基于matlab電力系統(tǒng)諧波抑制的仿真研究

1、電力系統(tǒng)諧波抑制的仿真研究目 錄1 緒論 1.1 課題背景及目的 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進展 1.2.1國外研究現(xiàn)狀 1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1.3 本文的主要內(nèi)容2 有源電力濾波器及其諧波源研究 2.1 諧波的基本概念 2.1.1 諧波的定義 2.1.2諧波的數(shù)學表達 2.1.3電力系統(tǒng)諧波標準 2.2 諧波的產(chǎn)生 2.3 諧波的危害和影響 2.4 諧波的基本防治方法 2.5無源電力濾波器簡述 2.6 有源電力濾波器介紹 2.6.1 有源濾波器的基本原理. 2.6.2 有源電力濾波器的分類. 2.7并聯(lián)型有源電力濾波器的補償特性 2.7.1諧波源 2.7.2有源電力濾波器補償特性的基本要求

2、2.7.3影響有源電力濾波器補償特性的因素 2.7.4并聯(lián)型有源電力濾波器補償特性 2.8 諧波源的數(shù)學模型的研究 2.8.1 單相橋式整流電路非線性負荷 2.8.2 三相橋式整流電路非線性負荷.3 基于瞬時無功功率的諧波檢測方法 3.1諧波檢測的幾種方法比較 3.2三相電路瞬時無功功率理論 3.2.1瞬時有功功率和瞬時無功功率 3.2.2瞬時有功電流和瞬時無功電流 3.3 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測算法. 3.4基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法.4并聯(lián)有源電力濾波器的控制策略 4.1并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理 4.2并聯(lián)有源電力濾波器的控制研究. 4.2.1并聯(lián)有源電力濾波

3、器直流側(cè)電壓控制 4.2.2有源電力濾波器電流跟蹤控制技術(shù) 4.2.2.1 PWM控制原理 4.2.2.2滯環(huán)比較控制方式 4.2.2.3三角波比較方式 4.3有源電力濾波器的主電路設計 4.3.1直流側(cè)電容量的選擇. 4.3.2直流側(cè)電壓的選擇5 有源電力濾波器仿真分析 5.1 仿真電路及主要參數(shù). 5.2 仿真結(jié)果及分析.6 總結(jié).1 緒論1.1課題背景及目的隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平的提高，電力電子產(chǎn)品廣泛地應用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用戶對電能質(zhì)量的要求也越來越高，諧波問題一直被作為最突出的問題之一而受到廣泛的關(guān)注。改善電能質(zhì)量，既需要供電部門提高供電質(zhì)量，同時在用戶側(cè)就地改善電能質(zhì)量也

4、是很有必要的，相關(guān)標準明確指出：用戶的非線性負荷、沖擊性負荷、波動負荷、非對稱負荷對供電質(zhì)量產(chǎn)生影響或?qū)Π踩\行構(gòu)成干擾和妨礙時，用戶必須采取措施加以消除。電能質(zhì)量問題的提出由來已久，衡量電能質(zhì)量的指標也是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而備受關(guān)注。在電力系統(tǒng)的發(fā)展早期，電力負荷的組成比較簡單，主要由同步電動機、異步電動機和各種照明設備等線性負荷組成。20世紀80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性電力電子器件和裝置在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應用，不少用戶對電能的利用都要經(jīng)過電力電子裝置的轉(zhuǎn)換和控制，這些裝置給人們生產(chǎn)和生活帶來方便和效率的同時，使電力系統(tǒng)的非線性負荷明顯增加。諧波研究的意義，是因為諧波的危害

5、十分嚴重，諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀，還會引起供電電壓畸變，增加用電設備消耗的功率，降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，增加輸電線路的損耗，縮短輸電線壽命，增加變壓器損耗，對電容器有很大影響，造成繼電保護、自動裝置工作紊亂，增加感應電動機的損耗，使電動機過熱，造成換流裝置不能正常工作，引起電力計量誤差，干擾通信系統(tǒng)，對其它設備造成影響。諧波研究的意義，還在于其對電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。但是，現(xiàn)在電力電子裝置產(chǎn)生的諧波污染已經(jīng)成為阻礙電力電子救贖發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領(lǐng)域的研究人員必須對諧波問題進行更為有效的

6、研究。諧波研究的意義，還可以上升到治理污染環(huán)境、維護綠色環(huán)境來考慮。對電力電子來說，無諧波就是“綠色"的主要標志之一。因此消除諧波污染，已成為電力系統(tǒng)，尤其是電力電子技術(shù)中的一個重大課題。諧波研究及其抑制技術(shù)已日益成為人們關(guān)注的問題。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進展121國外研究現(xiàn)狀國外對電力諧波問題的研究大約在五六十年代開始，當時主要是針對高壓直流輸電技術(shù)中變流器引起的電力系統(tǒng)諧波問題進行研究。到了七八十年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其廣泛應用，諧波問題變得日益嚴重，從而引起各國的高度重視。最近幾十年，電力諧波的研究，已經(jīng)滲透到了許多其它學術(shù)領(lǐng)域，并且形成了自己特有的理論體系、分析研究方

7、法、控制與治理技術(shù)、監(jiān)測方法與技術(shù)、限制標準與管理制度等。到目前為止，對諧波這一領(lǐng)域的研究仍然非?；钴S。電力系統(tǒng)的諧波及抑制研究問題近幾十年來在世界范圍內(nèi)得到了十分廣泛的關(guān)注，國際電工委員會(IEC)、國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)、國際供電會議(C也D)及美國電氣和電子工程師學會(IEEE)等國際性學術(shù)組織，都相繼成立了專門的電力系統(tǒng)諧波工作組，并己制定除了限制電力系統(tǒng)諧波的相關(guān)標準。從1984年開始，每兩年召開一次的電力系統(tǒng)國際諧波會議(ICHPS)為這個領(lǐng)域的國際交流提供了直接的渠道，正推動著諧波研究工作深入開展。122國內(nèi)研究現(xiàn)狀 我國在有源電力濾波器的應用研究方面，繼日本、美國、德國等

