【導讀】師的指導下進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。究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。同意學校保留并向國家有關部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大學可以將本學位。印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。涉密論文按學校規(guī)定處理。程序清單等），文科類論文正文字數(shù)不少于萬字。有圖紙應符合國家技術標準規(guī)范。于工業(yè)控制領域。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重。電力諧波的基本概念和特征參數(shù)進行了說明。論了諧波產(chǎn)生的原因。從增加輸、供和用電設備的額外附加損耗；對測量表計的

　　

【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 采用 PWM 技術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算各開關通斷時刻，達到消除指定諧 波和控制基波幅值的目的。 PWM 技術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 學 士 學 位 論 文 20 輸入為正弦波，從而提高了功率因素。但是，在運用 PWM 技術的電力電子設備中，很高的開關頻率不僅會使 PWM 載波信號產(chǎn)生高次諧波，還會導致高電平的傳導和輻射干擾 [38]。 (3) 利用多重化技術 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。例如，將變壓器的移相作用與 PWM 結合的移相 SPWM結合了 PWM 技術和多重化的優(yōu)點，而各個開關的開關頻率比較低，比較適合大功率的應用。 (4) 增加電 網(wǎng)短路容量，提高設備的短路比，從而降低諧波對接在同網(wǎng)上的其他設備的影響。 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的發(fā)展方向，而被動型的諧波抑制則是本文研究的重點，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，既可以補償諧波，又可以補償無功功率，而且它具有 成本低、結構簡單、技術成熟等優(yōu)點，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。在實際應用中常用幾組單調(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，但它卻存在以下難以克服的缺 陷 [3942]： 江 蘇 大 學 學 士 學 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行濾 波， LC 參 數(shù)的漂移將導致濾波特性改變，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，濾波器負擔隨之加重，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。從目前國內(nèi)外的使用情況來看，利用有源電力濾波器進行諧波和無功補償是今后的一個發(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行補償，可以彌補無源濾波器的不足，獲得 比無源濾波器更好的補償特性。是一種理想的諧波補償裝置。 1971年 H． Sasa 和 完整地描述了有源電力濾波器的基本原理：從被補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流中只含基波分 量 [43,44]。但 由于當時是采用線性放大的方法產(chǎn)生補償電流，損耗大，成本高，未能在工業(yè)中實用。隨著功率半導體制造技術的發(fā)展 ， 1976 年 等人提出采用功率晶體管 和 PWM 逆變器來 構造 APF， 從而確立了 APF 的主電路拓撲結構和控制方法 [45]。 1983 年， 等人 提出了瞬時無功功率理論，以該理論為基礎的諧波和無功電流檢測方法 APF 中得到了成功應用．極大地促進 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： (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) 當系統(tǒng)阻抗和頻率變化時，濾波特性不受影響。 江 蘇 大 學 學 士 學 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，當負載諧波電流較大時，仍能繼續(xù)運行。 有源電力濾波器的工作原理和結構 有源電力濾波器的工作原理 有源電力濾波器的總體構成如圖 32 所示。圖中檢測及控制電路部分對負載電流進行檢測，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的補償電流。對主電路輸出的電流進行檢測是為了使主電路輸出的電流更好地跟蹤由于負載電流的變化而引起的諧波大小的 變化。負載電流 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 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 載es 圖 32 有源電力濾波器的總體結構 江 蘇 大 學 學 士 學 位 論 文 23 圈 32 中， L S Ci i i??即負載電流 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 獨使用的并聯(lián)型有滾電力濾波器 單獨使用的并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構成的原理如圖 33 所示。圖中負載為產(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、不平衡分量進行補償，功能多連接方便。幾個有源濾波器還可以并聯(lián)起來使用，來補償大量容量的譜波電流。 變 流器L1L2 A P F負 載esC 圖 33 單獨使用的并聯(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。因為兼其大的補償容量和寬的補償頻帶比較困難，新以單獨使用的并聯(lián) 型有源邀力濾波江 蘇 大 學 學 士 學 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 器來分別承擔電力濾波器的部分補償 任 務 。由于LC 濾 波器與有源電力濾波器相比，其優(yōu)點在于結構簡單、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。兩者結合同時使用，即可克服有源電力濾波器容量大、成本高的缺點，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 關器件的耐壓等級沒有降低。 江 蘇 大 學 學 士 學 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使用方式和 與 LC 濾波器混合使用方式兩種。 (1) 單 獨使用的串聯(lián)型有源電力濾波器 負 載 C交 流 器A P F負 載esL1 L2L3 L負 載變 流 器 圖 35 單獨使用的串聯(lián)型有源電力濾波器 圖 35 是單 獨使用的串聯(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。這種結構的有源裝置容量小，運行效率高，對電壓型諧波源有良好補償特性。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，為負載提供基波正弦供電電壓，特別適用于對電壓很敏感的負載；另一方面可用于治理電壓型諧波負載，如帶電容濾波的整流器，避免負載產(chǎn)生的諧波電壓影響電網(wǎng)點壓波行。 但是， 串聯(lián)型有源電力濾波器存在絕緣強度高、難以適應線路故障條件以及不能進行無功功率動態(tài)補 償?shù)热秉c，且負載的基波電流全部流過連接用的變壓器，其工程實用性受到限制。與并聯(lián)型有源電力濾波器一樣，負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，當諧波電阻阻值遠遠大于電網(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，有源電力濾波江 蘇 大 學 學 士 學 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于一個諧波隔離裝置。串聯(lián)有源電力濾波器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串入負載側。對諧振頻率處的諧波，無源濾波器呈極低阻抗。這種方案結合了無源濾波器和有源濾波器各自的優(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。 esL1L2負 載變 流器LA P FC1 C2C3 L1 L2 L3 C LS R 圖 36 APF 與 LC 濾波器混合 這種結構的缺點是：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遠大于無源濾波器等 效阻抗是很困難的，因此對電網(wǎng)中的閃變分量，用該方法不能實現(xiàn)隔絕；當負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制這部分諧波電流流入無源濾波器，這將在負載入端產(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)型有源電力濾波器中一樣流過所有負載電流。 有源電力濾波器雙向補償特性 有源電力濾波器的雙向補償特性為：當負載電流含有較大的諧波時，為了負載的諧波不流入系統(tǒng)電源，在負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