【正文】 ........66 英文原文 ..........................................................74 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 1 頁 1 緒論 課題研究的背景 隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種功率開關(guān)器件以及其他非線性負載得到了廣泛的應(yīng)用，這一方面給電能的變換帶來了方便并提高了變換的效率；另一方面也導(dǎo)致諧波大量的注入電網(wǎng) ， 即 電力污染；而現(xiàn)代社會對于電能質(zhì)量的要求也越來越高。很多國家都制定了限制諧波的規(guī)定和國家標(biāo)準(zhǔn)，國際電工委員會 (IEC)、電氣電子工程師協(xié)會 (IEEE)等國際組織也推出了諧波標(biāo)準(zhǔn)。電力諧波問題受到越來越多的關(guān)注。如何抑制電網(wǎng)諧波，改善電能質(zhì)量成為近年來研究的熱點 [1] [2]。 諧波對公用電網(wǎng)和其他系統(tǒng)危害主要表現(xiàn)在以下方面 [1] [2]： 1)諧波對電力系統(tǒng)中補償電容器組造成影響。諧波能夠引起電網(wǎng)局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而使諧波放大 ， 造成危險的過電壓或過電流，這往往導(dǎo)致電氣元件及設(shè)備損壞，影響電力系統(tǒng)安全運行 ； 2)諧波威脅公用電網(wǎng)電力設(shè)備的安全運行。對于電網(wǎng)中的發(fā)電機、變壓器、傳輸電纜而言，諧波首先增加了設(shè)備的損耗，降低了設(shè)備的使用效率；其次引發(fā)過熱問題，使設(shè)備無法正常工作 ； 3)諧波電壓或電流會在電機的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中引起附加損耗，使其發(fā)熱，縮短使用壽命。另外，諧波電流還會增大電機的噪音和產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，加重機械振動，使設(shè)備無法運行 ； 4)諧波能使電網(wǎng)中的繼電保護及其他自動裝置誤動作，甚至造成跳閘事故，嚴重威脅電網(wǎng)的安全運行 ； 5)使測量和計量儀器、儀表不能正確指示或計量 ； 6)諧波會對 鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。 諧波的來源 [3][4]： 1)鐵磁飽和型：各種鐵芯設(shè)備，其鐵磁飽和特性呈非線性。如變壓器的勵磁回路實際是具有鐵芯繞組的電路，在不計磁滯和鐵芯未飽和時，它基本上是線性電路；鐵芯飽和后，它就是非線性的，即使外加電壓是純正弦波，電流也要發(fā)生畸變。飽和愈深，電流波形畸變越嚴重 ； 2)電子開關(guān)型 ：各種交直流換流裝置、雙向晶閘管可控開關(guān)設(shè)備以及 PWM 變頻器等電力電子設(shè)備 ； 3)電弧型：交流電弧爐和交流電焊機等 ； 4)旋轉(zhuǎn) 電機：交流電機磁場的磁路，是由定子磁軛、定子齒、空氣隙組成閉合回路。當(dāng)鐵芯未飽和時，可以認為磁通勢集中在 2個空氣隙。若氣隙是均勻的，則磁通勢沿定子轉(zhuǎn)子表面均勻分布，但不是正弦分布，將它分解可得諧波分量，在電壓、電流中，會有相應(yīng)分量產(chǎn)生。另外，由于定子開槽，氣隙磁導(dǎo)不是沿表面均勻 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 2 頁 不變，而是以槽距進行周期變化的，也會有相應(yīng)的諧波產(chǎn)生。 以上這些，即使供給它理想正弦波電壓，它取用的電流也是非正弦的，所以常被看作諧波恒流源。 