8、之后，得到學術(shù)界和企業(yè)界的充分重視，并投入了大量的人力和物力，但和電子工業(yè)發(fā)達的國家相比有一定的差距。我國從80年代開始大量采用硅整流設備，尤其是鐵路電氣化的迅速發(fā)展，推動了硅整流技術(shù)的發(fā)展和應用。電氣化鐵道具有牽引重量大、速度高、節(jié)約能源、對環(huán)境污染小等優(yōu)點，電力牽引己成為我國鐵路動力改造的主要方向。目前，非線性負荷的大量增加，使我國不少電網(wǎng)的諧波成分以大大超過了有關(guān)標準，并出現(xiàn)了一些危及電網(wǎng)安全、經(jīng)濟運行的問題。于此同時，我國許多科研和生產(chǎn)單位，一些高等院校相繼開展了諧波研究工作，在多次學術(shù)會議上交流了這一方面的成果。 但是，我國在有源電力濾波器方面的研究仍處于起步階段，到1989年才有這

9、方面的文章。研究APF主要集中在并聯(lián)型、混合型，也開始研究串聯(lián)型。研究最成熟的是并聯(lián)型，而且主要以理論眼界和實驗研究為主。理論上涉及到了功率理論的定義、諧波電流的監(jiān)測方法、有源電力濾波器的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性研究等。1991年北方交通大學王良博士研制出3KVA的無功及諧波的動態(tài)補償裝置；同年，華北電力科學院和冶金自動化研究院聯(lián)合研制了用于380V三相系統(tǒng)的33KVA雙極面結(jié)型(BJT)叫電壓型濾波器；采用多重化技術(shù)剛，西安交通大學研制出120KVA并聯(lián)型有源濾波器的實驗樣機。此外，清華大學、華北電力大學、重慶大學等高等院校也對APF展開了深入的理論研究。我國雖在理論上取得一定的進展，由于多方面的條件

10、的限制，我國的有源濾波技術(shù)還處于實驗階段，工業(yè)應用上只有少數(shù)幾臺樣機投入運行，如華北電力實驗研究所、冶金部自動化研究院和北京供電公司聯(lián)合開發(fā)研究的有源高次諧波抑制裝置于1992年在北京木材廠中心變電站投入工業(yè)運行，該裝置采用了三個單相全控橋逆變器(功率開關(guān)為GTR)，用于低壓電網(wǎng)單個諧波源的諧波補償，且只能補償幾個特定次數(shù)的諧波(5、7、11、13次)，調(diào)制載波的頻率(33KHZ)不高；河南電力局與清華大學聯(lián)合開發(fā)的20MVA靜止無功發(fā)生器(包含有源諧波器)在鄭州孟若變電站進行300KVA中間工業(yè)樣機試運行，該樣機主電路由18脈沖電壓型逆變器、直流儲能電容器、9臺曲折繞組變壓器及系統(tǒng)的連接變壓

11、器組成，18脈沖逆變器分為3相6脈沖電壓型逆變器(功率開關(guān)為GTO)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復雜?？偟膩碇v，目前我國有源電力濾波技術(shù)的工業(yè)應用，仍處于試驗和攻堅階段，特別是在既治理諧波又補償無功功率的HAPF系統(tǒng)方面，還有許多基礎理論與技術(shù)有待于深入研究。1.3本文的主要內(nèi)容 本文主要針對電網(wǎng)諧波的抑制問題，對諧波和電力濾波器做了大量的研究和仿真工作。主要包括以下幾個部分。(1) 首先對課題的背景和國內(nèi)外諧波問題及其現(xiàn)狀進行了描述。(2) 介紹了諧波的基本概念抑制電網(wǎng)諧波的主要方式，由無源濾波裝置到有源電力濾波裝置的發(fā)展過程及其今后APF 的發(fā)展趨勢。介紹了電力諧波的基本概念以及非線性負荷諧波源的產(chǎn)生和影

12、響，并對幾種典型的非線性諧波源進行了分析。隨后對非線性負荷諧波源建立了數(shù)學模型，并用數(shù)學公式推導得出了結(jié)論。 (3) 研究了諧波的檢測方法和有源電力濾波器的控制方法，構(gòu)建了有源電力濾波器，進行了MATLAB 仿真實驗，仿真結(jié)果驗證了該濾波裝置的良好補償性能。（4）總結(jié)與展望。2 有源電力濾波器及其諧波源模型研究2.1 諧波的基本概念2.1.1 諧波的定義電力系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，而這部分分量就稱為電網(wǎng)諧波。諧波通常是指一個周期電氣量的正弦波的分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。諧波頻率與基波頻率的

13、比值 （ n =f n / f l ） 稱為諧波次數(shù)。如我國電力系統(tǒng)的額定工作頻率為50Hz，故其2 次諧波為100 Hz，其3 次諧波為150 Hz，其4 次諧波為200 Hz電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍次數(shù)的分量，稱為非諧波或分數(shù)諧波。諧波實際上是一種干擾量，污染電網(wǎng)，影響電能質(zhì)量。2.1.2 諧波的數(shù)學表達供用電系統(tǒng)中，通常認為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)交流電壓和交流電流呈正弦波形。在進行諧波分析時，正弦電壓通常由下數(shù)學式表示： (2-1)式(21)中：U為電壓有效值，為初相角，為角頻率。 正弦電壓施加在線性無源元件電阻、電感和電容上，其電源和電壓分別為比例、積分和微分關(guān)系，仍為同頻率的正弦波。但當正弦電壓施

