【導(dǎo)讀】由于各種非線性負載(諧波源)應(yīng)用普及，產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染日益嚴重。波及其抑制技術(shù)己成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的課題。在電力電網(wǎng)中，存在大量非線性負載,引起電網(wǎng)電流波形不再是正弦波。這一非正弦波可用傅里葉級數(shù)分解成為一個直流量，基波正弦量和一系列頻率為基波頻率整數(shù)倍的高次諧波正弦分量之和。采取一定措施，進行抑制。諧波會造成電網(wǎng)的功率損耗增加、設(shè)備壽命縮短、保護功能失常,還會引起變電站局部并聯(lián)或串聯(lián)諧振,造成電壓互感器等設(shè)備損壞。及供電可靠性的要求也越來越多，電力質(zhì)量受到人們的日益重視。機系統(tǒng)一旦失電，或因受電力網(wǎng)上瞬態(tài)電磁干擾影響，致使計算機系統(tǒng)無法正常運行，將會帶來巨大的經(jīng)濟損失。人們的正常生活。但是，電視機、計算機、復(fù)印機、電子式照明設(shè)備、變頻調(diào)速裝置、

　　

【正文】 年，彭方正等人提出了串聯(lián)混合 APF，其有源部分容量占負載容量的比值相比于并聯(lián) APF 小很多。從此到 90年代中期， APF 研究進入了一個飛速發(fā)展時期，并且不斷投入實際應(yīng)用，許多商家甚至有了系列化產(chǎn)品。這一時期， APF研究主要集中在：提出大量的新型拓撲，力圖降低 APF 成本；拓展 APF 功能，如閃變抑制 (消除 )、不平衡補償?shù)龋褐C波提取方法豐富與完善；系統(tǒng)模型的建立以研究 APF 動態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性問題；數(shù)字控制。 5．從 90 年代中期至今， APF 研究主要集中在自適應(yīng)算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法小波變換、遺傳算法、滑模變結(jié)構(gòu)等新型的參考信號提取方法和控制方法，以及新型數(shù)字 控制器 (如數(shù)字信號處理器 )的采用。 有源電力濾波器研究現(xiàn)狀 目前，有源濾波技術(shù)已經(jīng)在日本、美國、德國等少數(shù)工業(yè)發(fā)達國家得到應(yīng)用，有工業(yè)裝置投入運行，裝置容量最高達 20MVA。國內(nèi)對有源電力濾波器研究起步較晚，直到20 世紀 80年代末才有論文發(fā)表。 90 年代以來高等院校和科研機構(gòu)開始進行 APF 研究，雖然在理論上取得一些成果，但由于多方面條件限制，工業(yè)領(lǐng)域沒有廣泛應(yīng)用。諧波問題的研究可以分為以下幾個方面：諧波的定位與檢測、與諧波有關(guān)的功率理論的研究、諧波治理。 有源電力濾波器原理 有源電力濾波器 (Active Power Filter， APV)是一類重要的電力電子在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的裝置，能對頻率和幅值都變化的諧波進行動態(tài)跟蹤補償，且補償特性不受系統(tǒng)阻抗的影響。和傳統(tǒng)的無源電力濾波器相比，是一種很有前途的消除或抑制負載或電網(wǎng)諧波手段。下圖為最基本的有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理圖： 22 圖 系統(tǒng)主要有兩大部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發(fā)生電路 (由電流跟蹤控制電路、驅(qū)動電路、和主電路三個部分組成 )。其中，指令電流運算電路的主要功能是檢測出補償對象電流中 的諧波電流分量，即所謂得諧波檢測電路。補償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運算電路得出的補償電流的指令信號，產(chǎn)生實際的補償電流。補償電流與負載電流中要補償?shù)闹C波電流相抵消，最終得到期望的電源電流。主電路目前均采用 PWM變流器。 