电力系统谐波抑制技术的研究.doc

目 录摘要I第一章 绪论11.1研究的目的和意义11.2国内外研究状况和进展21.2.1国外研究现状21.2.2国内研究现状41.3本文主要工作5第二章 有源APF及其谐波源模型研究72.1谐波的基本概念72.1.1谐波的基本含义72.1.2谐波的数学表达72.1.3衡量谐波的主要指标82.2谐波的抑制方法92.3无源电力滤波器分类112.4有源电力滤波器分类132.5非线性负荷谐波源分析152.5.1单相桥式整流电路非线性负荷152.5.2三相桥式整流电路非线性负荷162.6电力系统谐波标准17第三章 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法193.1谐波检测的几种方法比较193.2三相电路瞬时无功功率理论203.2.1瞬时有功功率和瞬时无功功率203.2.2瞬时有功电流和瞬时无功电流223.3基于ip-iq算法的谐波电流实时检测223.4一种对基于瞬时无功功率ipiq检测进行改进的方法24第四章 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有源电力滤波器系统构成及其工作原理284.3并联有源电力滤波器的控制研究294.3.1并联有源电力滤波器直流侧电压控制294.3.2有源电力滤波器电流跟踪控制技术30结论33参考文献3434电力系统谐波抑制技术的研究摘要随着电力系统的发展以及电力市场的开放，电能质量问题越来越引起广泛关注。由于各种非线性负载(谐波源)应用普及，产生的谐波对电网的污染日益严重。因此，谐波及其抑制技术己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，介绍了抑制电网谐波的主要方式，由传统LC滤波装置到有源电力滤波装置的发展过程及其今后APF的发展趋势。介绍了电力谐波的基本概念以及非线性负荷谐波源的产生和影响，并对几种典型的非线性谐波源进行了分析。目前，在谐波抑制方面，已经有了实用的很成熟的无源滤波技术,但由于无源滤波器存在的一些缺点。有源电力滤波器因其动态补偿谐波的优越性已经成为了一项热门的研究课题。本文在考虑到我国电力系统大多数情况下处于不平衡状态下，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ip-iq改进方法。谐波电流检测方法，在系统稳定情况下进行了仿真分析，证明了ip-iq检测方法能实时、准确地检测不同负载情况下的谐波。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 脉宽调制 有源电力滤波器 瞬时无功功率理论第一章 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。非线性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1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2。目前，谐波研究仍是一个非常活跃的领域。 抑制谐波3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。但由于谐波源的多样性，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4和有源滤波器5两种。1.无源滤波装置在电力系统中，装设无源电力滤波器(PF-Passive Filter)一直是传统补偿谐波的主要手段，其突出的优点是结构简单、运行可靠性高、运行费用低6。但是设计出滤波性能理想的无源滤波器也不是一件简单的事。无源滤波器的滤波原理是使负载谐波电流在电网支路和滤波器支路分流，因此其滤波性能受系统阻抗的影响较大。为了减小电网支路中的谐波，滤波器支路的阻抗须远远低于电网支路阻抗。由于电网阻抗原本就不是很大，若要使滤波器支路阻抗在主要谐波频率处远小于电网谐波支路阻抗，需加装多个无源滤波器，它们的调谐频率设计在电网的主要谐波频率处，且所有调谐滤波器必须拥有较高的品质因数，否则，加装无源滤波器就起不到明显的谐波抑制作用。然而，这样设计的无源滤波器对电网频率的变化是极其敏感的，电网频率稍微偏离额定频率点，无源滤波器的滤波性能将大幅度下降。此外，电网阻抗的变化、滤波器元件的生产容差、老化或其它原因引起的参数偏离理想设计值，也将导致无源滤波器滤波性能的下降。为了使无源滤波器在这些情况下也具有一定的滤波效果，往往以牺牲在电网主要谐波频率处的滤波效果为代价来适当地降低品质因数。并且，安装LC无源滤波器很有可能在系统中形成串并联谐振回路，导致电网谐波电流的传播和放大，造成电网电压波形的畸变。