f r y z e f b u c h h o l z m d e p e n b r o c k f b d m e t h o di s s t u d i e d a n dt h ei m p a c to f o wp a s sf i l t e r l p f o nr e f e r e n c ec u r r e n tc a l c u l a t i o n r e s u l t si s a n a l y z e d c o m p o s i t el p f sa r ed e s i g n e d w h i c hi s c o m p o s e do ft w o t w o o r d e rb u t t e r w o r t hl p f s a c c o r d i n gt ot h ef l u c t u a t i o no fi o a dc u r r e n ta n dt h e 1 0 w e s tf r e q u e n c yo fh a r m o n i cc u r r e n t s c h o i c eo fl p f si s m a d eb yf u z z yr e a s o n i n g c o m p a r e dw i t ht r a d i t i o n a im e t h o d s t h ec o n t r a d i c t i o ni s s u eb e t w e e na c c u r a c va n d d y n a m i cp e r f o m a n c ef o rr e f e f e n c ec u r r e n tc a l c u l a t i o na l g o r i t h mi sf e s 0 1 v e dw i t ht h i s m e t h o d e v e nu n d e rc o n d i t i o n so fa s y m m e t r yp o w e r g r i dv o l t a g e d y n a m i cc h a n g i n g f r e q u e n c ya n da m p l i t u d eo fh a r m o n i cc u r r e n t s t h i sr e f e r e n c ec u r r e n tc a l c u l a t i o n m e t h o di so ft h eh i g ha c c u r a c ya n df a s td y n a m i cr e s p o n s e m e a n w h i l ei ti so fs i m p l e p r i n c i p l e c o r r e c t n e s sa n de f f e c t i v e n e s so ft h em e t h o di s p r o v e d b yt h e o r e t i c a l a n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u l t s 2 p r e d i c t i v ec u r r e n tc o n t f o ls t r a t e g yb a s e do n s p a c ev e c t o rp u l s ew i d t h m o d u l a t i o n s v p w m i sp r o p o s e d a d a p t i v el i n e a rn e u r o n a d a l i n e i su s e dt o p r e d i c tt h er e f e r e n c ec u r r e n tf o rn e x tc o n t r o lc y c l e a n dt h el e a m i n gr a t ef o ra d a l i n e i sr e g u l a t e do n l i n ew i t hf u z z ya l g o r i t h m t h ed e l a yc a u s e db yz e r o o r d e rh o l do fa p f c o n t r 0 1s y s t e mi se f f e c t i v e yc o m p e n s a t e d a n dt h eo u t p u tc u r r e n to fa p f c a nt r a c kt o p r e d i c t i v er e f e r e n c ec u r r e n tf a s ta n de x a c t l yw i t hs v p w mm e h t o d s i m u l a t i o nr e s u l t s c o n f i r m e dt h