电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究

分类号分类号 密密 级级 U D C 单位代码单位代码 1 辽宁工业大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究 工程领域工程领域 电气工程电气工程 研研 究究 生生 校内指导教师校内指导教师 教授教授 校外指导教师校外指导教师 高级工程师高级工程师 二二 一一 年三月年三月 电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究 辽宁工业大学硕士学位论文辽宁工业大学硕士学位论文 电气工程电气工程 二二 一一 年年 宋体四号加粗宋体四号加粗 辽宁工业大学 硕硕 士士 学学 位位 论论 文文 电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究 工程领域工程领域 电气工程电气工程 研研 究究 生生 校内指导教师校内指导教师 教授教授 校外指导教师校外指导教师 高级工程师高级工程师 辽宁工业大学辽宁工业大学 电气工程学院电气工程学院 二二 一一 年三月年三月 Masteral Dissertation Study on Harmonic Suppression and Reactive Power Compensation of Power System Speciality Electrical Engineering Candidate Supervisors Professor Engineer Liaoning University of Technology Jinzhou 121001 China 2014 摘要 辽宁工业大学硕士学位论文 I 摘 要 随着电力电子技术在电力系统的广泛应用 工业化进程得到飞速发展 由此引发 的电能质量问题也备受关注 尤其是阻感性负载的运行过程给电网带来的无功供应和 谐波污染问题 为了使电能质量达到安全可靠 优质经济的要求 深入研究无功补偿 和谐波抑制技术具有深远的现实意义 首先 针对电力系统的谐波和无功现状 本文论证了谐波抑制和无功综合装置的 可行性 并分别对谐波的治理措施和无功补偿原理进行了深入研究 为谐波抑制和无 功综合装置的研究提供了理论依据 其次 对谐波和无功电流的综合检测方法的性能进行分析对比 重点研究了基于 瞬时无功功率理论的 ip iq 检测法 并在理论基础上对这种检测方法进行了仿真 验证 了此方法的检测速度快 精准性高和实时性好等优势 最后 设计了以有源电力滤波器 APF 为核心与静止无功发生器 SVC 联合运 行的综合装置 该装置由结构相同的多组晶闸管投切电容器 TSC 和呈 H 桥型连接的 APF 并联在电网上 通过 TSC 和 APF 的互补互利实现综合治理的目的 同时 将此综 合装置应用于锦州拓新电力电子有限公司的实验之中 通过对实验数据的处理和分析 验证了此装置在提高系统动态性能及稳定性方面具有更可靠 更速动 更灵敏的优势 关键词 电能质量 动态无功补偿 谐波抑制 综合补偿控制策略 电流检测方法 关键词 电能质量 动态无功补偿 谐波抑制 综合补偿控制策略 电流检测方法 Abstract 辽宁工业大学硕士学位论文 II Abstract With the wide application of power electronic technology in power system the indutr ialization process to get rapid development but much attention has been paid to power quality problems especially the process of inductive load resistance to the power grid to supply reactive power and harmonic pollution problem In order to make the power quality reach the requirement of safe and reliable high quality economic so further study of reactive power compensation and harmonic suppression technology has far reaching practical sign ificance Firstly according to current situation of power system harmonic and reactive power this paper demonstrated the feasibility of harmonic and reactive power integrated compensation device and the control measures of harmonic and reactive power compensation principle were studied except that the paper provided a theoretical basis for the study of harmonic