电力系统谐波研究及其治理.doc

精品文档摘要随着电力电子技术的发展,电力系统的发展及电力市场的开放,各种非线性负载(谐波源)应用普及,产生的谐波对电网的污染日益严重,电能质量问题越来越引起广泛关注。因此,谐波及其抑制技术已成为国内外广泛关注的课题。本文首先对国内外谐波问题及其现状进行了描述，介绍了电力系统谐波主要产生形式以及抑制电网谐波的主要方式，对现有的基于瞬时无功功率谐波检测方法进行了改进，提出了三相三线制并联有源电力滤波器谐波检测方法：基于瞬时无功功率理论的改进方法。研究了并联有源电力滤波器电流控制方法，确定采用三角波比较控制方式作为本文所研究三相三线制并联有源电力滤波器控制策略。关键词：电力系统、谐波、谐波抑制、有源滤波器ABSTRACTWith the development of the power system and the opening of the electricity Market, the power quality problem is receiving increasing attention.The pollution of the harmonies to the grid is inereasingly severe, owing to the Prevalence of the non-linear loads (harmoniesourees). So, the harmonic and its suppression technology is becoming the topic of common e oncern worldwide. A general description of development of harmonic around the world is given in this thesis at fist. It simply introduces the main mode of suppressing harmonic. This thesis put forward an improved harmonic detecting based on instantaneous reactive power theory considering that the power system is often under imbalance in our country,and a harmonic detection method of the three-phase three-line parallel active power filter-the harmonic current deteetion methodbased on the instantaneous reaetive power theory.Key words: Power system, Harmoni, Harmonie Suppression, Aetive Powerfilte2欢迎下载。精品文档目录1 绪论11.1 研究的目的和意义11.2 国内外研究状况和进展22 谐波及其有源滤波器的研究52.1谐波的基本概念52.2谐波的产生极其危害62.3谐波的抑制方法102.4 有源滤波器132.5 并联有源电力滤波器补偿特性的研究152.6 电力系统谐波标准162.7 本章小结173基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法183.1谐波检测方法研究现状183.2三相电路瞬时无功功率理论193.3基于瞬时无功功率p、q检测方法223.4基于算法的谐波电流实时检测244 并联有源电力滤波器的控制策略研究274.1有源电力滤波器工作原理及模型274.2并联有源电力滤波器滞环比较控制方法284.3有源电力滤波器系统304.4直流侧电压的控制324.5本章小结325有源三相滤波器的仿真345.1检测模块分析345.2电流跟踪控制模块355.3有源滤波器逆变模块376 总结和发展386.1总结386.2 发展前景39参考文献40致谢424欢迎下载。精品文档1 绪论1.1 研究的目的和意义随着电力电子技术的迅速发展，大量非线性负荷（如电气化铁道牵引负荷、整流负荷、电力机车、电弧炉、变频调速装置等）接入电力系统，这些非线性负荷在系统电压作用下，供电电流发生畸变，含有大量的谐波成分。非线负荷的谐波电流注入系统后，在系统阻抗上产生谐波电压，引起电网电压畸变，造成电力系统谐波污染。目前，电力系统的谐波问题日益严重，不但降低了电能质量，还威胁到电力系统的安全运行。所以，对电力系统的谐波问题进行计算、分析和研究，并进而采取相应的抑制措施，是一项非常迫切的任务。改善电能质量，既需要供电部门提高供电质量，同时在用户侧就地改善电能质量也是很有必要的，相关标准明确指出：用户的非线性负荷、冲击性负荷、波动负荷、非对称负荷对供电质量产生影响或对安全运行构成干扰和妨碍时，用户必须采取措施加以消除。本文所要研究的主要就是如何在用户侧抑制用户产生的谐波电流以及电流不对称等电能质量问题。