【導(dǎo)讀】師的指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的成果。盡我所知，除文中特別加。而使用過的材料。均已在文中作了明確的說明并表示了謝意。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文。不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。究做出重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。同意學(xué)校保留并向國家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)大學(xué)可以將本學(xué)位。印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。涉密論文按學(xué)校規(guī)定處理。程序清單等），文科類論文正文字?jǐn)?shù)不少于萬字。有圖紙應(yīng)符合國家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。于工業(yè)控制領(lǐng)域。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。電力諧波的基本概念和特征參數(shù)進(jìn)行了說明。論了諧波產(chǎn)生的原因。從增加輸、供和用電設(shè)備的額外附加損耗；對測量表計(jì)的

　　

【正文】 制電路，但抑制諧波的效果相同，因此很有發(fā)展前途。 (2) 利用脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù) 采用 PWM 技術(shù)的基本原理是在所需的頻率周期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖，來達(dá)到抑制諧波的目的。其基本思路是控 制PWM 輸出波形的各個轉(zhuǎn)換時刻，且保證每半波 和 1/4 波都是對稱的，根據(jù)輸出波形的傅里葉級數(shù)展開式，使需要消除的諧波幅值為零，基波幅值為給定量，組成非線性超越方程組計(jì)算各開關(guān)通斷時刻，達(dá)到消除指定諧 波和控制基波幅值的目的。 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。但是，在運(yùn)用 PWM 技術(shù)的電力電子設(shè)備中，很高的開關(guān)頻率不僅會使 PWM 載波信號產(chǎn)生高次諧波，還會導(dǎo)致高電平的傳導(dǎo)和輻射干擾 [38]。 (3) 利用多重化技術(shù) 目前在主動型諧波抑制中，很重要的發(fā)展趨勢就是將各種方案融合在一起，使各種方案優(yōu)勢互補(bǔ)。例如，將變壓器的移相作用與 PWM 結(jié)合的移相 SPWM結(jié)合了 PWM 技術(shù)和多重化的優(yōu)點(diǎn)，而各個開關(guān)的開關(guān)頻率比較低，比較適合大功率的應(yīng)用。 (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。 被動型諧波抑制途徑 主動型的諧波抑制代表了電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，而被動型的諧波抑制則是本文研究的重點(diǎn)，即安裝電力濾波器。濾波器可分為無源濾波器和有源濾波器。 無源濾波器 (Passive Power Filter) 無源濾器方案是目前采用得最為廣泛的諧波抑制手段。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(diǎn)，所以一直以來被廣泛使用。如圖 31， LC 濾波器即無源濾波器可分為單調(diào)濾波器、高通濾波器和雙調(diào)濾波器等。在實(shí)際應(yīng)用中常用幾組單調(diào)濾波器和一組高通濾波器組成濾波器裝置。 R RRRCCC CLL LC 圖 31 無源濾波器的接線形式 雖然無源濾波器有很多優(yōu)點(diǎn)，但它卻存在以下難以克服的缺 陷 [3942]： 江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 21 (1) 諧 振頻率依賴于系統(tǒng)參數(shù)，因此只能對主要諧波進(jìn)行濾 波， LC 參 數(shù)的漂移將導(dǎo)致濾波特性改變，使濾波性能不穩(wěn)定。 (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。 (3) 電網(wǎng)的參數(shù)與 LC 可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振，使該次諧波分量放大，使電網(wǎng)供電質(zhì)量下 降； (4) 濾波要 求和無功補(bǔ)償、調(diào)壓要求有時難以協(xié)調(diào)。 (5) 諧 波電流增大時，濾波器負(fù)擔(dān)隨之加重，可能造成濾波器過載。 (6) 消 耗大量的有色金屬，體積大，占地面積大。 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)。從目前國內(nèi)外的使用情況來看，利用有源電力濾波器進(jìn)行諧波和無功補(bǔ)償是今后的一個發(fā)展趨勢。 有 源濾波器 (Active Power Filter) 有源電 濾波器 (Active Power Filter，簡稱 APF)是 一種動態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功的新型電力電子裝置，它能對頻率和幅值都變化的諧波和無功進(jìn)行補(bǔ)償，可以彌補(bǔ)無源濾波器的不足，獲得 比無源濾波器更好的補(bǔ)償特性。