and reactive power compensation device and the comprehensive Secondly an analysis comparison between the harmonic and reactive current detection method of performance has been done and especially we mainly studied ip iq tests based on the instantaneous reactive power theory and made a simulation about the detection methods based on the theory we verified the advantages the detection precision of the method and the real time Finally the design of active power filter APF as the core and the static reactive power generator SVC joint operation of comprehensive compensation device was made the device by the structure of the same set of TSC The thyristor for capacitor and the H bridge connection of APF was on the grid in parallel achieving the goal of comprehensive compensation by TSC and APF s complementary and mutual benefit At the same time the comprehensive compensation device was applying to jinzhou new power electronics Company This device was verified in improving system dynamic performance and stability is more reliable more quick more sensitive based on the experimental data processing and analysis Key words Power System reactive power compensation harmonic suppression comprehensive compensation control strategy the instruction current detection method 目录 辽宁工业大学硕士学位论文 III 目 录 摘 要 I Abstract II 1 绪论 1 1 1 课题研究的背景和意义 1 1 2 影响电能质量的因素 1 1 3 谐波抑制和无功补偿国内外研究现状 2 1 3 1 谐波抑制和无功补偿的国内外的研究现状 2 1 3 2 综合装置的国内外研究现状 3 1 4 本论文的主要研究工作 4 2 电网谐波分析及其抑制 5 2 1 谐波产生的危害及谐波标准 5 2 2 谐波治理的措施 7 2 2 1 电网谐波治理措施和抑制方法 7 2 2 2 有源电力滤波器的工作原理分析 9 2 3 谐波电流的分析与检测方法 10 2 3 1 谐波电流的检测方法 10 2 3 2 基于瞬时无功 ip iq 算法的仿真 15 2 4 谐波抑制系统的控制方法 16 2 5 本章小结 17 3 谐波抑制和无功补偿 19 3 1 无功功率及其影响 19 3 1 1 无功功率及无功电流的危害 19 3 1 2 无功补偿原理和补偿技术的发展 20 3 1 3 SVC 补偿的原理和特点 22 3 2 谐波和无功存在的主要问题 26 3 3 谐波无功综合装置分类 26 3 4 本章小结 29 4 谐波无功综合系统设计 30 4 1 综合装置系统构成和工作原理 30 4 2 APF 与 TSC 综合系统的稳定运行的控制策略 31 4 3 APF 与 TSC 综合系统的无功和谐波电流检测方法 32 4 4 本章小结 33 5 谐波抑制和无功补偿综合装置的实验 34 目录 辽宁工业大学硕士学位论文 IV 5 1 系统主电路结构 34 5 2 计算 APF 的补偿容量和输出参数 34 5 3 APF 与 TSC 综合装置的控制方法 37 5 4 APF 与 TSC 综合装置的实验与结果分析 38 6 结论与展望 44 参考文献 45 致 谢 47 1 绪论 辽宁工业大学硕士学位论文 1 1 绪论 1 1 课题研究的背景和意义 21 世纪以来 全球工业化进程飞速发展 人们开始越来越关注保护环境和节约能 源的课题 电力系统可以说也是一种 环境 也同样面临着污染方面的问题 1 因 此如何能令人类使用安全可靠 质量优良 经济实惠的电能成为近年来的研究重点 国家早在十一五规划纲要中就明确提出 要通过开发推广新技术 实现节能目标的战 略决策 目前全球基本上将节能的重点领域放在工业 交通这两个与人们生活息息相 关的方面 其中工业是侧重点 