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。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。20 世纪 80 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。 谐波研究的意义，是因为谐波的危害十分严重，谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁，还会引起供电电压畸变，增加用电设备消耗的功率，降低系统的功率因数，增加输电线路的损耗，缩短输电线寿命，增加变压器损耗，对电容器有很大影响，造成继电保护、自动装置工作紊乱，增加感应电动机的损耗，使电动机过热，造成换流装置不能正常工作，引起电力计量误差，干扰通信系统，对其它设备造成影响。谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发展的影响。但是，现在电力电子装置产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子救赎发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。谐波研究的意义，还可以上升到治理污染环境、维护绿色环境来考虑。对电力电子来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。因此消除谐波污染，已成为电力系统，尤其是电力电子技术中的一个重大课题。谐波研究及其抑制技术已日益成为人们关注的问题。1.2 国内外研究状况和进展1.2.1 国内研究现状我国在有源电力滤波器的应用研究方面，继日本、美国、德国等之后，得到学术界和企业界的充分重视，并投入了大量的人力和物力，但和电子工业发达的国家相比有一定的差距。我国从80年代开始大量采用硅整流设备，尤其是铁路电气化的迅速发展，推动了硅整流技术的发展和应用。电气化铁道具有牵引重量大、速度高、节约能源、对环境污染小等优点，电力牵引已成为我国铁路动力改造的主要方向。目前，非线性负荷的大量增加，使我国不少电网的谐波成分以大大超过了有关标准，并出现了一些危及电网安全、经济运行的问题。于此同时，我国许多科研和生产单位，一些高等院校相继开展了谐波研究工作，在多次学术会议上交流了这一方面的成果。但是，我国在APF方面的研究仍处于起步阶段，到1989年才有这方面文章。研究 APF 主要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。研究最成熟的是并联型，而且主要以理论眼界和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、谐波电流的监测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。清华大学、华北电力大学、重庆大学等高等院校也对APF展开了深入的理论研究。我国虽在理论上取得一定的进展，由于多方面的条件的限制，我国的有源滤波技术还处于实验阶段，工业应用上只有少数几台样机投入运行，如华北电力实验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发研究的有源高次谐波抑制装置于1992年在北京木材厂中心变电站投入工业运行，该装置采用了三个单相全控桥逆变器(功率开关为GTR)，用于低压电网单个谐波源的谐波补偿，且只能补偿几个特定次数的谐波(5、7、11、13次)，调制载波的频率(3.3KHZ)不高；河南电力局与清华大学联合开发的20MVA 静止无功发生器(包含有源谐波器)在郑州孟若变电站进行300KVA 中间工业样机试运行，该样机主电路由18脉冲电压型逆变器、直流储能电容器、9台曲折绕组变压器及系统的连接变压器组成，18脉冲逆变器分为3相6脉冲电压型逆变器(功率开关为GTO)，系统结构较复杂。 总的来讲，目前我国有源电力滤波技术的工业应用，仍处于试验和攻坚阶段，特别是在既治理谐波又补偿无功功率的HAPF系统方面，还有许多基础理论与技术有待于深入研究。从近年来的研究和应用中我们可以看出APF具有如下的发展趋势： 1.通过采用PWM调制技术和提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿和系统的大容量；2.从经济上考虑，可以采用APF和PF组成的混合型滤波系统，以减少APF 的容量，达到降低成本、提高效益的目的；3.从长远角度看，随着半导体器件制造水平的迅速发展，混合型滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串并联APF由于其功能强大、性价比高，将是很有发展前途的有源滤波装置。1.2.2 国外研究现状国外对电力谐波问题的研究大约开始于五六十年代，当时的研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。七八十年代随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题日趋严重从而引起各国的高度重视。