【正文】 ........................................................... 65 串聯(lián)諧振注入式 HAPF 的工程應(yīng)用 ....................................................................... 66 高壓開(kāi)關(guān)柜、無(wú)源支路和隔離變壓器 ........................................................................................ 67 有源逆變屏及有源逆變控制器 .................................................................................................... 68 有源輸出屏 .................................................................................................................................... 68 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果 ................................................................................................................................ 69 本章小結(jié) .................................................................................................................... 69 第 6 章 總結(jié)與展望 .......................................................................................................................................... 70 有源電力濾波器控制器的研制及應(yīng)用 2 參考文獻(xiàn) ............................................................................................................................................................ 72 第 1 章 緒 論隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，一方面企業(yè)對(duì)用電質(zhì)量要求越來(lái)越高，另一方面電力電子裝置的大量應(yīng)用，工業(yè)電網(wǎng)中非線性負(fù)載越來(lái)越多，嚴(yán)重影響了工業(yè)用電的質(zhì)量，這二者形成嚴(yán)重的矛盾，使得諧波問(wèn)題引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，在諧波抑制方面也取得了一些突破性的進(jìn)展。 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。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。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。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”。電網(wǎng)諧波主要來(lái)自于 3 個(gè)方面：一是發(fā)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。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)電源多少也會(huì)產(chǎn)生一些諧波，但一般來(lái)說(shuō)很少。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。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 %。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。其中主要是 2 諧波和 7 次諧波。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。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。由此，諧波的危害的嚴(yán)重性才引起人們的高度重視。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。（2）增加旋轉(zhuǎn)電機(jī)的損耗。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。有源電力濾波器控制器的研制及應(yīng)用 4 （3）增加輸電線的損耗，縮短輸電線壽命。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％。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。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。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)。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。（6）引起電力測(cè)量的誤差。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 1000 時(shí)，電度表Hz將會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。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 ，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MHz響。（8）延緩電弧熄滅。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。（9）對(duì)其它設(shè)備的影響。 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。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。在這一時(shí)期發(fā)表了大量的論文。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)。吳競(jìng)昌等 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。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。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)。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。1982 年國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission 簡(jiǎn)寫(xiě)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 IEC有源電力濾波器控制器的研制及應(yīng)用 6 55，并在其后的執(zhí)行過(guò)程中修訂完善，目前已經(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)。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]。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。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]。 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。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。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。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。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。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。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。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。（5）采用 PWM 技術(shù)。（6）設(shè)計(jì)或采用高功率因數(shù)變流器。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 ）。（2）采用有源濾波器 APF（Active Power Filter）。（3）采用混合型有源濾波器 HAPF（Hybrid Active Power Filter）。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。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。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。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)。1983 年赤木泰文等人提出的“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。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。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。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。碩士學(xué)位論文 9 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。1987 年 Takeda M.等人提出用并聯(lián)型 APF 和并聯(lián) PF 相結(jié)合的混合型 APF[31]。1990 年 Fujita APF 與 PF 相串聯(lián)后與電網(wǎng)并聯(lián)的混合型方案 [32]。但由于流過(guò)無(wú)源部分的基波電流都流入逆變器，所以不能利用 PF 提供大容量的無(wú)功功率。將 LC 對(duì)基波串聯(lián)諧振電路作為有源部分的注入電路，能夠大大降低 APF 承受的基波電壓和容量，且可以利用無(wú)源元件提供無(wú)功功率，但其諧波有源電力濾波器控制器的研制及應(yīng)用 10 容量相對(duì)較大，而且所能提供的無(wú)功容量有限。1994 年，Akagi APF 和并聯(lián)型 APF 進(jìn)行混合的方式，也稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器（Unified Power Quality Conditioner，UPQC） [35]。上述描述了并聯(lián)型 APF 的發(fā)展現(xiàn)狀，有源濾波器還有另外一大類——串聯(lián)型 APF,圖 為典型的串連 APF 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) [36]。在串聯(lián)型 APF 單獨(dú)使用方式基礎(chǔ)上發(fā)展出的串聯(lián)型 APF 混合型結(jié)構(gòu) [37,38]，也都同樣存在絕緣強(qiáng)度高和難以適應(yīng)線路故障的缺點(diǎn)，本文在此就不一一闡述了。所以，存在對(duì)APF 的一般性定義：將系統(tǒng)中所含有害電流（電壓）檢出，并產(chǎn)生與其相反的補(bǔ)償電碩士學(xué)位論文 11 流（電壓），以抵消輸電線路中的有害電流（電壓）的半導(dǎo)體電力變換裝置 [1,39]。 其中控制電路的實(shí)現(xiàn)方式也是最多樣化的，它的多樣化也體現(xiàn)了控制方法的多樣性，而有源電力濾波器的控制器也是各種控制電路的集合。隨著電子元器件技術(shù)的發(fā)展，控制器硬件也經(jīng)歷了分立元件——集成電路——單片機(jī)——DSP（digital signal process）芯片的一個(gè)發(fā)展歷程；同樣軟件算法也從早期的與硬件電路捆綁變成如今的獨(dú)立模塊，可以單獨(dú)開(kāi)發(fā)，而且算法也在不斷的改