为了避免在主要谐波频率处发生串并联谐振，无源滤波器的调谐频率往往设计成稍偏离主要的谐波频率，而这又将影响无源滤波器的滤波性能。即使可以成功地解决以上问题，因电网电压谐波和其它负载产生的谐波电流无源滤波器而造成的无源滤波器过载，也是比较棘手的问题。因此，采用无源滤波器技术是很难将电网谐波限制在国际或国家标准以内的。此外，由于无源滤波器由大容量的电抗器和电容器组成，整机体积庞大，造价高，虽然在某些大型炼钢厂仍有使用，但必将被效率高、动态补偿特性好的新型有源滤波器所取代。2.有源滤波装置目前谐波抑制的趋势是采用有源电力滤波器(APF-Active Power Filter)，它是一种电力电子装置，能对频率和大小都变化的谐波进行动态补偿，补偿特性不受电网阻抗和频率变化的影响，可获得比无源滤波器更好的补偿效果，是一种理想的谐波补偿装置。而且，通过改变控制算法可以实现多种功能，如抑制谐波、补偿无功、抑制闪变、补偿相间不平衡等，因而引起了人们极大的关注。随着20世纪60年代以来新型电力半导体器件的出现，脉宽调制(PWM)技术7的发展，以及基于瞬时无功功率理论8的提出，针对无源滤波器的缺陷，在1969年Bird和Marsh等人提出了向电网中注入三次谐波电流以减少电源系统中电流的谐波成分，这是(Active Power Filter)APF思想的萌芽9。之后，1971年，H.Sasaki和T.Machida首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理，但是由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室研究，未能在工业中实用。1976年L.Gyugyi等人提出了用大功率晶体管PWM变换器构成有源滤波器，并正式提出了有源滤波的概念，提出了有源滤波器的主电路的基本拓扑结构和控制方法，从原理上阐明了有源电力滤波器是一种理想的谐波电流发生器，并讨论了实现方法和控制原理，奠定了有源电力滤波器的基础1012。从原理上看，PWM变流器是一种理想的补偿电流发生电路，但是由于当时电力电子的发展水平不高，全控型器件功率小，频率低，因而有源滤波器仅限于实验研究。在20世纪80年代由于大功率全控型功率器件的成熟，大功率晶体管(GTR)、大功率可关断晶闸管(GTO)、静电感应晶闸管(STH)、功率场效应管(MOSFET)及绝缘栅型双极性晶体管(IGBT)等新型快速大容量功率开关器件相继何世，脉宽调制(PWM)控制技术的发展，尤其是1983年日本的H.Akagi等人提出了“三相电路瞬时无功理论13(Instantaneous Reactive Power Theory)”又称“p-q理论”、“Akagi-Nabae理论”，以该理论为基础的谐波电流瞬时检测方法的在三相电力滤波器中得到了成功的应用，在高性能DSP芯片也得到了应用，使有源电力滤波器APF得以迅速发展。APF通过向电网注入谐波及无功或改变电网的综合阻抗频率特性，以改善波形，除了具有相应速度快，具有很好的动态实时补偿功能等优点外，还具有可进行无功补偿，抑制电压闪变等多种功能。因此APF逐渐成为了一种具有很大潜在应用价值的谐波补偿装置，并开始得到迅速的发展。但由于全控型功率器件的成本及性能，制约了APF的实际应用，目前只有在日本得到比较广泛的推广。APF一般分为并联型、串联型和混合型三种14。从补偿的角度来看，APF可以分为无功补偿、谐波补偿、平衡三种系统电压或电流以及多种补偿。常规的并联型APF可以同时补偿谐波电流和无功，属于多重补偿。混合APF只能补偿谐波电流，属于谐波补偿。随着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量迅速增加。针对谐波的大量出现，目前国外已经研制成功各种谐波测量分析仪，如德国产的NOWA-1谐波分析仪、美国产F40/41手持式谐波分析仪和英国产PA系列高精度电力谐波分析仪等。电力系统的谐波及抑制研究问题近几十年来在世界范围内得到了十分广泛的关注，国际电工委员会(IEC)、国际大电网会议(CIGRE)、国际供电会议(CIRED)及美国电气和电子工程师学会(IEEE)等国际性学术组织，都相继成立了专门的电力系统谐波工作组，并已制定除了限制电力系统谐波的相关标准。从1984年开始，每两年召开一次的电力系统国际谐波会议(ICHPS)为这个领域的国际交流提供了直接的渠道，正推动着谐波研究工作深入开展1516。1.2.2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17。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18。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，也开始研究联。