抑制或減小電網(wǎng)諧波主要有 2個途徑 [1]： 1)是對產(chǎn)生渚波的諧波源裝置本身進行改進，使其不 產(chǎn)生或少產(chǎn)生諧波，以減少其同電網(wǎng)的諧波注入，顯然對大量原有裝置進行改造是不現(xiàn)實的，此方法只能對電網(wǎng)新增裝置產(chǎn)生作用； 2)是裝設(shè)諧波濾波補償裝置，對電網(wǎng)諧波進行有效濾波和補償，如使用各種濾波裝置、無功發(fā)生器以及其他校正補償設(shè)備；目前，常用的有無源濾波器、有源濾波器和混合濾波器。 電力有源濾波器 (active power filter，簡稱 APF)是無功補償?shù)南冗M方法 ,并聯(lián)型電力有源濾波器是一種最基本的形式，也是目前應(yīng)用最為廣泛的一種。 電力濾波器的研究現(xiàn)狀概述 無源濾波器 [5] 無源濾波器的基本結(jié)構(gòu) 無源濾波器 (passive power filter， PPF)在電力系統(tǒng)中可兼顧無功補償與濾除諧波的作用。無源濾波器因其功率大、成本低等優(yōu)勢在大功率用電系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。無源濾波器的電路結(jié)構(gòu)相對簡單，通常由幾組單調(diào)諧濾波器及一組高通濾波器組成，每一通道依靠 LC參數(shù)諧振原理構(gòu)成某次諧波的帶通濾波器。圖 為 35 kV母線電壓下電弧爐系統(tǒng)濾波裝置模型。 ,k k kL C R ( 3, 5, 7, 11 ,13 , )kh? 分別為3,5,7,11,13 及高次濾波通道的電抗、電容及電阻； ( 3, 5 , 7, 11 ,13 , )kfi k h? 分別為3,5,7,11,13 及高次濾波通道與系統(tǒng)電抗的回路電流； sL 為電力系統(tǒng)等效感抗值； dL為電弧爐等效感抗值。加裝上述濾波裝置后，通過改變各個通路的參數(shù)設(shè)置( ,k k kL C R )，很好地抑制了奇次諧波進入到電網(wǎng)中，系統(tǒng)的功率因 數(shù)也得到了提高，滿足了電網(wǎng)對無功補償?shù)囊蟆? uSL5fi dL3fi 7fi 11fi5fi hfi13fi dfi3R 5R 7R 11R 13R hR3C 5C 7C 11C 13C hC3 5L 7L 11L 13L hLlki 圖 基波下濾波裝置模型 無源濾波器的優(yōu)缺點 它的優(yōu)點是 ： 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 3 頁 結(jié)構(gòu)簡單，成本低，技術(shù)成熟，易于實現(xiàn)。 它的缺點是： 1)它的補償特性受電網(wǎng)阻抗的影響，依賴于電網(wǎng)和負載的參數(shù)； 2)可能發(fā)生電網(wǎng)與濾波器間的串、并聯(lián)諧振，使濾波器和電網(wǎng)側(cè)的諧波較之負載的電流諧波有所增加； 3)不能對諧波和無功功率實現(xiàn)動態(tài)補償； 4)有效材料消耗多，體積大。 無源濾波器的主要應(yīng)用方向 作為最 傳統(tǒng)的濾波裝置，無源濾波器雖然有它本身不可克服的缺陷，但因其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，技術(shù)成熟，易于實現(xiàn)，所以在各個行業(yè)起著重要的作用，特別是在能夠檢測出諧波次數(shù)的時候它有著不可替代的作用，像是鋼廠、鐵廠中所用的電磁爐，一般都可以測出諧波次數(shù)，使用無源濾波器對于降低成本還是非常有效的。 在高壓直流輸電中， 12相整流得到了廣泛應(yīng)用，特別是大容量整流變壓器，通過移相可以形成 l2脈波整流，這對減小直流輸出電壓的紋波幅度、提高紋波頻率、減少電壓畸變、降低諧波電流對電網(wǎng)的影響都有理想的效果。但通過分析換流變壓器的結(jié)構(gòu)特點可知 ，理論上二次側(cè)產(chǎn)生特征諧波主要是 (12 1)k? 