【正文】 (219) 以上分析可得出以下結(jié)論： 1)各次諧波對(duì)基波的比值，也就是諧波 的含有量，與諧波的次數(shù)成反比； 2)三相橋式整流電路中只含有 (6k177。方波的幅值設(shè)為 di ，方波的寬度等于 32? ，正負(fù)波形對(duì)橫軸對(duì)稱。圖 ，在電源電壓的一個(gè)周期內(nèi)有 6次，上下橋各有 3次，所以稱為 6脈動(dòng)整流，本節(jié)對(duì)下圖做如下假設(shè)： 1)整流橋用的 GTO為理想元件，正向電阻為零，反向電阻為無(wú)窮大； 2)電源為理想的三相平衡系統(tǒng)，并以 A相電壓為基礎(chǔ)； 3)控制觸發(fā)角為零，即相當(dāng)于不可控整流； 4)交流側(cè)的電感為零，即換相重疊角γ =0。三相整流有三相半波，三相全控橋式，三相半控橋式，本節(jié)主要研究典型的三相全控橋式整流電路產(chǎn)生諧波的機(jī)理。 圖 單相橋式整流電路 將交流側(cè)理想的方波電流進(jìn)行傅立葉分解得到： 16 tnItttIi nnd ????? s i n2)5s i n513s i n31(s i n4 5,3,1???????? ? (215) 式 (215)中： )5,3,1(22 ??? nn II dn ? 從上式看出，當(dāng)正弦波電壓加在單相橋式整流電路上時(shí)，電源側(cè)只含有 奇次諧波分量，說(shuō)明電源側(cè)的電流發(fā)生了畸變，即有諧波電流存在。 單相橋式整流電路非線性負(fù)荷 如圖 ，設(shè)電源電壓為 )sin (2 ?? ?? tUV s ，式中 U為電源電壓有效值， ? 為基波電壓和電流的相位差。且諧波成分基本上只與其固有的非線 性及工況有關(guān)，而與這些負(fù)載的內(nèi)部阻抗的變化幾乎無(wú)關(guān)；另一類是含有半導(dǎo)體元件的各種電力電子設(shè)備，如整流器、逆變器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器、變頻器、高壓直流輸電設(shè)備等等。舉個(gè)例子：有個(gè)正弦電壓 tVtv m ?sin)( ? ，當(dāng)該電壓加在電感 L上時(shí)，就會(huì)有 dtLditv ?)( ，如果 L不是常數(shù)，那么 )(ti 就是非正弦電流，即有諧波電流存在。 15 非線性負(fù)荷諧波源分析 所謂“諧波源”，通常是指各類特定的用電設(shè)備，即非線性設(shè)備，或稱非線性電力負(fù)荷，諧波源分為諧波電流源和諧波電壓源，這是諧波產(chǎn)生的根本原因。所以電壓型有源電力濾波器主要適用于低壓配電系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)功和諧波補(bǔ)償，電流型有源電力濾波器則可用于高壓供電系統(tǒng)的無(wú)功和諧波補(bǔ)償。 電流型有源電力濾波器和電壓型有源電力濾波器主要區(qū)別是直流側(cè)的儲(chǔ)能件不同。電壓型 PWM 變流器在它的直流側(cè)有一個(gè)大電容，由于其輕便且特性較好，所以應(yīng)用較為廣泛。與電壓型APF 相比，電流型 APF 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)由于主電路開(kāi)關(guān)器件的直通而發(fā)生斷路故障，但是，電流型 APF 的直流側(cè)大電感上始終有電流流過(guò)，該電流將在大電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少使用。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器在柔性交流輸電 (FACTS)中得到廣泛應(yīng)用。為了提高 APF的容量、提高其性能降低其成本，可將并聯(lián)型 14 或串聯(lián)型有源電力濾波器與無(wú)源 LC濾波器混合使用，組成混合型有源電力濾波器。并聯(lián)型 APF可以看作電流源，它通過(guò)注入補(bǔ)償電流來(lái)補(bǔ)償電流型負(fù)載的諧波、無(wú)功和負(fù)序電流；串聯(lián)型APF主要消除電壓型諧波源對(duì)系統(tǒng)的影響。 PPF由多組單調(diào)諧濾波器及高通濾波器組成 ,用于濾除負(fù)載中占主要成分的低次 諧波； APF采用高頻變流器，濾除剩余的高次諧波電流，由于高次諧波電流幅值較小，故 APF容量可以大大降低。