a t c o m p a r e dw i t hc o n t r o ls t r a t e g yw h o u tr e 氨 r e n c ec u r r e n tp r e d i c t i v e a l g o r i t h m s t e a d ys t a t ea n dd y n a m i cp e r f o r m a n c eo fa p fw i t hp r e d i c t i v ec u r r e n t c o n t r o ls t r a t e g yi sm a r k e d l yi n l p r o v e d 3 s t a b i i i t yo fa p fc o n t r o ls t r a t e g y i s a n a l y z e dh e r e w h i c hi sa y a l z e dw i t h c u r r e mc o n t r o l l 0 0 pa n dv o l t a g ec o n t r o ll o o p p r e d i c t i v ec u r r e n t c o n t r o lc o n s i s t so f r e l e r e n c ec u r r e n p r e d i c t i v ea j g o r i t l l ma n ds v p w m m e t h o d s oi t ss t a b i l i t yd e p e n d s o nt h es t a b l l i t o ft w op a n s t h ee q u i v a l e n ts t r u c t u r eo f p r e d i c t i v ec u r r e n tc o n t r o l i s b u l l t t h e nt h es t a b i l i t yo fr e f e r e n c ec u r r e n tp r e d i c t i v e a l g o r i t h mi sa n a l v z e d w i t h l y a p u n o vf u n c t l o n a n ds t a b i l i t yo fa p fw i t hs v p w m p a r ti sa n a l y z e d b a s e do nt h e t r a n s f e rf u l l c t i o no f s v p w m l o o p a st os t a b i l i t yo fd cv o l t a g ec o n t r o l e q u i v a 胁 s t r u c t u r eo fd cv o l t a g ec o n t r o lp r e d i c t i v ec u r r e n tc o n t r o li s b u i l t a n dr o u t hc r i t e r i o n 1 s e x p l o y e df o rs t a b i l i t y a n a l y s i s w i t hm e t h o dm e n t i o n e d a b o v e s t a b i l i t vo f l o w v o j t a g ed l s t nb u t i o nn e t w o r ka p fi sa n a l y z e da f t e ri t sd e v e l o p e m e n t 4 o p t i m a ld e s i g nm e t h o do fo u t p u tf i l t e rf o rl o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k a 上j 上 1 s p r o p o s e d s t r u c t u r ea n dp a r a m e t e r so ft h em a i nc i r c u i t f o rl o w v o l t a 2 e d i s t n b u t l o nn e t w o r ka p fa r es t u d i e d a n dd e t a i l e da n a l y s i s o ff u n c t i o n sa n dd e s i g n p n n c l p l e sf o ro u t p u tf i l t e ra r e d e v e l o p e d d e s i g ns t e p so ft h e o u t p u tf i l t e ra r e d e c o m p o s e dl na c c o r d a n c ew i t hi t sf u n c t i o n a n di n d u c t o