工业用电的特点是 不论是用电还是配电系统中均存 在着大量的问题 这些问题均与无功和谐波息息相关 现代电力系统中 电力电子技术的飞速发展 使得电力系统中电力电子器件的应 用呈现越来越普遍的现象 很多电力电子设备工作时均会对电力系统造成谐波污染 功率因数降低等电能质量问题 再加上科技如此发达的现代社会中 人们在电网中大 量使用各种具有不对称 冲击性 波动性和非线性的负载 长此以往电力系统中的谐 波污染 电压波动及电压跌落等问题越发不可收拾 从而大大降低电能质量 2 电网电压与无功密切相关 大量谐波注入电网很大程度的影响电力系统正常运行 由于我国特殊的经济模式 辽阔的地理环境和资源分布不均等客观因素更加剧影响了 电力系统的发展 形成了发电厂和负荷分布不均的结果 因此大范围的远距离输电更 能符合我国对电网的需求 面对上述问题就需要我国电力系统具备良好的传输能力和 暂态稳定性能 这些全是跟无功供应密切相关的 故无功装置必不可少 非线性负载 的增加导致公用网络中的谐波源数量也随之增多 以至于电网电能质量问题日益严重 因此 对电网进行谐波抑制和无功补偿的研究完全符合科学发展观和可持续发展战略 1 2 影响电能质量的因素 从字面上直译 电能质量就是系统中电能的质量 和发电 供电 配电 用电四 大系统及电力系统设备正常工作时的电流 电压偏离规定的指标差值密切相关 电网 中具体将其定义为导致用电系统无法再正常工作或发生故障时的电流 频率或电压与 正常工作时的差值 通常用这三个差值 电压波动 闪变和三相不平衡等这些标准来 衡量电能质量的高低 3 目前工业上涉及最多的电能质量问题是电压问题和谐波问题 频率问题不太常见 影响电能质量问题的因素有以下几个方面 1 电力系统出现的运行故障会造成电能质量问题 比如常见的雷击就会使发电 励磁系统工作状态发生严重改变 2 非线性负载 现在人们无论在工业用电上 还是在生活用电过程中 都使用 1 绪论 辽宁工业大学硕士学位论文 2 着大量的非线性负载 例如变流器 整流器等电力电子器件运行时吸收大量无功的同 时会发出大量的谐波 3 电力系统的非线性 例如同步发电机在实际运行时 它的感应电动势会因为 受谐波影响发生振荡 所以电动势波形就不再是理想的正弦波 从而影响系统稳定运 行 长期以来对于电力系统来说电能质量问题多源于系统侧 如当系统运行状态处于 非正常运行状态时 往往采取的治理措施有投入电源 投入补偿电容器 启动大电动 机等 另外就是像由于天气原因 人为操作或器件损坏等客观因素也会影响电能质量 近年来负载侧对电能质量的影响呈增长趋势 从一些低压小容量的家用电器到高压大 容量的工业装置 都能引发电网电流和电压波形的畸变 4 例如煤矿中的电机车 在运 行时会发生谐波浪涌及无功冲击现象 还有许多电弧设备往往会产生大量谐波 针对 这些问题 就要求各个生产单位在生产使用设备的同时也要努力对原来的设备进行升 级改造 但是由于技术受限往往改进措施达不到治标的目的 近年来 电能质量问题 日益明朗化 现在可以说电能质量问题的内涵就是谐波和无功问题 随着大功率可关 断器件和 PWM 技术的发展 再加上数控技术 DSP 在电力系统中的广泛应用 电能 质量的控制和管理得到了质的跨越 致使越来越多学者加入了对它的研究之中 1 3 谐波抑制和无功补偿国内外研究现状 1 3 1 谐波抑制和无功补偿的国内外的研究现状 目前在国内无功补偿方面 工业上主要采用的无功补偿装置是静止无功发生器 SVC SVC 是依靠电容器提供固定的容性无功 补偿电抗器补偿感性无功 晶闸 管变流装置和控制系统可以使 SVC 既能够吸收感性无功功率也能够吸收容性无功功率 这几年电力电子技术飞速发展 科研工作者研制出了具有大容量的静止无功发生器 这个项目已经被国家列入电力部重点科研攻关项目 这项研究的原理是基于 GTO IGBT 等大功率可控开关器件 采用逆变技术进行动态无功补偿 在补偿过程中 首先需要使用指令电流运算电路将补偿对象电流中的谐波和无功电流分量检测出来 然后用补偿电流发生电路根据检测出的补偿电流的指令信号选取适当的控制策略进行 补偿 目前 研制出使电源电流等于负载电流的基波有功分量这样的装置是国内研究 的最先进的也是最复杂动态无功补偿装置 在实际运用中 我们不可以盲目选取 认 为补偿效果最好的就是最适合的 要根据实际需求来判断进而选择是用并联电抗器 并联电容器 静止无功发生器还是使用电力有源滤波器来进行无功补偿 1961 年我国着手研究谐波 到目前为止我国已经有上百家公司和科研单位从事有 关谐波抑制这个方向的研究 简单的说 处理谐波可以选用尽可能减少谐波源的谐波 分量的方式 也可以采用多环流和 PWM 技术来抑制谐波 还可以使用滤波器进行谐 1 绪论 辽宁工业大学硕士学位论文 3 波治理 现在电网普遍选用控制整流器来分析谐波特性 再将交流整流成直流 这样 就会导致交流波形发生严重畸变 继而会产生大量谐波 也就是说有些谐波治理装置 本身也会产生谐波 我国从研究谐波到如今谐波抑制的方式一般分为三种 一是只吸收固频谐波的传 统 LC 无源电力滤波器 由于此类滤波器容易发生并联谐振 现今已经很少使用 二是 现在普遍使用的是有源滤波器 但在工业应用方面仍处在试验与研究阶段 尤其是对 无功和谐波能进行综合治理的 HAPF 的研制 有源滤波器必须以高水平技术作为依据 难设计 成本高 三是混合滤波装置 实践证明将无源滤波和有源滤波相结合进行混 合滤波 能达到很好的滤波目的 