【文章內容簡介】 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的連接變壓器組成， 18 脈沖逆變器分為 3 相 6 脈沖電壓型逆變器 (功率開關為 GTO)，系統結構較復雜。 總的來講，目前我國有源電力濾波技術的工業(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 系統方面，還有許多基礎理論與技術有待于深入研究。 從近年來的研究和應用中我們可以看出 APF 具有如下的發(fā)展趨勢： (1)通過采用 PWM 調制技術和提高開關器件等效開關頻率的多重化技術，實現對高次諧波的有效補償和系統的大容量； (2)從經濟上考慮，可以采用 APF 和 PF[21]組成的混合型濾波系統，以減少 APF 的容量，達到降低成本、提高效益的目的； (3)從長遠角度看，隨著半導體器件制造水平的迅速發(fā)展，混合 型濾波系統低成本的優(yōu)勢將逐漸消失，而串并聯 APF 由于其功能強大、性價比高，將是很有發(fā)展前途的有源濾波裝置。 本文主要工作 本文首先對諧波問題及其現狀進行了描述，并簡單介紹了抑制電網諧波的主要方式，有傳統的 LC 濾波裝置到有源電力濾波裝置 (APF)的發(fā)展過程及其今后 APF 的發(fā)展趨勢。本文的主要工作如下： 6 ，然后介紹了無源濾波器和有源濾波器分類和研究現狀，并分析了非線性負荷諧波源單相和三相橋式整流電路非線性負荷的工作原理和特性，最后介紹了電力系統諧波標準。 波器的精確檢測問題，介紹了目前受關注的幾種諧波檢測方法，重點研究了三相三線制并聯有源電力濾波器諧波檢測方法：基于瞬時無功功率理論的諧波電流ipiq[22]檢測方法，并對進行了改進。通過在系統穩(wěn)定情況下的仿真分析，證明了改進過的 ipiq檢測方法能實時、準確地檢測不同負載情況下的諧波情況。 。研究了并聯有源電力濾波器電流控制方法，主要研究本文采用的三角波比較 [23]控制方式。對并聯有源電力濾波器直流側電壓控制方法并從根本原因方面進行了分析。 7 第二章 有 源 APF及其諧波源模型研究 諧波的基本概念 諧波的基本含義 國際上公認的諧波含義是：“諧波是一個周期電氣量的正弦波的分量，或者說諧波分量為周期量的傅里葉級數中大于 1的 h次分量其頻率為基波頻率的整數倍” [24]。諧波次數必須是個正整數，例如我國電力系統的額定頻率是 50Hz， 2次諧波為 100Hz， 3次諧波為 150Hz，有些國家電力系統的額定頻率為 60Hz，其基波為 60Hz， 2次諧波為 120Hz， 3次諧波為 180Hz。諧波次數不能為非整數，因此也不能有非整數諧波。 諧波的數學表達 供用電 系統中，通常認為電網穩(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學式表示： )sin (2)( ?? ?? tUtu (21) 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 分關系，仍為同頻率的正弦波。但當正弦電壓施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阻抗上產生壓降，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 ??/2?T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 [25]： ])s i n()c os ([)( 1n0 ??? ??? tnbtnaatu nn ??? (22) 式 (22)中： )()(21 200 tdtua ??? ??? (23) )()c os ()(21 20 tdtntua n ???? ??? )3,2,1( ??n (24) 8 )()c os ()(21 20 tdtntub n ???? ??? )3,2,1( ??n (25) 在傅立葉級數中頻率的分量稱為諧波，均以非正弦電壓為例，頻率為 l/T的分量稱為基波，大于諧波次數為基波頻率和基波頻率的整數比。