14、加在非正弦電路上時，電流就變?yōu)榉钦也ǎ钦译娏髟陔娋W(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。當然，非正弦電壓施加在線性電路上時，電流也是非正弦波。理論上任何周期性波形都可以分解成傅立葉級數(shù)形式，稱為諧波分析或頻域分析。諧波分析是計算周期性畸變波形的基波和諧波的幅值和相角的基本方法。對于周期為T=2/的非正弦電壓U，一般滿足狄力赫利條件，可以分解為如下形式的傅立葉級數(shù)： （2-2）式中（2-2）：a0= (2-3)an= n=1,2,3 (2-4)bn=n=1,2,3 (2-5)在傅立葉級數(shù)中頻率的分量稱為諧波，均以非正弦電壓為例，頻率為1/T的分量稱為基波，大于諧波次數(shù)為基波頻率和基波

15、頻率的整數(shù)比。以上公式及定義均以非正弦電壓為例，對于非正弦電流的情況也完全適用，把式中改成即可。2.1.3電力系統(tǒng)諧波標準由于電網(wǎng)中的諧波電壓和電流會對電網(wǎng)本身和用電設備造成根大的危害，所以必須限制諧波電流流入電網(wǎng)和控制諧波電壓在允許的范圍內(nèi)，以保證供電質(zhì)量。世界許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標準，或由權(quán)威機構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。各級電網(wǎng)的諧波水平一般用諧波電壓含有率或諧波畸變率來反映。國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)和國際電工委員會(IEC)都成立了專門工作組擬定電力系統(tǒng)和電工產(chǎn)品的諧波標準，很多國家對諧波也制定了相應的國家標準，一些國家的電壓總諧波畸變率的大致范圍為：低壓電N(<I

16、KV)，一般5，個別3、7；中壓電N(2477kV)，一般2一5，個別6：高壓電網(wǎng)(84kV及以上)，一般115，個別2-5。我國原水利電力部于1984年根據(jù)原國家經(jīng)濟委員會所批的全國供用電規(guī)則的規(guī)定，制定并發(fā)布了SDl2684電力系統(tǒng)諧波暫行規(guī)定。在此基礎上，系統(tǒng)地研究了標準的有關(guān)問題，結(jié)合國情，吸取國外諧波標準研究成果的基礎上于1993年又發(fā)布了GBT1454993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波，該標準從1994年3月1日開始實施。表21公用電網(wǎng)諧波電流(相電流)限值2.2 諧波的產(chǎn)生 諧波的產(chǎn)生形式是多種多樣的。當電力系統(tǒng)向非線性設備及負荷供電時，這些設備及負荷在傳遞、變換、吸收系統(tǒng)發(fā)電機所供給的

17、基波能量的同時，又把部分基波能量轉(zhuǎn)換為諧波能量，向系統(tǒng)注入大量的高次諧波。 電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方式下的諧波都來自于各種各樣的諧波源。諧波源是指各類特定的用電設備，即非線性用電設備，或稱非線性電力負荷。它們是電力系統(tǒng)中某些地區(qū)或網(wǎng)絡出現(xiàn)嚴重諧波影響的主要原因。 電力系統(tǒng)中大量的變壓器群和并聯(lián)（鐵芯）電抗器是重要的諧波源。雖然變壓器個體一般產(chǎn)生的諧波較小或很小，但其群體產(chǎn)生的諧波總和則相當大。電網(wǎng)中的飽和電抗器和可控電抗器有時也是諧波源，影響著電能質(zhì)量。需要指出的是，在諧波潮流分析中，普遍不把發(fā)電機看作諧波源。因為發(fā)電機雖然也產(chǎn)生主要構(gòu)成零序分量的三次諧波，但基本上不存在三次諧波端電壓，因此不向電網(wǎng)注入

18、三次諧波。大、中型發(fā)電機產(chǎn)生的其他次諧波電動勢也都很小，而電力系統(tǒng)承受諧波主要依靠這些發(fā)電機的巨大短路容量。因此，發(fā)電機更多的是被看作是吸收諧波的末端支路。超高壓輸電線的電暈也產(chǎn)生主要構(gòu)成零序分量的三次諧波電流，但其值常小到難以測出。故在分析電網(wǎng)諧波問題時，一般不必考慮線路電暈諧波，但需要考慮線路的諧頻阻抗和諧頻導納對諧波的影響，例如放大諧波。綜上所述，諧波源即為各類非線性用電設備、變壓器和各類鐵芯電抗器。主要可以歸納為以下幾類：（1）變壓器。輸配電系統(tǒng)中，諧波主要產(chǎn)生于電力變壓器。由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲線的非線性，再加上設計變壓器時為了考慮其經(jīng)濟性，不得不將其工作磁密選擇在磁化曲線的近

19、飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，導致其含有奇次諧波。諧波電流的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點偏離線性越遠，諧波電流也就越大。（2）電力電子裝置。由電力電子裝置產(chǎn)生的諧波在所有諧波中所占有的比例是很大的，有將近40%，是最大的諧波源。其主要為各種交直流變流裝置（整流器、逆變器、斬波器、變頻器）以及雙向晶閘管可控開關(guān)設備等。由于晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是殘缺的正弦波，從而留在電網(wǎng)中的也是另一部分殘缺的正弦波，其中就含有大量的諧波成分。如果整流裝置為單相整流電路，在接感性負載時則含有奇次諧波電流成分，其中三次諧波的含量可達基波的30

20、%；在接容性負載時則含有奇次諧波電壓成分，其諧波含量與電容值成正比。如果整流裝置為三相全控橋6 脈整流器，則變壓器原邊及供電線路上含有五次及以上奇次諧波電流成分；如果是12 脈沖整流器，也還有11 次及以上奇次諧波電流成分。（3）電弧爐。通常所謂的電弧爐是指用于鋼鐵冶煉的交流電弧爐。在諧波源分類上，直流電弧爐有整流器饋電，故應列入電力電子裝置。大型電弧爐的發(fā)展方向是采用更經(jīng)濟有效的直流電弧爐。鐵合金礦石爐、電石爐和電弧爐雖都采用石墨電極來注入熔化電流，但用電特性有很大差別。（4）低壓電網(wǎng)供電的各種電器設備。我們?nèi)粘Ｓ玫降囊恍┰O備含有非線性元件，故會產(chǎn)生諧波電流，這些設備主要有電視機、節(jié)能燈、充