相对比的 国外第一批静补装置于二十世纪六十年代便在英国研制成功 八十年 代美国研制出基于 GTO 的静止无功发生器 90 年代日本 德国和美国也分别研制成 功 随着 FACTS 装置的提出世界上许多国家都开始这领域研究 早在 1998 年 美国 名为 Inez 的变电站便将 UPFCt271 安装在 138kV 电力系统上 许多发达国家早就将 SVC 补偿装置应用到改善电能质量上 近十年来这些国家也早已经将 SVG 产业化 10 谐波方面早在二十世纪九十年代德国便提出了有关电力谐波干扰对电网有影响的 问题 70 年代以来 随着谐波所造成的不良影响日益明显 世界各国均开始投入大量 的人力与注意力对待谐波问题 为此国际上还曾多次组织学术研讨会 电力系统和用 电设备产生谐波的有关规定和标准早就被大部分国家和许多国际学术组织纷纷设置了 限制 H SasakiT Machida 早就对 APF 的基本原理进行了完整的描述 Gyugyi 根据 APF 原理提出采用 PWM 控制变流器来完善装置 并研究出 APF 主电路的控制方法和 基本拓扑结构 80 年代 电力电子器件被广泛的应用以及 PWM 控制技术也相应的得 到飞速发展 APF 当时成了热点研究项目 目前 在设计使用 APF 时用的理论基础中 三相电路瞬时无功功率理论占主导地位 控制技术 电力电子和数字信号处理技术 还有 GTO IGBT 等开关器件技术及高性能 DSP 芯片的应用使有源电力滤波器不止从 理论上取得突破 在实际应用中也取得快速进展 1 3 2 综合装置的国内外研究现状 谐波是工频正弦波畸变 无功是相位改变的电流电压波形 谐波和无功在物理本 质上都可以说是波形 因此能综合对谐波和无功进行治理 对电力系统进行无功补偿 和谐波抑制不仅能提高电力系统的功率因数 减少功率损耗 调节电压 优化电能质 量 还能提高设备的利用率 大大降低投资成本 故综合装置的研究将是今后重要的 研究课题 在综合治理方面 早期使用无源滤波器 这种滤波器不仅可以滤除谐波还可以补 偿无功功率 能达到综合治理的目的 谐波抑制技术 国内外有一种新兴滤波装置能 1 绪论 辽宁工业大学硕士学位论文 4 动态性进行谐波治理 这就是近年来普遍使用的有源电力滤波器 无功补偿技术 第 一代为同步发电机 调相机补偿和并联电容器 并联电抗器补偿 第二代是基于自然 关断晶闸管技术的 SVC 第三代是目前研究热点 也就是基于 IGBT IGCT 等大功率 可控器件的补偿装置 SVG Static VAR Generator 通过上述谐波和无功装置和技术 的发展 学者们研究提出了好多类型的综合治理方案 如 PP SVC 型综合补偿器 APF 和 PPF 混合使用的 HAPF 注入电路式的 HAPF 和 SVC APF 型及 SVG APF 无功谐波 混合补偿器 但是从理论和技术上看 还有很多问题 有源滤波器和静止无功发生器 组合构成综合装置中主要研究的是 SVC 与 APF 结合组成的综合装置 实现互补的同时 降低成本 13 1 4 本论文的主要研究工作 综上所述 经过近年来对有源电力滤波器 APF 的研究表明 这个装置既可以 滤波又可以补偿无功 成为了各大学者的重点研究对象 但是鉴于 APF 对于补偿无功 的局限性 学者们开始关注综合补偿系统 本论文主要研究与 APF 结合的综合装置 从而提高电力系统的功率因数 使系统 稳定运行 解决电能质量不良等问题 本文主要研究工作如下 1 在分析影响电能的质量因素的基础上 重点分析了谐波的特点 危害以及无 功电流对电力系统的负面影响 2 在研究谐波抑制和无功补偿原理和补偿特性基础上 分析了谐波电流检测方 法 控制策略和无功电流检测方法 控制策略 设计了基于 APF 与 TSC 的谐波抑制和 无功补偿综合装置 3 分析了无功补偿和谐波抑制综合装置的工作原理 拓扑结构以及谐波无功电 流的检测方法 确定了无功电流检测方法以及谐波抑制和无功补偿综合装置的控制策 略 确保 APF 和 TSC 稳定运行 4 将此综合装置应用于锦州拓新电力电子有限公司的实验之中 通过对实验数 据的处理和分析 验证综合装置可以在补偿上互补 对维持电力系统稳定更有研究价 值和现实意义 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 5 2 电网谐波分析及其抑制 2 1 谐波产生的危害及谐波标准 本文所讨论的是电力系统中的谐波 当电流流经非线性负载时 电压施加在非线 性电路上 电流会因为振荡等原因形成非正弦波 这时电路中就有谐波产生 谐波频 率是指频率为基波的整数倍的电流中包含的电量 是用傅里叶级数分解周期性的非正 弦波形后 得到的频率与工频相同的分量 基波 和一系列为基波倍数的正弦波分量 15 谐波基本概念为 2 1 1 0 coscos n nn tnbtnaatu 频率为的分量定义为基波 规定频率大于基波的分量称为谐波 例如我国频率 T 1 50Hz 凡是超过这个范围的都可以说会产生谐波 谐波次数 的整数比 基波频率 谐波频率 由定义可知谐波含有不同的频率 幅度和相角 可以区分为奇次和偶次 由于三 相平衡系统中的对称关系会消除偶次谐波 所以电网中只有奇次谐波存在 各种电力 电子装置 例如整流器 变频器 家用电器等等具有冲击性 波动性的非线性负载都 会产生奇次谐波 大量奇次谐波注入电网 导致电压和电流发生畸变 畸变电压 HRUn 和电流 HRIn 为 2 2 100 