次， 1,2,3,k ? ；其中，尤以 11,13 次諧波含量最高，濾波器的設(shè)計主要以 11,13 次為主要目標(biāo)；但在實際運行中，由于交流系統(tǒng)存在著非線性負荷或者三相參數(shù)不完全對稱，在系統(tǒng)中存在基波的負序和零序電壓分量，對于 12脈波系統(tǒng)實際運行情況，交流側(cè)存在 (12 1)nk??次 1,2,3,k ? ，也存在 3,24,26, , 3倍次非特征諧波。綜合考慮各種條件可采用雙調(diào)諧無源濾波器和高通濾波器。結(jié)構(gòu)如圖 。 ac b 圖 濾波裝置結(jié)構(gòu) 在目前流行的開關(guān)電源中，在電源的輸人端加入無源濾波器可以有效地抑制電源傳人開關(guān)電源的干擾，也可以抑制開關(guān)電源反向串入電源的干擾。 有源濾波器 有源濾波器的基本結(jié)構(gòu) 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 4 頁 有源濾波器裝置的基本構(gòu)造見圖 。補償 指令電流檢測及控制電路對負載電流 Li 進行檢測，通過瞬時無功功率理論或 DSP技術(shù)產(chǎn)生的諧波及無功電流分量，與精密波形發(fā)生器產(chǎn)生的三角載波進行比較，獲得 PWM 波形，用于控制主電路內(nèi)的功率電子開關(guān)器件，把直流電流信號變成補償交流電流 ci 。對主電路輸出的補償電流進行檢測是為了使主電路輸出的補償電流更好地跟蹤由于負載電流的變化而引起的諧波大小的變化。 圖 有源濾波器基本構(gòu)造 有源濾波器的發(fā)展歷 程及主要應(yīng)用 1971年日本的 Machida首先提出了有源濾波器的原始模型。 1976年，美國的Strycula提出了用 PWM 逆變器結(jié)構(gòu)構(gòu)成有源濾波器，確立了當(dāng)今濾波器的基本結(jié)構(gòu)。 1982年，第 1臺采用 GTO作為開關(guān)元件的電流源 PWM 逆變器構(gòu)成的有源濾波器(80O kV A)在日本研制成功并投人使用。 1983年，日本的 Akagi等人提出了瞬時無功功率理論，表明實現(xiàn)有源濾波器補償功能的條件已經(jīng)具備，使有源電力補償技術(shù)實用化研究得到了極大的發(fā)展。 1986年，日本的 Komasugi和 Imura研制出一套用于三相 整流器補償?shù)碾娏餮a償器，可補償 19次以下的高次諧波。 1991年，南非的 Enslin和 Wyk研制出綜合補償系統(tǒng)。經(jīng)過 2O多年的研究和探索， APF技術(shù)得到了長足的發(fā)展，越來越多的 APF投入了運行，不論從實現(xiàn)功能還是運行功率上都有明顯的改善。其中在日本，已投入使用的 APF從 5O kV A到 6O MV A功率范圍越來越寬，從諧波補償?shù)揭种崎W變和電壓調(diào)節(jié)應(yīng)用功能越來越豐富。目前有源濾波器已用在提高電能質(zhì)量，解決三相電力系統(tǒng)中終端電壓調(diào)節(jié)、電壓波動抑制、電壓平衡改善以及諧波消除和無功補償?shù)葐栴}上。 在中國，直到 2O世 紀(jì) 80年代末期才開始有相關(guān)方面文章的出現(xiàn)，起初論文中所采用的諧波檢測方法陳舊，補償效果不理想。進入 2O世紀(jì) 9O年代，國內(nèi)的多所高校和研究機構(gòu)也加入到了有源濾波器的研究中來，這方面的工作主要以理論研究和實驗為主。目前以西安交通大學(xué)和浙江大學(xué)為代表，他們已經(jīng)形成了比較系統(tǒng)的研究體系和理論基礎(chǔ)；另外，國內(nèi)的一些研究所也在開展研究工作。在實際應(yīng)用方面，國內(nèi)已經(jīng)有人試制出了有源濾波器的樣機，并且在小功率的場合使用。哈爾濱工業(yè) 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 5 頁 大學(xué)電氣工程系研制開發(fā)出一種單相有源濾波器產(chǎn)品，目的是改善單相用戶接入點的電網(wǎng)品質(zhì)，進而改善配 電網(wǎng)的品質(zhì)。