【正文】 APF[31]。 有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 8 諧波源變流器APF 圖 單獨(dú)使用的并聯(lián)型 APF 這種方式的主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于逆變器直接承受基波電壓，所以其成本高且不適合高電壓系統(tǒng)的補(bǔ)償。 根據(jù)有源濾波器和電網(wǎng)的連接方式， APF 可以分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩大類。 總的來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)有源電力濾波器的應(yīng)用技術(shù)和電子工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比有一定的差距。如在日本和美國(guó)，應(yīng)用領(lǐng)域可以接受的 APF 的容量已增加到 50MVA，其應(yīng)用領(lǐng)域從補(bǔ)償用戶自身的諧波向改善整個(gè)電力系統(tǒng)供電質(zhì)量的方向發(fā)展。 1983 年赤碩士學(xué)位論文 7 木泰文等人提出的 “三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論 ”[ 27]極大的推動(dòng)了有源電力濾波器的發(fā)展及其工程應(yīng)用。這些采用 PWM 逆變器構(gòu)成的有源電力濾波電路現(xiàn)已成為有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu)。 但由于當(dāng)時(shí)是采用線性放大的方法產(chǎn)生小補(bǔ)償電流，其損耗大，成本高，因而僅在實(shí)驗(yàn)室研究，未能在工業(yè)中實(shí)用。 他們首次提出了有源濾波器的原始結(jié)構(gòu)模型，并建立了有源濾波器的基本理論。 HAPF 的種類很多，大致可分為與 PF 的混合、與其它變流器的混合等兩類。 （ 3）采用混合型有源濾波器 HAPF（ Hybrid Active Power Filter）。 （ 2）采用有源濾波器 APF（ Active Power Filter）。 被動(dòng)治理諧波的措施主要有以下幾種： （ 1）采用無(wú)源濾波器 PF（ Passive Filter）。 （ 6） 設(shè)計(jì)或采用高功率因數(shù)變流器。 （ 5）采用 PWM 技術(shù)。利用三次倍數(shù)的諧波和外部的三次倍數(shù)的諧波源，把諧波電流加到產(chǎn)生的矩形波形上 [32][ 33]，可用于降低給定的運(yùn)行點(diǎn)處的某些諧波。將多個(gè)變流器聯(lián)合起來(lái)使用，用多重化技術(shù)將多個(gè)方波疊 加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正弦波的階梯波，但裝置復(fù)雜，成本較高。具有諧波互補(bǔ)性的裝置應(yīng)集中，否則應(yīng)適當(dāng)分散或交替使用，適當(dāng)限制會(huì)大量產(chǎn)生諧波的工作方式。改造變流裝置或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，可有效減小諧波含量，其中包括多脈整流和準(zhǔn)多脈整流技術(shù)[23][ 24]，但是裝置更加復(fù)雜。對(duì)諧 波敏感設(shè)備采用靈敏的諧波保護(hù)裝置，這能夠保證在諧波超標(biāo)情況下，設(shè)備不致于損壞，但不能保障設(shè)備的正常工作。改進(jìn)設(shè)備性能，使其在諧波環(huán)境中能夠正常工作，當(dāng)然這是有一定限度的，諧波較大時(shí)設(shè)備仍將受到嚴(yán)重影響。改變電容器的串聯(lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，或限定電容器組的投入容量，可以有效地減小電容器對(duì)諧波的放大并保證電容器組的安全運(yùn)行。將諧波源由較大容量的供電點(diǎn)或由高一級(jí)電壓的電網(wǎng)供電，可以減小諧波對(duì)系統(tǒng)和其它用電設(shè)備的影響，這必須在電網(wǎng)規(guī)劃和設(shè)計(jì)階段考慮。 電力系統(tǒng)諧波治理方法 諧波治理的措施主要有三種：一是受端治理，即從受到諧波影響的設(shè)備或系統(tǒng)出發(fā)，提高它們抗諧波干擾能力；二是主動(dòng)治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn)生的諧波；三是被動(dòng)治理，即外加濾波器， 吸收諧波源產(chǎn)生的注入電網(wǎng) 的 諧波，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載端。該標(biāo)準(zhǔn)還規(guī)定了諧波測(cè)量和測(cè)量數(shù)據(jù)處理以及確定諧波水平的方法 [21,22]。該標(biāo)準(zhǔn)對(duì) 50Hz、110KV 及以下的公用電網(wǎng)各次諧波電壓極其供電的電力用戶注入的諧波電流作了明確的規(guī)定。我國(guó)原水利電力部于 1984 年根據(jù)原國(guó)家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)批轉(zhuǎn)的《全國(guó)供電用電規(guī)則》的規(guī)定，制定并發(fā)布了 SD12684《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》[19]。 1982 年國(guó)際電工委員會(huì) IEC（ International Electrotechnical Commission 簡(jiǎn)寫為 IEC）第一次指定了通用電器設(shè)備產(chǎn)生諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，即 IEC55，并在其后的執(zhí)行過(guò)程中修訂完善，目前已碩士學(xué)位論文 5 經(jīng)被世界許多國(guó)家承認(rèn)和接受，在歐、美等發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)成為強(qiáng)行執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)。 