【正文】 圖 單獨(dú)使用的串聯(lián)型 APF串聯(lián)型 APF 單獨(dú)使用方式能有效濾除電網(wǎng)的諧波電壓，具有有源裝置容量小和運(yùn)行效率高等優(yōu)點(diǎn)，但存在絕緣強(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(dòng)態(tài)補(bǔ)償?shù)热秉c(diǎn)，且負(fù)載的基波電流全都流過連接用的變壓器，其工程實(shí)用性受到限制。 諧 波 源UPQC 變流器變流器圖 并聯(lián)型 APF＋串聯(lián)型 APF 的 HAPF這種方式從理論上講，可以抑制電壓閃變、電壓波動(dòng)、不對稱和諧波，但由于采用了雙逆變器，所以存在控制復(fù)雜和成本高的缺點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，全控型功率開關(guān)器件（如可關(guān)斷晶閘管 GTO 和絕緣柵雙極性晶體管 IGBT）的電壓和電流額定值不斷提高，成本不斷降低，人們從雙或多逆變器的方向提出了各種 APF 的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，來滿足工業(yè)應(yīng)用的要求。利用無源元件 LC 的串、并聯(lián)諧振特性，人們提出了注入式 APF 的結(jié)構(gòu) [33,34]。 諧 波 源PFAPF變流器圖 APF 與 PF 串聯(lián)后并聯(lián)接入電網(wǎng)的 HAPF這種方式利用無源部分承受了大部分的基波電壓，所以逆變器承受的基波電壓小，適合于高電壓系統(tǒng)的應(yīng)用。PF諧 波 源變 流 器APF圖 并聯(lián)型 APF＋并聯(lián) PF 的 HAPF該方式利用無源部分濾除了大部分的諧波，所以其有源部分的諧波容量較小，且PF 能夠提供一定的無功功率，但逆變器仍然直接承受了基波電壓，所以功率開關(guān)器件的耐壓等級并沒有降低。為降低成本、減小逆變器的容量和適應(yīng)高電壓的要求，人們利用 PF 的成本低的優(yōu)點(diǎn)，提出了各種 APF 與 PF 混合使用方式。1986年 Akagi APF 單獨(dú)使用方式 [27]，它是最早期的有源濾波裝置。最早的有源電力濾波器是單獨(dú)使用的并聯(lián)型有源電力濾波器，經(jīng)過多年的發(fā)展，為了盡量發(fā)揮有源電力濾波器的特長，提高其性能并盡量降低其容量，結(jié)合無源電力濾波器的特點(diǎn)發(fā)展成了串聯(lián)混合型有源電力濾波器、并聯(lián)混合型有源電力濾波器等等，為了適應(yīng)不同的補(bǔ)償對象，發(fā)展了各種各樣的有源濾波器形式。我國在有源電力濾波器的應(yīng)用研究方面，繼日本、美國、德國等之后，得到學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的充分重視，并投入了大量的人力和物力，到目前為止，國內(nèi)對有源電力濾波器的研究基本上都局限于仿真研究和小型試驗(yàn)裝置，工程實(shí)踐應(yīng)用僅僅也只是小功率的應(yīng)用 [28,29]，而正式投入電網(wǎng)運(yùn)行的幾乎為零 [30]，只有幾臺(tái)類似產(chǎn)品投入工業(yè)試運(yùn)行，如華北電力試驗(yàn)研究所、冶金部自動(dòng)化研究院和北京供電公司聯(lián)合開發(fā)、研究的有源高次諧波抑制裝置于 1992 年在北京木材廠中心變電站投入工業(yè)運(yùn)行，該裝置采用了三個(gè)單相全控橋逆變器（功率開關(guān)為 GTR），用于低壓電網(wǎng)單個(gè)諧波源的諧波補(bǔ)償，裝置容量小,且只能補(bǔ)償幾個(gè)特定次數(shù)的諧波（113 次）,調(diào)制載波的頻率（）不高；河南電力局與清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的 200MVA 靜止無功發(fā)生器（包含有源諧波器）在鄭州孟砦變電站進(jìn)行 300kVA 中間工業(yè)樣機(jī)試運(yùn)行，該樣機(jī)主電路由18 脈沖電壓逆變器、直流儲(chǔ)能電容器、9 臺(tái)曲折繞組變壓器及系統(tǒng)的連接變壓器組成，18 脈沖逆變器分為 3 個(gè) 6 單相脈沖電壓逆變器（功率開關(guān)為 GTO），系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸龐大，功耗大，價(jià)值昂貴，很難推廣應(yīng)用；華南理工大學(xué)研制了混合型有源電力濾波器用于牽引變電站的諧波治理，該裝置在減小濾波器有源部分容量和技術(shù)實(shí)現(xiàn)上有一定的改進(jìn)，但其濾波效果和隔離基波電壓的無源網(wǎng)絡(luò)阻抗存在矛盾，也就是說，無源網(wǎng)絡(luò)的阻抗大，則有源部分的容量小但系統(tǒng)濾波效果不好，無源網(wǎng)絡(luò)的阻抗小，則濾波效果好但有源部分的容量大；西安交通大學(xué)提出了四重化變流器作為大容量有源電力濾波器主電路的方法，該方法有效地解決了大容量和開關(guān)頻率的矛盾，但該方法的成本高、技術(shù)實(shí)現(xiàn)難度大，且未見有實(shí)際應(yīng)用的報(bào)道。