1 UUHRU nn 100 1 IIHRI nn 电流和电压总谐波畸变率 2 3 2 2 n nH UU 2 2 n nH II 2 4 25 1k kkh IXU 其中 为谐波电压限值 h U 为谐波频率是 k 次时的阻抗 k X 为 k 次谐波电流值 k I 电压电流发生畸变会导致电能质量严重下降 大大影响电网及电网设备的正常运 行 造成电力系统的不稳定 具体危害包括以下几个方面 1 高频电流会使发 输 供和用电设备的功率损耗和电能损耗增加 设备过热 降低设备的利用率 例如电缆过热 绝缘老化现象 照明设备和显示器产生闪烁现象 等 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 6 2 非线性电力电子设备产生的谐波可能与电感 电容发生谐振 形成谐波放大 现象 3 大量谐波会引起继电保护装置误动作 开关误跳闸 严重时损坏设备 威胁 电力系统安全运行 面对这些问题我国对谐波有关限制做了有关规定具体标准 即 公用电网谐波 GB T14549 1993 如表 2 1 所示 16 同样我国也对谐波电压与谐波电流的限值关系做了明确规定 并制定标准如表 2 2 所示 表 2 1 公用电网谐波标准 Tab 2 1 Harmonics standard 各次谐波电压含有率 电网标称电压 KV 电压总畸变率 奇次偶次 0 385 04 02 0 6 10 4 03 21 6 35 66 3 02 41 2 1102 01 60 8 表 2 2 谐波电压与电流的限值关系 Tab 2 2 Harmonic voltage limit value of the correlation value and harmonic current limits 标准 电压 KV 标准 电压 KV 123456789 0 3810786239622644192116 6100433421341424111111 10100262013208 5156 46 46 8 3525015127 7125 18 83 83 84 1 6650016138 1135 49 34 14 14 3 110750129 66 09 64 06 83 03 03 2 由表 2 1 2 2 可见谐波电压限值与电流限值呈相互对应关系 因此可以根据谐波 电流值和电压值对谐波情况进行判断 设短路容量为 基准短路容量为 此时谐波ab 电压限流值不变 谐波电流值为 其中 为谐波电流限流值 由此可得 越大 bacca 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 7 允许的谐波电流限流值也就越大 2 2 谐波治理的措施 2 2 1 电网谐波治理措施和抑制方法 抑制谐波的根本在于使电力系统谐波源产生的谐波减少甚至消除 具体方法一为 受端治理 也就是采取措施从受谐波影响的设备和系统处选择将那些谐波吸收 二为 主动治理 即减少谐波源的谐波含量 三为被动治理 18 这也是现在研究的重点 具 体措施是外加滤波器 目的是阻碍谐波源产生谐波的同时还要阻碍谐波流入负载 主 要的方式如表 2 3 所示 主动治理的具体实施措施具体原理如下 1 多脉动调制技术 由表 2 3 可以看出多脉动调制这项技术是最常用的主动治理的方法之一 工作原理 是首先按规律将多个换流器组合 再将电网电压利用移相变压器移相变换 然后根据 换流桥电压的相位差获得电流间的相位差 电流相位差相互叠加从而达到谐波抑制的 目的 这项技术会随着脉动数的增加 更好的抑制谐波 但这就会对设备有更高的要 求 成本也会随之增加 表 2 3 谐波治理的主要措施 Tab 2 3 The main measures of harmonic control 受端治理主动治理被动治理 选择合理的供电增加变流装置的相数或脉冲数无源滤波器 避免电容对谐波放大改变谐波源的配置或工作方式有源滤波器 提高设备抗谐波干扰能力采用多重化技术混合型有源滤波器 改善谐波保护性能谐波叠加注入 采用 PWM 技术 治 理 方 式 设计或采用高功率因数变流器 2 脉宽调制技术 这项技术一般用在逆变电路中 具体做法利用信号波对三角载波进行调节 得到 PWM 波 采用基于 PWM 的调制技术 变流设备运行产生的谐波就能被优化 会使谐 波变成具有高频 幅度小的优质波 更接近于正弦波 这种方法工作时损耗大 难于 控制 成本高 还会导致高次谐波电流的增加 3 多重化技术 这项技术是对电力电子装置内部做出变革 主要针对大容量的电力电子装置 首 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 8 先将多个变流器联合起来 为了消除次数较低的谐波 再运用多重化技术将多个方波 叠加在一起 从而得到接近于正弦的阶梯波 19 这是一种针对谐波十分有效的关键技 术 而且重数越多 滤波效果越明显 但是这项技术成本高 实现难度大 对于受端治理由表 2 3 可以看出是通过其他方法改善用电设备性能 从而连带影响 谐波的产生 这种方式具有投机性 主动治理虽然能抑制谐波产生 但是众所周知现今非线性负载推陈出新 样式繁 多 20 如果只依靠主动治理是不可能完全消除谐波电流的 由表 2 3 可知还可采用被 动治理 具体措施是通过外加设备达到谐波抑制目的 可以选择加设无源滤波器 有 源滤波器或混合滤波器 根据研究表明滤波器可以有效地进行谐波抑制 故被动治理 