是一種理想的諧波補(bǔ)償裝置。 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]。但 由于當(dāng)時是采用線性放大的方法產(chǎn)生補(bǔ)償電流，損耗大，成本高，未能在工業(yè)中實(shí)用。隨著功率半導(dǎo)體制造技術(shù)的發(fā)展 ， 1976 年 等人提出采用功率晶體管 和 PWM 逆變器來 構(gòu)造 APF， 從而確立了 APF 的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法 [45]。 1983 年， 等人 提出了瞬時無功功率理論，以該理論為基礎(chǔ)的諧波和無功電流檢測方法 APF 中得到了成功應(yīng)用．極大地促進(jìn) 了 APF 的發(fā)展 [46]。 與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn)： (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。 (2) 當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率變化時，濾波特性不受影響。 江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 22 (3) 不會與電網(wǎng)發(fā)生串或 并聯(lián)諧振現(xiàn)象，且能有效地抑制系統(tǒng)與無源濾波器之間的諧振； (4) 不存在過載現(xiàn)象，當(dāng)負(fù)載諧波電流較大時，仍能繼續(xù)運(yùn)行。 有源電力濾波器的工作原理和結(jié)構(gòu) 有源電力濾波器的工作原理 有源電力濾波器的總體構(gòu)成如圖 32 所示。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。對主電路輸出的電流進(jìn)行檢測是為了使主電路輸出的電流更好地跟蹤由于負(fù)載電流的變化而引起的諧波大小的 變化。負(fù)載電流 i 按博里葉級數(shù)展開為： ? ? ? ?1 1 1 11211sin c o s sin sin c o s sinl n n nnnp q hi I n wt I wt I wt I n wti i i? ? ? ?????? ? ? ? ? ?? ? ??? (31) 上式中， 1pi ? 11cos sinI wt? 是基波有功電流； 1qi ? 11sin cosI wt? 是基波無功電流； hi ? ? ?2 s innnn I nw t ??? ?? 是高次諧波電流。 P W M 控 制 電 路由 I G B Y G構(gòu) 成 的 逆變 主 通 路is( t )畸 變 電 流 檢 測 電 路A P FiL( t )iC( t )非 線 性負(fù) 載es 圖 32 有源電力濾波器的總體結(jié)構(gòu) 江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 23 圈 32 中， L S Ci i i??即負(fù)載電流 Li 是系統(tǒng)電源電流 Si 和有源電力濾 波器輸出的電流 Ci 共同提供。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。簡而畝之，有源電力濾波器產(chǎn)生一個與負(fù)載諧波幅值相等，相位相同的諧波反向注入諧波源，即可將諧波抵消掉，使之不會流入系統(tǒng)電源。由上述分析我們還可看到，有源電力濾波器可同時補(bǔ)償無功功率，這時只需使 1C h qi i i?? 。則 1Spii? ， 即系統(tǒng)電源中就只需供給負(fù)載電流中的基波有功電流，這樣圖 32 中的 Si 就是替償了諧波和基波無功電流后系統(tǒng)電源供給的電流。 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。圖中負(fù)載為產(chǎn)生諧波的諧波滾，變流器和與其相連的電感、直流側(cè)儲能元件（圖中為電容）共同組成有源電力濾波器的主電路。這種裝置相當(dāng)于一個諧波發(fā) 生器，他跟蹤諧波電流中豹諧波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電流，從兩抵消諧波源產(chǎn)生靜諧波流。通過不同的控制方式，可以對諧波、無功、不平衡分量進(jìn)行補(bǔ)償，功能多連接方便。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。 變 流器L1L2 A P F負(fù) 載esC 圖 33 單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器 但是，由于電源電壓直接翻在逆變 器上，對開關(guān)器件電壓等級要求高：受載諧波電流含量高時，這種有源濾波裝置的容量也必須很大，投資也很大。因?yàn)榧嫫浯蟮难a(bǔ)償容量和寬的補(bǔ)償頻帶比較困難，新以單獨(dú)使用的并聯(lián) 型有源邀力濾波江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 24 器只適合于電流型諧波源的治理。 (2) 與并聯(lián) LC 濾波器混合使用方式 1987 年 Takeda 并聯(lián) LC 相 結(jié)合的混合型有源電力濾波器。 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(diǎn)而提 出的。 