浙江省新技術(shù)推廣站已經(jīng)把 30 kV A有源濾波器產(chǎn)品化，并開始投向市場。但總的說來，由于各種條件限制，中國的有源濾波器的實際應(yīng)用水平不高，范圍不大。所以目前的主要方向是加快有源濾波器的產(chǎn)品化，提高它在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用水平。 有源濾波器的優(yōu)缺點 [12] [13] [14] [15] 有源濾波器的優(yōu)點如下 : 1)實現(xiàn)了動態(tài)補償，可對頻率和大小變化的諧波以及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應(yīng)； 2)可同時對諧波和無功功率進行補償，且補償無功功率的大小可做到連續(xù)調(diào)節(jié)； 3)補償無功功率時不需儲能元件，補償諧波時所需儲能元件容量也不大； 4)即使補償對象電流過大，有源濾波器也不會發(fā)生過載，并能正常發(fā)揮補償作用 ； 5)受電網(wǎng)阻抗影響不大，故補償性能不受電網(wǎng)頻率變化的影響； 6)既可對個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功功率集中補償。 有源濾波器的缺點： 1)數(shù)字化測量系統(tǒng)參數(shù)穩(wěn)定性好，但計算量較大，相應(yīng)加大了檢測過程的延遲時間； 2)就目前來說， APF還難以實現(xiàn)大功率的濾波，并且成本較高。 有源濾波器的分類和連接方式 目前投入使用的有源濾波器種類繁多 ，其分類方法也多種多樣。根據(jù)應(yīng)用場合的不同可分為有源直流濾波器和有源交流濾波器 2大類。前者主要用來消除高壓直流系統(tǒng)中換流器直流側(cè)的電壓；后者則應(yīng)用于交流電力系統(tǒng)。根據(jù)逆變電路的儲能元件不同，有源濾波器可分為電流型和電壓型 2種。電壓型濾波裝置效率高，初期投資小，可任意并聯(lián)擴容，易于單機小型化，適用于電網(wǎng)級諧波補償。目前使用裝置 9O%以上為電壓型，技術(shù)相對成熟、完善。電流型濾波裝置作為非正弦電流源來滿足非線性負載的諧波電流要求，其結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，但損耗較大，不適用于大容量系統(tǒng)。 混合 濾波器 [5] 混合濾波器的基本結(jié)構(gòu) 盡管 APF具有無源濾波器無可比擬的巨大優(yōu)勢，但由于成本問題，目前還不可能完全代替無源濾波裝置。一種可能的措施就是采用無源濾波和有源濾波相結(jié)合的技術(shù)口 ，構(gòu)成混合型濾波系統(tǒng)。其中濾波和無功補償主要有無源濾波器承擔(dān)，有源濾波器用來進一步改善濾波和補償?shù)男阅埽⒁种拼?、并?lián)諧振，由此，其安裝容量不大，也容易實現(xiàn)。在無源濾波器的基礎(chǔ)上引入有源濾波器，可改變電路的阻 中國礦業(yè)大學(xué) 2021 屆本科生畢業(yè)設(shè)計 第 6 頁 抗頻率特性，從而改變系統(tǒng)的濾波效果。有源濾波器是由全控型開關(guān)器件構(gòu)成的變流裝置，可視為受系統(tǒng)的諧波電流或諧波電壓控制 的線性受控源。在不同的控制系數(shù)與電路結(jié)構(gòu)下，混合濾波器體現(xiàn)出不同的阻抗特性，靈活性強。 混合濾波器的研究熱點 近年來，減少混合濾波器中有源裝置中的安裝容量成為了研究熱點，這需要從降低有源濾波器承擔(dān)的基波電壓與基波電流 2個方面來考慮。研究人員提出串聯(lián) LC電路的 APF注入結(jié)構(gòu)，可大大降低其容量。 FUJITA等提出的混合型濾波電路可大大降低有源裝置承擔(dān)的基波電壓。詳見圖 。 V 0T a T bT a39。T cT c39。T b39。L aL bL ce ae be c