渐渐被广大学者与用户所青睐 1 无源滤波器 PPF 无源滤波器一般安装在交流侧 与谐波源并联 采用分压原理滤除谐波电压 采 用分流原理滤除谐波电流 由 L C R 元件适当组合成谐振回路 分为单调谐 双调 谐 高通滤波器等 工作原理是利用元件的谐振特性 若谐振回路的频率与不符合要 求的谐波电流频率相同 这时滤波器便会将该次谐波屏蔽到电网外 无源滤波器还可 以补偿部分无功功率 无源滤波器优点是结构简单 花费低 但是滤波效果不显著 滤波易受系统参数和运行状态的影响 发生谐振 由此可以看出无源电力滤波器的滤 波效果与电网运行方式有很大的关联 在实际应用中有所限制 所以人们把越来越多 的目光转向了有源滤波器 2 有源滤波器 APF 有源滤波器现在是人们研究的热点 APF 在滤波时具有很多特点 功能丰富 动 态治理等 其中最显著的是高度可控性和快速响应性 APF 不仅可以滤波 还可以补 偿无功 性价比很低 不与系统阻抗发生谐振 故系统阻抗的变化不会影响其滤波效 率 能自动跟踪补偿快速变化的谐波 随着大功率快速自关断器件的不断研发 尤其 是加入微控技术后 有源滤波技术得到了极大的发展 已经从针对用户自身的谐波抑 制慢慢扩展到针对整个电力系统的电能质量 3 混合型滤波器 混合型滤波器采用换流装置 将谐波分量逆变成脉动电流实时对谐波起到抑制效 果 例如将 APF 与 PF 相结合的混合型 APF 弥补 PF 不足的同时还可以克服 APF 的 容量要求大 设备制作成本很高的这些缺点 21 最主要是是补偿效果明显得到提高 另外还能大幅度补偿无功功率 提高系统的功率因数 4 与无功补偿系统联合运行 随着电力负载的多样化 谐波源增加 以致电网功率因数降低 面对这些快速变 化的无功和谐波电流 人们开始尝试在谐波源并联无功补偿装置 达到补偿无功的同 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 9 时还能治理谐波的双重目标 这种综合装置易于实现 补偿效果明显 性价比高 是 现代学者的新宠儿 根据前面介绍的谐波治理的不同方法 得出目前最有效最常用的为电力滤波器 其中运用最广泛的是电力无源滤波器和电力有源滤波器 表 2 4 对比了无源和有源滤波 器的优缺点 从表 2 4 中可以明显的看出虽然电力无源滤波器优点是结构简单 花费低 但是滤 波效果不显著 滤波易受系统参数和运行状态的影响 发生谐振 电力有源滤波器作 为新兴的谐波抑制技术 不但克服了那些缺点 还具有动态治理的优势 再加上能补 偿少量无功这些显著优点 但是造价太高 目前发展趋势是两者混合型 混合型成本 低 效果好 鉴于本文研究的是以有源电力滤波器为核心的谐波和无功综合装置 所 以在谐波抑制这个要求上 本文选用可控性高 响应速度快速及滤波效率高的电力有 源电力滤波器 APF 表 2 4 无源和有源滤波器性能对比 Tab 2 4The passive filter and the active filter performance comparison 方式无源滤波器有源滤波器 工作原理 低阻抗通道 使谐波电流向 其内流入 旁路谐波 基于数字信号处理技术和电 力电子技术 能根据检测电 路检测电流产生谐波电流 达到补偿目的 谐波处理能力 每次谐波需单独设计一个单 谐振滤波器 在一定范围内 主动响应 同时处理多次谐波 系统或回路阻抗变化之影响 系统阻抗变化时 存在谐波 放大 系统共振的危险 不受影响 负载增加之影响可能超载而损坏 无损坏危险 可满足工作 仅是滤波能力不足而已 对负载变化响应速度较慢 接触器投切 快 APF 10ms 提供无功补偿容量级差级差大无级差 体积 重量大 重小 轻 适用范围 谐波成分及大小相对稳定 且谐波成分较简单 谐波成分和谐波大小动态变 化 且谐波成分丰富 成本高很低 2 2 2 有源电力滤波器的工作原理分析 APF 用于有源滤波 是一种基于自换相的电力半导体桥式变流器 一般并联或串 联于电网上 这种装置不仅能够对电网中产生的谐波进行治理 还能补偿一定量的无 功 本文重点研究这种滤波装置的工作原理和补偿特性 有源电力滤波器工作的基本 原理如下图 2 1 所示 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 10 系统 APF Ih Ih 谐波源 图 2 1 APF 基本原理图 Fig 2 1 The APF basic principle diagram 电网电压用相量表示 APF 输出的交流电压表示 表示电抗电压 s U I U L U 可以控制电抗的电流 这个电流就是 APF 从电网吸收的电流 在不计电抗器和变 L U I 流器损耗的情况下 APF 单相等效电路如图 2 2 所示 当 和同相时 只需改变 I U S U 幅值大小 这样能控制 APF 的电流的大小 命令 APF 从电网流出的电流超前还是 I U 滞后 90 22 X L UL Us UI UI Us UL j X I I UIUL j X I Us I 单相等效 电路 电流超前 电流滞后 图 2 2 APF 的单相等效电路图 Fig 2 2 The single phase equivalent circuit of APF 从图 2 2 可以看出 如果 APF 要想实现既补偿无功的同时还要进行谐波抑制的要 求 需要 APF 输出与达到要求相应的谐波电流 通过上述内容可以得出的结论是 APF 