LC 濾波 器可以包括多組單調(diào)諧濾波器及商通濾波器，也可以只包括高通濾 波器。此時， LC 濾 波器補(bǔ)償、吸收比較固定的無功功率和頻率較離的諧波成分，而并聯(lián)有源濾波器補(bǔ)償變化較快的沖擊性無功功率和頻率較低的諧波成分。 其基本思 想是利用 LC 濾波 器來分別承擔(dān)電力濾波器的部分補(bǔ)償 任 務(wù) 。由于LC 濾 波器與有源電力濾波器相比，其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)且成本低，麗有源電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)是章 }償性能好。兩者結(jié)合同時使用，即可克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點(diǎn)，又可使整個系統(tǒng)獲得較好的性能。 變流器L C 濾 波 器es L1 L2 C 負(fù)載 圖 34 有源電力濾波器與濾波器并聯(lián)方式 這種電路中，并聯(lián)有源濾波器起著諧波補(bǔ)償?shù)淖饔茫?LC 濾波器濾除大部分諧波，因此并聯(lián)有源濾波器容量很小。但在使用這種裝置時，電網(wǎng)與并聯(lián)有源濾波器及并聯(lián)有源濾波器 與 LC 濾 波器之間存在諧波通道，特別是并聯(lián)有源濾 波器與 LC 濾 波器之聞的諧波通道，可能使并聯(lián)有源濾波器注入的 諧波又流入 LC 濾波 器及系統(tǒng)中。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。 江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 25 串聯(lián)型有源電力濾波器 串聯(lián)型有源電力濾波器包括單獨(dú)使用方式和 與 LC 濾波器混合使用方式兩種。 (1) 單 獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器 負(fù) 載 C交 流 器A P F負(fù) 載esL1 L2L3 L負(fù) 載變 流 器 圖 35 單獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器 圖 35 是單 獨(dú)使用的串聯(lián)型有源電力濾波器的原理圖，串聯(lián)型有源電力濾器通過變壓器串聯(lián)于輸電 線路中。它相當(dāng)于一個電壓控制電壓源，跟蹤諧波源電壓中的諧波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電壓，從而隔離諧波源產(chǎn)生的諧波電壓。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。串聯(lián)型有源電力濾波器一方面可用于改善系統(tǒng)的供電電壓，為負(fù)載提供基波正弦供電電壓，特別適用于對電壓很敏感的負(fù)載；另一方面可用于治理電壓型諧波負(fù)載，如帶電容濾波的整流器，避免負(fù)載產(chǎn)生的諧波電壓影響電網(wǎng)點(diǎn)壓波行。 但是， 串聯(lián)型有源電力濾波器存在絕緣強(qiáng)度高、難以適應(yīng)線路故障條件以及不能進(jìn)行無功功率動態(tài)補(bǔ) 償?shù)热秉c(diǎn)，且負(fù)載的基波電流全部流過連接用的變壓器，其工程實(shí)用性受到限制。與并聯(lián)型有源電力濾波器一樣，負(fù)載諧波含量較大時串聯(lián)型有源電力濾波器容量也將很大，極大增加初期投資。 (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。因此對諧波電流而畜，有源電力濾波器可以等效為一個諧波電阻，當(dāng)諧波電阻阻值遠(yuǎn)遠(yuǎn)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，有源電力濾波江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 26 器呈零阻抗，不消耗基波功率 。因此，有源電力濾波器相當(dāng)于一個諧波隔離裝置。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)。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的優(yōu)點(diǎn)，裝置的補(bǔ)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。 esL1L2負(fù) 載變 流器LA P FC1 C2C3 L1 L2 L3 C LS R 圖 36 APF 與 LC 濾波器混合 這種結(jié)構(gòu)的缺點(diǎn)是：在低次諧波及其他頻率處，要使有源電力濾波器的等效諧波電阻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于無源濾波器等 效阻抗是很困難的，因此對電網(wǎng)中的閃變分量，用該方法不能實(shí)現(xiàn)隔絕；當(dāng)負(fù)載電流中存在無源濾波器不能濾除的諧波時，由于有源電力濾波器強(qiáng)制這部分諧波電流流入無源濾波器，這將在負(fù)載入端產(chǎn)生諧波電壓；由于有源電力濾波器串聯(lián)在電路中，絕緣 較困難，維護(hù)也不方便：在正常工作時，注入變壓器仍然跟單獨(dú)使用 的串聯(lián)型有源電力濾波器中一樣流過所有負(fù)載電流。 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)