ri nt h ev s is i d ei sd e s i g n e d t a k l n gc o m p e n s a t i o nc a p a c i t ya n dp e r f o 咖a n c ei n t o a c c o u n t s w h i l ei n d u c t o ri nt h e p o w e rg r l ds l d ea n dh i g np a s sf i l t e ra r ed e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f n l g n o r d e rh a 瑚o n i c a n dp a r a m e t e r so f0 u t p u tn l t e r a r e o p t i m i z e dw i t hg e n e t i c 5 l o w v o i t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r ka p fo f12 0 ar a t e dc u r r e n ti sd e s i g n e d a n d 1 tl s s u c c e s s f u l l ya p p l i c t e di nh a r m o n i c s u p p r e s s i o np r o je c tf o rs o m em i n i n g c o m p a n i e sl ng u a n g x ip r o v i n c e m a i nc i r c u i to fj o w v o l t a g e d i s t r i b u t i o nn e t w o r k a p f 1 sd e s i g nw i t hp t i m i z a t i o nm e t h o d w h i c hs o u l d l ym e e t st h e r e q u i r e m e n t so ft h e n a r m o n l cs u p p r e s s i o n r e f e r e n c ec u r r e n t i sc a l c u l a t e dw i t ht h em e t h o db a s e do n c o m p o s l t el p f s a n dp r e d i t i c t i v ec o n t r o li su s e dt oe n s u r et h a to u t p u tc u u r e n t c a n t r a c k sr e t e r e n c ec u r r e n tf a s t a n de x a c t l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t e f f e c t i v e n a r m o n l c s u p p r e s s i o na n df a s t d y 彻m i c r e s p o n s ea r er e a l i z e d b yi o w v o i t a 2 e d l s t r lb u t l o nn e t w o r ka p f b ya d o p t i n gt h e p r o p o s e dt e c h n i q u e s h o w e v e r t h e r ea r e s t l l jas m a na m o u n to fh a r m o n i cc u r r e n t si np o w e r 酎i d a r e rc o m p e n s a t i o nb ya p f s o 士u r t h e ra n a l y s i so ff a c t o r sw h i c ha f f e c tc o m p e n s a t i o n p e r f o r m a n c eo fa p fi st a k e n a n dan u mb e ro fp o s s i b l e i m p r o v e m e n t sa r ep r o p o s e d a tl a s t ac o m p r e h e n s i v e c o m p e n s a t i o ns y s t e mf o rh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o ni s p r o p o s e d w h l c hi sc o m p o s e do fa p fa n dc a p a c i t o r s a n dt h ep r a c t i c a l e n g i n e e r i n g r e s u i t sc o