能够同时补偿无功电流和谐波电流 2 3 谐波电流的分析与检测方法 2 3 1 谐波电流的检测方法 谐波电流检测方法可分为三类 一是直接从负荷电流中提取基波或谐波分量 二 是根据系统电压的频率和相位获取补偿量 三是根据系统电压和负荷电流信息来获取 无功和谐波分量的方法 下面对基于这三种方式的具体检测方法进行分析对比 l 带组滤波法 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 11 这种方法具体做法为 一可以将负载电流通过滤波器 这样便能将电流中的基波 分量分离出去 从而得到谐波分量 二可以将负载电流通过带通滤波器得出电流中的 基波分量 负载电流和基波分量的差值就是所求的谐波分量 带阻滤波法原理简单 花费少 控制容易 电路拓扑结构易于实现 18 但是这种方法只对特定次数的谐波有 抑制效果 再加上模拟滤波器存在延时效应 致使补偿时连最基本的准确性和敏感度 都无法达到要求 故目前已经很少有人再使用这种方法 2 基于 FFT 的检测方法 此类方法是以傅里叶级数为基础推衍而来的 相较傅里叶级数更快速 算法更简 单 具体做法是先利用采样电路的到值 然后将得到这个模拟量值进行 FFT 分解计算 再将计算所得的相位系数 基波和各次谐波的幅值转成所需信号 再将此信号进行傅 里叶反变换 具体实现方法如图 2 3 所示 实践表明此类方法准确快速 但是由于延时 这个问题一直没有得到有效解决 所以一直无法满足补偿所需的实时性的要求 3 自适应检测法 这种检测方法是基于自适应干扰的信号处理技术 是一种可以从原始信号中分离 噪音信号的方法 20 具体实现手段如图 2 4 所示 负载电流作为原始输入 从负载电 流中消去与电压波形相同的有功分量 得到需要补偿的谐波与无功分量 23 自适应检 测法是以非常精确的电网电压相位作为参考信息的 要求精度高 但是这种方法受环 境因素影响较大 FFT变换 an bn n 1 3 5 HPF an bn bn an FFT反变换 an bn n 3 5 7 同步信号发生器 i u ic 图 2 3 基于 FFT 的检测方法 Fig 2 3 Detection method based on FFT 自适应滤波器 基本信号 参考信号 u y d e 图 2 4 自适应检测法基本原理图 Fig 2 4 Schematic diagram of detection method of adaptive 4 基于小波变换的检测法 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 12 这种检测方法是由傅里叶算法推演来的 利用变换域分析电力系统谐波 能把高 次谐波变化投影到不同的尺度上 得到谐波分析 这类方法克服了傅里叶的无局域性 缺点 适合突变谐波的检测 但是高低频段的分析结果有可能会被混淆 影响分析结 果 24 5 基于瞬时无功理论的检测法 自三相瞬时无功功率理论被提出后 有源电力滤波器在性能等方面得到了巨大的 发展 由于此种对谐波无功电流的检测补偿效果非常明显 所以是现今很普遍的一种 检测方法 这种算法的检测原理是 首先将三相坐标中的电压和电流矢量变换到 坐标系下 在新建立的坐标下求出有功功率和无功功率 最后通过逆变换重新计算得 出三星电路中的谐波和无功电流 ip iq 运算方式和 p q 运算方式是这种方法的两种不 同的运算方式 25 已经得到广泛应用 ip iq 法实时性能好 是目前应用最广泛的算法 也是本文所选用的检测算法 下面详细介绍此类检测算法的原理 实现过程和检测结 果等方面的情况 设被检测交流侧三相瞬时电压为 则相应的三相瞬时电流为 aebeceaibi 将电压变换到两相正交的 坐标系 进而可以得到 ci 2 5 c b a 32 C e e e e e 其中 32 C 3 2 2 3 230 2 1 2 1 1 如图 2 5 所示的坐标系中 将两相瞬时电压 和瞬时电流 合成电压矢 e e i i 量和电流矢量 e i e p i p i e i i q iq e i i i i pe i q 图 2 5 坐标系中的电压 电流矢量关系图 Fig 2 5 Alpha beta coordinates in the voltage and current vector 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 13 根据图 2 5 可得 2 6 i e eiii eeee 其中 分别是 的幅值 是矢量 的相位角 可以将ei e i e i e i 在法线的投影可以定义为无功电流 在的投影称之为三相瞬时有功 i e q i i e 电流 得到 p i 2 7 sin sin cos cos p iii iii ieq ie 继而得到 pq 2 8 ieieeiei ieieeiei q p sinq cosp 再将其变换成矩阵形式 2 9 i i C i i ee ee q pq p 其中 ee ee Cpq 将式 2 7 2 8 带入式 2 9 推导得 相对于三相电压和电流的关系式 pq 2 10 cci eieie bbaap 2 11 ab acb aba caa b 3 1 ieeieeieeieeq 从上面式子可以推理得出 三相电路的瞬时功率大小跟瞬时有功功率相当 以下 详细研究的 p q 检测法和 ip iq 检测法都是根据上述原理推理得来的 