【正文】 ，就會(huì)使得磁化電流呈尖頂波形，因而含有分布較廣的奇次諧波。 另外， 高壓直流換流站的整流 /逆變裝置等，由于器件開關(guān)特性的影響，也會(huì)造成波形的不連續(xù)或形變，從而在輸配電哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 線路中形成諧波。隨著現(xiàn)代工業(yè)、電氣化鐵路和人民生活的高速發(fā)展，大量非線性用電設(shè)備得到廣泛應(yīng)用，產(chǎn)生大量諧波注入電網(wǎng)，使電能質(zhì)量下降。供電系統(tǒng)中還有電弧爐、電焊機(jī)、變壓器、旋轉(zhuǎn)電機(jī)等其它非線性負(fù)載，都會(huì)在電網(wǎng)中產(chǎn)生不同 頻率和幅值的諧波，甚至像電視機(jī)、熒光燈、電池充電器等裝置也會(huì)產(chǎn)生諧波，雖然單個(gè)裝置的容量不大，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。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。 (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。 (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)載的變壓器來說，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。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，從而哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 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。 (6)引起電力測量的誤差。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 1000Hz 時(shí)，電度表將會(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 1MHz， 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。 (8)對(duì)其它設(shè)備的影響，包括會(huì)導(dǎo)致功率開關(guān)器件控制裝置誤動(dòng)作、影響互感器的測量精度和使熔斷器在沒有超過額定值時(shí)就熔斷等方面的影響。 因此， 諧波治理問題的研究具有十分重大的理論 和現(xiàn)實(shí)意義。受端治理可以通過在電網(wǎng)規(guī)劃時(shí)選擇合理的供電方式 ； 對(duì)電力電容器組進(jìn)行改造避免電容器對(duì)諧波的放大 ； 提高設(shè)備抗諧波干擾能力，改善諧波保護(hù)性能等手段來實(shí)現(xiàn)。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。但主動(dòng)治理的成本較高，也會(huì)增加裝置的復(fù)雜度，甚至還會(huì)增加設(shè)備的功率消耗。被動(dòng)治理方式 在吸收諧波的同時(shí)還可以進(jìn)行無功補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)也比較方便，具有較大的哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 靈活性。對(duì)于一個(gè)己經(jīng)存在諧波污染的應(yīng)用場合而言，綜合考慮經(jīng)濟(jì)成本和控制的復(fù)雜程度，更多的是采取補(bǔ)救性措施，即被動(dòng)治理措施 采用主動(dòng)治理方式，可有效限制諧波的產(chǎn)生，但由于諧波源的多樣性，要完全消除諧波是不可能的。被動(dòng)治理措施主要有以下幾種 : 一、 采用無源濾波器 PF(Passive Filter)。它具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低和維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。諧振頻率依賴于元件參數(shù)，因此單調(diào)諧濾波器只能消除特定次數(shù)的諧波，高通濾波器只能消除截止頻率以上的諧波。由于調(diào)諧偏移和殘余電阻的存在，調(diào)諧濾波器的阻抗等于零的理想條件是不可能出現(xiàn)的，阻抗的變化大 大妨礙了濾波效果。 