后者可以增大有源電力濾波器的容量，提高等效開(kāi)關(guān)頻率，減小單個(gè)器件的開(kāi)關(guān)損耗，改善補(bǔ)償電流的跟隨特性 . 由于電網(wǎng)與 APF及 APF與 PPF之間存在著諧波通道，特別是 APF與 PPF之間諧波通道，可能使 APF注入的諧波電流又流入 PPF和系統(tǒng)中，特別是在公共連接點(diǎn) (PCC)的電網(wǎng)諧波電壓較高，即背景諧波較大時(shí)尤甚， PPF有過(guò)載燒壞的危險(xiǎn)。 圖 各種型式的高通濾波器 有源電力濾波器分類 ， APF可以分為直流 APF和交流 APF兩大類：直流 APF主要用來(lái)消除高壓直流輸電系統(tǒng)換流站直流側(cè)的諧波，其研究較少，應(yīng)用也較少；交流 APF主要用于交流電力系統(tǒng)，是目前研究主要對(duì)象。 圖 雙調(diào)諧濾波器原理圖 電網(wǎng)中高次諧波含量較低，同時(shí)由于高次諧波遇到的諧波阻抗大 (系統(tǒng)阻抗一般是感性的 )，因此濾除高次諧波時(shí)不采用調(diào)諧濾波器，為了降低成本，通常采用高通濾波器濾除諧波， 13 高通濾波器對(duì)所有的高 次諧波阻抗均較小，可以將某一頻率以上的諧波濾除。 由于雙調(diào)諧濾波器比兩個(gè)單調(diào)諧濾波器成本低，近年來(lái)在一些高壓直流輸電工程得到了應(yīng)用。采用雙調(diào)諧濾波器代替兩個(gè)單調(diào)諧濾波器，可以減少基波損耗，降低 L2上的沖擊電壓。它有兩個(gè)諧振頻率，能同時(shí)吸收兩個(gè)頻率的諧波，其作用等效于兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器。因此，簡(jiǎn)單地說(shuō)，只要將濾波器的諧振次數(shù)設(shè)定為需要濾除的諧波次數(shù)一樣，則該次諧波將大部分流入濾波器，從而起到濾除該次諧波的目的。單調(diào)諧濾波器是利用串聯(lián) L、 C諧振原理構(gòu)成的，諧振次數(shù) n為： LCsn ?1? (214) 在諧振點(diǎn)處， fnfn RZ ? ，因 fnR 很小， n次諧波電流主要由 fnR 分流，很少流入電網(wǎng)中。 圖 (a)為單調(diào)諧濾波器原理圖，濾波器對(duì) n次諧波 )( sn n?? ? 的阻抗為： )1( CnLnjRZ ssfnfn ?? ??? (213) 式 (213)中：下標(biāo) nf 表示第 n次單調(diào)諧濾波器。濾波器設(shè)置在需要濾除的諧波頻率上使感抗和容抗相等而抵消，通常稱為調(diào)諧。無(wú)源電力濾波器是目前廣泛采用的諧波抑制手段。用于補(bǔ)償20KVA三相整流器在交流側(cè)所產(chǎn)生的高次諧波和無(wú)功電流，補(bǔ)償效果較好，證明了有源高次諧波補(bǔ)償器的可行性和實(shí)用性。在發(fā)展過(guò)程中取得的有代表意義的成果有： 1983年日本長(zhǎng)崗科技大學(xué)的 ，這一理論為電壓型有源濾波器的控制提供了一個(gè)諧波補(bǔ)償 電流的基本算法，并研制出 7KVA的瞬時(shí)無(wú)功和高次諧波補(bǔ)償器。然而，在 70年代由于缺少大功率快速器件，因此對(duì)電力有 11 源濾波器的研究，幾乎沒(méi)有超出實(shí)驗(yàn)室的范圍。之后于1976年，美國(guó)西屋電氣公司的 PMW變流器構(gòu)成的電力有源濾波器，并確立了有源補(bǔ)償抑制無(wú)功與高 次諧波的概念。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器。再使用適當(dāng)?shù)目刂品椒ǎ瑒e可在補(bǔ)償無(wú)功功率的 同時(shí)對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償。傳統(tǒng)的固定電容器和晶閘管控制電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置已經(jīng)落后，近年來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是采用 GTO構(gòu)成的換向變流器，通常稱為靜止無(wú)功發(fā)生器 (SVG)，它既可提供滯后的無(wú)功功率，又可提供超前的無(wú)功功率。 