21、電器、電冰箱、微波爐、電磁爐、洗衣機、計算機、激光打印機、各種醫(yī)療和科研用的儀器和設備等等。還有空調(diào)用壓縮機、高層建筑用的大型電梯等，它們大都是用晶閘管、小功率的整流裝置等電力電子元件，有的電器帶小容量變壓器。其勵磁電流所占比例較大，雖然其單個容量小到只有數(shù)十瓦到數(shù)千瓦，但因其數(shù)量較多且分布很廣，產(chǎn)生的高次諧波自然也會對電力系統(tǒng)造成影響，加重電力網(wǎng)的諧波污染。2.3諧波的危害 諧波研究的意義，在于諧波的危害十分嚴重，主要表現(xiàn)在以下幾個方面： （1）引起供電電壓畸變。 （2）增加用電設備消耗的功率，降低系統(tǒng)的功率因數(shù)。 （3）增加了輸電線路的損耗，縮短了輸電線壽命。諧波電流一方面在輸電線路上產(chǎn)生

22、諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。對于架空線路而言，電暈的產(chǎn)生和電壓峰值有關(guān)，雖然電壓基波未超過規(guī)定值，但由于諧波的存在，當諧波電壓與基波電壓峰值重合時，其電壓峰值可能超過允許值而產(chǎn)生電暈，引起電暈，損耗增加。對于電纜輸電情況，諧波電壓正比于其幅值電壓形式增強了介質(zhì)的電場強度，這會影響電纜的使用壽命。據(jù)有關(guān)資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約60。 （4）增加變壓器損耗。諧波使變壓器銅耗增大，其中包括電阻損耗、導體中的渦流損耗和導體外部因漏通而引起的雜散損耗。同時也使鐵耗增加。另外，三的倍數(shù)次零序電流會在三角形接法的繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，這一額外的環(huán)流

23、可能會使電流超過額定值。對于帶不對稱負載的變壓器來說，如果負載電流中含有直流分量，會引起變壓器磁路飽和，從而大大增加交流勵磁電流的諧波分量。 （5）對電容器的影響。諧波對電容器的危害是通過電效應、熱效應和諧振引起諧波電流放大。國內(nèi)外電網(wǎng)運行經(jīng)驗表明：受諧波影響而導致的電氣設備損壞中電容器占有最大比例。諧波的存在往往使電壓呈現(xiàn)尖頂波形，最不情況是諧波和基波電壓峰值的疊加，峰值電壓上升使電容器介質(zhì)更容易發(fā)電。一般來說，電壓升高10，電容器壽命縮短12。由于諧波使通過電的電流增加，使電容器損耗增加，從而引起電容器發(fā)熱和溫升，加速老化。器溫升每上升8，壽命縮短12。由于電容器的容抗與頻率成反比，因諧波

24、電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電波形畸變比基波電壓的波形畸變大得多，即使電壓中諧波所占比例不大，也生顯著的諧波電流。特別是在發(fā)生諧振的情況下，很小的諧波電壓就會引起的諧波電流，導致電容器因過流而損害 （6）造成繼電保護、自動裝置工作紊亂。諧波改變繼電器的工作特性，這與繼電器的設計特點和原理有關(guān)。當有諧波畸變時，依靠采樣數(shù)據(jù)或過零工作的數(shù)字繼電器容易產(chǎn)生誤差。諧波對過電流、欠電壓、距離、頻率繼電器等均會引起誤動、拒動、保護裝置失靈或動作不穩(wěn)定。 （7）增加感應電動機的損耗，使電動機過熱。另外，當電動機的諧波電流頻率接近某零件固有頻率時，會使電動機產(chǎn)生機械振動，發(fā)出噪

25、聲。 （8）造成換流裝置不能正常工作。當換流裝置的容量達到電網(wǎng)短路容量的1312或以上時，或者雖未達到此值而電網(wǎng)參數(shù)易引起較低次諧波次數(shù)(第2次至第9次)的諧波諧振時，交流電網(wǎng)電壓畸變可能引起常規(guī)控制角的觸發(fā)脈沖間隔不等，并通過正反饋而放大系統(tǒng)的電壓畸變，使整流器工作不穩(wěn)定，對逆變器可能發(fā)生連續(xù)的換相失敗而無法工作。 （9）引起電力計量誤差。用戶為線性用戶時，諧波潮流主要由系統(tǒng)注入線性用戶，電能表計量的是該用戶吸收的基波電能和部分或全部諧波電能，計量值大于基波電能，線性用戶不但要多交電費，還要受到諧波破壞。用戶為非線性用戶時，用戶除了自身消耗部分諧波，還向電網(wǎng)輸送諧波，電能表計量電能時基波電能

26、和扣除這部分諧波電能的部分和或全部和，計量值小于基波電能。因此，非線性用戶(諧波源)不僅污染電網(wǎng)，還少交了電費。 （10）干擾通信系統(tǒng)。諧波通過電容禍合、電磁感應、電氣傳導對通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，如損害通話清晰度、引起危害過電壓等。 （11）對其它設備影響。諧波還會對以下設備產(chǎn)生影響：使斷路器斷弧困難，斷路器開斷能力降低；引起避雷器諧波過電壓而損害；延遲或阻礙消弧線圈滅弧作用；電壓互感器由于諧振而損害；增大中性線電流；電視機圖像變壞、翻滾：收音機引起雜音；微機系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、自動錄波系統(tǒng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失、誤動、誤顯示和波形異常等。2.4 諧波的基本防治方法 (1)增加換流裝置的脈動數(shù)。對具有整流元