p q 检测法的基 本实现原理图如图 2 6 所示 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 14 CpqC32 LPF LPF CpqC23 ea ia ib ic i i p q p q i f i f iaf ibf icf i h ibh ich C32 eb ece e 图 2 6 p q 检测法原理图 Fig 2 6 Schematia digram of p q detection method 由图 2 6 可以看出 p q 方法是根据定义算出的瞬时和瞬时 再经低通滤波器得pq 到 的直流分量 这样就可以得出 坐标下的直流电流分量 经pq p q f i f i 过坐标变换求出被测电流 的基波分量 将 aibici af i bf i cf i af i bf i 与 相减就是需要检测的谐波分量 cf iaibici ah i bh i ch i 2 12 23 2 1 32b 1 q p CC e CC i i i pqpq cf f af 其中 32 C 3 2 2 3 230 2 1 2 1 1 ee ee Cpq 再将 与 相减就能得到 af i bf i cf i aibici ah i bh i ch i 3 2 cf bf af a a a ch bh ah i i i i i i i i i 2 13 2 3 2 1 2 3 2 1 01 ee ee 在实际情况下 由于种种因素电网电压波形总是会发生畸变 在检测过程中 均会产生谐波 用含有谐波的 应用到 p q 算法中进行计算时是存 e eaebece 在误差的 ip iq 的方法原理图如图 2 7 所示 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 15 PLLsin cos C1C32 LPF LPF C1C23 ea ia ib ic i i ip iq ip iq i f i f iaf ibf icf i h ibh ich 图 2 7 ip iq 检测法原理图 Fig 2 7 Schematic diagram of ip iq detection method 图 2 7 中 tt tt C sincos cossin 1 由图 2 7 可以看出是单相交流侧电压通过锁相环 PLL 和正余弦信号得到一个与 交流侧相电压同相的和信号 三相三线制系统中 三相电流任意时刻et sint cos 的瞬时值之和都为零 故只需检测两相电流 然后计算出 ip iq 2 14 c b a c b a q i i i C tt tt i i i CC i i 32321 p sincos cossin 经过上式计算可得经低通滤波器的 的直流分量 该直流分量对应于ipiq ip iq 三相电流的基波正序分量 由 产生 所以可以计算的 ip iq af i bf i cf i ah i bh i ch i 2 15 cf bf af i i i 123C C p q i i tt tt sincos cossin p q i i 将 与 相减就是需要检测的谐波分量 这种方法 af i bf i cf iaibici ah i bh i ch i 没有直接使用三相电压 所以检测结果不受系统电压的影响 因而可以提高准确度 采用 ip iq 法检测 可以应用于电压畸变电路 当三相电压不对称时 p q 检测会有较 大的误差 相对而言 ip iq 就比较准确 2 3 2 基于瞬时无功 ip iq 算法的仿真 上一节研究了基于 ip iq 瞬时无功理论的谐波电流检测方法原理 根据此方法的工 作原理本文在 MATLAB 里搭建仿真模型如图 2 8 所示 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 16 图 2 8 基于 ip iq 瞬时无功理论的检测方法 Fig 2 8 Ip iq based on the theory of instantaneous wattless detection method 选取三相对称电源 电压幅值为 380V 频率为 50HZ 单相电流谐波分量波形如 图 2 9 所示 图 2 9 单相电流谐波分量 Fig 2 9 Current harmonic component 由图 2 9 可以看出每相电流中都含有一定量的谐波分量 根据此次实验所得的结论 为 基于ip iq 的瞬时无功理论的谐波电流检测方法速度快 精准度高 实时性能非常 好 所以本论文选用这个方法检测无功谐波电流 2 4 谐波抑制系统的控制方法 由于有源电力滤波器 APF 具有实时性能高 补偿效果明显 不受阻抗影响等 优点 因此 APF 是现今谐波的重要治理措施 应用范围非常广泛 当然针对 APF 的各 种控制策略也就成了重点攻坚项目 对有源电力滤波器来说 在控制方法的研究领域目前已有达到了一定的水平 主 2 电网谐波分析及其抑制 辽宁工业大学硕士学位论文 17 要包括电流跟踪控制和电压跟踪控制两大方面 电流跟踪控制包括线性电流控制 滞 环控制 三角载波控制等 电压跟踪控制主要包含电压空间矢量控制 对于并联 APF 来说 电流跟踪控制方法与其他方法进行比较 具有简单易懂 实 现容易且对参数和结构的依赖性非常小的绝对性优势 下面介绍一下这几种常用的控 制策略 1 单周控制 这种控制方法是