3) 對(duì)于諧波次數(shù)經(jīng)常變化的負(fù)載濾波效果不好。并且需要根據(jù)高次諧波次數(shù)的多少，需設(shè)置多個(gè) LC 濾波電路。電網(wǎng)的阻抗和諧波頻率隨著電力系統(tǒng)的運(yùn)行工況隨時(shí)改變，對(duì)諧波電流的濾除效果受電力系統(tǒng)阻抗的影響較大。 PF 可能與系統(tǒng)阻抗發(fā)生串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而使裝置無法運(yùn)行，使該次諧波分量放大，使電網(wǎng)供電質(zhì)量下降。 二、 采用有源濾波器 APF(Active Power Filter)。與 PF 相比， APF 具有以下一些優(yōu)點(diǎn) : 1) 濾波性能不受系統(tǒng)阻抗的影響。 3) 原理上比 PF 更為優(yōu)越，用一臺(tái)裝置就能完成各次諧波的治理。 5) 由于裝置本身能完成輸出限制，因此即使諧波含量增大也不會(huì)過載。 7) 諧波補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)頻率變化的影響。 隨著大功率快速自關(guān)斷器件的不斷發(fā)展，基于瞬時(shí)無功功率理論的諧波檢測方法的不斷完善，以及微機(jī)控制技術(shù)和數(shù)字信號(hào)處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，有源濾波技術(shù)己得到 極大的發(fā)展，成為提高電能質(zhì)量的有效工具 [67]。 1969 年 和 發(fā)表的論文中 [8]，描述了通過向交流電網(wǎng)注入三次諧波電流來減少電源電流中的諧波成分，從而改善電源電流波形的新方法。 1971 年， 和 發(fā)表的論文中 [9]，首次完整地描述了有源電力濾波器的基本原理。 1976 年， 等人提出了采用大功率晶體管 PWM 控制變 換器構(gòu)成的有源電力濾波器 [10]，并正式確立了有源電力濾波器的概念，確立了有源電力濾波器主電路的基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。 進(jìn)入 80 年代，隨著電力電子技術(shù)以及 PWM 控制技術(shù)的發(fā)展，對(duì)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。由于日本社會(huì)的電氣化進(jìn)程早，一直受電網(wǎng)諧波問題 的困擾，有源電力濾波器的研究在日本受到了相當(dāng)?shù)闹匾?，因此從七十年代有源電力濾波器的思想產(chǎn)生以來，日本就投入了相當(dāng)多的人力物力進(jìn)行了深入的研究，現(xiàn)在有源電力濾波系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用在日本及歐美國家越來越多。此后這一理論不斷完善，在此基礎(chǔ)上有源電力濾波器的研究十年間有了長足的進(jìn)展。有源電力濾波器在這種裝置中相當(dāng)于一個(gè)諧波電流發(fā)生器，它跟蹤負(fù)載電流中的諧哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電流，從而抵消了線路中的諧波電流，使電源電流為正弦波，通過不同的控制，還可以對(duì)諧波、無功、不平衡等分量補(bǔ)償，因此功能多，聯(lián)結(jié)也方便，但該方法也存在諸多缺點(diǎn)。在這種電路中，有源電力濾波器仍起諧波補(bǔ)償?shù)淖饔?，無源濾波器分擔(dān)大部分諧波，因此有 源電力濾波器容量很小，但這種有源電力濾波系統(tǒng)在使用時(shí)，電源與有源電力濾波器及無源濾波器之間存在諧波通道。因此有源電力濾波器相當(dāng)于一個(gè)電源和負(fù)載之間的諧波隔離裝置，電網(wǎng)的諧波電壓不會(huì)加在負(fù)載和無源濾波器上，而負(fù)載的諧波電流也不會(huì)流入電網(wǎng)。其目 的是在電網(wǎng)與公共連接點(diǎn)之間提供一個(gè)電壓和電流凈化裝置，消除用戶對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，同時(shí)保證用戶得到正弦供電電壓。并聯(lián)有源電力濾波器提供一個(gè)零阻抗的諧波支路，使得負(fù)載中的諧波電流不會(huì)在無源濾波器上產(chǎn)生諧波電壓。這種方式也稱為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器 (UPQC)[16][17]，目前還處于試驗(yàn)階段。 