近几十年间电力谐波的研究，渗透到了数字信号处理、计算技术、系统仿真、电工理论、控制理论与控制技术、电网络理论、电力电子学等其它学术领域，已经越过了电力系统的范畴，并且形成了自己特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、限制标准与管理制度等。目前，谐波研究仍是一个非常活跃的领域。 抑制谐波可以从治理谐波源本身入手，使其不产生谐波，且功率因数为1，单位功率因数变流器就是可以实现这种功能的电力电子装置。但由于谐波的多样性，在电网中一般还是加装滤波器的方法来抑制高次谐波，这些装置一般可分类为无源滤波器和有源滤波器两种。2 谐波及其有源滤波器的研究2.1 谐波的基本概念 2.1.1 谐波的基本含义国际上公认的谐波含义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，或者说谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于1的 次分量其频率为基波频率的整数倍”。谐波次数必须是个正整数，例如我国电力系统的额定频率是50HZ，2次谐波为100HZ，3次谐波为150HZ，有些国家电力系统的额定频率为60HZ，其基波60HZ，2次谐波为120HZ，3次谐波为 180HZ。谐波次不能为非整数，因此也不能有非整数谐波。2.1.2 谐波的数学表达供用电系统中，通常认为电网稳态交流电压和交流电流呈正弦波形。在进行谐波分析时，正弦电压通常由下数学式表示： （2.1）式(2.1)中： 为电压有效值,为初相角，为角频率。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电源和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非正弦电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。理论上任何周期性波形都可以分解成傅立叶级数形式，称为谐波分析或频域分析。谐波分析是计算周期性畸变波形的基波和谐波的幅值和相角的基本方。对于周期为的非正弦电压，一般满足狄力赫利条件，可以分解为如下形式的傅立叶级数： （2.2）式中： （2.3） （2.4） （2.5）在傅立叶级数中频率的分量称为谐波，均以非正弦电压为例，频率为 的分量称为基波，大于谐波次数为基波频率和基波频率的整数比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式中转成即可。2.2 谐波的产生极其危害2.2.1谐波产生的原因2.2.1.1 电源本身的谐波发电机是由三相绕组组成的，理论上讲，发电机三相绕组必须完全对称，发电机内的铁心也必须完全均匀一致，才不致造成谐波的产生。但受工艺、环境以及制作技术等方面的限制，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。2.2.1.2 非线性负载所致谐波产生的另一个原因是由于非线性负载。当电流流经线性负载时，负载上电流与施加电压呈线性关系；而电流流经非线性负载时，则负载上电流为非正弦电波，即产生了谐波。主要非线性负载装置有：1） 输电和配电系统中存在大量的电力变压器。因变压器内铁心饱和，磁化曲线的非线特性以及额定工作磁密位于磁化曲线近饱和段上等诸多因素，致使磁化电流呈尖顶形，内含大量奇次谐波。变压器铁心饱和度越高，其工作点偏离线性就越远，产生的谐波电流就越大，严重时三次谐波电流可达额定电流的5%。2） 整流器和逆变器产生的谐波电压、电流。整流器的作用是将交流电转变成直流电，而逆变器则是将直流电转变成交流电。大功率整流器广泛应用于冶金、化工等领域，大功率整流器逆变器广泛应用于交流变频调速及交直流电动机的调速等领域。其电路中的二极管视为理想二极管，即正向阻抗接近零，反向阻抗无穷大。因此，只允许电流单方向流动，从整流器的输出端看，每相电流波形为矩形波，不是正弦波，利用傅氏级数展开式展开周期的矩形波形，可以看到除了工频正弦波（50 HZ基波）外，还叠加了一系列高次波形谐波。应该说电动机采用变频器进行调速，可以高水平完成调速，也可以节省大量电能（近30%）。但如前面分析，变频调速过程中要产生高次谐波，即形成高次谐波污染，造成厂区的电视、音响系统不能正常工作；还要干扰二次仪表压力、流量、可编程控制器及智能控制器正常工作；谐波还要使变压器、电动机、电容器及电抗器产生过热。3） 电弧炉运行引起电压波动。随着冶炼工业的发展，当然会更多地使用电弧炉，这是一个重要负荷。运行时，电极和金属碎粒之间会发生频繁断路，而在熔化期间，电源两相短路，一旦熔化金属从电极上落下，电弧熄灭，电源又开路，因此，可以说冶炼过程是频繁的短路开路短路的过程，会引起用户端电压波动及白炽灯闪烁，一般电压波动频率是0.1 HZ几十HZ，这种谐波是以三次谐波为主。4） 充气电光源和家用电器也是常见的谐波源。