有源電力濾波器控制器的研制及應(yīng)用 8 在國外，有源電力濾波器已開始在工業(yè)和民用設(shè)備上得到廣泛使用，并且諧波補(bǔ)償?shù)拇螖?shù)逐步提高，有的可以高達(dá) 25 次諧波；單機(jī)裝置的容量逐步提高。20 世紀(jì)80 年代，隨著電力電子技術(shù)和 PWM 控制技術(shù)的發(fā)展，對有源電力濾波器的研究逐漸活躍起來，成為電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。1976 年，LGyugyi 和 ECStyaula 提出了用 PWM 逆變器構(gòu)成的有源電力濾波器 [26]。他們提出的有源電力濾波器向電網(wǎng)注入一個(gè)與負(fù)載諧波電流幅值相等、相位相反的電流，從而抵消了電網(wǎng)中的諧波電流。 有源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 有源電力濾波器的基本工作原理是由 HSasaki 和 HMachida 于 1971 年首先提出的[25]。HAPF 兼具 PF成本低廉和 APF 性能優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，屬于 APF 的分支和發(fā)展。在諧波源附近和公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型 APF，可以有效地起到補(bǔ)償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型還可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，但裝置造價(jià)較高。在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時(shí)還可以進(jìn)行無功功率補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)也簡單。比如采用矩陣式變頻器、四象限變流器等，可以使變流器產(chǎn)生的諧波非常少，且功率因數(shù)可控制為 1。采用脈寬調(diào)制 PWM（Pulse Width Modulation）技術(shù)，使得變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小，波形接近正弦波，只適用于自關(guān)斷器件構(gòu)成的變流器。缺點(diǎn)是必須保證三次倍數(shù)的諧波源與系統(tǒng)的同步，且諧波發(fā)生器的功率消耗常常高達(dá)整流器直流功率的 10％。（4）諧波疊加注入。（3）采用多重化技術(shù)。碩士學(xué)位論文 7 （2）改變諧波源的配置或工作方式。主動(dòng)治理諧波的措施主要有以下幾種：（1）增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)。（4）改善諧波保護(hù)性能。（3）提高設(shè)備抗諧波干擾能力。（2）避免電容器對諧波的放大。受端治理的措施主要有以下幾種：（1）選擇合理的供電方式。1998 年，為了進(jìn)一步限制電網(wǎng)諧波，我國頒發(fā)了 《低壓電氣及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流限制（設(shè)備每相電流小于 16A）》，即 IEC 610032 標(biāo)準(zhǔn)，對低壓電氣以及電子設(shè)備發(fā)出的諧波電流進(jìn)行了限制。對 220KV 以上的電網(wǎng)及其供電用戶，以 110KV 電網(wǎng)的規(guī)定作為參考標(biāo)準(zhǔn)，或者以保證 220KV 下一級電網(wǎng)符合標(biāo)準(zhǔn)的要求為依據(jù)。國家技術(shù)監(jiān)督局于 1993 年又發(fā)布了中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T1454993《電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波》 [20]，從 1994 年 3 月 1 日開始實(shí)施。