【正文】 畢業(yè)論文 電力系統(tǒng)無功諧波電流檢測方法的研究 Detection Method for Reactive and Harmonic Current in Power System 畢業(yè)設(shè)計（論文）原創(chuàng)性聲明和使用授權(quán)說明 原創(chuàng)性聲明 本人鄭重承諾：所呈交的畢業(yè)設(shè)計（論文），是我個人在指導(dǎo)教師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。 作 者 簽 名： 日 期： 指導(dǎo)教師簽名： 日 期： 使用授權(quán)說明 本人完全了解 大學(xué)關(guān)于收集、保存、使用畢業(yè)設(shè)計（論文）的規(guī)定，即：按照學(xué)校要求提交畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版本；學(xué)校有權(quán)保存畢業(yè)設(shè)計（論文）的印刷本和電子版，并提供目錄檢索與閱覽服務(wù)；學(xué)?？梢圆捎糜坝　⒖s印、數(shù)字化或其它復(fù)制手段保存論 文；在不以贏利為目的前提下，學(xué)?？梢怨颊撐牡牟糠只蛉績?nèi)容。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。 作者簽名： 日期： 年 月 日 導(dǎo)師簽名： 日期： 年 月 日 注 意 事 項 （論文）的內(nèi)容包括： 1） 封面（按教務(wù)處制定的標(biāo)準(zhǔn)封面格式制作） 2）原創(chuàng)性聲明 3）中文摘要（ 300 字左右）、關(guān)鍵詞 4）外文摘要、關(guān)鍵詞 5）目次頁（附件不統(tǒng)一編入） 6）論文主體部分：引言（或緒論）、正文、結(jié)論 7）參考文獻(xiàn) 8）致謝 9）附錄（對論文支持必要時） ：理工類設(shè)計（論文）正文字?jǐn)?shù)不少于 1 萬字（不包括圖紙、程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于 萬字。這些電力電子裝置使得電力系統(tǒng)中的諧波污染問題日趨嚴(yán)重。 目前，無源濾波技術(shù)在大多數(shù)的諧波抑制系統(tǒng)的使用已經(jīng)很成熟了，但是由于無源濾波器 (PPF)存在諸如易受系統(tǒng)參數(shù)影響、只能消除特定次諧波等缺點。 為了提高 APF 的 電流 跟蹤性能，本文提出了滯環(huán)比較法、三角波法和 周期采樣控制法 三種 APF 電流控制方式。 suppression。傅立葉等人提出的諧波分析方法至今仍在廣泛采用。 70年代以來，由于電子技術(shù)的飛速 發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、 交通 及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害日益嚴(yán)重。對電力系統(tǒng)諧波污染的抑制也已 成為電工科學(xué)技術(shù)界所必須解決的問題。據(jù)我國電力科學(xué)院系統(tǒng)研究所對西南、西 北、華中、華北等地區(qū)重點電網(wǎng)測試的結(jié)果來看，我國電網(wǎng)的諧波污染已 很嚴(yán)重。諧波測量一般包括三個步驟：信號預(yù)處理；諧波幅值和相位測量；結(jié)果再處理。 目前國內(nèi)外諧波檢測與分析方法可分為 [2] (1) 采用模擬帶通濾波器測量諧波 最早的諧波測量是采用模擬濾波器實現(xiàn)。 (2) 基于傅立葉變換的諧波檢測與分析 隨著計算機(jī)和微電子技術(shù)的發(fā)展，基于傅立葉變換的諧波檢測是當(dāng)今應(yīng)用最多也是最廣的一種方法。其缺點是需要一定時間的電流值，且需進(jìn)行兩次變換，計算量大，需花費(fèi)較多的計算時間，從而使得檢測方法具有較長時間延時，檢測結(jié)果實際是較長時間前的諧波江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 8 和無功電流，實時性不好。因此通過小波變換對諧波信號進(jìn)行分析可獲得所對應(yīng)的時間信息。該方法利用多層前饋網(wǎng)絡(luò)的函數(shù)逼近能力，通過構(gòu)造特殊的多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，建立了相應(yīng)的諧波測量電路，并 給出了電路的訓(xùn)練算法和步驟，提出了訓(xùn)練樣本的形成方法。負(fù)載電流作為原始輸入，從負(fù)載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，得到需要補(bǔ)償?shù)闹C波與無功分量。即“州 ”理論，對電力諧波量進(jìn)行測量。 現(xiàn)有方法中檢測精度高則速度慢，檢測速度快則精度低或?qū)崟r性不好．故必須研究新的諧波特性辨識 方法和數(shù)學(xué)方法，以滿足高精度測量的要求；諧波檢測及分析與控制目標(biāo)相結(jié)合，測量、分析與控制一體化、集成化，使測量系統(tǒng)低成本、高性能和多功能化；完善現(xiàn)有諧波檢測理論體系并建立新體系，提出新的諧波檢測方法 [2]。 