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 )( tu? 轉成 )( ti? 即可。 衡量諧波的主要指標 電壓畸變的程度取決于系統阻抗和諧波電流的大小。同一諧波負荷在系統中兩個不同位置時將可能引起兩個不同的電壓畸變值。 畸變周期性電壓和電流總均方根值的確定仍然可根據均方根值的定義進行。以電流為例，)(ti 的均方根值 I根據定義可表示為： ?? ????? 2 2210 2 )(1 n nT IIdttiTI (26) 即非正弦周期 量的均方根值等于其各次諧波分量均方根值的平方和的平方根值，與各分量的初相角無關。 某次諧波分量的大小，常以該次諧波的均方根值與基波均方根值的百分比表示，稱為該次諧波的含有率 nHR ， n次諧波電壓的含有率以 nHRU (Harmonic Ratio nU )表示： (1)第 n次諧波電壓含 有率 nHRU ： ％1001 ?? UUHRU nn (27) 式 (27)中： nU 為第 n次諧波電壓有效值； 1U 為基波電壓有效值。 (2)第 n次諧波電流含有率： ％1001 ?? IIHRI nn (28) 式 (28)中： nI 第 n次諧波電壓有效值； 1I 基波電壓有效值。 (3)諧波電壓含有量： 22 )(???? n nH UU (29) (4)諧波電流含有量： 9 22 )(???? n nH II (210) (5)電壓總諧波畸變率： ％1001 ?? UUTHD Hu (211) (6)電流總諧波畸變率： ％1001 ?? IITHD Hi (212) 提高電能質量，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。實際上，諧波電壓幾乎是相對基波電壓而言的。因為電壓往往只有百分之幾 的變化，所以電壓 THD通常是一個有意義的數據。但對電流來說，情況有所不同。較小幅值的諧波電流可能導致較大的 THD值，而此時電力系統受到的威脅并不大。由于系統中大多數的監(jiān)控裝置是按上述定義和方法給出的 THD值的，這可能使用戶誤認為此時的諧波電流是危險的。為了解決這一難題，可將 THD中所采用的基波電流改為基波額定電流的峰值。 諧波的抑制方法 對諧波抑制和消除的方法本文采用的是從改進電力電子裝置入手，使注入電網的諧波電流減少，也就是在諧波源上采取措施，最大限度地避免諧波的產生。這類方法可防止諧波影響波及眾多 的供用電設備。電網質量的提高可節(jié)省消除諧波影響的大量人力和物力。將高水平的技術和相對集中的財力用到控制諧波源上，則對電力電子裝置改進技術的突破十分有利，這樣的方法有： 由諧波產生的機理知，隨著整流相數的增加，網側電流諧波成分減少，電流波形接近于正弦波。在晶閘管三相橋式整流電路中，電流只含有 n次奇次諧波，但高次諧波的振幅值只有基波振幅值的 1/n，這說明諧波次數越高，其振幅值越小。在多相整流電路中，諧波的影響就顯著減少當然整流相數提高，會使設備的造價相應提高。 逆變器輸出端的 電壓諧波嚴重地影響了直流到交流變換器的應用。但如果用兩臺逆變器 10 輸出的電壓在副邊疊加，使兩臺逆變器的輸出波形每半周內都保持 6個間隙，然后第二臺逆變器輸出波形相對第一臺逆變器輸出波形相移 36176。，這樣第一臺逆變器的輸出波形中的五次諧波和第二臺逆變器輸出波形中的五次諧波的相位差為 180176。，五次諧波在變壓器副邊互相抵消，達到了同時消除三次和五次諧波的目的，逆變器輸出電壓波形接近于正弦波。 采用 PWM在所需的頻率周期內，將直流電壓調制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達到抑制諧波的目的。抑制和消除諧 波的另一大類方法是在電力電子裝置的交流側利用LC無源濾波器和電力有源濾波器對諧波電流分別提供頻域諧波補償和時域諧波補償。這類方法屬于對己產生的諧波進行有效抑制的方法。 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。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。 在網側投入無功補償裝置是用來補償由諧 波造成的無功功率，提高功率因數。