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。1991年北方交通大学王良博士研制出3KVA的无功及谐波的动态补偿装置；同年，华北电力科学院和冶金自动化研究院联合研制了用于380V三相系统的33KVA双极面结型(BJT)19电压型滤波器；采用多重化技术20，西安交通大学研制出120KVA并联型有源滤波器的实验样机。此外，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PF21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。1.3本文主要工作本文首先对谐波问题及其现状进行了描述，并简单介绍了抑制电网谐波的主要方式，有传统的LC滤波装置到有源电力滤波装置(APF)的发展过程及其今后APF的发展趋势。本文的主要工作如下：1.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，并分析了非线性负荷谐波源单相和三相桥式整流电路非线性负荷的工作原理和特性，最后介绍了电力系统谐波标准。2.分析了有源滤波器的精确检测问题，介绍了目前受关注的几种谐波检测方法，重点研究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谐波电流ip-iq22检测方法，并对进行了改进。通过在系统稳定情况下的仿真分析，证明了改进过的ip-iq检测方法能实时、准确地检测不同负载情况下的谐波情况。3.分析了并联有源电力滤波器主电路工作原理及其工作状态。研究了并联有源电力滤波器电流控制方法，主要研究本文采用的三角波比较23控制方式。对并联有源电力滤波器直流侧电压控制方法并从根本原因方面进行了分析。第二章 有源APF及其谐波源模型研究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h次分量其频率为基波频率的整数倍”24。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，其基波为60Hz，2次谐波为120Hz，3次谐波为180Hz。谐波次数不能为非整数，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：U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法。对于周期为的非正弦电压u，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25： (2-2)式(2-2)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l/T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。2.1.3衡量谐波的主要指标电压畸变的程度取决于系统阻抗和谐波电流的大小。同一谐波负荷在系统中两个不同位置时将可能引起两个不同的电压畸变值。畸变周期性电压和电流总均方根值的确定仍然可根据均方根值的定义进行。以电流为例，的均方根值I根据定义可表示为： (2-6)即非正弦周期量的均方根值等于其各次谐波分量均方根值的平方和的平方根值，与各分量的初相角无关。某次谐波分量的大小，常以该次谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表示，称为该次谐波的含有率，n次谐波电压的含有率以(Harmonic Ratio )表示：(1)第n次谐波电压含有率：(2-7)式(2-7)中：为第n次谐波电压有效值；为基波电压有效值。(2)第n次谐波电流含有率：(2-8)式(2-8)中：第n次谐波电压有效值；基波电压有效值。(3)谐波电压含有量：(2-9)(4)谐波电流含有量：(2-10)(5)电压总谐波畸变率：(2-11)(6)电流总谐波畸变率：(2-12)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。实际上，谐波电压几乎是相对基波电压而言的。因为电压往往只有百分之几的变化，所以电压THD通常是一个有意义的数据。但对电流来说，情况有所不同。较小幅值的谐波电流可能导致较大的THD值，而此时电力系统受到的威胁并不大。由于系统中大多数的监控装置是按上述定义和方法给出的THD值的，这可能使用户误认为此时的谐波电流是危险的。为了解决这一难题，可将THD中所采用的基波电流改为基波额定电流的峰值。2.2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，最大限度地避免谐波的产生。这类方法可防止谐波影响波及众多的供用电设备。