抑制諧波可以從治理諧波源本身入手，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù) 為 1。傳統(tǒng)無源濾波通過使 用 RLC 無 源元件的串并聯(lián)方式構(gòu)成無源的單調(diào)諧、高遙或低通等濾波器，均 達(dá)到濾除諧波的目的 ，這種諧波抑制裝置還可以起無功補(bǔ)償和電壓調(diào)整的作用。 隨著 20 世紀(jì) 60 年 代以來新型電力半導(dǎo)體器件的如現(xiàn)，脈寬 調(diào)制 (PWM)技術(shù)的發(fā)展，以及基于瞬時無功功率理論地提出，針對無源濾波器的缺陷， 在 1969 年 Bird 和 Marsh 等人提出了向電網(wǎng)中注入三次諧波電流以減少電源系統(tǒng)中電流的諧 波成分，這是 (Active Power Filter)APF 思 想的萌芽 [9]。因 此APF 逐漸成為了一種具有很大潛在應(yīng)用價值的諧波補(bǔ)償裝置，并開始得到迅速的發(fā)展。常規(guī)的 并聯(lián)型 APF 可 以同時補(bǔ)償諧波電流和無功，屬于多重補(bǔ)償。 國內(nèi)抑制技術(shù)研究現(xiàn)狀 我國在 APF 方面的研究仍處于起步階段，到 1989 年才有這方面文章。 1991 年北方交通大學(xué)王良博士研制出 3KVA 的無功及諧波的動態(tài)補(bǔ)償裝置；同年，華北電力科學(xué)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)型晶體管 (BJT)電壓型有源濾波器； 采用多重 化技術(shù)，西安交通大學(xué)研制出 120KVA并聯(lián)型有源濾波器的試驗樣機(jī)。 從近年的研究和應(yīng)用中我們可以看出 APF 具有如 下的發(fā)展趨勢 [31,32] (1) 通過采用 PWM 調(diào)制技 術(shù)和提高開關(guān)器 件等效開關(guān)頻率的多重 化技術(shù)，實現(xiàn)對高次諧波的有效補(bǔ)償和系統(tǒng)大容量的實現(xiàn)。在電力系統(tǒng)中，應(yīng)用有源濾波器對系統(tǒng)進(jìn)行諧波抑制是目前研究的重要課題之一，并聯(lián)型有源濾波器可以有效的對負(fù)載諧波進(jìn)行補(bǔ)償。 (4) 在 分 析各種 PWM 控 制方法 的基礎(chǔ)上，對 pq? 法、 pqii? 檢測法 方法及 滯環(huán)比較和三角波比較兩種跟蹤控制電路 進(jìn)行分析說明 。在某些暫態(tài)現(xiàn)象中，電力系統(tǒng)會出現(xiàn)一些非整數(shù)次的分?jǐn)?shù)次諧波，如：間諧波、次諧波和分?jǐn)?shù)次諧波等，這些概念與諧波概念完全不同。 但當(dāng)正弦 電壓施加在非線性電路上時，電流就變?yōu)榉钦也ǎ畬τ跐M足狄里赫利條件非正弦電壓 ()uwt 分解為如下的傅立葉級數(shù)： ? ?0 1( ) c o s s i nnnnu w t a a n w t b n w t??? ? ?? (22) 其中 20 01 ()2a u wt dt??? ? 201 ( ) c o s ( )2na u w t n w d n w??? ? 201 ( ) s in ( )2nb u w t n w d n w??? ? 江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 14 或 0 1( ) s i n ( )nnnu w t a c n w t ???? ? ?? (23) 式中 nc 、 n? 和 nnab、 的關(guān)系為： 22nc a b?? arcta n( / )n n nab? ? sinn n nac?? cosn n nbc?? 在式 (22)或式 (23)的傅立葉級數(shù)中，頻率為 1/T 的分量稱為基波，頻率為1/T 的整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。諧波電壓、電流的諧波含量為： 21nnnUU??? ? (24) 21nnnII??? ? (25) 諧波的總畸變率 諧波總畸變率可分為電壓總畸變率 THDU，和電流總畸變率 ITHD ， 可分別定義為： 1/ 10 0%UnTH D U U?? (26) 江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 15 1/ 1 0 0 %IHTH D I I?? (27) 式中 : U－ 基波電壓有效值， I－ 基波電流有效值。 電力諧波產(chǎn)生的原因 諧波主要從以下幾個方面產(chǎn)生。輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵芯的飽和， 磁化曲線的非線性，加上設(shè)計變壓器時考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密度選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電力城尖頂波形，因 而含有奇次諧波。諧波電流江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 16 注入到電網(wǎng)中，這些設(shè)備就成了電力系統(tǒng)的諧波源。