【正文】 ............................. 40 本章小結(jié) ................................................................................................................. 44 5 結(jié)論 ................................................................................................................................. 45 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................. 46 翻譯部分 ............................................................................................................................. 48 中文譯文 ...................................................................................................................... 48 英文原文 ...................................................................................................................... 58 致 謝 ................................................................................................................................. 70 第 1 頁(yè) 1 緒論 課題背景及研究目的 電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題早在 20 世紀(jì) 20 年代和 30 年代就引起了人們的注意，隨著電網(wǎng)中整流器、變頻調(diào)速裝置、電弧爐、電氣化鐵路以及各種電力電子設(shè)備用量不斷增加，這些負(fù)荷的非線性、沖擊性和不平衡的用電特性，對(duì)供電質(zhì)量造成嚴(yán)重污染。因此，研究和開(kāi)發(fā)適應(yīng)這一要求的諧波抑制和無(wú)功功率補(bǔ) 償技術(shù)己成為電力、電工領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一 ??1 。 目前，解決諧波問(wèn)題的措施可分為三類，其一是采用無(wú)源電力濾波器 (Passive Power Filter，簡(jiǎn)稱為 PPF)的低阻特性對(duì)畸變?cè)催M(jìn)行濾波；其二是采用有源電力濾波器（ Active Power Filter，簡(jiǎn)稱為 APF），有源濾波器作為一種理想的諧波電流發(fā)生源，產(chǎn)生與畸變?cè)创笮∠嗟确较蛳喾吹闹C波電流以抵消其畸變分量，從而使電源電流波形成為正弦波；最后，是通過(guò)改造電力電 子裝置本身去治理諧波畸變。其中，無(wú)源電力濾波器、有源電力濾波器對(duì)各種諧波源都是適用的，而改造諧波源的方法，只適用于本身為主要諧波源的電力電子裝置。 無(wú)源電力濾波器既可以補(bǔ)償諧波，又可以補(bǔ)償無(wú)功功率，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本相對(duì)低廉，是當(dāng)前補(bǔ)償諧波的主要手段。相對(duì)于近些年出現(xiàn)的有源濾波器等新型濾波裝置而言，無(wú)源濾波器成本相對(duì)較低，容量大，功能易于實(shí)現(xiàn)，故在我國(guó)各大工礦企業(yè)仍有較多應(yīng)用，尤其是在解決大功率設(shè)備濾波時(shí)，由于有源濾波器受容量及投資限制，一般都采用無(wú)源濾波器與有源濾波器結(jié)合的混合式濾波裝置。 在無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)中，對(duì) LC 元件參數(shù)的優(yōu)化是關(guān)鍵，同時(shí)在有源與無(wú)源濾波器相結(jié)合的混合式濾波器中，為了降低有源濾波器的安裝容量，同樣存在著對(duì) LC 參數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題。