如荧光灯、高压汞灯、高压钠灯与金属卤化物灯应用气体放电原理发光，其伏安特性具有明显的非线性特征；计算机、电视机、录像机、调光灯具、调温炊具、微波炉等家用电器，因内置调压整流元件，会对电网产生高次奇谐波；电风扇、洗衣机、空调器含小功率电动机，也会产生一定量的谐波。这类设备功率虽小，但数量多，也是电网谐波源中不可忽视的因素。2.2.2 谐波的危害2.2.2.1 对电气一次设备的影响与危害1）对旋转电机的影响与危害谐波电流除了在电机的定子绕组中产生有功损耗以外，还产生旋转磁场，在转子的铁芯中和转子的绕组中感应电流，从而产生有功附加损耗。这些附加损耗使电机的定子和转子温升增大。另外，谐波电流和基波磁场相互作用产生的扭力矩作用在转子上，激发汽轮发电机周期性振动，并伴有噪声。如果谐波电流的频率接近定子零部件的固有振动频率时，可能引起发电机的强烈振动，造成汽轮机的轴和叶片因疲劳而损坏。2） 对变压器的影响与危害变压器中谐波电流的影响主要是增加其铜损和铁损，并随频率的增大而增大。谐波损耗产生的局部过热会降低变压器的绝缘寿命。当附加损耗达到一定值时，需要降低出力运行。若变压器绕组的电抗和电容器组发生串联谐振时，将产生谐波过电压，使局部放电量增加，加速绝缘老化。严重时还会发生绝缘击穿事故。3） 对电力电容器的影响与危害电力系统中的谐波会增加电容器的介质损耗，使温升增高，从而降低其寿命。谐波产生的损耗与谐波次数成正比。高次谐波的含量越大，产生的损耗也越大。由于电容器的结构不利于散热，造成电容器的温度升高与介质损耗增加形成恶性循环，最后可能导致热击穿。电力系统中的谐波会增加电容器的介质损耗，使温升增高，从而降低其寿命。谐波产生的损耗与谐波次数成正比。高次谐波的含量越大，产生的损耗也越大。由于电容器的结构不利于散热，造成电容器的温度升高与介质损耗增加形成恶性循环，最后可能导致热击穿。2.2.2.2 对二次设备的影响与危害1） 对测量设备的影响与危害传统的功率定义大都是建立在平均值基础上的。但当电路中含有谐波时，传统的功率概念已无法对谐波电路的功率现象进行解释和描述。迄今为止，还未找到彻底解决问题的理论和方法。以至于同一厂家制造的同一种仪表对同一电气量进行测量，按照不同的定义所得的结果有时竟相差20%30%。因此，存在谐波时功率的分类和定义直接影响功率和电能的测量以及与之有关的收费问题。2） 对继电保护和自动装置的影响与危害正常运行时，变压器空载合闸时励磁涌流含有大量的谐波分量，使变压器二次电流波形严重畸变，以致电流幅值可能超过过电流继电器的整定值而误动作。在故障情况下，谐波影响比较大的是距离保护。阻抗继电器是按系统的基波阻抗整定的，3次谐波会引起很大的测量误差，严重时可能拒动或误动。对于高阻接地故障，因故障电流中的谐波含量较大，如果没有滤波装置，误动作的可能性较大。3次谐波电流也容易引起接地保护装置的误动作。晶体管继电保护装置的组成元器件对各次谐波所呈现的阻抗不同，往往使比较器上的谐波含量比一次系统的含量大得多，因此，谐波容易使电压（或电流）的幅值增加，并引起交流量过零的机会增多，微分的脉冲次数增多，都可能引起晶体管继电保护的误动作。2.3谐波的抑制方法对谐波抑制和消除的方法本文采用的是从改进电力电子装置入手，使注入电网的谐波电流减少，也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐的产生。这类方法可防止谐波影响波及众多的供用电设备。电网质量的提可节省消除谐波影响的大量人力和物力。将高水平的技术和相对集中的财用到控制谐波源上，则对电力电子装置改进技术的突破十分有利，这样的方法有：2.3.1 增加整流相数法 谐波产生的机理知，随着整流相数的增加，网侧电流谐波成分减少，电流波形接近于正弦波。在晶闸管三相桥式整流电路中，电流只含有次奇次谐波，但高次谐波的振幅值只有基波振幅值的，这说明谐波次数越高，其振幅值越小。在多相整流电路中，谐波的影响就显著减少当然整流相数提高，会使设备的造价相应提高。2.3.2 波形叠加法 逆变器输出端的电压谐波严重地影响了直流到交流变换器的应用。但如果用两台逆变器输出的电压在副边叠加，使两台逆变器的输出波形每半周内都保持6个间隙，然后第二台逆变器输出波形相对第一台逆变器输出波形相移这样第一台逆变器的输出波形中的五次谐波和第二台逆变器输出波形中的五次谐波的相位差为，五次谐波在变压器副边互相抵消，达到了同时消除三次和五次谐波的目的，逆变器输出电压波形接近于正弦波。 2.3.3脉宽调制法 采用PWM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。抑制和消除谐波的另一大类方法是在电力电子装置的交流侧利用LC无源滤波器和电力有源滤波器对谐波电流分别提供频域谐波补偿和时域谐波补偿。这类方法属于对己产生的谐波进行有效抑制的方法。 2.3.4 LC无源滤波法 LC无源滤波器是一种常用的谐波补偿装置。它的基本工作原理是利用 LC谐振回路的特点抑制向电网注入的谐波电流。当谐振回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，则可将该次谐波电流滤除，使其不会进入电网。多个不同谐振频率的谐振回路可溥除多个高次谐波电流，这种方法简单易行。 