1993 年美國電氣與工程協(xié)會(huì)（IEEE）進(jìn)一步完善了 IEC55 標(biāo)準(zhǔn)，并在其基礎(chǔ)上補(bǔ)充了對高壓、大功率用電負(fù)荷產(chǎn)生諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)，這就是 IEEE/ANSI Standard 519 諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。美國海軍早在 20 世紀(jì) 70 年代就發(fā)現(xiàn)諧波影響并第一個(gè)制訂了諧波限制標(biāo)準(zhǔn) US MILSTD461，目前仍然被美國軍方廣泛使用。因此可以說，我國對諧波問題的研究起步于 80 年代，在整個(gè) 90 年代有了長足的發(fā)展，與國外研究水平的差距正在不斷減小。1998 年，王兆安等出版的《諧波抑制和無功功率補(bǔ)償》 [12]是國內(nèi)迄今為止較為全面的介紹諧波分析和治理方法的著作，特別是其中關(guān)于有源濾波器的分析和闡述，被國內(nèi)許多研究者廣泛引用和參考。隨后，許克明等也于 1991 年出版了《電力系統(tǒng)高次諧波》 [18]，張一中等 1992 年出版了《電力諧波》[2]，夏道止等1994 年出版了《高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波分析及濾波》 [3]，林海雪等 1998 年出版了《電力網(wǎng)中的諧波》 [4]，這些著作都對人們認(rèn)識和研究諧波作出了很大的貢獻(xiàn)。我國對電力系統(tǒng)諧波問題的研究起步較晚。Kimbark E. 《Direct Current Transmission》 [17]中對此進(jìn)行了總結(jié)，該書包括了電力系統(tǒng)諧波方面 60 篇以上的參考文獻(xiàn)。50年代和 60 年代在高壓直流輸電方面推進(jìn)了變流器諧波的研究。在 20 世紀(jì) 20 年代和 30年代的德國，研究者由靜止變流器引起的波形畸變提出了電力系統(tǒng)諧波的概念。諧波還會(huì)對下列設(shè)備產(chǎn)生影響：①導(dǎo)致功率開關(guān)器件控制裝置誤動(dòng)作；②導(dǎo)致功率開關(guān)器件故障而損壞；③使日光燈的鎮(zhèn)流器及補(bǔ)償用電容器過熱和損壞；④對計(jì)算機(jī)產(chǎn)生干擾；⑤影響互感器的測量精度；⑥使熔斷器在沒有超過整定值時(shí)就熔斷；碩士學(xué)位論文 5 ⑦影響功率處理器的正常運(yùn)行；⑧影響電視機(jī)的畫面質(zhì)量；⑨影響電子顯微鏡的清晰度；⑩影響其它換流設(shè)備或其它任何由電壓過零所控制的設(shè)備的同步。諧波分量還會(huì)使電流過零時(shí)的 值過大，dti/導(dǎo)致斷路器斷弧困難，影響斷流能力。在超高壓長距離輸電線路上，較大的諧波電流會(huì)使?jié)摴╇娀∠缪泳彛瑢?dǎo)致單相重合閘失敗，擴(kuò)大事故。比如電力載波通信、遠(yuǎn)動(dòng)裝置信號以及與架空線平行的通訊線路，諧波的影響都很大。（7）干擾通訊系統(tǒng)。測量儀表是在純正弦波情況下進(jìn)行校驗(yàn)的，如果供電的波形發(fā)生畸變，儀表則容易產(chǎn)生誤差。零序三次諧波電流過大，可能引起接地保護(hù)誤動(dòng)作。當(dāng)有諧波畸變時(shí)，依靠采樣數(shù)據(jù)或過零工作的數(shù)字繼電器容易產(chǎn)生誤差。（5）造成繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置工作紊亂。另外，3 的倍數(shù)次零序電流會(huì)在三角形接法的繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，這一額外的環(huán)流可能會(huì)使繞組電流超過額定值。（4）增加變壓器的損耗。諧波電流一方面在輸電線路上產(chǎn)生諧波壓降，另一方面增加了輸電線路上的電流有效值，從而引起附加輸電損耗。另外，諧波電流還會(huì)增大電機(jī)的噪音和產(chǎn)生脈動(dòng)轉(zhuǎn)矩。諧波電壓或電流會(huì)在電機(jī)的定子繞組、轉(zhuǎn)子回路以及定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中引起附加損耗。特別是在發(fā)生諧振的情況下，很小的諧波電壓就可引起很大的諧波電流，導(dǎo)致電容器因過流而損壞。大體上說，諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 [18][1214]：（1）電力電容器引起的諧波放大。近幾十年來，各種電力電子設(shè)備的迅速普及和廣泛應(yīng)用是使諧波污染日趨嚴(yán)重，由諧波引起的各種事故不斷發(fā)生，如：廣西蘋果鋁廠 1996 年6 月因諧波超標(biāo)，導(dǎo)致電容器爆炸，損壞高壓開關(guān)和主變壓器，造成大面積停電；湖南漣鋼 1998 年 7 月，因 5 次諧波超標(biāo)，導(dǎo)致豹南山 110KV 變電站停電 16 小時(shí)；由于電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序電流和諧波電流的影響，鄭州電網(wǎng)繼電保護(hù)誤動(dòng)，致使京廣線中斷數(shù)小時(shí)。 