另外，無功補償裝置中電感和電容的合理設置，可在某次頻率產生諧振，即可對該頻率的諧波實現濾波。傳統的固定電容器和晶閘管控制電抗器的無功補償裝置已經落后，近年來發(fā)展趨勢是采用 GTO構成的換向變流器，通常稱為靜止無功發(fā)生器 (SVG)，它既可提供滯后的無功功率，又可提供超前的無功功率。如果單純用于補償無功，可用移相多重聯結的方法來降低其補償電流中的諧波。再使用適當的控制方法，別可在補償無功功率的同時對諧波電流進行補償。 如上所述的 LC濾波器及靜止無功補償裝置 雖然能減少諧波分量，抑制某些諧波，但卻不能對變化的高次諧波動態(tài)補償。隨著電力電子技術的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉向有源濾波器。早在 1971年日本 ，由當時是采用線性放大器來抑制諧波電流，效率低，在實際電力系統中并無實用價值。之后于1976年，美國西屋電氣公司的 PMW變流器構成的電力有源濾波器，并確立了有源補償抑制無功與高次諧波的概念。這些采用 PWM變流器構成的電力諧波抑制裝置已成為當今有源濾波器基本結構。然而 ，在 70年代由于缺少大功率快速器件，因此對電力有 11 源濾波器的研究，幾乎沒有超出實驗室的范圍。進入 80年代以來，隨著大功率晶體管 (GRT)、大功率門極可關斷晶閘管 (GTO)和靜電感應閘管 (ST)等器件的快速發(fā)展，電力有源濾波器的研究開始活躍起來，并且正朝著實用化的方向發(fā)展。在發(fā)展過程中取得的有代表意義的成果有： 1983年日本長崗科技大學的 ，這一理論為電壓型有源濾波器的控制提供了一個諧波補償電流的基本算法，并研制出 7KVA的瞬時無功和高次諧波補償器。采用 4個三相 PWM電壓型四象限 變流器四重聯接，以提高系統的工作頻率。用于補償20KVA三相整流器在交流側所產生的高次諧波和無功電流，補償效果較好，證明了有源高次諧波補償器的可行性和實用性。 無源電力濾波器分類 無源電力濾波器 (Passive Power Filter， PPF， PF)又稱 LC濾波器，是由電容元件、電感元件和電阻元件按照一定的參數配置，一定的拓撲結構連接而成。無源電力濾波器是目前廣泛采用的諧波抑制手段。濾除諧波原理實質是為電路中的諧波提供一條釋放路徑，即保留基波而使諧波短路，使諧波可以通過濾波器直接流回諧波源而不注入系 統。濾波器設置在需要濾除的諧波頻率上使感抗和容抗相等而抵消，通常稱為調諧。無源濾波器分為單調諧濾波器、高通濾波器及雙調諧濾波器。 圖 (a)為單調諧濾波器原理圖，濾波器對 n次諧波 )( sn n?? ? 的阻抗為： )1( CnLnjRZ ssfnfn ?? ??? (213) 式 (213)中：下標 nf 表示第 n次單調諧濾波器。 (a) (b) 圖 單調諧濾波器電路原理圖及阻抗特性 12 由式 (213)畫出濾波器阻抗隨頻率變化的關系曲線，如圖 (b)所示。單調諧濾波器是利用串聯 L、 C諧振原理構成的，諧振次數 n為： LCsn ?1? (214) 在諧振點處， fnfn RZ ? ，因 fnR 很小， n次諧波電流主要由 fnR 分流，很少流入電網中。而對于其他次數的諧波， fnfn RZ ?? ，諧波器分流很少。因此，簡單地說，只要將濾波器的諧振次數設定為需要濾除的諧波次數一樣，則該次諧波將大部分流入濾波器，從而起到濾除該次諧波的目的 。 雙調諧濾波器如圖 。它有兩個諧振頻率，能同時吸收兩個頻率的諧波，其作用等效于兩個并聯的單調諧濾波器。雙調諧濾波器的阻抗特性可以看作由上段 L C Z1組成串聯阻抗 Z1和下段 L R2與 C R3組成并聯阻抗 Z2，則濾波器阻抗為 21 ZZZ ?? 。采用雙調諧濾波器代替兩個單調諧濾波器，可以減少基波損耗，降低 L2上的沖擊電壓。 雙調諧濾波器正常運行時，由于并聯支路的基波阻抗比串聯支路的基波阻抗小得多，因此并聯支路所 承受的基波電壓遠小于串聯支路所承受的基波電壓。 由于雙調諧濾波器比兩個單調諧濾波器成本低，近年來在一些高壓直流輸電工程得到了應用。目前已有國外公司開發(fā)出三調諧濾波器并在高壓直流輸電工程應用。 圖 雙調諧濾波器原理圖