27、件的設備，盡量增加整流的相數(shù)或脈動數(shù)，可使特征諧波次數(shù)提高，較有效地消除低次特征諧波。如：整流相數(shù)為6 相時，5 次諧波電流為基波電流的18.5%，7 次諧波電流為基波電流的12%，如果將整流相數(shù)增加到12 相，則5 次諧波電流下降到基波電流的4.5%，7 次諧波電流下降到3%。除了可對整流器本身進行改造外，當有多臺相同的6 脈動換流器同時工作時，可以用取自同一電源的換流變壓器二次繞組之間適當?shù)囊葡?，以達到提高整流脈動數(shù)的目的。（2）采用交流濾波裝置。采用交流濾波裝置在諧波源的附近就近吸收諧波電流，以降低連接點處的諧波電壓。濾波裝置是由電阻、電感、電容等元件組成的串聯(lián)諧振電路，利用其串聯(lián)諧振時

28、阻抗最小的特性，消除5、7、11 次等高次諧波。在運行中濾波器除了能起到濾波作用外還能兼顧無功補償?shù)男枰＃?）抑制快速變化的諧波?？焖僮兓闹C波源（如電弧爐、電力機車、晶閘管供電的軋鋼機和卷揚機等）除了產(chǎn)生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的（如電氣化鐵道的機車，處于熔化期的電弧爐等）還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。抑制快速變化諧波較全面的技術(shù)措施就是在諧波源處并聯(lián)裝設靜止無功補償裝置，可有效減小波動諧波源的諧波量，同時，可以抑制電壓波動、閃變、三相不平衡，還可補償功率因數(shù)，目前技術(shù)上較成熟。（4）避免并聯(lián)電容器組對諧波的放大作用。在電力系統(tǒng)，中并聯(lián)電容器組

29、可以改善無功，起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當有諧波源時，在一定的參數(shù)下，電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設備的安全。因此可采取改變電容器的串聯(lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對諧波的放大。（5）LC無源濾波法。LC無源濾波器是一種常用的諧波補償裝置。它的基本工作原理是利用LC諧振回路的特點抑制向電網(wǎng)注入的諧波電流。當諧振回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時，則可將該次諧波電流濾除，使其不會進入電網(wǎng)。多個不同諧振頻率的諧振回路可溥除多個高次諧波電流，這種方法簡單易行。（6）采用有源電力濾波器APF（Active

30、Power Filter）。有源電力濾波器是一種用動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，它可以對大小和頻率都變化的諧波進行補償，其應用可克服無源濾波器等傳統(tǒng)諧波抑制方法的缺點。隨著電力電子技術(shù)水平的發(fā)展，有源濾波技術(shù)得到極大發(fā)展，在工業(yè)上己經(jīng)進入實用階段。2.5 無源電力濾波器簡述 無源電力濾波器（Passive Power Filter，簡稱PPF）是目前工程上應用最多的濾波器，它不僅結(jié)構(gòu)簡單，投資少，而且可靠性高，運行費用也比較低。其濾波原理實質(zhì)上是為電路中的諧波提供一條低阻抗路徑，也就是保留基波而使諧波短路，使得諧波可通過濾波器而不注入系統(tǒng)。無源濾波器是采用電抗器、電力電容器和電阻按功能要求組

31、合而成的，其中最簡單的是單調(diào)諧的LC 濾波器。單調(diào)諧LC 濾波器的主要功能是用來抑制某一特征次諧波，即令濾波支路在該次諧波頻率下發(fā)生串聯(lián)諧振，形成低阻抗通路，繼而使該次諧波電流不再或盡可能小流入電網(wǎng)，最終達到抑制諧波的目的。無源濾波器還可以設計成雙調(diào)諧的LC 濾波器。雙調(diào)諧的LC 濾波器同時可以濾除兩種頻率的諧波；也可以作成多階的，但因其電路復雜，所以應用較少。另外，無源濾波器還可以設計成高通濾波器，用以濾除某個一次以上的諧波。無源濾波器在吸收諧波的基礎上還可以補償無功，改善功率因數(shù)。LC 濾波器的濾波原理是提供一并聯(lián)低阻抗通路，因此其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定的，但無源電力濾波器

32、也因此就存在以下缺點： （1）由于無源電力濾波器的濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)與系統(tǒng)運行的工況影響比較大，想要設計得很理想往往比較困難，且諧振頻率依賴于元件參數(shù)，因此只能對主要諧波進行濾波。LC 參數(shù)的漂移將導致濾波特性改變，使濾波性能不穩(wěn)定； （2）由于電網(wǎng)的參數(shù)與LC 可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振，將會使該次諧波分量放大。因而電網(wǎng)供電質(zhì)量會因此下降； （3）濾波要求和無功補償、調(diào)壓要求有時難以協(xié)調(diào)。2.6 有源電力濾波器介紹作為一種新型的補償方式，有源電力濾波器（Active Power Filter，簡稱APF）以其對電網(wǎng)負載、系統(tǒng)參數(shù)變化的自適應能力和較高的反應速度被認為是最具發(fā)展?jié)摿Φ臒o功和諧波補償方法。

33、有源電力濾波器的原理是利用可控的功率半導體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。與無源濾波器相比，有源電力濾波器具有以下特點：（1）不僅能補償各次諧波，還可抑制閃變，補償無功，有一機多能的特點，在性價比上較為合理；（2）濾波特性不受系統(tǒng)阻抗等的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險；（3）具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波，即具有高度可控性和快速響應性等特點。2.6.1 有源濾波器的基本原理圖2.1 為最基本的有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖。 圖2.1有源電力濾波器系統(tǒng)組成有源電力濾波器是一種用于動態(tài)抑制諧波和補償無功功率