電力系統(tǒng)諧波危害諧波電流和諧波電壓的出現(xiàn)，對公用電網(wǎng)時(shí)一種污染。 除此以外 ,其它像電視機(jī)、電池充電器等裝置也會(huì)產(chǎn)生諧波。另外，工業(yè)用的電弧爐、電石爐也是個(gè)比較大的諧波源，由于加熱原料時(shí)電爐的三相電極很難同時(shí)接觸到高低不平的爐料，使得燃燒不穩(wěn)定，引起三相負(fù)荷不平衡，產(chǎn)生諧波電流，經(jīng)變壓器注入電網(wǎng)。用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波是由與電力系統(tǒng)相連的各種非線性負(fù)載產(chǎn)生的 [1,11]。它的大小與磁路的結(jié)構(gòu)形式、鐵心的飽和程度有關(guān)。這種諧波電動(dòng)勢的頻率和幅值只取決于發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和工作情況，基本與外接負(fù)載無關(guān)，可以看碩士學(xué)位論文 3 作諧波電壓源。其中用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波最多。 電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因在早期的電網(wǎng)中，電力傳輸線路中諧波含量并不高，可以忽略不計(jì)，但是隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代電網(wǎng)中諧波的含量比例越來越高。在 IEEE標(biāo)準(zhǔn) 5191981 中諧波定義為：“諧波為一周期波或量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。但隨著技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)載的比重不斷增加，理想電力系統(tǒng)的近似程度變差，直接表現(xiàn)是電力系統(tǒng)中的電流和電壓波形產(chǎn)生畸變。在理想的電力系統(tǒng)中，電源以單一恒定頻率（50Hz 或 60Hz）的正弦變化規(guī)律向電網(wǎng)供電，系統(tǒng)中各點(diǎn)的電流、電壓都是以單一恒定的供電頻率隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的量。本章首先介紹了電力系統(tǒng)諧波，簡要敘述了諧波抑制的主要方法，介紹了有源濾波器的發(fā)展?fàn)顩r并就有源電力濾波器的控制器的一些技術(shù)性能作一些說明，最后介紹了論文的研究背景和主要內(nèi)容。有源電力濾波器控制器的研制及應(yīng)用 0 有源電力濾波器控制器硬件研制畢業(yè)論文目 錄目 錄 ............................................................................................................................................................ 1 第 1 章 緒 論 .................................................................................................................................................... 3 電力系統(tǒng)諧波 .............................................................................................................. 3 電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因 .............................................................................................................. 3 電力系統(tǒng)諧波危害 .......................................................................................................................... 4 電力系統(tǒng)諧波研究現(xiàn)狀 ......................................