近幾年來，國外學(xué)者己經(jīng)將有源電力濾波器實(shí)際應(yīng)用于從系統(tǒng)端與用戶端同時(shí)抑制和消除供電系統(tǒng)的諧波，從整體上改善電力系統(tǒng)的供電質(zhì)量。此外，唐統(tǒng)一等人和容健綱等人分別獨(dú)立翻譯了 等的《電力系統(tǒng)諧波》一書，也在國內(nèi)有較大的影響。近幾年進(jìn)行這方面研究的單位在逐漸增加，主要集中在一些高等院校和少數(shù)研究機(jī)構(gòu)。 西安交通大學(xué)的王兆安等人，對(duì)諧波及無功電流的實(shí)時(shí)檢測方法進(jìn)行了一定的研究，以瞬時(shí)功率理論為基礎(chǔ)提出了諧波檢測算法 [20]，對(duì)基于DSP 芯片的單相綜合有源電力濾波系統(tǒng)的數(shù)字控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了研究哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 7 [21]。華中科技大學(xué)的陳喬夫等人提出 了基于基波磁通補(bǔ)償?shù)拇?lián)型有源電力濾波器，向串聯(lián)變壓器付方注入基波補(bǔ)償電流，使串聯(lián)變壓器對(duì)電網(wǎng)基波電流呈低阻抗，對(duì)諧波電流呈高阻抗，從而抑制諧波 [23]。相信隨著我國電能質(zhì)量治理工作的深入開展和國內(nèi)對(duì)諧波問題重視程度的提高，利用 APF進(jìn)行諧波治理將會(huì)具有巨大的市場應(yīng)用潛力，有源濾波技術(shù)必將在我國逐漸得到廣泛的應(yīng)用。從經(jīng)濟(jì)上考慮，可以采用 APF 與 LC 無源濾波器并聯(lián)使用的混合型有源濾波系統(tǒng)，以減小 APF 的容量，達(dá)到降低成本、提高效率的目的。在裝置技術(shù)上主要需要解決如下問題：提高補(bǔ)償容量，降低成本和損耗，進(jìn)一步改善補(bǔ)償性能，多功能化，有源裝置小型化等。同時(shí)，通過采用 PWM 調(diào)制和可提高開關(guān)器件等效開關(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。從APF 的發(fā)展歷程中可以看到，諧波檢測方法的進(jìn)步在推動(dòng) APF 一步步走出實(shí)驗(yàn)室的過程中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。該理論的提出以及隨后發(fā)展的諧波檢測技術(shù)最終使得 APF 真正意義上得到了工程推廣。 PWM 可逆變流器以其優(yōu)越的性能廣泛地應(yīng)用于功率因數(shù)補(bǔ)償、電能回饋、有源濾波等電力電子領(lǐng)域，越來越受到學(xué)術(shù)界的關(guān)注。電壓空間矢量脈寬調(diào)制技術(shù)在交流傳動(dòng)領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。 哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 第 2章 注入式混合有源電力濾波器 隨著電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的諧波污染日益嚴(yán)重。有源濾波器能動(dòng)態(tài)治理諧波，故成為諧波治理的主要方向 [26]。本章簡述了基于電路理論的簡單濾波原理，并且提出了注入式混合有源并聯(lián)電力濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其原理 ，最后綜合和分析了有源電力濾波器的補(bǔ)償特性。用于降低諧波電壓的濾波器采用的是分壓原理，用于減小諧波電流的濾波器采用的是分流原理。基本的分壓電路如圖 21 所示，期中 Z2為分壓電阻， Z2的阻值越大 Z1所承受的電壓 U1將會(huì)越小。其中，當(dāng)開關(guān)位于 1 處時(shí) U=U1，當(dāng)開關(guān)位于 2 處時(shí) U1=UZ2I。當(dāng)然，實(shí)際的諧波電壓源并不是理想的諧波電壓源，比如直流側(cè)電容濾波的整流橋，其直流電容不可能無窮大，因此其它形式的濾波器對(duì)諧波電壓源也或多或少有一定的治理能力，只不過其濾波特性受諧波源內(nèi)阻影響很大，效果不如串聯(lián)型 APF 好。