有源電力濾波濾波器可以動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置，可以對大小和變化的諧波進行補償，有效改善電能質(zhì)量，克服了無源電力濾波器的缺點。 有源電力濾波器 的特點 雖然無源濾波器具有投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單及維護方便等優(yōu)點，在現(xiàn)階段廣泛用于配電網(wǎng)中，但由于濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)影響大，只 能消除特定的幾次諧波，而對某些次諧波會產(chǎn)生放大作用，甚至諧振現(xiàn)象等因素，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器 (APF)。 APF 即利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與諧波源電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達到實時補償諧波電流的目的。它與無源濾波器相比，有以下特點： ，還可抑制閃變，補償無功，有一機多能的特點，在性價比上較為合理； ，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險； ，可自動跟蹤補償變化著的諧 波，即具有高度可控性和快速響應(yīng)性等特點。 APF 作為改善供電質(zhì)量的一項關(guān)鍵技術(shù)，在日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家已得到高度重視和日益廣泛的應(yīng)用，因為它有著無源濾波器所不具備的技術(shù)優(yōu)勢。但目前要電源 非線型負載諧波檢測電路PWM控制電路主電路 23 想在配電網(wǎng)中完全取代無源濾波器還不太現(xiàn)實。因為 APF 的成本現(xiàn)階段仍然較高，隨著電力電子工業(yè)的發(fā)展，器件的性價比將不斷提高， APF 必然會得到更廣泛應(yīng)用。 有源電力濾波器拓撲分類 圖 直流 APF 和交流 APF 根據(jù)應(yīng)用場合不同， APF 可以分為直流 APF 和交流 APF 兩大類。 直流 APF 主要用來消除高壓直流輸電系統(tǒng)換流站直流側(cè)的諧波，其研究較少，應(yīng)用也較少。交流 APF 主要用于交流電力系統(tǒng)，是目前研究主要對象。 2．電壓型 APF 和電流型 APF 根據(jù)交流器中直流側(cè)儲能元件不同，可以分為電壓型 APF(儲能元件為電容、 )和電流型 APF(儲能元件為電感 )。由于體積和造價等原因，實際中絕大多數(shù)采用電壓型 APF。根據(jù)日本電氣學(xué)會的調(diào)查結(jié)果，兩者在實際應(yīng)用中所占比例是電壓型 %，電流型%。隨著超導(dǎo)儲能磁體研究的進展，超導(dǎo)儲能磁體實用化和低成本，電流型 APF應(yīng)用會增多。 3．并聯(lián)型 APF 和串聯(lián)型 APF 根據(jù)接入電網(wǎng)方式，可以分為并聯(lián)型 APF 和串聯(lián)型 APF。并聯(lián)型 APF并聯(lián)接入電網(wǎng)，相當(dāng)于一個受控電流源，消除電流型負載的諧波。并聯(lián)型 APF 最大優(yōu)點是安裝、調(diào)試、維修、保護方便，負載甚至不用斷電就可將 APF 安裝投入運行，所以工業(yè)上投入運行并聯(lián)型 APF 占多數(shù)。但由于 APF 是和被補償諧波負載并聯(lián)在電網(wǎng)上，須承受電網(wǎng)基波電壓，有源電力濾波器APF直流交流混合型單獨使用并聯(lián)型串聯(lián)型 串聯(lián)混合型 并聯(lián)混合型串并聯(lián)混合型UP QC注入型與LC串 聯(lián)與LC并 聯(lián) 24 這使其逆變器容量很大，成本很高，這是并聯(lián)型 APF 最大缺點。串聯(lián)型 APF 經(jīng)過耦合變壓器串聯(lián)接入電網(wǎng)，相當(dāng)于一個受控電壓源。