在網(wǎng)側(cè)投入無(wú)功補(bǔ)償裝置是用來(lái)補(bǔ)償由諧波造成的無(wú)功功率，提高功率因數(shù)。當(dāng)諧振回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，則可將該次諧波電流濾除，使其不會(huì)進(jìn)入電網(wǎng)。 LC無(wú)源濾波器是一種常用的諧波補(bǔ)償裝置。抑制和消除諧波的另一大類方法是在電力電子裝置的交流側(cè)利用LC無(wú)源濾波器和電力有源濾波器對(duì)諧波電流分別提供頻域諧波補(bǔ)償和時(shí)域諧波補(bǔ)償。五次諧波在變壓器副邊互相抵消，達(dá)到了同時(shí)消除三次和五次諧波的目的，逆變器輸出電壓波形接近于正弦波。但如果用兩臺(tái)逆變器 10 輸出的電壓在副邊疊加，使兩臺(tái)逆變器的輸出波形每半周內(nèi)都保持 6個(gè)間隙，然后第二臺(tái)逆變器輸出波形相對(duì)第一臺(tái)逆變器輸出波形相移 36176。在多相整流電路中，諧波 的影響就顯著減少當(dāng)然整流相數(shù)提高，會(huì)使設(shè)備的造價(jià)相應(yīng)提高。將高水平的技術(shù)和相對(duì)集中的財(cái)力用到控制諧波源上，則對(duì)電力電子裝置改進(jìn)技術(shù)的突破十分有利，這樣的方法有： 由諧波產(chǎn)生的機(jī)理知，隨著整流相數(shù)的增加，網(wǎng)側(cè)電流諧波成分減少，電流波形接近于正弦波。這類方法可防止諧波影響波及眾多的供用電設(shè)備。為了解決這一難題，可將 THD中所采用的基波電流改為基波額定電流的峰值。較小幅值的諧波電流可能導(dǎo)致較大的 THD值，而此時(shí)電力系統(tǒng)受到的威脅并不大。因?yàn)殡妷和挥邪俜种畮椎淖兓?，所以電?THD通常是一個(gè)有意義的數(shù)據(jù)。 (3)諧波電壓含有量： 22 )(???? n nH UU (29) (4)諧波電流含有量： 9 22 )(???? n nH II (210) (5)電壓總諧波畸變率： ％1001 ?? UUTHD Hu (211) (6)電流總諧波畸變率： ％1001 ?? IITHD Hi (212) 提高電能質(zhì)量，對(duì)諧波進(jìn)行綜合治理，防止諧波危害，就是要把諧波含有率和總諧波畸變率限制到國(guó)家 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。 某次諧波分量的大小，常以該次諧波的均方根值與基波均方根值的百分比表示，稱為該次諧波的含有率 nHR ， n次諧波電壓的含有率以 nHRU (Harmonic Ratio nU )表示： (1)第 n次諧波電壓含有率 nHRU ： ％1001 ?? UUHRU nn (27) 式 (27)中： nU 為第 n次諧波電壓有效值； 1U 為基波電壓 有效值。 畸變周期性電壓和電流總均方根值的確定仍然可根據(jù)均方根值的定義進(jìn)行。 衡量諧波的主要指標(biāo) 電壓畸變的程度取決于系統(tǒng)阻抗和諧波電流的大小。對(duì)于周期為 ??/2?T的非正弦電壓 u，一般滿足狄力赫利條件，可以分解為如下形式的傅立葉級(jí)數(shù) [25]： ])s i n()c os ([)( 1n0 ??? ??? tnbtnaatu nn ??? (22) 式 (22)中： )()(21 200 tdtua ??? ??? (23) )()c os ()(21 20 tdtntua n ???? ??? )3,2,1( ??n (24) 8 )()c os ()(21 20 tdtntub n ???? ??? )3,2,1( ??n (25) 在傅立葉級(jí)數(shù)中頻率的分量稱為諧波，均以非正弦電壓為例，頻率為 l/T的分量稱為基波，大于諧波次數(shù)為基波頻率和基波頻率的整數(shù)比。 理論上任何周期性波形都可以分解成傅立葉級(jí)數(shù)形式，稱為諧波分析或頻域分析。但當(dāng)正弦電壓施加在非正弦電路上時(shí)，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。在進(jìn)行諧波分析時(shí)，正弦電壓通常由下數(shù)學(xué)式表示： )sin (2)( ?? ?? tUtu (21) 式 (21)中： U為電壓有效值， ? 為初相角， ? 為角頻率。諧波次數(shù)不能為非整數(shù)，因此也不能有非整數(shù)諧波。 