m l r mt h a tt h ec o m p r e h e n s i v ec o m p e n s a t i o n s y s t e mh a so b v i o u se f f e c ti n n a 哪o n l c s u p p r e s s i o na n dr e a c t i v e p o w e rc o m p e n s a t i o n m o r e o v e r i ti sa v 博上学位论文 c o s t e f f e c t i v es o l u t i o n a n dt h ea p p l i c a t i o nf u t u r ei sb r i g h t k e yw o r d s a c t i v ep o w e rf i l t e r l o w v o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k f b dm e t h o d p r e d i c t i v ec o n t r o l s t a b i l i t ya n a l y s i s h a r m o n i cs u p p r e s s i o n v i 低压配电网有源电力滤波器关键技术研究 插图索引 图1 1p p f 基本的分流电路 5 图1 2 低压配电网a p f 的拓扑结构 9 图1 3 三角载波调制法的原理 1 l 图2 1 低压配电网a p f 的基本组成 1 7 图2 2a p f 控制系一般原理 1 8 图2 3 低压配电网并联型a p f 1 9 图2 4 三相a p f 的等效电路图 2 0 图3 1f b d 法的朋相等效电路 2 6 图3 2f b d 直接法原理框图 2 8 图3 3f b d 间接法原理框图 2 9 图3 4 三相a p f 参考电流计算框图 3 4 图3 5 二阶b u t t e r w o r t hl p f 的滤波特性 3 6 图3 6 新型参考电流计算方法的组成框图 3 7 图3 7 负载电流突然增大时的基波有功电流检测结果 4 0 图3 8 负载电流突然减小时的基波有功电流检测结果 4 l 图4 1 检测电网电流控制方式的a p f 等效电路 一4 2 图4 2 两种控制方式的等效控制框图 4 3 图4 3 三相a p f 的电压空间矢量分布 4 6 图4 4 电压空间矢量运行轨迹 4 8 图4 5 七段法s v p w m 4 8 图4 6 基于a d a l i n e 的电流预测结构框图 5 0 图4 7 模糊推理器的组成框图 5 2 图4 8 基于s v p w m 的a p f 预测电流控制原理 5 4 图4 9 稳定负载下仿真结果 5 5 图4 1 0 负载突然增大时仿真波形 5 6 图4 1 1 负载突然减小时仿真波形 5 7 图4 1 2 有功功率流动关系 5 8 图4 1 3 直流电压控制器结构 5 9 图4 1 4a p f 启动时直流电压控制效果 6 0 图4 1 5 负载突变时的直流电压控制效果 6 0 图4 1 6 基于预测电流控制的a p f 电流环等效结构 6 l x i 博十学位论文 图4 1 7 直流电压控制环框图 6 4 图5 1 输出滤波器的基本类型 6 7 图5 2 采用l 型输出滤波器的a p f 单相等效电路图 6 8 图5 3 比 频率响应曲线图 6 8 图5 4 不同参数l 型输出滤波器的 频率响应曲线图 6 9 图5 5l c 输出滤波器的单相等效电路 6 9 图5 6 频率响应曲线图 7 0 图5 7 胁 频率响应曲线图 7 0 图5 8l c r 输出滤波器的单相等效电路 7 1 图5 9 凰 频率响应曲线图 7 1 图5 1 0 所 频率响应曲线图 7 1 图5 1 1l c r 输出滤波器的单相等效电路 7 2 图5 1 2 凰 频率响应曲线图 7 2 图5 1 3 励 频率响应曲线图 7 3 图5 1 4l c l r 型输出滤波器的等效电路 7 4 图5 1 5l c r l l 型输出滤波器的等效电路 7 4 图5 1 6 控制周期内a p f 输出电流波形 7 5 图5 1 7 控制周期内a p f 输出电流波形 7 9 图5 1 8 控制周期内a p f 输出电流波形 7 9 图5 1 9 功率电路驱动电源 8 l 图5 2 0 驱动电路 8 l 图5 2 1 过流检测电路 8 2 图5 2 2 四种缓冲电路结构 8 2 图5 2 3 单电容缓冲电路原理图 8 3 图5 2 4 直流电压对a p f 补偿效果的影响 8 4 图6 1 工程现场进线图 8 7 图6 2 中频炉运行前后的系统电压谐波含量 8 8 图6 3a p f 系统结构示意图 8 9 图6 4a p f 直流侧电路接线示意图 9 0 图6 5a p f 控制系统结构示意图 9 1 图6 6 采样信号调理电路 9 2 图6 7 硬件保护电路 9 2 图6 8 同步电路 9 3 图6 9 接口电路 9 4 图6 1 