2.3.5静止无功补偿法 在网侧投入无功补偿装置是用来补偿由谐波造成的无功功率，提高功率因数。另外，无功补偿装置中电感和电容的合理设置，可在某次频率产生谐振，即可对该频率的谐波实现滤波。传统的固定电容器和晶闸管控制电抗器的无功补偿装置已经落后，近年来发展趋势是采用GTO构成的换向变流器，通常称为静止无功发生器(SVG)，它既可提供滞后的无功功率，又可提供超前的无功功率。如果单纯用于补偿无功，可用移相多重联结的方法来降低其补偿电流中的谐波。再使用适当的控制方法，别可在补偿无功功率的同时对谐波电流进行补偿。 2.3.6电力有源滤波器补偿法 如上所述的LC滤波器及静止无功补偿装置虽然能减少谐波分量，抑制某些谐波，但却不能对变化的高次谐波动态补偿。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。早在1971年日本 HISaskai 和TIMachida 首先提出有源补偿装置的原始模型，由当时是采用线性放大器来抑制谐波电流，效率低，在实际电力系统中并无实用价值。之后于 1976年，美国西屋电气公司的 LIGyugyi 等提出了采用 PMW 变流器构成的电力有源滤波器，并确立了有源补偿抑制无功与高次谐波的概念。这些采用PWM变流器构成的电力谐波抑制装置已成为当今有源滤波器基本结构。然而，在70年代由于缺少大功率快速器件，因此对电力有源滤波器的研究，几乎没有超出实验室的范围。进入80年代以来，随着大功率晶体管(GRT)、大功率门极可关断晶闸管(GTO)和静电感应闸管(ST)等器件的快速发展，电力有源滤波器的研究开始活跃起来，并且正朝着实用化的方向发展。在发展过程中取得的有代表意义的成果有：1983年日本长岗科技大学的H.Akagi等提出的瞬时无功理论，这一理论为电压型有源滤波器的控制提供了一个谐波补偿电流的基本算法，并研制出 7KVA 的瞬时无功和高次谐波补偿器。采用4个三相 PWM 电压型四象限变流器四重联接，以提高系统的工作频率。用于补偿 20KVA 三相整流器在交流侧所产生的高次谐波和无功电流，补偿效果较好，证明了有源高次谐波补偿器的可行性和实用性。 2.4 有源滤波器有源电力滤波器APF并联型 单独使用直流APF 串联型 交流APF 串联混合型 与LC串联 混合型并联混合型 与LC并联串并联混合型 注入型图2.1电力滤波器的系统构成分类 1.根据应用场合不同，APF可以分为直流APF和交流APF两大类：直流APF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APF主要用于交流电力系统，是目前研究主要对象。 2. 根据主电路的形式分，可以分为单个主电路有源电力滤波器和多重化即混合型主电路有源电力滤波器。后者可以增大有源电力滤波器的容量，提高等效开关频率，减小单个器件的开关损耗，改善补偿电流的跟随特性。由于电网与APF及APF与PPF之间存在着谐波通道，特别是APF与 PPF之间谐波通道，可能使APF注入的谐波电流又流入PPF和系统中，特别是在公共连接点(PCC)的电网谐波电压较高，即背景谐波较大时尤甚，PPF 有过载烧坏的危险。所以较好方法是 APF和PPF按频率分段完滤波功能，即由PPF滤除低次谐波，APF滤除高次谐波，或者反之PPF由多组单调谐滤波器及高通滤波器组成，用于滤除负载中占主要成分的低次谐波；APF采用高频变流器，滤除剩余的高次谐波电流，由于高次谐波电流幅值较小，故APF容量可以大大降低。3. 根据接入电网的方式不同可以分为并联型、串联型、串并联型以及混合型。并联型 APF可以看作电流源，它通过注入补偿电流来补偿电流型负载的谐波、无功和负序电流；串联型APF主要消除电压型谐波源对系统的影响。与并联型APF相比，由于串联型 APF 中流过的是正常负载电流，因此损耗较大。为了提高 APF 的容量、提高其性能降低其成本，可将并联型或串联型有源电力滤波器与无源LC滤波器混合使用，组成混合型有源电力滤波器。由木泰文等提出的统一电能调节器(Unified Power Quality Conditioner，缩写UPQC)，它实际上是并联型 APF、串联型APF和LC调谐波滤波器三者的组合，在该使用方式中，串联型有源电力滤波器起到调整电源电压和谐波隔离的作用；并联型有源电力滤波器则主要起到谐波电流和无功补偿作用。统一电能质量调节器在柔性交流输电(FACTS)中得到广泛应用。 4. 根据主电路储能元件的不同分类，有源电力滤波器可分为电压型和电流型，电压型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保持不变；电流型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变。与电压型APF相比，电流型 APF的一个优点是，不会由于主电路开关器件的直通而发生断路故障，但是，电流型APF的直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。电流型 PWM 逆变电路和电压型 PWM逆变电路的作用是产生非正弦电流来补偿非线性负荷产生的谐波电流。