34、的新型電力電子裝置，其基本工作原理是從補償對象即諧波源中檢測出需要補償?shù)姆至?，如諧波電流或無功電流分量，由APF 產(chǎn)生一個與補償分量大小相等方向或極性相反的補償分量，以使被補償分量和APF 產(chǎn)生的補償分量相互抵消，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量，重新成為正弦電流。2.6.2 有源電力濾波器的分類圖2.2有源電力濾波器拓撲分類1直流APF 和交流APF 根據(jù)應用場合不同，APF 可以分為直流APF 和交流APF 兩大類。直流APF 主要是用來消除高壓直流輸電系統(tǒng)的換流站直流側(cè)的諧波，但其研究較少，應用也較少。而交流APF 主要用于交流電力系統(tǒng)，所以是目前研究主要對象。2并聯(lián)型APF 和串聯(lián)型APF

35、根據(jù)接入電網(wǎng)方式，可以分為并聯(lián)型APF 和串聯(lián)型APF。并聯(lián)型APF 是最早期的有源濾波裝置，也是現(xiàn)在實際工業(yè)應用最多的一種APF。這種裝置并聯(lián)接入電網(wǎng)，相當于一個受控電流源，消除電流型負載的諧波。并聯(lián)型APF 最大優(yōu)點是安裝、調(diào)試、維修、保護方便，負載甚至不用斷電就可將APF 安裝投入運行，所以工業(yè)上投入運行并聯(lián)型APF占多數(shù)。但由于電源電壓直接加在逆變器上，對開關(guān)器件電壓等級要求較高；負載諧波電流含量高時，這種有源濾波裝置的容量也必須很大，這樣投資就比較大。另外，串聯(lián)型APF 經(jīng)過耦合變壓器串聯(lián)接入電網(wǎng)，相當于一個受控電壓源，流過正常負荷電流，損耗較大。而且串聯(lián)型APF 安裝、投切、故障后

36、的退出及各種保護也較復雜，單獨使用串聯(lián)型APF 例子較少。從補償對象來看，并聯(lián)型APF 適合補償電流型諧波負載，串聯(lián)型APF適合補償電壓型諧波負載。3混合型APF（HAPF）由于受開關(guān)器件限制，高頻變流器容量有限，且其造價隨容量增大而急劇增加，于是便提出各種APF 和PPF 相結(jié)合的混合型APF（HAPF），可以減少有源部分容量，提高裝置經(jīng)濟性。下面列出幾種典型HAPF 拓撲。（1） 并聯(lián)APF+并聯(lián)PF圖2.3 并聯(lián)APF+并聯(lián)PF 的HAPF 在使用這種裝置時，由于電網(wǎng)與APF 及APF 與PF 之間存在諧波通道，特別是APF與PF 之間的諧波通道，可能使APF 注入的諧波又流入PF 及系

37、統(tǒng)中。所以較好方法是APF和PPF 按頻率分段完成濾波功能，即由PPF 濾除低次諧波，APF 濾除高次諧波，或者反之。前者PPF 由多組單調(diào)諧濾波器及高通濾波器組成，用于濾除負載中占主要成分的低次諧波；APF 采用高頻變流器，濾除剩余的高次諧波電流，由于高次諧波電流幅值較小，故APF 容量可以大大降低。后者PPF 為一組高通濾波器，濾除高次諧波及APF（變流器）產(chǎn)生的開關(guān)次諧波，而APF 只補償較低次諧波，這樣，變流器開關(guān)頻率可以較低，可以采用頻率較低的大功率開關(guān)器件，降低成本，減少損耗。這種裝置，APF 容量雖然降低了，但是APF 仍然承受全部基波電壓，開關(guān)器件的耐壓等級沒有降低。（2）串聯(lián)

38、型APF+并聯(lián)PF圖3.4 串聯(lián)型APF+并聯(lián)PF 的HAPF串聯(lián)APF 相當于一個電流控制電壓源，產(chǎn)生的諧波電壓與電網(wǎng)支路中諧波電流成正比。因此對諧波電流而言，APF 可以等效為一個諧波電阻。當諧波電阻的阻值遠遠大于電網(wǎng)阻抗和無源濾波器等效阻抗時，電網(wǎng)支路電壓和電流中將只有很小的諧波殘余。對基波而言，APF 呈幾乎為零的極低阻抗，不消耗基波功率。因此，APF 相當于一個諧波隔離裝置。串聯(lián)APF 將迫使負載的諧波電流流入無源濾波器，同時也阻止了電源的諧波電壓竄入負載側(cè)。對諧振頻率處的諧波，無源濾波器呈極低阻抗。這種方案結(jié)合了無源濾波器和有源濾波器各自優(yōu)點，裝置的補償容量可以做的很大。由于大部分

39、諧波由相對廉價的無源濾波器濾除，裝置成本相對較低。這種結(jié)構(gòu)的缺點是：在低次諧波及其它頻率處，要使APF 的等效諧波電阻遠遠大于無源濾波器等效阻抗是很難的，因此對電網(wǎng)中閃變分量，用該方法不能實現(xiàn)隔絕；當負載電流中存在無源濾波器不能濾除的諧波時，由于APF 強制這部分諧波流入PPF，這將在負載入端產(chǎn)生諧波電壓；由于APF 串聯(lián)在電路中，絕緣較困難，維護也不方便；在正常工作時，注入變壓器仍然跟單獨使用的串聯(lián)型APF 中一樣流過所有負載。（3） APF 與PPF 串聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng)圖2.4 APF 與PF 并聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng)的HAPF該方式中諧波主要由LC 濾波器濾除，而APF 的作用是改善LC 濾波

40、器的濾波特性，克服LC 濾波器易受電網(wǎng)阻抗的影響、可能與電網(wǎng)阻抗發(fā)生并聯(lián)諧振等缺點。在這種方式中，APF 不直接承受系統(tǒng)基波電壓，因此裝置容量小，開關(guān)器件耐壓等級降低，克服了大容量APF 結(jié)構(gòu)復雜、損耗大、成本高的缺點，使整個系統(tǒng)獲得良好性能。另外，這種方案的結(jié)構(gòu)較為復雜，需針對特征諧波選取LC 網(wǎng)絡的調(diào)諧頻率，不適用于非特征諧波源補償。該方式的諧波阻尼K 不能太大，否則會引起系統(tǒng)不穩(wěn)定。（4） 注入型APF圖2.5 串聯(lián)諧振注入型圖2.6 并聯(lián)諧振注入型 為了將單獨使用的APF 上承受的基波電壓移去，使有源裝置只承受諧波電壓，從而顯著降低有源裝置的容量，可以選擇用LC 串聯(lián)或并聯(lián)諧振網(wǎng)絡作為