無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)通常并不復(fù)雜，但其設(shè)計(jì)卻需要考慮多種經(jīng)濟(jì)技術(shù)和安全因素，單憑一個(gè)指標(biāo)難以評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)質(zhì)量的優(yōu)劣，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮各個(gè)指標(biāo)，是典型的多目標(biāo)、非線性優(yōu)化問(wèn)題；若處理不當(dāng)，極易造成濾波效果不佳、初期投資增加、系統(tǒng)無(wú)功功率過(guò)補(bǔ)償?shù)炔涣己蠊?，甚至?dǎo)致無(wú)源濾波器與電網(wǎng)阻抗發(fā)生串、并聯(lián)諧振而造成損壞，加之電網(wǎng)電抗及頻率攝動(dòng)以及濾波裝置投切瞬間浪 涌電流的作用，極可能使電網(wǎng)中諧波放大，可能造成某次濾波通道燒毀、甚至整個(gè)濾波裝置自身難以投切的嚴(yán)重后果。因此，研究無(wú)源濾波器，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義 ??2 。 無(wú)源濾波器 無(wú)源濾波器是目前廣泛應(yīng)用的電力濾波裝置。根據(jù)目前投入使用的無(wú)源濾波器運(yùn)行的電壓等級(jí)，可大致分為大型濾波器及中小型濾波器。并且隨著技術(shù)的發(fā)展和成熟，混合型電力濾波器 ——無(wú)源與有源濾波器技術(shù)的結(jié)合己經(jīng)日趨完善，進(jìn)入實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域。 第 2 頁(yè) 無(wú)源濾波器的應(yīng)用現(xiàn)狀 首先，在高壓直流輸電工程中，在換流變壓器的兩側(cè)，常常安裝無(wú)源直流濾波器和無(wú)源交流濾波器，分別安裝在高壓直流輸電換流器的直流側(cè)和交流側(cè)。由于直流輸電常常采用大容量遠(yuǎn)距離輸電，故換流變壓器直流側(cè)的輸電電壓等級(jí)常常達(dá)到幾百千伏，其母線短路容量常常達(dá)到幾千兆瓦，我國(guó)的葛洲壩 —南橋直流輸電工程，其運(yùn)行指標(biāo)為 177。270177。500 千伏， 1200 安培，1200 兆瓦。同時(shí)，應(yīng)用于高壓直流輸電工程的無(wú)源電力濾波器，常常屬于大型濾波器。除濾波作用外，無(wú)源直流濾波器與無(wú)源交流濾波器在具體技術(shù)要求稍有 不同：交流側(cè)濾波裝置在基波下呈電容性，因而可兼作無(wú)功補(bǔ)償裝置，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)與無(wú)功補(bǔ)償裝置結(jié)合考慮；而直流側(cè)濾波裝置主要限于抑制對(duì)鄰近通信線路的干擾，因此，所考慮的頻率范圍通常從基波到 100 次諧波 ??3 。 其次，對(duì)于工業(yè)領(lǐng)域的非線性負(fù)載，如電弧爐、電氣化鐵路、變頻調(diào)速裝置等，常常采用就近諧波補(bǔ)償?shù)脑瓌t，安裝無(wú)源交流電力濾波器，對(duì)其產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，以確保這些非線性負(fù)荷的正常工作，并同時(shí)盡可能減小對(duì)外界電網(wǎng)的污染。安裝在這類非線性負(fù)載側(cè) 的無(wú)源電力濾波器，電壓等級(jí)常常為幾到幾十千伏。 再次，無(wú)源電力濾波器由于其既可兼顧無(wú)功補(bǔ)償和電網(wǎng)調(diào)壓的需要，也是較為先進(jìn)的混合有源濾波器的重要組成部分。無(wú)源電力濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低，運(yùn)行費(fèi)用也低，在吸收高次諧波方面效果明顯；但其濾波的動(dòng)態(tài)性能不好，頻率發(fā)生偏離，效果變差，而且有可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振，使流入系統(tǒng)的諧波電流過(guò)大，發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象。而有源電力濾波器對(duì)各次諧波和分?jǐn)?shù)次諧波都可以有效的抑制，而且在系統(tǒng)阻抗、頻率發(fā)生波動(dòng)時(shí)，不會(huì)影響補(bǔ)償效果，不會(huì)產(chǎn)生諧振現(xiàn)象，并能抑制由于外電路的諧振產(chǎn)生的諧波電流；但結(jié)構(gòu) 復(fù)雜，造價(jià)高，運(yùn)行損耗大，且容量較小。因此，通過(guò)有源與無(wú)源電力濾波器的組合 ——混合濾波器，使其發(fā)揮各自的優(yōu)點(diǎn)，有著廣泛的應(yīng)用前景 ??4 。 