电压型 PWM变流器在它的直流侧有一个大电容，由于其轻便且特性较好，所以应用较为广泛。2.5 并联有源电力滤波器补偿特性的研究2.5.1有源电力滤波器补偿特性的基本要求有源电力滤波器对高次谐波的补偿效果可以用以下两个指标来衡量。1. 谐波含有率HR该次谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表示,称为谐波含有率HR。h次谐波的电流含有率h次谐波的电压含有率2. 总谐波畸变率THD指各次谐波均方根值的平方和的平方根值与基波均方根值的百分比。 （2.13） （2.14）提高电能质量,对谐波进行综合治理,防止谐波危害,就是要把谐波含有率和总谐波畸变率限制到国家标准规定的允许范围之内。补偿后的电源电流总谐波畸变率THD越小,补偿效果越好。2.5.2影响有源电力滤波器补偿特性的因素从原理上讲,有源电力滤波器可以实现谐波源负载中谐波的完全补偿,但实际这是很难实现的。因为在谐波检测环节、控制系统和指令电流运算电路的误差导致补偿电流存在误差。误差可以分为:幅值误差和相位误差,会影响有源电力滤波器的补偿特性,使谐波源的谐波不能彻底完全补偿。2.5.3并联型有源电力滤波器补偿特性图2.2并联补偿谐波电流等效电路图并联型APF对谐波源进行补偿时,其系统单相等效电路如图所示。图中:us为电源端电压,当电源中没有谐波,只包含基波时（，别为基波电流和电源基波阻抗)。由于电力系统中大多数谐波源为谐波电流源,要补偿谐波就要有一个APF向电流型谐波源提供谐波电流,从而,电源只向谐波源提供基波电流。,式中:为谐波源电流,为电源提供的基波电流,为APF向谐波源提供的谐波电流,可以利用APF的并联补偿实现。若电源向其它负荷供电,因为电源本身只包含基波,不会对其它设备产生千扰。2.6 电力系统谐波标准由于电网中的谐波电压和电流会对电网本身和用电设备造成很大的危害，所以必须限制谐波电流流入电网和控制谐波电压在允许的范围内，以保证供电质量。世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的规定。各级电网的谐波水平一般用谐波电压含有率或谐波畸变率来反映。国际大电网会议(CIGRE)和国际电工委员会(IEC)都成立了专门工作组拟定电力系统和电工产品的谐波标准，很多国家对谐波也制定了相应的国家标准，一些国家的电压总谐波畸变率的大致范围为：低压电网(1KV),一般 5%,个别 3%、7%；中压电网(2477kV),一般 2%5%,个别 6%；高压电网(84kV 及以上)，一般 1%1.5%，个别 2%5%。 电网标准电压（KV）电流总谐波畸变率（%）奇次谐波电压总含有率（%）偶次谐波电压总含有率（%）0.387.05.02.04.03.21.6 3.02.40.21102.01.61.8表2.3公用电网谐波电流(相电流)限值 2.7 本章小结本章介绍了谐波的基本概念和抑制方法，然后介绍了无源滤波器和有源滤波器分类和研究现状，对研究的并联型有源电力滤波器补偿特性进行了分析研究。，最后介绍了电力系统谐波标准，为以后研究研究典型谐波源电力电子整流装置进行谐波治理工作明确了方向。4444欢迎下载44欢迎下载44欢迎下载44欢迎下载44欢迎下载44欢迎下载44欢迎下载。精品文档3基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法3.1谐波检测方法研究现状1. 早期的谐波检测方法都是基于频域理论，即采用模拟滤波器原理。优点是原理和实现电路简单、造价低、输出阻抗低、品质因素易于控制。但存在诸多缺点:实现电路的滤波中心频率对元件参数十分敏感、受外界环境影响较大、难以获得理想幅频和相频特性;电网频率波动不仅影响检测精度，而且检测出的谐波中含有较多的基波分量;当需要检测多次谐波分量时，实现电路变得复杂，其电路参数设计难度随之增加;运行损耗大。由于上述严重缺陷，随着电力系统谐波检测要求的提高及新的谐波检测方法日益成熟，该方法已极少采用。2. 基于Fryze传统功率定义的谐波检测法原理是将负荷电流分解为与电压波形一致的分量(“有功电流”)，其余分量作为广义无功电流(包括谐波电流)。因为Fryze功率定义是建立在平均功率基础上，所以要求瞬时有功电流需要一个周期的积分，需要一个周期才能得出检测结果，再加上其它运算电路，需要有几个周期的延迟。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际上是几个周期前电流，实时性不好。 3. 近年来，国内外对神经网络(Neural Network，NN)进行谐波检测的相关研究文献迅速增加，并取得了一些工程应用或成果，概括起来有两个方面：一是提出了基于多层前馈网络NN的电力系统谐波检测方法，该方法利用多层前馈神经网络来进行谐波检测；二是将Adaline神经网络和自适应对消噪声技术相结合进行谐波检测。4.小波变换适用于稳态信号的研究，也适用于时变信号的研究。对波动谐波，快速变化谐波检测有很大优越性。是目前波动谐波和快速变化谐波的主要检测方法。小波变换克服了FT在频域完全局部化而在时域完全无局部化的缺点。