0 程序流程图 9 5 x u 低压配电网有源电力滤波器关键技术研究 图6 1 1 平衡负载条件下的a p f 补偿效果 9 7 图6 1 2 平衡负载条件下的a p f 补偿效果 9 8 图6 1 3 不平衡负载条件下的a p f 补偿效果 9 9 图6 1 4 负载电流突然启动时的a p f 补偿效果 1 0 0 图6 1 5 负载电流突变时的a p f 补偿效果 1 0 0 图6 1 6 死区分析单相等效模型 1 0 3 图6 1 7f 口 0 时口相参考电压与实际输出电压波形 1 0 3 图6 1 8 综合补偿系统的基本构成图 1 0 5 图6 1 9 并联电容柜无功补偿原理 1 0 6 图6 2 0 综合补偿系统实验结果 1 0 8 图6 2 l 综合补偿系统单相等效电路 1 0 9 图6 2 2 低压配电网a p f 装置图 1 0 9 博t 学位论文 附表索引 表3 1l p f 1 0 的上升时间 3 7 表3 2 输入参数模糊化 3 8 表3 3 模糊决策表 3 8 表3 4 工况i 时0 1 6 s 时刻前各参考电流计算方法的结果比较 3 9 表3 5 工况i 时0 1 6 s 时刻后各参考电流计算方法的结果比较 4 0 表4 1 三相a p f 的开关组合和对应输出电压 4 5 表4 2 输入参数的模糊化 5 2 表4 3 d 关于p j 和p 七 的模糊控制规则 5 3 表4 4 模糊决策表 5 3 表5 1 曲线与系统参数取值 6 8 表5 2 传统方法与优化方法设计结果比较 7 8 表6 1a p f 参数表 9 6 表6 2 参考电流计算结果分析 9 7 表6 3 综合补偿系统的谐波治理效果 1 0 6 v 博l 学位论文 第l 章绪论 随着电力电子装置的广泛应用 谐波污染日趋严重 而供电企业和用户对电 能质量的要求却日益提高 因此谐波问题正逐渐引起人们的重视 如何有效地治 理谐波 将其控制在允许的范围内 是具有重要现实意义的课题 本章首先介绍低压配电网中的主要谐波污染源及谐波的危害 讨论低压配电 网谐波治理的主要措施 然后阐述被动谐波治理措施中无源电力滤波器 p a s s i v e p o w e rf i l t e r p p f 和有源电力滤波器 a c t i v ep o w e rf i l t e r a p f 的缺点和优 点 并针对应用于低压配电网的a p f 研究现状作详细说明 最后介绍本文的主要 工作 1 1 低压配电网的谐波污染 i e e e 标准5 1 9 1 9 8 l 中谐波的定义是 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 对电力系统中的周期性非正弦电量进行傅立叶级数 分解 可以分析出频率等于电网工频的基波分量和频率为工频整数倍的分量 将 频率为工频整数倍的分量定义为电力谐波 l 电力系统中的谐波问题由来已久 早在2 0 世纪2 0 年代和3 0 年代 静止汞弧变 流器的使用就导致电网电压和电流波形发生畸变 引起了人们对谐波问题的关注 和研究 1 9 4 5 年 j c r e a d 发表了关于汞弧变流器谐波的论文 该论文是早期有 关谐波研究的经典文献 z 2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代 高压直流输电技术的发展 推动了关于变流器谐波的进一步研究 2 0 世纪7 0 年代以来 电力电子技术的飞速 发展使功率半导体器件在多个领域获得了广泛应用 然而 电力电子设备在取得 良好经济技术效果的同时也带来了电力谐波问题 1 1 1 低压配电网谐波产生的原因 电力谐波包括谐波电压和谐波电流两方面 谐波电压水平是衡量电能质量的 主要标准 电力系统的谐波来自电气设备 包括发电设备和用电设备 由于发电 机的转子产生的磁场不可能是完全的正弦波 因此发电机发出的电压波形也不是 完全不失真的正弦波 当发电机的端电压高于额定电压的1 0 以上时 电机的磁 饱和会使电压的三次谐波明显增加 同样 变压器的高压侧电压超过额定电压1 0 以上时 也会使二次侧电压的三次谐波明显增加 通常 电网电压偏移在士7 以 下 所以发电 变电设备产生的谐波分量都低于考核标准 3 因此 发电机 变 压器等设备不是导致电网产生谐波的主要设备 用电设备产生的谐波电压是指非线性负载向电网注入的谐波电流在电网阻抗 低压配电网有源电力滤波器关键技术研究 上产生的谐波压降 电网阻抗包括公共电网接口以后的电缆线路阻抗和公共电网 接口以前的电网系统阻抗 电网阻抗越大 则由同一畸变电流所造成的畸变电压 就越大 对于低次谐波电流 供电网络通常是感性的 所以电网阻抗就和频率成 正比 谐波电流次数越高 所造成的谐波电压就越大 因此 谐波电压产生的主 要根源在于负载注入电网的谐波电流 近年来 我国低压配电网用户的用电量迅速增长 而非线性设备在低压配电 网的应用也日益广泛 基于电力电子技术的用电设备是一种非线性时变拓扑负荷 不可避免地会产生非正弦波形的电流 非线性设备产生的谐波电流已成为低压配 电网的公害 4 7 1 根据以上分析 