串聯(lián)型 APF 流過正常負荷電流，損耗較大。另外，串聯(lián)型 APF 安裝、投切、故障后的退出及各種保護也較復(fù)雜，單獨使用串聯(lián)型 APF例子較少。從補償對象來看，并聯(lián)型 APF 適合補償電流型諧波負載，串聯(lián)型 APF 適合補償電壓型諧波負載。 4．混合型 APF（ HAPF） 由于受開關(guān)器件限制，高頻變流器容量有限，且其造價隨容量增大而急劇增加，于是便提出各種 APF 和 PPF相結(jié)合的混合型 APF(HAPF)，可以減少有源部分容量，提高裝置經(jīng)濟性。下面列出幾種典型 HAPF 拓撲。 (1)并聯(lián) APF+并聯(lián) PPF（如圖） 圖 由于電網(wǎng)與 APF 及 APF 與 PPF之間存在著諧波通道，特別是 APF 與 PPF 之間諧波通道，可能使 APF 注入的諧波電流又流入 PPF 和系統(tǒng)中，特別是在公共連接點 (PCC)的電網(wǎng)諧波電壓較高，即背景諧波較大時尤甚， PPF 有過載燒壞的危險。所以較好方法是 APF和 PF按頻率分段完成濾波功能，即由 PPF 濾除低次諧波， APF 濾除高次諧波，或者反之。前者 PPF 由多組單調(diào)諧濾波器及高通濾波器組成，用于濾除負載中占主要成分的低次諧波； APF 采用高頻變流器，濾除剩余的高次諧波電流，由于高次諧波電流幅值較小，故APF 容量可以大大降低。后者 PPF 為一組高通濾波器，濾 除高次諧波及 APF(變流器 )產(chǎn)生的開關(guān)次諧波，而 APF 只補償較低次諧波，這樣，變流器開關(guān)頻率可以較低，可以采用頻率較低的大功率開關(guān)器件，降低成本，減少損耗。這種 HAPF 容量雖然降低了，但是 APF仍然承受全部基波電壓，開關(guān)器件耐壓等級沒有降低。 (2)串聯(lián)型 APF+并聯(lián) PPF 變流器電網(wǎng)負載變流器電網(wǎng)負載 25 圖 串聯(lián) APF 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。因此對諧波電流而言， APF 可以等效為一個諧波電阻，當(dāng)諧波電阻的阻值遠遠大于電網(wǎng)阻抗和無源濾波器等效阻抗時，電網(wǎng)支路電壓和電流中將只有很小的諧 波殘余。對基波而言， APF 呈幾乎為零的極低阻抗，不消耗基波功率。因此， APF 相當(dāng)于一個諧波隔離裝置。串聯(lián) APF 將迫使負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竄入負載側(cè)。對諧振頻率處的諧波，無源濾波器呈極低阻抗。 這種方案結(jié)合了無源濾波器和有源濾波器各自優(yōu)點，裝置的補償容量可以做的很大。由于大部分諧波由相對廉價的無源濾波器濾除，裝置成本相對較低。這種結(jié)構(gòu)的缺點是：在低次諧波及其它頻率處，要使 APF 的等效諧波電阻遠遠大于無源濾波器等效阻抗是很難的，因此對電網(wǎng)中閃變分量，用該方法不能實現(xiàn)隔絕；當(dāng)負 載電流中存在無源濾波器不能濾除的諧波時，由于 APF 強制這部分諧波流入 PPF，這將在負載入端產(chǎn)生諧波電壓；由于 APF 串聯(lián)在電路中，絕緣較困難，維護也不方便；在正常工作時，注入變壓器仍然跟單獨使用的串聯(lián)型 APF 中一樣流過所有負載。 (3)APF 與 PPF 并聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng) 該方式中諧波主要由 PPF 濾除， APF 作用是改善 PPF 濾波特性。在這種方式中， APF不直接承受系統(tǒng)基波電壓，因此裝置容量小，開關(guān)器件耐壓等級降低，以天廣直流輸電系統(tǒng)為例， 2020MW 輸電能力的換流站采用有源濾波器的容量僅為 2 200MW，克服了 大容量 APF 結(jié)構(gòu)復(fù)雜、損耗大、成本高的缺點，使整個系統(tǒng)獲得良好性能。另外， APF 維護時， PPF 仍能正常工作，不影響系統(tǒng)基本運行。電路如下圖所示。 圖 5．