盡管無(wú)源濾波器有著廣泛的應(yīng)用，但隨著諧波網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜化和諧波源的多變性，實(shí)際運(yùn)行中暴露出如下的一些問(wèn)題： (1)如果電源系統(tǒng)中諧波電流超量時(shí)，濾波器將過(guò)載； (2)由于高次諧波的范圍較大，需設(shè)置多個(gè)無(wú)源濾波支路，當(dāng)有基波電流流過(guò)濾波器各支路時(shí)，使整個(gè)裝置容量大，損耗 增加，致使裝置體積龐大； (3)無(wú)源濾波器的濾波效果將隨系統(tǒng)運(yùn)行情況而變化，特別是對(duì)交流電源的阻抗和頻率的變化極其敏感，在這種情況下難以保證濾波效果。特別是在一個(gè)復(fù)雜的電力系統(tǒng)中，這兩個(gè)參數(shù)的變化規(guī)律很難精確預(yù)知，因此一個(gè)實(shí)際的濾波器要滿足要求的諧波衰減是困難的； (4)當(dāng)系統(tǒng)阻抗參數(shù)和頻率變化時(shí)，濾波器可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振 (從負(fù)載側(cè)看 )或串聯(lián)諧振 (從電源側(cè)看 )。使濾波裝置無(wú)法正常運(yùn)行，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致局部電網(wǎng)的崩潰； (5)當(dāng)濾波器元件參數(shù)隨外界環(huán)境變化而發(fā)生變化時(shí)，將影響濾波器的正 常工作，甚至導(dǎo)致元件損壞。 第 3 頁(yè) 因此在無(wú)源濾波器設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合實(shí)際中出現(xiàn)的問(wèn)題，采取適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案和檢驗(yàn)措施，充分考慮諸如頻率偏移、系統(tǒng)與濾波器諧振、環(huán)境變化對(duì)濾器的影響等可能出現(xiàn)的問(wèn)題，盡力完善優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)。在滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求的前提下，盡可能減小投資，并將諧波公害抑制到最低程度。 有源濾波器的應(yīng)用 其基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等方向相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含有基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響， 因而受到廣泛的重視，得到了廣泛的研究。從原理上講，與無(wú)源濾波器相比，有源濾波器濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險(xiǎn)，對(duì)系統(tǒng)和負(fù)載的參數(shù)變化有自適應(yīng)能力，可自動(dòng)跟蹤并補(bǔ)償變化的諧波，而且反應(yīng)速度快，具有高度可控性。但就目前的情況看，有源濾波器還存在很多不足，主要表現(xiàn)為設(shè)備的初期投資大、所需容量大、開(kāi)關(guān)損耗和運(yùn)行成本高，在無(wú)功和諧波電流的時(shí)實(shí)檢測(cè)和控制策略上，還有很多不成熟、值得探討的地方。 有源濾波器的發(fā)展最早可以追溯到本世紀(jì) 60 年代末， 1969 年 和 發(fā)表 的論文 [6]中，描述了通過(guò)向交流電網(wǎng)注入三次諧波電流來(lái)減少電源電流中的諧波成分，從而改善電源電流波形的新方法。在該文中雖未出現(xiàn)有源濾波器一詞，但其描述的方法是有源濾波器基本思想的萌芽。 1971 年， 和 發(fā)表的論文中，首次完整地描述了有源濾波器的基本原理。但由于當(dāng)時(shí)是采用線性放大的方法產(chǎn)生補(bǔ)償電流，其損耗大、成本高，因而僅在實(shí)驗(yàn)室中研究，未能在工業(yè)中實(shí)用。 1976 年，美國(guó)西屋電氣公司的 等人提出了采用 PWM 控制變流器構(gòu)成的有源電力濾波器，確立了有源電力濾波器的概 念、主電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波電流的目的。從原理上看， PWM 變流器是一種理想的補(bǔ)償電流發(fā)生電路，但是由于當(dāng)時(shí)電力電子技術(shù)的發(fā)展水平還不高，全控型器件功率小、頻率低，因而有源電力濾波器的研制仍局限于試驗(yàn)研究的階段，進(jìn)展緩慢 ??5 。 進(jìn)入 80 年代以后，隨著電力電子技術(shù)以及 PWM 控制技術(shù)的飛速發(fā)展， GTO， IGBT 等 大功率可關(guān)斷器件的出現(xiàn)和不斷進(jìn)步，對(duì)有源濾波器的研究逐漸活躍起來(lái)，成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。 