导致谐波污染问题的主要原因是非线性用电设备 低压配电 网的非线性用电设备主要有以下四大类 1 电弧加热设备 电弧加热设备包括电弧炉 电焊机等 电弧加热设备通常在7 0 v 以上起弧 产生的弧电流波形有一定的非对称性 且灭弧电压略低于起弧电压 因此弧电流 与弧电压存在非线性 电弧加热设备对电网的谐波污染比较大 多为1 8 次以下的 低次谐波电流污染 2 交流整流的直流用电设备 交流整流的直流用电设备主要包括电力机车 电解和电镀等整流装置 为了 提供平稳的直流电源 通常在整流设备中加入滤波电容或滤波电感元件 使阀电 压提高 导致谐波含量增加 其中 晶闸管相控整流设备的谐波污染最为严重 而且谐波电流的次数比较低 3 交流整流再逆变的用电设备 交流整流再逆变设备主要包括变频调速 变频空调和中频炉等 这类用电设 备在交流变直流过程中产生的谐波与上述的整流设备一样 而在直流逆变过程中 由于逆变波形反射到电网 因此这类设备产生的谐波污染包括低次谐波和高次谐 波电流 4 开关电源设备 开关电源设备广泛应用于电视机 荧光灯 电池充电器等家用电器中 这类 设备的工作原理是先把交流整流成直流 通过开关管控制变压器初级电流的开通 和关闭 从而在变压器二次侧感应出电流 供给用电设备 开关电源设备的频率 较高 一般为4 0 k h z 左右 它不仅在整流时产生谐波 而且在开关管开闭时 也 会反射高次谐波至电网 虽然这些设备的单机容量不大 但由于数量巨大 因此 给低压配电网注入的谐波电流不容忽视 博 学位论文 1 1 2 低压配电网的谐波危害 低压配电网中的谐波不仅会消耗无功功率储备 同时存在以下几个方面的危 害 8 l o 1 引起谐波放大或谐振问题 为降低配电网和配电变压器的降损 提高电 压水平 目前国内较普遍的做法是在配电变压器低压侧进行集中无功补偿 通过 安装低压并联电容器柜实现无功功率的就地平衡 但由于电容器的容抗与频率成 反比 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 因此 谐波 电压通过并联电容器产生严重的谐波电流 甚至引起谐振现象的发生 导致并联 电容器因过流而损坏 2 增加输电线损耗 缩短输电线寿命 谐波在输电线路上传输时会消耗有 功功率 引起附加输电损耗 在电缆输电的情况下 谐波电压增强了介质的电场 强度 影响电缆的使用寿命 而电缆的分布电容可能导致谐波电流的放大现象 3 增加变压器铜耗和铁耗 变压器在高次谐波电压的作用下 将产生集肤 效应和邻近效应 引起附加铜耗和铁耗的增加 谐波电流还会引起变压器外壳 外层硅钢片或某些紧固件发热 可能导致局部过热的发生 从而减少变压器的使 用寿命 4 引起仪表的测量误差 测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的 如果 电网的电压或电流波形发生畸变 仪表则容易产生误差 通常模拟式电流表 电 压表和电能表对设计参数以外的频率响应不灵敏 频率越高误差越大 谐波必然 影响其测量和计量的准确性 5 干扰通讯系统 谐波对通信系统的干扰主要是通过电容耦合 电磁感应 和电气传导的途径产生的 例如 静止变流器在换相期间的电流波形会发生急剧 变化 引起电磁干扰 谐波会对电力载波通信 远动装置信号以及与架空线平行 的通讯线路 通信设备产生很大的影响 6 谐波对配电网其他设备的影响主要有导致自动装置的误动作 增加异步 电动机的附加损耗 以及降低熔断器的使用寿命等方面 7 对于人体 谐波会刺激人体细胞 使正常的细胞膜电位发生快速波动或 可逆的翻转 当这种波动或翻转频率接近谐波频率时 会干扰人体的大脑与心脏 鉴于低压配电网中谐波的诸多危害 无论是从保障电网的安全 稳定和经济 运行的角度 还是从确保用电设备的安全 正常工作的角度 都需要有效地治理 谐波 将其限制在低压配电网的允许范围之内 l 我国谐波问题研究的起步较晚 谐波治理的技术水平还比较低 因此 谐波治理技术的应用研究具重要的理论和 现实意义 低压配电网有源电力滤波器关键技术研究 1 2 低压配电网的谐波治理措施 谐波的危害引起了世界各国的高度重视 为提高电能质量 保证电网和用电 设备的安全稳定运行 许多国家 国际组织制定了谐波标准 其中被广泛接受的 是i e e e 6 0 51 9 和i e c 6 0 5 5 5 2 标准 1 2 13 1 i e e e 6 0 5 1 9 标准是从电网的角度对公共 连接点的电压和电流的波形畸变进行限制 i e c 6 0 5 5 5 2 标准则是对负载产生的谐 波进行限制 使负载注入电网的谐波在规定的范围内 我国水利电力部在1 9 8 4 年就颁发了 电力系统谐波管理暂行规定 1 4 到1 9 9 4 年 国家标准g b t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波 开始全面实施 l5 1 虽然各谐波标准都不尽相同 但 所有标准都是基于以下三个目的 1 6 1 将电力系统电压和电流波形的畸变控制到系统及其所接设备能够允许的 范围内 2 以符合用户需要的电压波形向用户供电 