41、注入電路（見圖2.5和圖2.6）。在圖2.5 的串聯(lián)諧振注入型APF 中，LC2 網(wǎng)絡在基波頻率處發(fā)生串聯(lián)諧振，阻抗很小，逆變器不承受基波電壓，而對于高于基波頻率的諧波分量，LC2 網(wǎng)絡阻抗較大，APF 產(chǎn)生的諧波電流絕大部分將流入主電路，但是要同時獲得較好的諧波不唱性能 和較小的有源裝置容量比較困難，而且支路上端的電容將很大。并聯(lián)諧振注入方式原理與之類似。如圖2.6所示，LC 網(wǎng)絡在基波頻率出發(fā)生并聯(lián)諧振，阻抗很大，基波電壓基本上加在LC 網(wǎng)絡上，而對于高于基波頻率的諧波分量，LC 網(wǎng)絡阻抗較小，并遠小于支路中另一個電感的諧波阻抗，則APF 產(chǎn)生的諧波電流的絕大部分也將流入主電路。另外，值得

42、一提的是，串聯(lián)諧振注入型APF 可以補償無功功率，主要由支路上端的電容補償；而并聯(lián)諧振注入型APF 可以補償無功功率，因為之路上端的并聯(lián)諧振電路的基波阻抗很大，難以產(chǎn)生較大的基波無功電流注入主電路。2.7 并聯(lián)有源電力濾波器補償特性的研究并聯(lián)型APF不是一種理想的補償裝置，其補償特性會受到諧波源特性的影響。適用于補償諧波電流源。2.7.1諧波源所謂“諧波源"通常是指各類特定的用電設備，即非線性設備，或稱非線性電力負荷。諧波源分為諧波電流源和諧波電壓源件，這是諧波產(chǎn)生的根本原因。1諧波電流源對于各種換流設備，電氣化鐵道，電弧爐及數(shù)量很大的電子節(jié)能設備，家用電器等典型非線性負載，即使供給

43、理想的正弦波電壓，它們也將產(chǎn)生非正弦電流。且諧波成分基本上只與其固有的非線性及工況有關(guān)，而與這些負載的內(nèi)部阻抗的變化幾乎無關(guān)。因此，此類非線性負載可以認為是諧波電流源。2諧波電壓源典型的諧波電壓源是發(fā)電機。由于結(jié)構(gòu)上不可能完全對稱，空氣隙的磁導不可能完全均勻等因數(shù)，發(fā)電機在運行時總會產(chǎn)生一些諧波分量，其諧波電勢取決于發(fā)電機本身結(jié)構(gòu)及工況，它是一個諧波電壓源。通常忽略由發(fā)電機產(chǎn)生的諧波電勢，只考慮非線性負載產(chǎn)生的非正弦電流。2.7.2有源電力濾波器補償特性的基本要求有源電力濾波器對高次諧波的補償效果可以用以下兩個指標來衡量。1諧波含有率HR 該次諧波的均方根值與基波均方根值的百分比表示，稱為諧波

44、含有率HR。 h次諧波的電流含有率 h次諧波的電壓含有率 2總諧波畸變率THD(Total Harmonic Distortion) 指各次諧波均方根值的平方和的平方根值與基波均方根值的百分比 提高電能質(zhì)量，對諧波進行綜合治理，防止諧波危害，就是要把諧波含有率和總諧波畸變率限制到國家標準規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。補償后的電源電流總諧波畸變率THD越小，補償效果越好。2.7.3影響有源電力濾波器補償特性的因素從原理上講，有源電力濾波器可以實現(xiàn)諧波源負載中諧波的完全補償，但實際這是很難實現(xiàn)的。因為在諧波檢測環(huán)節(jié)、控制系統(tǒng)和指令電流運算電路的誤差導致補償電流存在誤差。誤差可以分為：幅值誤差和相位誤差，會影

45、響有源電力濾波器的補償特性，使諧波源的諧波不能徹底完全補償。2.7.4并聯(lián)型有源電力濾波器補償特性圖2.7并聯(lián)補償諧波電流等效電路圖 并聯(lián)型APF對諧波源進行補償時，其系統(tǒng)單相等效電路如圖2.7所示。圖中：為電源端電壓，當電源中沒有諧波，只包含基波時(分別為基波電流和電源基波阻抗)。由于電力系統(tǒng)中大多數(shù)諧波源為諧波電流源要補償諧波就要有一個APF向電流型諧波源提供諧波電流，從而，電源只向諧波源提供基波電流。式中：為諧波源電流，為電源提供的基波電流，為APF向諧波源提供的諧波電流，可以利用APF的并聯(lián)補償實現(xiàn)。若電源向其它負荷供電，因為電源本身只包含基波，不會對其它設備產(chǎn)生干擾。2.8 諧波源的

46、數(shù)學模型的研究2.8.1 單相橋式整流電路非線性負荷如圖2.7所示，設電源電壓為 ，式中U為電源電壓有效值，為基波電壓和電流的相位差。為便于分析，假設以下理想條件：交流側(cè)電抗為零，而直流側(cè)電感L 為窮大，并且忽略電流脈動，則交流側(cè)電流為理想方波。 圖2.7單相橋式整流電路將交流側(cè)理想的方波電流進行傅立葉分解得到： (2-6)式中： (n=1,3,5,7） 從上式看出，當正弦波電壓加在單相橋式整流電路上時，電源側(cè)只含有奇次諧波分量，說明電源側(cè)的電流發(fā)生了畸變，即有諧波電流存在。2.8.2 三相橋式整流電路非線性負荷 三相整流裝置可整流電壓脈動較小，脈動頻率較高，而且由于三相平衡，對供電系統(tǒng)得影響