但是WT稳态谐波检测面并不具备理论优势;另一方面WT的理论和应用时间相对较短，WT应用在谐波测量方面尚处于初始阶段，存在许多不完善的地方，如缺乏系统规范的最小波基的选取方法、缺乏构造频域行为良好，即分频严格，能量集中的小波函数以改善检测精度的规范方法。3.2三相电路瞬时无功功率理论三相电路瞬时无功功率理论由s.Fryze、w.Quade和从agi(赤木泰文)等提出,随后得到了广泛深入的研究并逐步完善。该理论突破了传统的平均值为基础的功率定义,系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理论为基础可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流实时检测方法。3.2.1瞬时有功功率和瞬时无功功率三相电路瞬时无功功率理论首先于1983年由赤木泰文提出,经不断研究并逐渐完善。变换:实现了三相瞬时电压,电流由静态变换到旋转的。正交坐标变量作为分析基础。设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为、和、把他们变换到声两相正交的坐标系上进行研究。 图3.1坐标系电压矢量、电流矢量 （3.1） （3.2)其中：如图3.1中所示的平面上，矢量和分别可以合成为(旋转)电压矢量和电流矢量(矢量和是矢量和在轴和轴投影： （3.3） (3.4)引入瞬时有功功率和瞬时无功功率，有： (3.5) (3.6)写成矩阵形式： (3.7)由上述的公式代入，p，q对于三相电流、电压的表达式： (3.8) (3.9)由公式可以看出三相电路瞬时有功功率就是三相电路的瞬时功率。 (3.10) (3.11)3.2.2瞬时有功电流和瞬时无功电流三相电路瞬时有功电流和瞬时无功电流分别为矢量在矢量及其法线上的投影。即： (3.12) (3.13)公式：。三相电路各相的瞬时无功电流(瞬时有功电流)是、两相瞬时无功电流(瞬时有功电流)通过两相到三相变换所得到的结果。即 (3.14)传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值基础或相量的意义上定义的,它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。而瞬时无功功率理论中的概念,都是在瞬时值的基础上定义的,不仅适用于正弦波,也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况。从以上各定义可以看出,瞬时无功功率理论中的概念,在形式上和传统理论非常相似，可以看成传统理论的推广和延伸。3.3基于瞬时无功功率p、q检测方法三相电路瞬时无功功率理论由S.Fryze、W.Quade和Akagi等提出,随后得到了广泛深入的研究。该理论系统的定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。 图3.2 p、q检测方法原理图根据定义算出p、q,经低通滤波器（LPF）得到p、q的直流分量、。电网电压波形无畸变时,为基波有功电流与电压作用产生的,为基波无功电流与电压作用产生。于是,由、即可算出被检测电流、的基波分量、。 (3.15)当有源电力滤波器同时用于补偿谐波和无功时,就需要同时检测出补偿对象中的谐波和无功电流。在这种情况下,只需断开图中计算q的通道即可。这时,由即可计算出被检测电流、的基波有功分量、为： (3.16)将、与、的谐波分量和基波无功分量之和。由于采用了低通滤波器(LP）求取p、q,故当被检测电流发生变化时,需经一定延迟时间才能得到准确的p、q,从而使检测结果有一定延时。但当只检测无功电流时,则不需低通滤波器,而只需直接将q反变换即可得出无功电流,这样就不存在延时了,得到的无功电流如下式所示： (3.18)3.4基于算法的谐波电流实时检测三相电路瞬时无功功率理论，首先在谐波和无功电流的实时检测方面得到了成功的应用。目前，有源电力滤波器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和无功电流检测方法应用最多。检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波的构成和采用滤波器的不同会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。对于电网中典型的谐波源三相整流桥，其检测的延时约为 1/6 周期，所以该方法具有很好实时性。以三相电路瞬时无功功率为基础，计算为出发点即可得出三相电路谐波电流检测的方法如下：基于运算方式的谐波电流检测法是由西安交通大学王兆安教授在十世纪九十年代提出的，该方法与基于 p、q 运算方式相比更适合电流的快速检测，即使当电压波形有畸变，也能准确地检测出全部谐波和无功电流运算方式的谐波电流检测法是由西安交通大学王兆安教授在二十世纪九十年代提出的，该方法与基于 p、q 信号。这两个信号与，一起计算出基波有功电流和基波无功电运算方式相比更适合电流的快速检测，即使当电压波形有畸变，也能准确地检测出全部谐波和无功电流。