諧波會使電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器和晶體管繼電器產(chǎn)生誤動或拒動，將嚴(yán)重威脅供配電系統(tǒng)的穩(wěn)定與安全運(yùn)行。 對電力設(shè)備的危害 (1) 對電力電容器的危害 當(dāng)電網(wǎng)存在諧波時，投入電容器后其端電壓增大，通過電容器的電流增加得更大，電容器損耗功率也增加，使電容器異常發(fā)熱，在電場和溫度的作用下絕緣介質(zhì)會加速老化。再者，在諧波 嚴(yán)重的情況下，還會使電容器鼓肚、擊穿或爆炸。除此之外，諧波還導(dǎo)致變壓器噪聲增大，變壓器的振動噪聲主要是由于鐵心的磁致伸縮引起的，隨著諧波次數(shù)的增加，振動頻率在 1KHz 左右的成分使混雜噪聲增加，有時還發(fā)出金屬聲。對于帶有啟動用的鎮(zhèn)流器和提高功率因數(shù)用的電容器的熒光燈及汞燈來說，會因為在一定參數(shù)的配合下，形成某次諧波頻率下的諧振，使鎮(zhèn)流器或電容器因過熱而損壞。另外電動機(jī)中的諧波電流，當(dāng)頻率接近某零件的固有頻率時還會使電動機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動，發(fā)出很大的噪聲。對于電磁接角器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點，線圈溫度升高使額定電流降低。其中電磁感應(yīng)與靜電感應(yīng)的耦 合強(qiáng)度與干擾頻率成正比，有大量不平衡電流流入接地極，從而干擾弱電系統(tǒng)。為進(jìn)行電力諧波的分析及檢測和抑制奠定了基礎(chǔ)。另外，對已經(jīng)在運(yùn)行工作的裝置只能通過加濾波器來實現(xiàn)。準(zhǔn)多脈整 流 [37]，其 基本原理是利用移相觸發(fā)來近似實現(xiàn)多脈整流。 PWM 技術(shù)使得諧波頻譜向高頻移動，降低了諧波含量，可使得變流器的江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 20 輸入為正弦波，從而提高了功率因素。 (4) 增加電 網(wǎng)短路容量，提高設(shè)備的短路比，從而降低諧波對接在同網(wǎng)上的其他設(shè)備的影響。無源電力濾波器(Passive Power Filter， 簡稱 PPF)由一 組針對特定頻率 的 LC 單 調(diào)諧濾波器組成，既可以補(bǔ)償諧波，又可以補(bǔ)償無功功率，而且它具有 成本低、結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點，所以一直以來被廣泛使用。 (2) 由 于調(diào)諧偏移和殘余電阻的存在 ，調(diào)諧濾波器的阻 抗等于零的理想條件是不可能出現(xiàn)的，阻抗的變化大大妨礙了濾波效果。 為解決無源濾波器的局限性，人們做了許多研究與探索，其中具有代表意義的為有源電力濾波技術(shù)。 1971年 H． Sasa 和 完整地描述了有源電力濾波器的基本原理：從被補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流中只含基波分 量 [43,44]。 與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器具有以下優(yōu)點： (1) 對功率器件工作頻 率以內(nèi)的各次諧波都有很好的濾波效果。圖中檢測及控制電路部分對負(fù)載電流進(jìn)行檢測，分離出諧波及基波無功電流部分，用以控制主電路輸出相應(yīng)的補(bǔ)償電流。如果控制有源電力濾波器的輸出電流，即 Chii? ，則系統(tǒng)電源中裁只需供給基波電流 （ 有功與無功 ） 了，即 11S p qi i i??，從而達(dá)到抑制諧波的目的。 并聯(lián)有 源濾波器 (1) 單 獨(dú)使用的并聯(lián)型有滾電力濾波器 單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理如圖 33 所示。幾個有源濾波器還可以并聯(lián)起來使用，來補(bǔ)償大量容量的譜波電流。 如圖 34，這種 方式正是為了克服上一種方式要求容量較大的這一缺點而提 出的。由于LC 濾 波器與有源電力濾波器相比，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)且成本低，麗有源電力濾波器的優(yōu)點是章 }償性能好。離時，并聯(lián)有源濾波器容量雖然降低了，但是它仍然承受 全部基波電壓，開 關(guān)器件的耐壓等級沒有降低。這種結(jié)構(gòu)的有源裝置容量小，運(yùn)行效率高，對電壓型諧波源有良好補(bǔ)償特性。 (2) 與 并聯(lián) LC 濾 波器混合使用方式 如 圖 36， 串聯(lián)有源電力濾波器相當(dāng)于一個電流控制電壓源，產(chǎn)生與電網(wǎng)支路中諧波電流成正比的諧波電壓。串聯(lián)有源電力濾波器將迫使負(fù)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串入負(fù)載側(cè)。 有源電力濾波器雙向補(bǔ)償特性 有源電力濾波器的雙向補(bǔ)償特性為：當(dāng)負(fù)載電流含有較大的諧波時，為了負(fù)載的諧波不流入系統(tǒng)電源，在負(fù)載端通過有源電力濾波器就地給予抑制使系統(tǒng)電源不受諧波 污染，保持正弦波，它的檢測電路在負(fù)