电网质量的提高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力用到控制谐波源上，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：1.增加整流相数法由谐波产生的机理知，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n次奇次谐波，但高次谐波的振幅值只有基波振幅值的1/n，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.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36，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180，五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。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。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。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。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H.Saskai和T.Machida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L.Gyugyi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。2.3无源电力滤波器分类无源电力滤波器(Passive Power Filter，PPF，PF)又称LC滤波器，是由电容元件、电感元件和电阻元件按照一定的参数配置，一定的拓扑结构连接而成。无源电力滤波器是目前广泛采用的谐波抑制手段。滤除谐波原理实质是为电路中的谐波提供一条释放路径，即保留基波而使谐波短路，使谐波可以通过滤波器直接流回谐波源而不注入系统。滤波器设置在需要滤除的谐波频率上使感抗和容抗相等而抵消，通常称为调谐。无源滤波器分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器。1.单调谐滤波器图2.1(a)为单调谐滤波器原理图，滤波器对n次谐波的阻抗为： (2-13)式(2-13)中：下标表示第n次单调谐滤波器。 (a) (b) 图2.1 单调谐滤波器电路原理图及阻抗特性由式(2-13)画出滤波器阻抗随频率变化的关系曲线，如图2.1(b)所示。单调谐滤波器是利用串联L、C谐振原理构成的，谐振次数n为：(2-14)在谐振点处，因很小，n次谐波电流主要由分流，很少流入电网中。而对于其他次数的谐波，谐波器分流很少。因此，简单地说，只要将滤波器的谐振次数设定为需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将大部分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。2.双调谐滤波器双调谐滤波器如图2.2所示。它有两个谐振频率，能同时吸收两个频率的谐波，其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器的阻抗特性可以看作由上段L1、C1、Z1组成串联阻抗Z1和下段L2、R2与C2、R3组成并联阻抗Z2，则滤波器阻抗为。采用双调谐滤波器代替两个单调谐滤波器，可以减少基波损耗，降低L2上的冲击电压。双调谐滤波器正常运行时，由于并联支路的基波阻抗比串联支路的基波阻抗小得多，因此并联支路所承受的基波电压远小于串联支路所承受的基波电压。由于双调谐滤波器比两个单调谐滤波器成本低，近年来在一些高压直流输电工程得到了应用。目前已有国外公司开发出三调谐滤波器并在高压直流输电工程应用。图2.2 双调谐滤波器原理图3.高通滤波器电网中高次谐波含量较低，同时由于高次谐波遇到的谐波阻抗大(系统阻抗一般是感性的)，因此滤除高次谐波时不采用调谐滤波器，为了降低成本，通常采用高通滤波器滤除谐波，高通滤波器对所有的高次谐波阻抗均较小，可以将某一频率以上的谐波滤除。高通滤波器又称减幅滤波器可分为：一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和C型高通滤波器，如图2.3所示。图2.3 各种型式的高通滤波器2.4有源电力滤波器分类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按频率分段完成滤波功能，即由PPF滤除低次,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。