【正文】 ......................26 三角波比較方式 ......................................................................................27 第四章 仿真 ...................................................................................................................28 三相四線制不平衡負(fù)載的諧波源設(shè)計(jì) .................................................................28 諧波電流檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì) ..................................................................................30 4. 2. 1 低通濾波器構(gòu)成原理 ...............................................................................31 檢測(cè) .......................................................................................................33 PWM 信號(hào)發(fā)生模塊的建立 ...................................................................................35 仿真模型的整體結(jié)構(gòu) .........................................................................................37 本章小結(jié) ...........................................................................................................37 第六章 結(jié)論及展望 .........................................................................................................38 本文的主要研究成果及完成的主要工作 ..............................................................38 致謝 ................................................................................................................................39 參考文獻(xiàn) .........................................................................................................................40 本科生畢業(yè)論文 5 第一章 緒論 從上世紀(jì) 20至 30年代，人們已經(jīng)注意到了由靜止汞弧變流器弓 I起的電網(wǎng)電 壓和電流的畸變問(wèn)題。而今，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種非線性電力電子設(shè) 備投入電網(wǎng)，它們產(chǎn)生的大量的諧波與無(wú)功電流也隨之注入電網(wǎng)。導(dǎo)致電能質(zhì)量 的惡化。如電網(wǎng)的諧波、三相不平衡、閃變與頻率變化等。如何改善電能質(zhì)量， 對(duì)供電系統(tǒng)的諧波與無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，一直是人們研究的重要課題。 諧波概述及其危害 70年代以后，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電力電子設(shè)備進(jìn)入了人 們生產(chǎn)、生活的各個(gè)角落。從低壓小容量的家用電器到高壓大容量的工業(yè)變流裝置，應(yīng)用十分廣泛。其產(chǎn)生的諧波日益嚴(yán)重，引起了世界各國(guó)對(duì)諧波及其抑制的重視。 諧波源歸納起來(lái)，主要有以下幾種： (1)靜止變流器。如整流器、交流調(diào)壓器、通用變頻器等。它們產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)影響最為嚴(yán)重，被稱為電網(wǎng)中“公害”。 (2)工業(yè)用電弧爐、逆變焊機(jī)等。雖然他們數(shù)量不多，但它們?nèi)萘枯^大，它們產(chǎn)生的諧波成份十分豐富，對(duì)電網(wǎng)的危害極大。 (3)電力變壓器的非線性勵(lì)磁。 (4)旋轉(zhuǎn)電機(jī)。 (5)各種民用電力電子設(shè)備。如：各種家用電器、熒光燈、計(jì)算機(jī)開關(guān)電源等。雖然它們的容量不大，但數(shù)量眾多，它們對(duì)電網(wǎng)造成的諧波污染也越來(lái)越嚴(yán)重。 諧波對(duì)電力系統(tǒng)中的其它用電設(shè)備，尤其是一些精密儀器影響嚴(yán)重，其危害 主要表現(xiàn)在以下幾方面： (1)電力方面的危害： 1)諧波容易引起電網(wǎng)與無(wú)功補(bǔ)償電容器之間的串聯(lián)或并聯(lián)諧振。使諧波 電流放大，造成過(guò)電流，導(dǎo)致電容器、與之相連的電抗器和電阻器的損壞。 2)使公用電網(wǎng)中的設(shè)備產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的使用效率，增加電網(wǎng)的線損。