根据瞬时无功功率理论可推导出瞬时有功电流和瞬时无功电流的表达式为： =（3.19） 其中 由上式可得出电流检测法原理如图3.3所示：图3.3 -检测法原理该方法中，需要与A相电网电压同相位的正弦信号sin t和对应的余弦信号cos t，它们由一个锁相环（PLL）和一个正、余弦信号发生电路得到。其中PLL主要起同步作用，当检测到过零上升的时启动正、余弦表（包括-cos t的值），使其形成一个矩阵C。根据（4.11）式计算出、，在经过LPF滤波可得出、的直流分量、。这里，、是由、产生的，因此由、反变换计算出、为： (3.19)图3.3只是检测谐波电流时的情况，当检测谐波和无功电流之和时，只需断开图3.3中的通道即可，由即可计算出被检测电流、的基波有功分量为、为： （4.13）将、与、相减，即可得出、的基波分量和基波无功分量。与p-q检测法相，-检测法不仅适用于三相不对称公用电网，而且对电网电压畸变也有效。精品文档4 并联有源电力滤波器的控制策略研究4.1有源电力滤波器工作原理及模型有源电力滤波器的主电路大多数采用电压型，本文采用如图所示的三相三线制并联有源电力滤波器结构图。 图4.1 并联有源电力滤波器结构 主电路工作情况是由 6 组开关器件的通断组合所决定的。通常逆变器同一相的上下两组开关器件总有一组中的一个器件是导通的。开关函数为： (4.1)假设三相电源电压之和,因为,可以得出描述主电路工作情况的微分方程： (4.2)式中、一主电路各桥臂中点与电源中点之间的电压、一开关系数4.2并联有源电力滤波器滞环比较控制方法并联有源电力滤波器电流控制电路主要作用是根据由检测系统得到补偿电流指令信号,得出主电路开关器件通断的PWM信号,保证补偿电流跟踪其指令电流信号的变化。为了取得理想补偿特性,APF电流控制方法的选择十分重要。4.2.1有源电力滤波器电流控制方法研究现状目前,并联有源电力滤波器常用的电流控制方法有:滞环控制、三角波比较、无差拍控制和近几年兴起的自适应控制、自抗扰控制、神经网络控制、遗传算法和单周控制等。三角波比较电流跟踪控制与一般三角波作为载波的PWM控制方式不同,不是直接将指令信号叮与三角波比较。而是将指令信号叮与有源电力滤波器主电路输出的实际补偿电流信号之差经放大器后,与高频三角波比较,得到矩形脉冲作为有源电力滤波器主电路元器件的控制信号,从而使变流器输出所需要补偿电流。放大器往往采用比例放大器或比例积分放大器。4.2.2三角波控制原理图4.2三角波比较控制原理图三角波比较方式具有元器件开关频率固定，且 PWM 信号等于三角载波频率；输出补偿电流含有谐波较少，但含有与三角载波相同频率的谐波；但是动态响应没有滞环比较快、放大器增益有限、三角载波频率影响元器件等工作特点。 4.2.2 PWM控制原理PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。PWM 控制技术在逆变电路中的应用最为广泛，影响也最为深刻。PWM 控制技术重要理论基础是采样控制理论的面积等效原理。如果调制的信号波形是从电网提取的谐波电流，可以用三角波对其进行 PWM 调制，得到有源电力滤波器中 PWM 逆变器的控制信号，使主电路产生补偿电流。4.2.3滞环比较控制方式滞环控制是一种电流瞬时值比较控制，当补偿对象与滤波器输出之差超过预定的容许误差时，主电路开关元件动作，滞环电流比较控制是实际电流与指令电流的上、下限相比较且形成一个环带，并以交点作为开关点。滞环比较控制方式基本原理是将补偿电流的指令信号与有源电力滤波器主电路输出的实际补偿电流信号差作为滞环比较器的输入，通过比较器的输出来控制电力电子器件的通断，从而控制实际补偿电流的变化。 图4.3滞环电流控制原理图滞环比较控制方式具有硬件电路简单、电流响应快、不需要载波输出电压中不含有特定频率谐波分量等特点。在这种控制方式中，滞环的宽度对补偿电流的跟随性能有较大影响。当滞环的宽度较大时，主电路的开关元件的开关频率较低，对元器件要求不高，但是跟随误差较大；反之滞环的宽度较小时，跟随误差较小，但主电路的开关元件的开关频率较高在并联有源电力滤波器实际应用中，滞环比较控制方式环宽的选取至关重要。环宽的选取是根据电力系统绝对电流变化的要求决定的，电流畸变的边界值是总电流的 5%左右。用H表示滞环比较控制方式的环宽，当时，滞环比较器输出保持不变；当时，滞环比较器的输出翻转，假设后面的主电路无延迟，则补偿电流的变化方向随之改变。这样就在-H和 H之间变化，呈锯齿波状跟随变化。4.3有源电力滤波器系统图4.4并联型有源电力滤波器的系统总构成图有源电力滤波器系统由两大部分组成，即谐波电流检测电路和补偿电流发生电路(由补偿电流控制电路、隔离驱动电路和主电路三个部分构成)。其中，谐波电流检测电路的核心是检测出补偿对象电流中的谐波电流分量。补偿电流发生电路的作用是根据谐波电流检测电路得出的补偿电流信号，产生实际的补偿电流。补偿电流控制电路的作用是根据检测到的各个电压和电流，由控制算法计算得出补偿电流的指令信号。主电路用来产生补偿电流，目前均采用PWM 变流器。 表示交流电源电势，为交流电源电流，负载为谐波源，它降低了系统功率因数，产生了谐波，为负载电流。为补偿电流，为补偿