47、較小，因而容量較大的整流裝置常采用三相整流的方式。三相整流有三相半波，三相全控橋式，三相半控橋式，本節(jié)主要研究典型的三相全控橋式整流電路產(chǎn)生諧波的機理，為后文非線性負載的MATLAB 仿真做準備。圖2.2 是三相6 脈波整流電路接線圖。 圖2.8 中，在電源電壓的一個周期內(nèi)有6 次，上下橋各有3 次，所以稱為6 脈動整流，本節(jié)對下圖做如下假設：（1）整流橋用的GTO（可關(guān)斷晶閘管）為理想元件，正向電阻為零，反向電阻為無窮大；（2）電源為理想的三相平衡系統(tǒng)，并以A 相電壓為基礎；（3）控制觸發(fā)角為零，即相當于不可控整流；（4）交流側(cè)的電感為零，即換相重疊角 =0。 圖2.8非線性負荷三相全控橋式

48、整流電路A，B，C 三相的電流波形都是由正負兩個序列的方波組成。方波的幅值設為 ，方波的寬度等于，正負波形對橫軸對稱。然后對各相非正弦電流波形進行傅立葉級數(shù)分解，得到基波和一系列諧波表達式： 由上式可見，A 相電流除基波外，還包含了5，7，11，13，17，19等次諧波。它們的有效值為： 同理可以寫出B，C 兩相電流的表達式，分別如下： (2-7) (2-8)以上分析可得出以下結(jié)論：（1）各次諧波對基波的比值，也就是諧波的含有量，與諧波的次數(shù)成反比；（2）三相橋式整流電路中只含有（6k±1）次諧波；（3）（6k-1）次諧波，即5，11，17次諧波構(gòu)成負序三相系統(tǒng)，而（6k+1）次為正

49、序三相系統(tǒng)；（4）三相橋式整流電路不存在電流的零序分量。3 基于無功功率的諧波檢測方法3.1諧波檢測的幾種方法比較 1早期的諧波檢測方法都是基于頻域理論，即采用模擬濾波器原理。優(yōu)點是原理和實現(xiàn)電路簡單、造價低、輸出阻抗低、品質(zhì)因素易于控制。但存在諸多缺點：實現(xiàn)電路的濾波中心頻率對元件參數(shù)十分敏感、受外界環(huán)境影響較大、難以獲得理想幅頻和相頻特性；電網(wǎng)頻率波動不僅影響檢測精度，而且檢測出的諧波中含有較多的基波分量：當需要檢測多次諧波分量時，實現(xiàn)電路變得復雜，其電路參數(shù)設計難度隨之增加；運行損耗大。由于上述嚴重缺陷，隨著電力系統(tǒng)諧波檢測要求的提高及新的諧波檢測方法日益成熟，該方法已極少采用。 2基于

50、Fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波檢測法原理是將負荷電流分解為與電壓波形一致的分量(“有功電流”)，其余分量作為廣義無功電流(包括諧波電流)。因為Fryze功率定義是建立在平均功率基礎上，所以要求瞬時有功電流需要一個周期的積分，需要一個周期才能得出檢測結(jié)果，再加上其它運算電路，需要有幾個周期的延遲。因此，用這種方法求得的“瞬時有功電流”實際上是幾個周期前電流，實時性不好。 3近年來，國內(nèi)外對神經(jīng)網(wǎng)絡(N眥al Network，NN)進行諧波檢測的相關(guān)研究文獻迅速增加，并取得了一些工程應用或成果，概括起來有兩個方面：一是提出了基于多層前饋網(wǎng)絡NN的電力系統(tǒng)諧波檢測方法，該方法利用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡來進行

51、諧波檢測；二是將Adaline神經(jīng)網(wǎng)絡和自適應對消噪聲技術(shù)相結(jié)合進行諧波檢測。諧波NN檢測方法優(yōu)點：(1)計算量小：(2)檢測精度高，各次諧波檢測精度不低于FT和WT，能取得令人滿意的結(jié)果；(3)對數(shù)據(jù)流長度的敏感性低于FT和wT：(4)實時性好，可以同時檢測任意整數(shù)次諧波；(5)抗干擾性好，在諧波檢測中可以應用一些隨機模型的信號處理方法，對信號源中的非有效成份(如直流衰減分量)當作噪聲處理，克服噪聲等非有效成份的影響。但是，NN用于工程實際還有很多問題：沒有規(guī)范的NN構(gòu)造方法，需要大量的訓練樣本，如何確定需要的樣本數(shù)沒有規(guī)范方法，NN的精度對樣本有很大依賴性等。另外，NN和、T一樣，都屬于目

52、前正在研究的新方法，研究和應用時間短，實現(xiàn)技術(shù)上需完善，因此，目前在工程應用中未優(yōu)先選用。 4基于傅里葉變換的諧波檢測法方法檢測精度高、實現(xiàn)簡單、功能多且使用方便，在諧波檢測方面得到廣泛應用。傅里葉分析具有如下局限性：(1)FFT需要一定時間的采樣值，計算量大，計算時間長，使得檢測時間較長，檢測結(jié)果實時性差；(2)沒有反映出隨時間變化的頻率，當人們需要在任何希望的頻率范圍上產(chǎn)生頻譜信息時，F(xiàn)FT不一定適用；(3)由于一個信號的頻率與其周期長度成正比，對于高頻譜的信息時間間隔要相對地小以給出比較好的精度，而對于低頻譜的信息，時間間隔要相對地寬以給出完全的信息，亦即需要一個靈活可變的時間一頻率窗，使在高“中心頻率"時自動變窄，而在低“