【正文】 波器電流跟蹤控制技術 ................................................................... 30 結論 ............................................................................................................................................. 33 參考文獻 ..................................................................................................................................... 34 I 電力系統(tǒng)諧波 抑制技術的研究 摘要 隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展以及電力市場的開放，電能質量問題越來越引起廣泛關注。由于各種非線性負載 (諧波源 )應用普及，產生的諧波對電網的污染日益嚴重。 本文首先對國內外諧波問題及其現(xiàn)狀進行了描述，介紹了抑制電網諧波的主要方式，由傳統(tǒng) LC 濾波裝置到有源電力濾波裝置的發(fā)展過程及其今后 APF的發(fā)展趨勢。 目前，在諧波抑制方面，已經有了實用的很成熟的無源濾波技 術 ,但由于無源濾波器存在的一些缺點。本文在考慮到我國電力系統(tǒng)大多數(shù)情況下處于不平衡狀態(tài)下，對現(xiàn)有的基于瞬時無功功率諧波檢測方法進行了改進，提出了三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器諧波檢測方法：基于瞬時無功功率理論的 ipiq改進方法。 研究了并聯(lián)有源電力濾波器電流控制方法，確定采用三角波比較控制方式作為本文所研究三相三線制并聯(lián)有源電力 濾波器控制策略。非線性負荷的諧波電流注入系統(tǒng)后，在系統(tǒng)阻抗上產生諧波電壓，引起電網電壓畸變，造成電力系統(tǒng)諧波污染。所以， 對電力系統(tǒng)的諧波問題進行計算、分析和研究，并進而采取相應的抑制措施，是一項非常迫切的任務。本文所要研究的主要就是如何在用戶側抑制用戶產生的諧波電流以及電流不對稱等電能質量問題。在電力系統(tǒng)的發(fā)展早期，電 力負荷的組成比較簡單，主要由同步電動機、異步電動機和各種照明設備等線性負荷組成。 諧波研究的意義，是因為諧波的危害十分嚴重，諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀，還會引起供電電壓畸變，增加用電設備消耗的 功率，降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，增加輸電線路的損耗，縮短輸電線壽命，增加變壓器損耗，對電容器有很大影響，造成繼電保護、自動裝置工作紊亂，增加感應電動機的損耗，使電動機過熱，造成換流裝置不能正常工作，引起電力計量誤差，干擾通信系統(tǒng)，對其它設備造成影響。但是，現(xiàn)在電力電子裝置產生的諧波污染已經成為阻礙電力電子救贖發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領域的研究人員必須對諧波問題進行更為有效的研究。對電力電子 來說， 2 無諧波就是“綠色”的主要標志之一。諧波研究及其抑制技術已日益成為人們關注的問題。七八十年代隨著電力電子技術的發(fā)展及其在工業(yè)、交通及家庭中的廣泛應用，諧波問題日趨嚴重，從而引起各國的高度重視。目前，諧波研究仍是一個非?；钴S的領域。但由于諧波源的多樣性，在電網中一般還是加裝濾波器的方法來抑制高次諧波，這些裝置一般可分類為無源濾波器 [4]和有源濾波器 [5]兩種。但是設計出濾波性能理想的無源濾波器也不是一件簡單的事。為了減小電網支路中的諧波，濾波器支路的阻抗須遠遠低于電網支路阻抗。然而，這樣設計的無源濾波器對電網頻率的變化是極其敏感的，電網頻率稍微偏離額定頻率點，無源濾波器的濾波性能將大幅度下降。為了使無源濾波器在這些情況下也具有一定的濾波效果，往往以犧牲在電網主要諧波頻率處的濾波效果為代價來適當?shù)亟档推焚|因數(shù)。為了避免在主要諧波頻率處發(fā)生串并聯(lián)諧振，無源濾波器的調諧頻率往往設計成稍偏離主要的諧波頻率，而這又將影響無源濾波器的濾波性能。因此，采用無源濾波器技術是很難將電網諧波限制在國際或國家標準以內的。 目前諧波抑制的趨勢是采用有源電力濾波器 (APFActive Power Filter)，它是一種電力電子裝置，能對頻率和大小都變化的諧波進行動態(tài)補償，補償特性不受電網阻抗和頻率變化的影響，可獲得比無源濾波器更好的補償效果，是一種理想的諧波補償裝置。 