在 三相四線制系統(tǒng)中，中線會(huì)由于流過(guò) 3次及 其倍數(shù)的諧波電流造成零線過(guò)熱。 3)諧波會(huì)產(chǎn)生額外的熱效應(yīng)，從而引起用電設(shè)備的發(fā)熱、絕緣老化、降 低設(shè)備的使用壽命。 (2)在信號(hào)干擾方面： 1)諧波通過(guò)電磁感應(yīng)和傳導(dǎo)耦合等方式對(duì)鄰近的電力電子設(shè)備和通訊系統(tǒng) 本科生畢業(yè)論文 6 產(chǎn)生干擾．嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致設(shè)備無(wú)法正常運(yùn)行。 2) 諧波還會(huì)引起保護(hù)設(shè)備的誤動(dòng)作。 3)因目前很多電能測(cè)量?jī)x表是電動(dòng)式電度表，這種測(cè)量?jī)x表是在純正弦波情況下進(jìn)行校驗(yàn)的，因此諧波會(huì)使儀表產(chǎn)生測(cè)量誤差。 諧波問(wèn)題日益嚴(yán)重， 如何對(duì)諧波進(jìn)行抑制，成為眾多科研工作者的研究課題。 諧波抑制強(qiáng) 解決非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波問(wèn)題思路有二。一是設(shè)計(jì)諧波補(bǔ)償裝置，對(duì)電力系統(tǒng)中非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。二是對(duì)電力系統(tǒng)中主要諧波源的電力電子裝置進(jìn)行自身的改造。使其完成自身功能的同時(shí)，不產(chǎn)生諧波與無(wú)功。如：有源功率因數(shù)校正技術(shù) (SPFC)，各種 PWM整流技術(shù)等。這兩種思路各有優(yōu)點(diǎn)，從 近年來(lái)的科技文獻(xiàn)可以看出都得到了很好的發(fā)展。諧波補(bǔ)償裝置經(jīng)歷了從無(wú)源電力濾波器 (Passive Power Filter)到有源電力濾波器 (Active Power Filter)的發(fā)展。因有源電力濾波器成本較高，近年來(lái)，混合型有源電力濾波器由于其成本合理和較好的性能也受到了人們的關(guān)注。 無(wú)源電力濾波器 無(wú)源電力濾波器 (原理如圖 11)是傳統(tǒng)的諧波補(bǔ)償方法，目前大量應(yīng)用的 是由交流電抗器和電容器組成的“ LC無(wú)源濾波器 (LC Passire Power Filter)”。 雖然無(wú)源濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、技術(shù)成熟等優(yōu)點(diǎn)，但它也存在以下缺點(diǎn)： (1)如果系統(tǒng)中諧波電流超量，濾波器將過(guò)載。 (2)如果高次諧波的范圍較寬 ，則需要設(shè)置多個(gè)無(wú)源支路。 (3)無(wú)源濾波器的補(bǔ)償效果隨系統(tǒng)運(yùn)行情況的變化而變化，對(duì)交流電源的 阻抗和頻率的變換極其敏感，在此情況下難以保證補(bǔ)償效果。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很困難的。 (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 (從源側(cè)看 )，使系統(tǒng)無(wú)法正常工作，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致局部電網(wǎng)的崩潰。 圖 無(wú)源電力濾波器原理圖 本科生畢業(yè)論文 7 與無(wú) 源濾波器相比，有源電力濾波器 (APF)具高度的可控性和快速的響應(yīng)性，其主要優(yōu)點(diǎn)如下： (1)實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，可對(duì)頻率和幅值都變化的諧波以及變化的無(wú)功功率 進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，對(duì)補(bǔ)償對(duì)象的變化有極快的響應(yīng)。 (2)可同時(shí)補(bǔ)償諧波與無(wú)功，也可單獨(dú)補(bǔ)償諧波。 (3)補(bǔ)償無(wú)功功率時(shí)不需要儲(chǔ)能元件，補(bǔ)償諧波時(shí)所需儲(chǔ)能元件的容量也 不大。 (4)正常情況下，即使補(bǔ)償對(duì)象電流過(guò)大，有源電力濾波器裝置也不會(huì)發(fā) 生過(guò)載。 (5)諧波補(bǔ)償特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可避免與被補(bǔ)償系統(tǒng)發(fā)生諧振。 (6)既可以對(duì)單個(gè)諧波和無(wú)功源進(jìn)行補(bǔ)償，也可以對(duì)多個(gè)諧波和無(wú)功源集 中補(bǔ)償。 根據(jù) APF與被補(bǔ)償系統(tǒng)的連接方式不同， APF可分為：串聯(lián)型有源電力濾波 器 (Series APF如圖 12 a)，并聯(lián)型有源電力濾波器 (Shunt APF如圖 12 b)和串并聯(lián)型 (又稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 UPQC如圖 12 c)。 a 串聯(lián)型有源電力濾波器 本科生畢業(yè)論文 8 b 并聯(lián)型有源電力濾波器 （ c）混合型有源電力濾波器 圖 12 有源電力濾波器與負(fù)載之間的連接原理圖 混合型有源電力濾波器 混合型有源電力濾波器的系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有以下兩種： （ a） 串聯(lián)型 APF與 LC PF組成的 APF 本科生畢業(yè)論文 9 （ b） 并聯(lián)型 APF與 LC PF組成的 APF 圖 兩種混合型有源電力濾波器 有源電力濾波器的發(fā)展和應(yīng)用 有源電力濾波器的發(fā)展 早在 1969年， B． M． Bird在他的論文 [1]中描述了通過(guò)向交流電網(wǎng)注入三次 諧波電流以減少電源電流中的諧波，改善電源電流的波形。