統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 由于并聯(lián)型 APF和串聯(lián)型 APF 各有優(yōu)缺點，而且其優(yōu)缺點存在互補性，所以人們將電網(wǎng) 負載變流器 26 并聯(lián)型 APF和串聯(lián)型 APF結(jié)合起來，研制出了串并聯(lián)諧波綜合控制器，通常稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器。 串聯(lián) APF 并聯(lián) APF 圖 4 諧波綜合治理的展望 日益嚴重的諧波污染已引起 各方面的高度重視。隨著對諧波產(chǎn)生的機理、諧波現(xiàn)象的進一步認識，將會找到更加有效的方法抑制和消除諧波，同時也有助于制定更加合理的諧波管理標(biāo)準(zhǔn)。加大對諧波研究的投入將會大大加快對諧波問題的解決，當(dāng)然諧波問題的最終解決將取決于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，特別是電力電子技術(shù)的發(fā)展。隨著國民經(jīng)濟、諧波抑制技術(shù)的進一步發(fā)展、法制的進一步完善和對高效利用能源要求的增強，諧波治理問題最終將會得到妥善的解決。 隨著我國電能質(zhì)量治理工作的深入開展，基于瞬時無功功率理論的有源濾波器進行諧波治理將會有巨大的市場潛力。綜合動態(tài)的諧波治理措施并 同時考慮電網(wǎng)的無功功率補償問題，是電力企業(yè)當(dāng)前面臨的一大課題。但是要消除諧波污染，除在電力系統(tǒng)中大力發(fā)展高效的濾波措施外，還必須依靠全社會的努力，在設(shè)計、制造和使用非線性負載時，采取有力的抑制諧波的措施，減小諧波侵入電網(wǎng)，從而真正減少由于諧波污染帶來的巨大經(jīng)濟損失。 電網(wǎng) 負載變流器變流器 27 致 謝 非常感謝學(xué)院領(lǐng)導(dǎo)對我的關(guān)心與支持。本次畢業(yè)設(shè)計是在指導(dǎo)老師賈小兵老師的悉心指導(dǎo)下完成的。他的細心指導(dǎo)對我的編寫起到了至關(guān)重要的作用。在此，我謹向賈老師表示衷心的感謝！ 本次論文的撰寫過程異常的困難，要面對無數(shù)的難題。從格式到 內(nèi)容，無一不是要討論的話題。經(jīng)過老師和同學(xué)的幫助，我的論文格式開始有了初稿。在編寫過程中也出現(xiàn)了很多的困難 ,我必須要查閱很多的書籍來證明此論述。在網(wǎng)絡(luò)上找了好久才找到一點關(guān)于此類的資料書籍，但是不足以用來闡述問題。詢問老師后，終于在網(wǎng)上找到了想要的資料，我開始一點一點的完善設(shè)計。在編寫過程中，我還和同學(xué)們一起交流討論，大家取長補短，把設(shè)計中沒有的或者欠缺的部分給補足，使設(shè)計越來越詳細易懂。非常感謝賈老師和同學(xué)們的幫助。在此，致以衷心的感謝和崇高的敬意！ 另外，還要特別感謝我的班主任，是他無微不至的關(guān)心與支持 ，使我能有足夠的時間與空間來做畢業(yè)設(shè)計。非常感謝他的理解與幫助。三年來，他把所有的精力都用在教學(xué)上。不但讓我們學(xué)到了有用的書本知識，更教會我們做人處事的道理。今后我會好好努力，不管是工作，還是做人，我都會做到最好！ 最后，我要向百忙之中抽時間對本文進行審閱，評議好參與本人論文答辯的各位老師表示感謝。 28 參考文獻 1 朗文川 .電系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生、危害及其防護對策 [J]， 高電壓技術(shù) ,2020. 2 孫書敏 .智力諧波危害、抑制電網(wǎng)污染、提高電網(wǎng)質(zhì)量 [J]， 工程電氣設(shè)計學(xué)術(shù)文集 ，2020. 3 IEC ,.EMC part 3 2 Limits for harmonic current dmission 4 孫樹勤，林海雪 .干擾性符合的供電 [M],國電力出版社， 1999. 5 劉力宏 .致力諧波污染、提高電能質(zhì)量［ J］ .電氣時代， 2020 6 楊斌文 .電力系統(tǒng)中諧波的抑制方法 [M]， 電氣時代， 2020 7 邱關(guān)源 ， 電路（上冊 [M]人民教育出版社， 1982