1982 年第一臺(tái)有源濾波器在日本投入實(shí)際運(yùn)行 [5]。這一時(shí)期的一個(gè)重大突破是 1983 年赤木泰文等人提出了 “三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論 ”[6]，該理論突破了建立在平均值基礎(chǔ)上的傳統(tǒng)無(wú)功功率概念，以該理論為基礎(chǔ)的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法在有源濾波器中得到 第 4 頁(yè) 了成功的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了有源濾波器的發(fā)展，目前已成為有源濾波器的主要基礎(chǔ)理論之一。此后不久， Akagi 等人研制成功一臺(tái) 7kVA 的有源電力濾波器實(shí)驗(yàn)裝置，用于補(bǔ)償 20kVA 三相全控橋整流器產(chǎn)生的諧波和無(wú)功獲得成功，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了有源電力濾波器的可行性和實(shí)用性 [7]。 80 年代至今，在工業(yè)和民用設(shè)備上開(kāi)始廣泛使用有源濾波器，并且單機(jī)裝置的容量逐步提高，其應(yīng)用領(lǐng)域從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。 目前，世界上有源濾波器的主要生產(chǎn)廠家有日本三菱電機(jī)公司、美國(guó)西屋電氣公司、德國(guó)西門(mén)子公司等。在日本，有源濾波器技術(shù)已經(jīng)成熟，其產(chǎn)品開(kāi)始進(jìn)入實(shí)用化階段，僅從 1983年到 1995 年，就有 455 套有源濾波器投入實(shí)際運(yùn)行，容量范圍約由 50kVA 到 60MVA[12]。其中，200kVA 以下的占 70％左右，超過(guò) 1000kVA 的約為 7％，實(shí)際上，近幾年來(lái) 50kVA 以下的臺(tái)數(shù)增加顯著，也反映了對(duì)諧波抑制重要性的認(rèn)識(shí)在提高。從實(shí)際投入的設(shè)備來(lái)看，有源濾波器與負(fù)載的連接大多將并聯(lián)型作為一種標(biāo)準(zhǔn)方式，主電路多為電壓型。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在生產(chǎn)出的 355 臺(tái)設(shè)備中，僅有 4 臺(tái)與負(fù)載的連接為串聯(lián)型或串聯(lián)混合型，而且大部分中小容量的有源濾波器中，主回路采用的器件基本為 IGBT，只有容量達(dá)到 MW 級(jí)的大容量裝置才使用 GTO。 我國(guó)在有源電力濾波器方面的研究起步較晚，直到 1989 年才見(jiàn)到這方面的研究文 章， 1993年才見(jiàn)到實(shí)驗(yàn)性的工業(yè)應(yīng)用報(bào)道，但其中所采用的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法陳舊，補(bǔ)償效果不理想。近幾年來(lái)進(jìn)行這方面研究的單位在逐年增加，對(duì)有源濾波器的研究給予了充分重視，取得了一些進(jìn)步。 1992 年 10 月，由華北電力試驗(yàn)所、冶金部自動(dòng)化研究院和北京供電公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)研究的有源高次諧波抑制裝置在北京木材廠中心變電站投入工業(yè)運(yùn)行，并同時(shí)通過(guò)能源部和冶金部組織的技術(shù)鑒定。 1996 年 7 月，哈爾濱工業(yè)大學(xué)和黑龍江省電力局聯(lián)合開(kāi)發(fā)的 100kVA廣義電力有源濾波器投入電網(wǎng)試運(yùn)行并通過(guò)電力部組織的部級(jí)鑒定。試驗(yàn)裝置投入運(yùn)行 后，電流畸變率由 %降低為 %。 本課題主要研究?jī)?nèi)容 本課題對(duì)交流無(wú)源濾波裝置的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了深入的研究，并進(jìn)行了仿真 ，第四章基于無(wú)源濾波器的不能跟蹤控制補(bǔ)償?shù)牟蛔?，又單?dú)對(duì)并聯(lián)型有源濾波器進(jìn)行了設(shè)計(jì)與仿真 。主要工作和研究?jī)?nèi)容如下： (1)作為工程設(shè)計(jì)和多目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，本文先對(duì)無(wú)源電力濾波器進(jìn)行基礎(chǔ)理論研究。首先對(duì)無(wú)源濾波器的結(jié)構(gòu)型式和工作原理進(jìn)行深入的分析，然后對(duì)濾波器的等值頻偏、品質(zhì)因數(shù)、濾波器的無(wú)功補(bǔ)償容量以