由赤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。结构如图2.4和图2.5所示，本文采用图2.4所示的结构。电流型有源电力滤波器和电压型有源电力滤波器主要区别是直流侧的储能件不同。在大容量时，电压型有源电力滤波器的电容型储能元件的体积和成本随补偿器视在功率的增大而显著增加，电流型有源电力滤波器的电感型储能元件的体积和成本随补偿器视在功率的增加变化不大。所以电压型有源电力滤波器主要适用于低压配电系统中进行无功和谐波补偿，电流型有源电力滤波器则可用于高压供电系统的无功和谐波补偿。 图2.4 三相电压型PWM变流器 图2.5 三相电流型PWM变流器5. 根据接入系统的相数分，可以分为单相有源电力滤波器和三相有源电力滤波器，三相有源电力滤波器又可分为三相三线制有源电力滤波器和三相四线制有源电力滤波器。2.5非线性负荷谐波源分析所谓“谐波源”，通常是指各类特定的用电设备，即非线性设备，或称非线性电力负荷，谐波源分为谐波电流源和谐波电压源，这是谐波产生的根本原因。电力系统中，正弦供电电压加在非线性设备上就会产生非正弦电流或者正弦供电电流通过非线性设备也会导致非正弦电压。举个例子：有个正弦电压，当该电压加在电感L上时，就会有，如果L不是常数，那么就是非正弦电流，即有谐波电流存在。谐波源通常可以分为两大类：一类是含有电弧和铁磁的非线性谐波源，如电气化铁道、电弧炉、变压器及数量很大的电子节能设备，家用电器等典型非线性负载，即使供给理想的正弦波电压，它们也将产生非正弦电流。且谐波成分基本上只与其固有的非线性及工况有关，而与这些负载的内部阻抗的变化几乎无关；另一类是含有半导体元件的各种电力电子设备，如整流器、逆变器、静止无功补偿器、变频器、高压直流输电设备等等。本节选出两中较为典型的进行阐述，即单相桥式整流电路、三相全控桥式整流电路，下面对这两种谐波源产生谐波的机理进行分析。2.5.1单相桥式整流电路非线性负荷如图2.6所示，设电源电压为，式中U为电源电压有效值，为基波电压和电流的相位差。为便于分析，假设以下理想条件：交流侧电抗为零，而直流侧电感L为无穷大，并且忽略电流脉动，则交流侧电流为理想方波。图2.6 单相桥式整流电路将交流侧理想的方波电流进行傅立叶分解得到：(2-15)式(2-15)中：从上式看出，当正弦波电压加在单相桥式整流电路上时，电源侧只含有奇次谐波分量，说明电源侧的电流发生了畸变，即有谐波电流存在。2.5.2三相桥式整流电路非线性负荷本文的非线性负荷谐波源以三相桥式全控整流电路来进行分析，三相整流装置可整流电压脉动较小，脉动频率较高，而且由于三相平衡，对供电系统得影响较小，可整流电压脉动较小，脉动频率较高，因而容量较大的整流装置常采用三相整流的方式，比如大容量的HVDC装置以及大型铝厂的整流装置等都用到了三相整流方式。三相整流有三相半波，三相全控桥式，三相半控桥式，本节主要研究典型的三相全控桥式整流电路产生谐波的机理。图2.7是三相六脉波整流电路接线图。图2.7中，在电源电压的一个周期内有6次，上下桥各有3次，所以称为6脉动整流，本节对下图做如下假设：1)整流桥用的GTO为理想元件，正向电阻为零，反向电阻为无穷大；2)电源为理想的三相平衡系统，并以A相电压为基础；3)控制触发角为零，即相当于不可控整流；4)交流侧的电感为零，即换相重叠角=0。图2.7 非线性负荷三相全控桥式整流电路A，B，C三相的电流波形都是由正负两个序列的方波组成。方波的幅值设为，方波的宽度等于，正负波形对横轴对称。然后对各相非正弦电流波形进行傅立叶级数分解，得到基波和一系列谐波表达式： (2-16)由上式可见，A相电流除基波外，还包含了5，7，11，13，17，19等次谐波。它们的有效值为：(2-17)同理可以写出B,C两相电流，的表达式，分别如下： (2-18) (2-19)以上分析可得出以下结论：1)各次谐波对基波的比值，也就是谐波的含有量，与谐波的次数成反比；2)三相桥式整流电路中只含有(6k1)次谐波；3)(6k-1)次谐波，即5，11，17次谐波构成负序三相系统，而(6k+1)次为正序三相系统；4)三相桥式整流电路不存在电流的零序分量。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%。我国原水利电力部于1984年根据原国家经济委员会所批的全国供用电规则的规定，制定并发布了SD126-84电力系统谐波暂行规定。在此基础上，系统地研究了标准的有关问题，结合国情，吸取国外谐波标准研究成果的基础上于1993年又发布了GB/T14549-93电能质量公用电网谐波，该标准从1994年3月1日开始实施。