【正文】 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(duì)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(shí)，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(shí)，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。對(duì)諧振頻率處的諧波，無源濾波器呈極低阻抗。因此，有源電力濾波器相當(dāng)于一個(gè)諧波隔離裝置。因此對(duì)諧波電流而畜，有源電力濾波器可以等效為一個(gè)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(shí)，電網(wǎng)支路電壓和電流中將只有很小的諧波殘余。與并聯(lián)型有源電力濾波器一樣，負(fù)載諧波含量較大時(shí)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。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(duì)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。它相當(dāng)于一個(gè)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。 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。但在使用這種裝置時(shí)，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。兩者結(jié)合同時(shí)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(gè)系統(tǒng)獲得較好的性能。 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) 。 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。 (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。 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(duì)開關(guān)器件電壓等級(jí)要求高：受載諧波電流含量高時(shí)，這種有源濾波裝置的容量也必須很大，投資也很大。通過不同的控制方式，可以對(duì)諧波、無功、不平衡分量進(jìn)行補(bǔ)償，功能多連接方便。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(chǔ)能元件（圖中為電容）共同組成有源電力濾波器的主電路。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。簡而畝之，有源電力濾波器產(chǎn)生一個(gè)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(huì)流入系統(tǒng)電源。 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。對(duì)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。 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。 (2) 當(dāng)系統(tǒng)阻抗和頻率變化時(shí)，濾波特性不受影響。 1983 年， 等人 提出了瞬時(shí)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]。但 由于當(dāng)時(shí)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。是一種理想的諧波補(bǔ)償裝置。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(gè)發(fā)展趨勢。 (6) 消 耗大量的有色金屬，體積大，占地面積大。 (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(shí)難以協(xié)調(diào)。 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(duì)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。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。 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。 被動(dòng)型諧波抑制途徑 主動(dòng)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(dòng)型的諧波抑制則是本文研究的重點(diǎn)，即安裝電力濾波器。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(gè)開關(guān)的開關(guān)頻率比較低，比較適合大功率的應(yīng)用。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(huì)使 PWM 載波信號(hào)產(chǎn)生高次諧波，還會(huì)導(dǎo)致高電平的傳導(dǎo)和輻射干擾 [38]。其基本思路是控 制PWM 輸出波形的各個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)刻，且保證每半波 和 1/4 波都是對(duì)稱的，根據(jù)輸出波形的傅里葉級(jí)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(shí)刻，達(dá)到消除指定諧 波和控制基波幅值的目的。準(zhǔn)多脈整流實(shí)際上是將主 電路的復(fù)雜性轉(zhuǎn)移到控制電路，但抑制諧波的效果相同，因此很有發(fā)展前途。但是脈數(shù)愈多，則整流變壓器的連線愈復(fù)雜，體積愈大，設(shè)備的造價(jià)相應(yīng)提高，因此脈數(shù)并非愈高愈好。 電力諧波抑制途徑 主動(dòng)型諧波抑制途徑 (1) 多脈整流及準(zhǔn)多脈整流 大功率電力電子裝置常采 用 12 脈或 24 脈 交流器以減小網(wǎng)側(cè)諧波電流。至于采用那種途徑，應(yīng)根據(jù)經(jīng)濟(jì)效益來決定。 江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 19 第三章 諧波抑制技術(shù)及有源濾波技術(shù) 的研究 解決電力電子裝置和其它諧波源的諧波污染問題，目前 主要有兩條途徑 [36]，主動(dòng)型：就是在電力電子裝置完成自身主要功能任務(wù)的同時(shí)，對(duì)電力電子裝黃本身進(jìn)行改造，使其同時(shí)也不產(chǎn)生諧波同時(shí)也不消耗無功功率，或者根據(jù)需要能對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行校正，如有源功率因數(shù)校正技術(shù)和各種 PWM 整流技術(shù)；被動(dòng)型：設(shè)計(jì)諧波補(bǔ)償裝置，如各種無源，有源濾波裝置。 本章小結(jié) 本章對(duì)電力諧波的基本概念和產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了討論，研究了電力諧波產(chǎn)生 的原因，諧波的傳遞和諧波危害。 (8) 影響電力測量的準(zhǔn)確性 目前采用的電力測量儀表中有磁電型和感應(yīng)型，它們受諧波的影響較大， 特別是電能表，當(dāng)諧波較大時(shí)將產(chǎn)生計(jì)量混亂，測量不準(zhǔn)確。 (7) 對(duì)弱電系統(tǒng)設(shè)備的干擾 對(duì)于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、通信、有線電視、報(bào)警與樓宇自動(dòng)化等弱電設(shè)備，電力系統(tǒng)中的諧波通過電磁感應(yīng)、靜電感應(yīng)與傳導(dǎo)方式耦合到這些系統(tǒng)中，產(chǎn)生干擾。對(duì)于熱繼電器來說，因受諧波電流的影響也要使額定電流降低。 對(duì)于漏電斷路器來說，由于諧波匯漏電流的作用，可能使斷路器異常發(fā)熱，出現(xiàn)誤動(dòng)作或不動(dòng)作。 (6) 對(duì)低壓開關(guān)設(shè)備的危害 江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 18 對(duì)于配電用斷路器來說，全電磁型的斷路器易受諧波電流的影響使鐵耗增大而發(fā)熱，同時(shí)由于對(duì)電磁鐵的影響與渦流影響使脫 扣困難，且諧波次數(shù)越高影響越大；熱磁型的斷路器，由于導(dǎo)體的集膚效 應(yīng)與鐵耗增加而引起發(fā)熱，使得額定電流降低與脫扣電流降低；電子型的斷路器，諧波也要使其額定電流降低，尤其是檢測峰值的電子斷路器，額定電流降低得更多。尤其是負(fù)序諧波在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生負(fù)序旋轉(zhuǎn)磁場，形成 與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，起制動(dòng)作用，從而減少電動(dòng)機(jī)的出力。對(duì)于采用晶閘管的變速裝置，諧波可能使晶閘管誤動(dòng)作，或使控制回路誤觸發(fā)。 (4)對(duì)用電設(shè)備的危害 諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的圖形畸變，畫面亮度發(fā)生波動(dòng)變化，并使機(jī)內(nèi)的元件出現(xiàn)過熱，使計(jì)算機(jī)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)出現(xiàn)錯(cuò)誤。 (3) 對(duì) 電力電纜的危害 由于諧波次數(shù)高頻率上升，再加之電纜導(dǎo)體截面積越大趨膚效應(yīng)越明顯，從而導(dǎo)致導(dǎo)體的交流電阻增大，使得電纜的允許通過電流減小。同時(shí)由于以上兩方面的損耗增加，因此要減少變壓器的實(shí)際使用容量，或者 說在選擇變壓器額定容量時(shí)需要考慮留出電網(wǎng)中的諧波含量。 (2) 對(duì)電力變壓器的危害 諧波使變壓器的銅耗增大，其中包括電阻損耗、導(dǎo)體中的渦流損耗與導(dǎo)體外部因漏磁通引起的雜散損耗都要增加。一般來說，江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 17 電壓每升高 10%，電容器的壽命就要縮短 1/2 左右。尤其是電容器投入在電壓已經(jīng)畸變的電網(wǎng)中時(shí)，還可能使電網(wǎng)的諧波加劇，即產(chǎn)生諧波擴(kuò)大現(xiàn)象。另外，相同 頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的有功功率與無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費(fèi)電網(wǎng)的容量。 (2) 影響電網(wǎng)的質(zhì)量 電力系統(tǒng)中的諧波能使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變。電力系統(tǒng)中諧波的危害是多方面的，概括起來有以下幾個(gè)方面 [35]： 對(duì)供配 電線路的危害 (1) 影響線路的穩(wěn)定運(yùn)行 供配電系統(tǒng)中的電力線路與電力變壓器一般采用電磁式繼電器、感應(yīng)式繼電器或晶體管繼電器予以檢測保護(hù)，使得在故障情況下能保證線路與設(shè)備的安全。這些設(shè)備主要包含有相控晶閘管整流設(shè)備、變頻裝置、電弧爐、熒光燈等氣體放電類光源及家用電器等。由于負(fù)荷與電網(wǎng)相連。 (3) 用電設(shè)備。 (2) 輸配電系統(tǒng)。 (1) 發(fā)電源質(zhì)量不高。另外還有其他會(huì)產(chǎn)生諧波的設(shè)備，主要是含有鐵磁非線性元件的設(shè)備，如旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器等。 第 n 次諧波的含有率 第 n 次諧波電壓含有率以 UTHD 以表示： 1/ 10 0%UnTH D U U?? (28) 式中 Un－ 第次諧波電壓有效值 (方均根值 )； 第 n 次諧波電流含有率以 ITHD 表示： 1/ 10 0%InT H D I I?? (29) 式中 In－ 第 次諧波電流 有效值 (方均根值 )； 公用電網(wǎng)的電壓總畸變率應(yīng)該被限制在 3～ 5％之 內(nèi)。 諧波含量 所 謂諧波含量，就是各次諧波的平方和開方。以上公式及定義均以非正弦電壓為例，對(duì)于非正弦電流的情況也完全適用，把式中 ()uwt 轉(zhuǎn)成 ()iwt 即可。 正弦電 壓施加在線性無源元件如電阻、電感和電容上，其電壓和電流分別為比例 ()u iR? 、微分 ()diuLdt? 和積分 1()u idtC? ? 關(guān)系，仍為同頻率的正弦波。 電力諧波的表示方法 供用電系統(tǒng)中，通常認(rèn)為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)交流電壓和交流電 流呈正弦波形。諧波次數(shù)必須為正整數(shù)。 (5) 結(jié)合前面所研究的諧波檢測方法和控制部分并聯(lián) 有源電力濾波器和無源濾波器，進(jìn)行了 Matlab 仿真實(shí)驗(yàn)，仿真結(jié)果驗(yàn)證了該有源濾波裝置 良好的補(bǔ)償特性能。 (3) 對(duì)諧波檢測中重要的低通濾波環(huán)節(jié)，研究低通濾波器的選取和參數(shù)設(shè)置對(duì)其工作性能的影響，并且利用仿真輔助分析。本文主要的工作如下： (1) 在緒論 中介紹諧波分析、檢測和抑制的研究背景、意義、現(xiàn)狀 和發(fā)展趨勢。 本文主要的研究工作 對(duì)電能質(zhì)量的要求已經(jīng)越來越引起人們注意，諧波及其抑制的重要性和諧波治理刻不容緩。 (2) 從經(jīng)濟(jì)上考慮，可以采用 APF 與 PF 組 成的混合型濾波系統(tǒng) ，以減少 APF的 容 量，達(dá)到降低成本、提高效率的目的。因此我國有源濾波技術(shù)具有廣泛的發(fā) 展和應(yīng)用前景 [2830]。此外，清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、重慶大學(xué)等高等院校也對(duì) APF 展開了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研 究。理論上涉及到了功率理論的定義、諧波電流的檢測方法、有源電力濾波器的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性研究等 [2127]。研究江 蘇 大 學(xué) 學(xué) 士 學(xué) 位 論 文 11 APF 主要集中在并聯(lián)型、混合型，也開始研究串聯(lián)型 。并且從 1984年 開始，每兩年召開一次的