圖 22哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 10 為基本分流電路，其中 I1 和 I2 分別為主支路和分流之路電流， Z1 和 Z2 分別為主支路和分流支路阻抗?？梢?，可以通過增大主支路阻抗 Z1 和減小分流支路阻抗 Z2 來減小流入主支路的電流I1 。 在現(xiàn)有的濾波器中 ，單獨(dú)安裝的PPF、單獨(dú)使用的并聯(lián)型 APF、并聯(lián) APF+并聯(lián) PPF 的混合型 APF、注入型 APF 以及多變流器形式的并聯(lián)型 APF，都采用了基于并聯(lián)阻抗方式的分流原理。 圖 22 分流濾波原理 由于大多數(shù)的變電站和工礦企業(yè)配電網(wǎng)都需要在濾除諧波的同時(shí)進(jìn)行大容量的無功補(bǔ)償 ,因此將 PPF 和 APF 相結(jié)合構(gòu)成的混合型有源電力濾波器 (Hybrid Active Power Filter :HAPF) 綜合了前兩種濾波器的優(yōu)點(diǎn) ,可使整個(gè)系統(tǒng)獲得良好 的性能 [2629]。 串聯(lián) APF + 并聯(lián) PPF 形式的連接變壓器流過負(fù)載基波電流 ,有源部分的絕緣和維護(hù)比較困難 。串聯(lián)諧振注入型 APF 若要同時(shí)獲得較好的諧波補(bǔ)償性能和較小的有源部分容量比較困難 。并聯(lián)諧振混合注入式 HSHIAPF 有源濾波器是一種適應(yīng)高壓大容量環(huán)境、兼顧諧波抑制 和無功補(bǔ)償、投資成本較小的綜合治理系統(tǒng)。 HSHIAPF 以三相橋式電壓型逆變器 (VSI) 作為主要的有源部分 ,采用基于 IGBT 模塊的 PWM 逆變器 ,直流端為一大電容 ,輸出端接有輸出濾波器濾除開關(guān)器件通斷造成的高頻毛刺 。 C1L1 電路在基波頻率處發(fā)生串聯(lián)諧振 ,阻抗很小 ,使得逆變器只需承受很小的基波電壓 ,有效服了有源濾波器的容量限制 ,降低了系統(tǒng)成本 。系統(tǒng)利用無源部分在基頻時(shí)呈容性的特點(diǎn)補(bǔ)償所需的無功功率 。并聯(lián)混合注入式結(jié)構(gòu)的采用 ,使得系統(tǒng)兼具較大容量的無功補(bǔ)償和諧波抑制能力以及較小的逆變器容量 ,從而使得逆變器主電路避免采用多重化結(jié)構(gòu)或開關(guān)器件的串并聯(lián) ,大大減少了實(shí)際工程造價(jià) ,有效提高了性價(jià)比。從圖 看出，在結(jié)構(gòu)上，整個(gè) HSHIAPF與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，由無源部分和有源部分構(gòu)成 :以電壓型逆變器 VSI(voltage Source Inverter)為核心組成有源部分，以兩組單調(diào)諧無源支路和一條基波串聯(lián)諧振注入支路作為其無源部分。 VSI通過耦合 變壓器與由 L C1構(gòu)成的基波串聯(lián)諧振電路 。利用 L C1在基頻處發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)阻抗很小的特點(diǎn)，將電網(wǎng) 基波電壓主要加在注入電容 CZ上，而 VSI部分只承受很小的諧波電壓，這樣可以有效降低有源逆變器的容量，從而大大降低系統(tǒng)成本 。 L0和 C0構(gòu)成輸出濾波器，用于濾除逆變器輸出脈沖中的高頻諧波成分。圖中， US表示系統(tǒng)電源電壓，諧波源是一個(gè)非線性負(fù)載 ZL，在只考慮諧波分量時(shí)被看作一個(gè)諧波電流源 iLh，在只考慮基波分量時(shí)就是諧波源的基波阻抗 ZLf。分別為電網(wǎng)支路電流、并聯(lián)無源支路電流、基波串聯(lián)諧振支路電流、注入支路電流和 HSHIAPF 總的補(bǔ)償電流 ； zS、 zP、 zZ、 zR。 圖 24(a) HSHIAPF的單相等效電路 HSHIAPF 的有源部分 (包括電壓型逆變器 VSI、輸出濾波器和耦合變壓器 ) 被控制為一個(gè)理想的受控電壓源 UC,諧波源是一個(gè)非線性負(fù)載 ZL ,在哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 13 只考慮諧波分量時(shí)被看作一個(gè)諧波電流源 iLh 。 由 KCL 和 KVL 可得 ： 39。()()sh s sh z Fh csh L h Fhc R Fh csh s sh p L h L hu z i z i ui i iu z i iu