表2-1公用电网谐波电流(相电流)限值电网标准电压(KV)电流总谐波畸变率（）各次谐波电压总含有率（）畸次偶次0.387.05.02.06/104.03.21.635/663.02.41.21102.01.60.8第三章 基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法3.1谐波检测的几种方法比较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(NeuralNetwork，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。谐波NN检测方法优点：(1)计算量小；(2)检测精度高，各次谐波检测精度不低于FT和WT，能取得令人满意的结果；(3)对数据流长度的敏感性低于FT和WT；(4)实时性好，可以同时检测任意整数次谐波；(5)抗干扰性好，在谐波检测中可以应用一些随机模型的信号处理方法，对信号源中的非有效成份(如直流衰减分量)当作噪声处理，克服噪声等非有效成份的影响。但是，NN用于工程实际还有很多问题：没有规范的NN构造方法，需要大量的训练样本，如何确定需要的样本数没有规范方法，NN的精度对样本有很大依赖性等。另外，NN和WT一样，都属于目前正在研究的新方法，研究和应用时间短，实现技术上需完善，因此，目前在工程应用中未优先选用。4.基于傅里叶变换的谐波检测法方法检测精度高、实现简单、功能多且使用方便，在谐波检测方面得到广泛应用。傅里叶分析具有如下局限性：(1)FFT需要一定时间的采样值，计算量大，计算时间长，使得检测时间较长，检测结果实时性差；(2)没有反映出随时间变化的频率，当人们需要在任何希望的频率范围上产生频谱信息时，FFT不一定适用；(3)由于一个信号的频率与其周期长度成正比，对于高频谱的信息时间间隔要相对地小以给出比较好的精度，而对于低频谱的信息，时间间隔要相对地宽以给出完全的信息，亦即需要一个灵活可变的时间一频率窗，使在高“中心频率”时自动变窄，而在低“中心频率”时自动变宽，FFT自身并没有这个特性，目前谐波FFT检测都是基于这样的假设：波形是稳态和周期的，采样的周波数是整数的，针对FFT这一局限，1946年Gabor提出的短时傅里叶变换(Short Tlile Fourier Transformation，STFT)，又称加窗FT或Gabor变换，对弥补FT不足起了一定作用，但并没有彻底解决这个问题；(4)从摸拟信号中提取全部频谱信息需要取无限的时间量，使用过去的和将来的信号信息只能计算区域频率的频谱；(5)为了减小误差，通常采用以下算法解决：加窗算法、插值算法、双峰谱线修正算法。5.与傅立叶变换，窗口傅立叶变换(Gabor变换)相比，小波变换是时间和频率的局域变换，因而能有效地从信号中提取有用的信息，通过伸缩和平移等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析(Multiscale Analysis)，解决了傅立叶变换不能解决的许多困难问题，因而赢得了“数字显微镜”的美誉。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稳态谐波检测方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Fryze、Quade和Akagi(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、。把他们变换到两相正交的坐标系上进行研究。(3-1)(3-2)式(3-1)、(3-2)中：图3.1坐标系电压、电流矢量如图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e和电流矢量i(矢量、和、是矢量e和i在轴和轴投影：(3-3)(3-4)式(3-3)、(3-4)中e、i为矢量e、i的模；、分别为矢量e、i的幅角。根据式(3-l)和(3-2)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)式(3-7)中：把(3-5)、(3-6)代入，可得p，q对于三相电压、电流表达式：(3-8) (3-9)3.2.2瞬时有功电流和瞬时无功电流定义1：,相的瞬时无功电流，(瞬时有功电流，)为三相电路瞬时无功电流iq(瞬时有功电流ip)在,轴上的投影，即式(3-10)，(3-11)。其中三相电路瞬时有功电流ip和瞬时无功电流iq分别为矢量i在矢量e及其法线上的投影。即： (3-10)定义2：三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：(3-12)式(3-12)中，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，