3 谐波不干扰其他系统 如通讯系统 的正常工作 电力系统谐波治理的根本目标是将谐波电压控制在允许的限值之内 低压配 电网中谐波治理的关键为控制非线性负载向电网注入的谐波电流 低压配电网中 存在大量谐波电流源 对其进行有效治理是提高整个电网电能质量的关键举措 低压配电网的谐波治理措施主要包括两方面 一是主动措施 即从谐波电流源本 身出发 使其不产生谐波或降低所产生谐波电流的含量 二是被动措施 即通过 安装电力滤波器 滤除谐波源产生的谐波 或者阻碍电力系统的谐波流入用户电 网 17 1 1 2 1 主动治理措施 主动治理措施是对谐波源本身进行改造 降低谐波源产生的谐波电流 电力 电子装置是引起低压配电网谐波污染的主要设备 主动措施从改造电力电子设备 的输出特性方面展开研究 包括以下几项措施 1 增加变流器的相数或脉冲数 改造变流器或采用相互间有一定移相角的 变流器 以减小谐波含量 这种措施使得变流器装置更加复杂 l 8 1 2 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 以得到接近正弦波的阶梯波 以降低低次谐波电流的含量 这种措施的 技术难度较大 成本较高 3 对自关断器件构成的变流器采用脉宽调制 p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n p w m 技术 采用p w m 技术 使得变流器产生的谐波频率较高 幅值较小 波 形接近正弦波 这种措施将导致高次谐波电流的增加 4 设计或采用高功率因数变流器 比如采用矩阵变换器 四象限变流器等 这些变流器输出的谐波非常少 且功率因数可以控制为l l9 1 博士学位论文 采用主动措施可以有效限制谐波的产生 但由于非线性负载的多样性 通过 主动措施完全消除谐波电流是不可能的 因此 安装电力滤波器对谐波电流进行 滤波是谐波治理的一个重要研究方向 2 0 j 1 2 2 被动治理措施 上述分析表明 谐波电压主要是由谐波电流导致的 由于谐波治理工程中不 可能通过减小电网阻抗来抑制谐波电压 因此对谐波电流进行治理就成为控制谐 波电压的有效措施 1 2 2 1p p f 治理措施 基本的无源谐波抑制装置是根据分压原理和分流原理实现的 滤除谐波电压 采用分压原理 滤除谐波电流采用分流原理 传统的电力滤波设备是p p f p p f 利用电感 电容元件的谐振特性 在阻抗分流回路中形成谐波电流的低阻抗支路 从而减小流向电网的谐波电流 同时还可以补偿部分无功功率 p p f 分为单调谐 滤波器 双调谐滤波器 高通滤波器等 其中高通滤波器又包括一阶高通 二阶 高通和三阶高通滤波器 2 单调谐滤波器是工程中应用最多的p p f 因此以单调谐滤波器为例说明p p f 的谐波电流抑制原理 单调谐滤波器进行谐波抑制的结构方式如图1 1a 所示 其中 始和坛为电网电压和电流 屯为非线性负荷的电流 和为流过p p f 支路的 电流 电容c 和电感l 构成了单调谐滤波器 a 采用p p f 的电路结构b 基本分流电路 图1 1p p f 基本的分流电路 图1 1b 为p p f 的基本分流电路 其中 厉和z f 分别为电网支路和p p f 支 路的阻抗 根据欧姆定律 可以得到电路方程 将式 1 1 化简可得 bs 乙z 一 f 1 1 b z 1 l 低压配电网有源电力滤波器关键技术研究 f l f 1 2 b i 乏屯 zj 可见 可以通过增大电网支路的阻抗磊和减小p p f 支路的阻抗厉来减小流 入电网支路的谐波电流坛 实际工程中 电网阻抗难以更改 一般通过减小p p f 支路阻抗磊实现谐波电流的抑制 p p f 具有结构简单 成本低和维护方便的优点 2 但由于其结构原理上的缺 陷 在工程应用中存在以下难以克服的问题 1 只能对特定谐波进行滤波 p p f 的谐振频率依赖于元件参数 因此单调 谐滤波器只能消除特定次数的谐波 高通滤波器只能消除截止频率以上的谐波 2 器件参数对滤波性能影响大 由于调谐偏移和残余电阻的存在 调谐滤 波器的阻抗等于零的理想条件是不可能出现的 同时 电容和电感参数的漂移将 导致滤波特性改变 使滤波性能不稳定 3 对于谐波次数经常变化的负载滤波效果不好 当滤波器投入运行之后 如果谐波的次数和幅值发生了变化 p p f 将不能有效滤除谐波 并且 谐波治理 工程中需要根据谐波次数的多少 需设置多个p p f 滤波电路 4 滤波性能依赖于电网参数 电网的阻抗和谐波随着电力系统的运行工况 随时改变 p p f 对谐波电流的滤除效果受电网阻抗和谐波的影响较大 5 p p f 可能与电网阻抗发生串联或并联谐振 从而使谐波分量放大 导致 p p f 无法正常运行 并引起电网电能质量下降 6 随着电网谐波源的增加 p p f 存在过载的危险 1 2 2 2a p f 治理措施 a p f 的基本工作原理是检测系统中的畸变电流 电压 产生与其相反的补 偿电流 电压 以抵消电网线路中的畸变电流 电压 应用于低压配电网的各 种a p f 中 单独使用的并联型a p f 是最基本的一种 也是低压配电网的工程实 际中应用最