7 第二章 有源 APF及其諧波源模型研究 諧波的基本概念 諧波的基本含義 國(guó)際上公認(rèn)的諧波含義是：“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波的分量，或者說(shuō)諧波分量為周期量的傅里葉級(jí)數(shù)中大于 1的 h次分量其頻率為基波頻率的整數(shù)倍” [24]。研究了并聯(lián)有源電力濾波器電流控制方法，主要研究本文采用的三角波比較 [23]控制方式。通過(guò)在系統(tǒng)穩(wěn)定情況下的仿真分析，證明了改進(jìn)過(guò)的 ipiq檢測(cè)方法能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地檢測(cè)不同負(fù)載情況下的諧波情況。本文的主要工作如下： 6 ，然后介紹了無(wú)源濾波器和有源濾波器分類和研究現(xiàn)狀，并分析了非線性負(fù)荷諧波源單相和 三相橋式整流電路非線性負(fù)荷的工作原理和特性，最后介紹了電力系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。 從近年來(lái)的研究和應(yīng)用中我們可以看出 APF 具有如下的發(fā)展趨勢(shì)： (1)通過(guò)采用 PWM 調(diào)制技術(shù)和提高開(kāi)關(guān)器件等效開(kāi)關(guān)頻率的多重化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的有效補(bǔ)償和系統(tǒng)的大容量； (2)從經(jīng)濟(jì)上考慮，可以采用 APF 和 PF[21]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、提高效益的目的； (3)從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，隨著半導(dǎo)體器件制造水平的迅速發(fā)展，混合型濾波系統(tǒng)低成本的優(yōu)勢(shì)將逐漸消失，而串并聯(lián) APF 由于其功能強(qiáng)大、性價(jià)比高，將是很有發(fā)展前途的有源濾波裝置。我國(guó)雖在理論上取得一定的進(jìn)展，由于多方面的條件的限制，我國(guó)的有源濾波技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，工業(yè)應(yīng)用上只有少數(shù)幾臺(tái)樣機(jī)投入運(yùn)行，如華北電力 實(shí)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(kāi)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(kāi)關(guān)為 GTR)，用于低壓電網(wǎng)單個(gè)諧波源的諧波補(bǔ)償，且只能補(bǔ)償幾個(gè)特定次數(shù)的諧波 ( 1 13 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(kāi)發(fā)的 20MVA 靜止無(wú)功發(fā)生器 (包含有源諧波器 )在鄭州孟若變電站進(jìn)行 300KVA 中間工業(yè)樣機(jī)試運(yùn)行，該樣機(jī)主電路由 18 脈沖電壓型逆變器、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 相 6 脈沖電壓型逆變器 (功率開(kāi)關(guān)為 GTO)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 1991 年北方交通大學(xué)王良博士研制出 3KVA 的無(wú)功及諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置；同年，華北電力科學(xué)院和冶金自動(dòng)化研究院聯(lián)合研制了用于 380V 三相系統(tǒng)的 33KVA 雙極面結(jié)型 (BJT)[19]電壓型濾波器；采用多重化技術(shù) [20]，西安交通大學(xué)研制出 120KVA 并聯(lián)型有源濾波器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。