隨著 20 世紀 60 年代以來新型電力半導體器件的出現(xiàn)，脈寬調制 (PWM)技術 [7]的發(fā)展，以及基于瞬時無功功率理 論 [8]的提出，針對無源濾波器的缺陷，在 1969 年 Bird 和 Marsh 等人提出了向電網中注入三次諧波電流以減少電源系統(tǒng)中電流的諧波成分，這是 (Active Power Filter)APF 思想的萌芽 [9]。 1976年 等人提出了用大功率晶體管 PWM變換器構成有源濾波器，并正式提出了有源濾波的概念，提 出了有源濾波器的主電路的基本拓撲結構和控制方法，從原理上闡明了有源電力濾波器是一種理想的諧波電流發(fā)生器，并討論了實現(xiàn)方法和控制原理，奠定了有源電力濾波器的基礎 [10~12]。在 20 世紀 80 年代由于大功率全控型功率器件的成熟，大功率晶體管 (GTR)、大功率可關斷晶閘管 (GTO)、靜電感應晶閘管 (STH)、功率場效應管 (MOSFET)及絕緣柵型雙極性晶體管 (IGBT)等新型快速大容量功率開關器件相繼何世，脈寬調制 (PWM)控制技術的發(fā)展，尤其是 1983 年日本的 等人提出了“三相電路 4 瞬時無功理論 [13](Instantaneous Reactive Power Theory)”又稱“ pq 理論”、“ AkagiNabae 理論”，以該理論為基礎的諧波電流瞬時檢測方法的在三相電力濾波器中得到了成功的應用，在高性能 DSP 芯片也得到了應用，使有源電力濾波器 APF 得以迅速發(fā)展。因此 APF逐漸成為了一種具有很大潛在應用價值的諧波補償裝置，并開始得到迅速的發(fā)展。 APF 一般分為并聯(lián)型、串聯(lián)型和混合型三種 [14]。常規(guī)的并聯(lián)型 APF 可以同時補償諧波電流和無功，屬于多重補償。 隨著科學技術的 發(fā)展，非線性負荷用電設備的種類、數(shù)量和用電量迅速增加。 電力系統(tǒng)的諧波及抑制研究問題近幾十年來在世界范圍內得到了十分廣泛的關注，國際電工委員會 (IEC)、國際大電網會議 (CIGRE)、國際供電會議 (CIRED)及美國電氣和電子工程師學會 (IEEE)等國際性學術組織，都相繼成立了專門的電力系統(tǒng)諧波工作組，并已制定除了限制電力系統(tǒng)諧波的相關標準。 國內研究現(xiàn)狀 我國在有源電力濾波器的應用研究方面，繼日本、美國、德國等之后，得到學術界和企業(yè)界的充分重視，并投入了大量的人力和物力，但和電子工業(yè)發(fā)達的國家相比有一定的差距。電氣化鐵道具有牽引重量大、速度高、節(jié)約能源、對環(huán)境污染小等優(yōu)點，電力牽引已成為我國 鐵路動力改造的主要方向 [17]。于此同時，我國許多科研和生產單位，一些高等院校相繼開展了諧波研究工作，在多次學術會議上交流了這一方面的成果 [18]。研究 APF主要集中在并聯(lián)型、混合型，也開始研究聯(lián) 。理論上涉及到了功率理論的定義、諧波電流的監(jiān)測方法、有源電力濾波器的 穩(wěn)態(tài)和動態(tài)特性研究等。此外，清華大學、華北電力大學、重慶大學等高等院校也對 APF 展開了深入的理論研究。 總的來講，目前我國有源電力濾波技術的工業(yè)應用，仍處于試驗和攻堅階段，特別是在既治理諧波又補償無功功率的 HAPF 系統(tǒng)方面，還有許多基礎理論與技術有待于深入研究。 本文主要工作 本文首先對諧波問題及其現(xiàn)狀進行了描述，并簡單介紹了抑制電網諧波的主要方式，有傳統(tǒng)的 LC 濾波裝置到有源電力濾波裝置 (APF)的發(fā)展過程及其今后 APF 的發(fā)展趨勢。 ，介紹了目前受關注的幾種諧波檢測方法，重點研究了三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器諧波檢測方法：基于瞬時無功功率理論的諧波電流ipiq[22]檢測方法，并對進行了改進。 。對并聯(lián)有源電力濾波器直流側電壓控制方法并從根本原因方面進行了分析。諧波次數(shù)必須是個正整數(shù)，例如我國電力系統(tǒng)的額定頻率是 50Hz， 2次諧波為 100Hz， 3次諧波為 150Hz，有些國家電力系統(tǒng)的額定頻率為 60Hz，其基波為 60Hz， 2次諧波為 120Hz， 3次諧波為 180Hz。 諧波的數(shù)學表達 供用電系統(tǒng)中，通常認為電網穩(wěn)態(tài)交流電壓和交流電流呈正弦波形。 正弦電壓施加在線性無源元件電阻、電感和電容上，其電源和電壓分別為比例、積分和微分關系，仍為同頻率的正弦波。當然，非正弦電壓施加在線性電路上時，電流也是非正弦波。