另外，諧波標(biāo)準(zhǔn)做為電力系統(tǒng)諧波的一個(gè)分支也在蓬勃的發(fā)展之中。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)期刊和有關(guān)會(huì)議上發(fā)表的諧波相關(guān)問(wèn)題的研究論文也非常多，諧波問(wèn)題已經(jīng)成為研究熱點(diǎn)。此外，唐統(tǒng)一等和容健綱等分別于 1991 年和 1994 年獨(dú)立翻譯了 Arrilaga 《電力系統(tǒng)諧波》 [5][6]，也在國(guó)內(nèi)有較大的影響。吳競(jìng)昌等 在 1988 年出版的《電力系統(tǒng)諧波》 [1]一書(shū)是我國(guó)有關(guān)諧波問(wèn)題早期較有影響的著作。 70 年代以后，國(guó)際上召開(kāi)了多次有關(guān)諧波問(wèn)題的學(xué)術(shù)會(huì)議，其中從 1984年開(kāi)始，每?jī)赡暾匍_(kāi)一次的電力系統(tǒng)諧波國(guó)際會(huì)議（ ICHPS）極大地推動(dòng)了諧波領(lǐng)域的研究和交流，不少國(guó)家和國(guó)際學(xué)術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標(biāo)淮和規(guī)定，同時(shí)對(duì)諧波治理問(wèn)題的研究也蓬勃發(fā)展起來(lái)。在這一時(shí)期發(fā)表了大量的論文。當(dāng)時(shí)最有影響的是 Rissik 《 The Mercury Arc Current Converter》[15]，另一篇有關(guān)靜止變流器產(chǎn)生諧波的經(jīng)典論文是 Read J. 1945 年發(fā)表的《 The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics》 [ 16]，至今仍被研究者廣泛引用。 電力系統(tǒng)諧波研究現(xiàn)狀 電力系統(tǒng)諧波是由于波形畸變產(chǎn)生的，從交流電出現(xiàn)、應(yīng)用發(fā)展到現(xiàn)在，如何將波形畸變限制在一定的范圍內(nèi)一直是電力工程師關(guān)心的問(wèn)題。 （ 9）對(duì)其它設(shè)備的影響。在消弧線圈接地系統(tǒng)中較大的諧波分量同樣會(huì)延遲或阻礙消弧線圈的滅弧作用。 （ 8）延緩電弧熄滅。供電系統(tǒng)中的靜止變流器在換相期間電流波形發(fā)生急劇變化，該換相電流會(huì)在正常供電電壓中注入一個(gè)脈沖電壓，該脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達(dá)到 1 MHz ，因而會(huì)引起電磁干擾，對(duì)通信線路、通信設(shè)備會(huì)產(chǎn)生很大的影響。比如，感應(yīng)式電能表對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)以外的頻率的響應(yīng)不靈敏，頻率越高，誤差越大，而且為負(fù)誤差，當(dāng)頻率約為 1000Hz時(shí)，電度表將會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 （ 6）引起電力測(cè)量的誤差。諧波對(duì)過(guò)電流、欠電壓、距離、周波等繼電器均會(huì)起拒動(dòng)和誤動(dòng)的影響，保護(hù)裝置失靈和動(dòng)作不穩(wěn)定。諧波能夠改變保護(hù)繼電器的動(dòng)作特性，這與繼電器的設(shè)計(jì)特點(diǎn)和原理有關(guān)。對(duì)于帶不對(duì)稱負(fù)載的 變壓器來(lái)說(shuō)，如果負(fù)載電流中含有直流分量，會(huì)引起變壓器的磁路飽和，從而會(huì)大大增加交流激磁電流的諧波分量。變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產(chǎn)生集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，在繞組中引起附加銅耗，同時(shí)也使鐵耗相應(yīng)增加。碩士學(xué)位論文 3 在電纜輸電的情況下，諧波電壓以正比于其幅值電壓的形式增強(qiáng)了介質(zhì)的電場(chǎng)強(qiáng)度，這影響了電纜的使用壽命，據(jù)有關(guān)資料介紹，諧波的影響將使電纜的使用壽命平均下降約 60％。 （ 3）增加輸電線的損耗，縮短輸 電線壽命。由于渦流和集膚效應(yīng)的關(guān)系，定子和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)的這些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大。 （ 2）增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗。由于電容器的容抗與頻率成反比，因此在諧波 電壓作用下的容抗要比在基波電壓作用下的容抗小得多，從而使諧波電流的波形畸變更比諧波電壓的波形畸變大得多，即便電壓中諧波所占的比例不大，也會(huì)產(chǎn)生顯著的諧波電流。 因 此，諧波的危害的嚴(yán)重性才引起人們的高度重視。在電力電子設(shè)備廣泛應(yīng)用以前，人們對(duì)諧波及其危害就進(jìn)行過(guò)一些研究，并有一定認(rèn)識(shí)，但那時(shí)諧波污染還不嚴(yán)重，沒(méi)有引 起足夠的重視。雖然單個(gè)裝置的功耗不大 ,但由于數(shù)量很多 ,因此它們給供電系統(tǒng)注入的諧波分量也不容忽視。其中主要是 2 次 諧波和 7 次諧波。這些非線性負(fù)載主要是整流器、交流調(diào)壓電路以及頻率變換器等電力電子裝置，由于這些電力電子裝置都為可變結(jié)構(gòu)非線性電力負(fù)荷，工作于非線性狀態(tài)，在高效利用電能的同時(shí)也向電網(wǎng)注入大量的非線性電流，給公共電網(wǎng)的電能質(zhì)量帶來(lái)了隱患。鐵心的飽和程度越高，變壓器工作點(diǎn)偏離線性越遠(yuǎn)，諧波電流也就越大，其中 3 次諧波電流可達(dá)額定電流的 %。 