該方法便是有源電力 濾波思想的雛型。 1976年美國(guó)西屋電器公司的 L． Gyugyi和 E． C． Strycula在文 [2]中提出了應(yīng) 用 PWM逆變器構(gòu)成有源電力濾波器。此文討論了有源電力濾波器的實(shí)現(xiàn)方法和控 制原理，并建立了有源電力濾波器的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但受當(dāng)時(shí)半導(dǎo)體器件發(fā)展水 平的影響，它只處于實(shí)驗(yàn)室階段。 有源電力濾波器的真正發(fā)展是從 80年代開始的。隨著新型半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)、 PWM變流技術(shù)的發(fā)展以及 H． Akagi瞬時(shí)無(wú)功理論的提出，有源電力濾波器得到了極大的發(fā)展。 80年代后期，許多有源電力濾波器的商業(yè)發(fā)展計(jì)劃完成并投入了實(shí)踐。隨著各種大功率開關(guān)器件的出現(xiàn)和 PWM變流技術(shù)的成熟，有源電力濾 波器已達(dá) 到實(shí)用化階段。 到目前為止，多數(shù)有源電力濾波器的研究工作是在三相三線制系統(tǒng)中進(jìn)行的。而三相四線制系統(tǒng)在工業(yè)、辦公及民用住宅、城市供電、工廠供電等電力輸配電系統(tǒng)中廣為應(yīng)用。現(xiàn)在三相四線系統(tǒng)中的諧波和三相不平衡所產(chǎn)生的問(wèn)題日趨嚴(yán)重，引起了人們的極大重視。由于零序電流的存在，諧波與無(wú)功補(bǔ)償要比在三相三線系統(tǒng)中復(fù)雜的多．所以關(guān)于三相四線系統(tǒng)有源電力濾波器的研究仍在繼續(xù)。國(guó)外已有三相四線有源電力濾波器的樣機(jī)出現(xiàn) 19I，但仍處于試驗(yàn)階段，未能廣泛應(yīng)用。隨著有源濾波技術(shù)的成熟和有源電力濾波器容量的提高，其應(yīng)用范圍 也必將從補(bǔ)償用戶自身的諧波問(wèn)題向改善整個(gè)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。 有源電力濾波器的應(yīng)用 本科生畢業(yè)論文 10 有源電力濾波技術(shù)在日本、美國(guó)、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的發(fā)展和應(yīng)用較為成 熟。 1997年日本電氣委員會(huì)發(fā)表了一項(xiàng)有關(guān)諧波危害的調(diào)查報(bào)告，該報(bào)告反映 了有源電力濾波器在日本的應(yīng)用情況?；厩闆r如下： 1)使用的類型 從實(shí)際投入的設(shè)備來(lái)看，在 355臺(tái)設(shè)備中．僅有 4臺(tái)設(shè)備與負(fù)載連接為串聯(lián)型或串聯(lián)混臺(tái)型。大多是并聯(lián)型有源電力濾波器。其主電路為電壓型逆 變器 (VSI)結(jié)構(gòu)。 2)諧波檢測(cè)的方法 諧波的檢測(cè)方法有負(fù)載電流檢測(cè)法、電源電流檢測(cè)法和電源電壓檢測(cè)法。在這些方法中，用負(fù)載電流檢測(cè)法與用電源電流檢測(cè)法的比率為 10： 1?？梢妼?shí)際應(yīng)用中，負(fù)載電流檢測(cè)法應(yīng)用最為廣泛。同時(shí)，應(yīng)用電源電壓檢測(cè)的比率也在增加，檢測(cè)電壓的目的是在于補(bǔ)償電網(wǎng)電壓閃變。 3)功能 有源電力濾波器除了補(bǔ)償負(fù)載電流諧波，還可補(bǔ)償基波無(wú)功、校正三相不平衡、抑制電網(wǎng)電壓閃變等功能。在這 355臺(tái)設(shè)備中有 76臺(tái)附有補(bǔ)償基波無(wú)功的功能。 應(yīng)用情況 我國(guó)在電力有源濾波器方面的研究起步較晚。直到 1989年才見到這方面的研究的文章。 1993年才見到試驗(yàn)性的工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。近些年進(jìn)行這方面研究的單位在逐漸增加，主要集中在一些高等院校和少數(shù)研究機(jī)構(gòu)。從發(fā)表的文章看，這些理論研究和實(shí)驗(yàn)為主，這些研究有的已經(jīng)達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平。尤其最近幾年，將智能控制、最優(yōu)控制理論應(yīng)用于有源濾波器的各個(gè)環(huán)節(jié)的事例都取得了不錯(cuò)的效果。 本文的研究的意義和內(nèi)容設(shè)置及主要任務(wù) 本文就瞬時(shí)無(wú)功理論在三相四線制系統(tǒng)中的適用性進(jìn)行了深入研究，對(duì)三相 四線制有 源電力濾波器所補(bǔ)償?shù)墓β食煞葸M(jìn)行了詳細(xì)分析。為解決電網(wǎng)電壓不平 衡對(duì) pq算法的影響。本文推導(dǎo)出了正交坐標(biāo)系中求取電網(wǎng)電壓正、負(fù)序分量的 變換矩陣，用了 qp ii? 算法。最后對(duì)三相四線并聯(lián)型有源電力濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)。本文一切為了應(yīng)用，因此在理論分析時(shí)注重與實(shí)際的結(jié)合：在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)時(shí)