諧波分析是計算周期性畸變波形的基波和諧波的幅值和相角的基本方法。以上公式及定義均以非正弦電壓為例，對于非正弦電流的情況也完全適用，把式中 )( tu? 轉成 )( ti? 即可。同一諧波負荷在系統(tǒng)中兩個不同位置時將可能引起兩個不同的電壓畸變值。以電流為例，)(ti 的均方根值 I根據(jù)定義可表示為： ?? ????? 2 2210 2 )(1 n nT IIdttiTI (26) 即非正弦周期量的均方根值等于其各次諧波分量均方根值的平方和的平方根值，與各分量的初相角無關。 (2)第 n次諧波電流含有率： ％1001 ?? IIHRI nn (28) 式 (28)中： nI 第 n次諧波電壓有效值； 1I 基波電壓有效值。實際上，諧波電壓幾乎是相對基波電壓而言的。但對電流來說，情況有所不同。由于系統(tǒng)中大多數(shù)的監(jiān)控裝置是按上述定義和方法給出的 THD值的，這可能使用戶誤認為此時的諧波電流是危險的。 諧波的抑制方法 對諧波抑制和消除的方法本文采用的是從改進電力電子裝置入手，使注入電網的諧波電流減少，也就是在諧波源上采取措施，最大限度地避免諧波的產生。電網質量的提高可節(jié)省消除諧波影響的大量人力和物力。在晶閘管三相橋式整流電路中，電流只含有 n次奇次諧波，但高次諧波的振幅值只有基波振幅值的 1/n，這說明諧波次數(shù)越高，其振幅值越小。 逆變器輸出端的電壓諧波嚴重地影響了直流到交流變換器的應用。這樣第一臺逆變器的輸出波形中的五次諧波和第二臺逆變器輸出波形中的五次諧波的相位差為 180176。 采用 PWM在所需的頻率周 期內，將直流電壓調制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達到抑制諧波的目的。這類方法屬于對己產生的諧波進行有效抑制的方法。它的基本工作原理是利用 LC諧振回路的特點抑制向電網注入的諧波電流。多個不同諧振頻率的諧振回路可溥除多個 高次諧波電流，這種方法簡單易行。另外，無功補償裝置中電感和電容的合理設置，可在某次頻率產生諧振，即可對該頻率的諧波實現(xiàn)濾波。如果單純用于補償無功，可用移相多重聯(lián)結的方法來降低其補償電流中的諧波。 如上所述的 LC濾波器及靜止無功補償裝置雖然能減少諧波分量，抑制某些諧波，但卻不能對變化的高次諧波動態(tài)補償。早在 1971年日本 ，由當時是采用線性放大器來抑制諧波電流，效率低，在實際電力系統(tǒng)中并無實用價值。這些采用 PWM變流器構成的電力諧波抑制裝置已成為當今有源濾波器基本結構。進入 80年代以來，隨著大功率晶體管 (GRT)、大功率門極可關斷晶閘管 (GTO)和靜電感應閘管 (ST)等器件的快速發(fā)展，電力有源濾波器的研究開始活躍起來，并且正朝著實用化的方向發(fā)展。采用 4個三相 PWM電壓型四象限變流器四重聯(lián)接，以提高系統(tǒng)的工作頻率。 無源電力濾波器分類 無源電力濾波器 (Passive Power Filter， PPF， PF)又稱 LC濾波器，是由電容元件、電感元件和電阻元件按照一定的參數(shù)配置，一定的拓撲結構連接而成。濾除諧波原理實質是為電路中的 諧波提供一條釋放路徑，即保留基波而使諧波短路，使諧波可以通過濾波器直接流回諧波源而不注入系統(tǒng)。無源濾波器分為單調諧濾波器、高通濾波器及雙調諧濾波器。 (a) (b) 圖 單調諧濾波器電路原理圖及阻抗特性 12 由式 (213)畫出濾波器阻抗隨頻率變化的關系曲線，如圖 (b)所示。而對于其他次數(shù)的諧波， fnfn RZ ?? ，諧波器分流很少。 雙調諧濾波器如圖 。雙調諧濾波器的阻抗特性可以看作由上段 L C Z1組成串聯(lián)阻抗 Z1和下段 L R2與 C R3組成并聯(lián)阻抗 Z2，則濾波器阻抗為 21 ZZZ ?? 。 雙調諧濾波器正常運行時，由于并聯(lián)支路的基波阻抗比串聯(lián)支路的基波阻抗小得多，因此并聯(lián)支路所承受的基波電壓遠小于串聯(lián)支路所承受的基波電壓。目前已有國外公司開發(fā)出三調諧濾波器并在高壓直流輸電工程應用。高通濾波器又稱減幅濾波器可分為：一階高通濾波器、二階高通濾波器、三階高通濾波器和 C型高通濾波器，如圖 。 ，可以分為單個主電路有源電力濾波器和多重化即混合型主電路有源電力 濾波器。所以較好方法是 APF和 PPF按頻率分段完成濾波功能，即由 PPF濾除低次 ,APF濾除高次諧波，或者反之。 、串聯(lián)型、串并聯(lián)型以及混合型。與并聯(lián)型 APF相比，由于串聯(lián)型 APF中流過的是正常負載電流，因此損耗較大。由 赤木泰文等提出的統(tǒng)一電能調節(jié)器 (Unified Power Quality Conditioner，縮寫 UPQC)，它實際上是并聯(lián)型 APF、串聯(lián)型