輸配電系統(tǒng)中主要是電力變壓器產(chǎn)生諧波，由于變壓器鐵心的飽和，磁化曲有源電力濾波器控制器的研制及其應(yīng)用 2 線的非線性，加上設(shè)計(jì)變壓器時(shí)考慮經(jīng)濟(jì)性，其工作磁密選擇在磁化曲線的近飽和段上，這樣就使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有奇次諧波。 發(fā)電機(jī)由于三相繞組在制作上很難做到絕對(duì)對(duì)稱，鐵心也很難做到絕對(duì)均勻一致和其他一些原因，發(fā)電 機(jī) 也會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來(lái)說(shuō)很少。電網(wǎng)諧波主要來(lái)自于 3 個(gè)方面：一是 電源質(zhì)量不高產(chǎn) 生諧波；二是輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生諧波；三是用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波。 在國(guó)際電工標(biāo)準(zhǔn)（ IEC5552）與國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議 (CIGRE)的文獻(xiàn)中定義：“諧波分量為周期量的傅立葉級(jí)數(shù)中大于 1 的 h 次分量”。從頻域的觀點(diǎn)，在這些電流和電壓的波形中，不僅包含與供電電源同頻率的正弦量（稱為基波分量），而且出現(xiàn)一系列頻率為基 波頻率整倍數(shù)的正弦波分量（稱為高次諧波分量），這一系列正弦分量統(tǒng)稱為電力諧波。一般來(lái)說(shuō)，一個(gè)實(shí)際的電力系統(tǒng)基本上能滿足理想電力系統(tǒng)的條件。 電力系統(tǒng)諧波 目前，世界各國(guó)電力工業(yè)中，幾乎都是采用正弦供電方式。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，諧波抑制 技術(shù) 也取得了一些突破性的進(jìn)展。 關(guān)鍵詞：有源電力濾波器， DSP， 諧波檢測(cè) ， 滑窗迭代 碩士學(xué)位論文 III Abstract APF (Active Power Filer) has been extensively applied in harmonic eliminating of power work. Taking the harmonic elimination of a Copper Foil Company as object of study, the thesis is focused on the application of HAPF (Hybrid Active Power Filter) and expands the hardware design of controller, harmonic detection methods and software design of controller, as well as parameter design. The research of HAPF will also build solid base for its universal application in our country, and accumulate experience for its highvoltage and highpower application. The hardware structure of APF controller based on DSP (Digital Signal processor) has been presented, referring to the research achievement inland and aboard. The realtime performance and reliability, as well as patibility of controller have been analyzed in detail. In order to meet the requirement of deadtime that IPM (Intelligence power module) demands, independent hardware circuit for generating deadtime is designed in this thesis. Harmonic detection is a very important part of APF. Control strategy and performance of APF will be greatly influenced by calculation delay and lowpass filter in many harmonic detection methods. Then an algorithm based on a simplified slidingwindow Fourier is presented in this thesis, which makes calculation of harmonic current in APF simply and detects referenced current effectively. And then, the effectivity and feasibility of this algorithm have been proved in the theory of frequencydomain filter. The software design of controller is divided into menu program and control program. The menu program is posed of the display about realtime voltage wave, current wave, spectrum and control variable。論文詳細(xì)闡述了程序設(shè)計(jì)思想和實(shí)現(xiàn)過(guò)程。 控制器的系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分為液晶顯示菜單程序和控制程序。 本文提出了一種基于離散傅立葉變換的滑窗迭代檢測(cè)算法，該算法能簡(jiǎn)化計(jì)算，實(shí)時(shí)有效的檢測(cè)出諧波參考指令電流。為滿足智能功率模塊（ IPM）對(duì)死區(qū)時(shí)間的要求，在