【正文】 濾波器也不是一件簡(jiǎn)單的事。為了減小電網(wǎng)支路中的諧波，濾波器支路的阻抗須遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于電網(wǎng)支路阻抗。然而，這樣設(shè)計(jì)的無源濾波器對(duì)電網(wǎng)頻率的變化是極其敏感的，電網(wǎng)頻率稍微偏離額定頻率點(diǎn)，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(wǎng)主要諧波頻率處的濾波效果為代價(jià)來適當(dāng)?shù)亟档推焚|(zhì)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(diào)諧頻率往往設(shè)計(jì)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(shù)是很難將電網(wǎng)諧波限制在國際或國家標(biāo)準(zhǔn)以內(nèi)的。 2） ．有源濾波裝置 目前諧波抑制的趨勢(shì)是采 用有源電力濾波器 (APF． Active Power Filter)，它是一種電力電子裝置，能對(duì)頻率和大小都變化的諧波進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗和頻率變化的影響，可獲得比無源濾波器更好的補(bǔ)償效果，是一種理想的諧波補(bǔ)償裝置。隨著 20世紀(jì) 60年代以來新型電力半導(dǎo)體器件的出現(xiàn)，脈寬調(diào) $1J(PWM)技術(shù)的發(fā)展，以及基于瞬時(shí)無功功率理論的提出，針對(duì)無源濾波器的缺陷在 1969年 Bird和 Marsh等人提出了向電網(wǎng)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。 1976年 Gyug)， i等人提出了用大功率晶體管 PWM變換器構(gòu)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)方法和控制原理，奠定了有源電力濾波器的基礎(chǔ)。 APF通過向電網(wǎng)注入諧波及無功燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 或改變電網(wǎng)的綜合阻抗頻率特性，以改善波形，除了具有相應(yīng)速度快，具有很好的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)補(bǔ)償功能等優(yōu)點(diǎn)外，還具有可進(jìn)行無功補(bǔ)償，抑制電壓閃變等多種功能。但由于全控型功率器件的成本及性能，制約了 APF的實(shí)際應(yīng)用，目前只有在日本得到比較廣泛的推 廣。從 1984年開始，每?jī)赡暾匍_一次的電力系統(tǒng)國際諧波會(huì)議 (ICHPS)為這個(gè)領(lǐng)域的國際交流提供了直接的渠道，正推動(dòng)著諧波研究工作深入開展。我國從 80年代開始大量采用硅整流設(shè)備，尤其是鐵路電氣化的迅速發(fā)展，推動(dòng)了硅整流技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。于此同時(shí)，我國許多科研和生產(chǎn)單位，一些高等院校相繼開展了諧波研究工作，在多次學(xué)術(shù)會(huì)議上交流了這一方面的成果。研究 APF主要集中在并 聯(lián)型、混合型，也開始研究串聯(lián)型。理論上涉及到了功率理論的定義、諧波電流的檢測(cè)方法、有源電力濾波器的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性研究等。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)型晶體管 (BJT)電壓型有源濾波器 。此外，清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、重慶大學(xué)等高等院校也對(duì) APF展開了 深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究。因此我國有源濾波技術(shù)具有廣泛的發(fā)展和應(yīng)用前景 .從近年的研究和應(yīng)用中我們可以燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 看出 APF具有如下的發(fā)展趨勢(shì) : l)通過采用 PWM調(diào)制技術(shù)和提高開關(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)償和系統(tǒng)大容量的實(shí)現(xiàn) : 2)從經(jīng)濟(jì)上考慮，可以采用妙 APF與 PF組成的混合型濾波系統(tǒng)，以減少APE的容量，達(dá)到降低成本、 提高效率的目的 。 隨著電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的惡化和電力用戶對(duì)電能質(zhì)量越來越高的要求，公 用電網(wǎng)諧波污染已經(jīng)起了有關(guān)部門的廣泛關(guān)注，電力系統(tǒng)諧波的監(jiān)測(cè)、控制和抑制已成為當(dāng)前電力系統(tǒng)研究的一個(gè)重要課題。也就是說來自發(fā)電設(shè)備和用 電設(shè)備 。 為了有效補(bǔ)償和一種負(fù)荷產(chǎn)生諧波電流，首先對(duì)諧波的成分有精確認(rèn)識(shí)，因而需要實(shí)時(shí)檢測(cè)負(fù)載電流中的諧波本文講介紹 本文著重介紹了 基于三相電路瞬時(shí)無功功率理論的諧波測(cè)量 的理論。 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 第 2章 電力系統(tǒng)諧波的分析 諧波的基本概念 諧波的定義 國際上公認(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”州。諧波次數(shù)不能為非整數(shù)，因此也不能有非整數(shù)諧波。 2)諧波和暫念現(xiàn)象必須加以區(qū)別，諧波的波型是周期性的和不變的，而暫態(tài)現(xiàn)象的的波形每個(gè) 周波都在發(fā)生著變化，為了區(qū)別暫念現(xiàn)象和諧波一般在計(jì)算電壓 (電流 )畸變率時(shí)，采用諧波電壓 (電流 )的平均有效值或畸變率，其時(shí)間區(qū)閫取 3秒。暫態(tài)過程的實(shí)測(cè)波形是一個(gè)帶有明顯高頻分量的畸變波形，但盡管暫態(tài)過程中含有高頻分量，暫態(tài)和諧波卻是麗個(gè)完全不同的現(xiàn)象：諧波按其定義束說 是在穩(wěn)態(tài)情況下出現(xiàn)的，并且其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。暫念常伴隨著系統(tǒng)的變化，例如投切電容器組等，而諧波則與負(fù)荷的連續(xù)運(yùn)行有關(guān) 。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： ? ? ? ??? ?? tUtu s in2 (2． 1) 式 (2． 1)中： U為電壓有效值， ? 為初相角， ? 為角頻率。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?。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。 對(duì)于周期為 T=2? ／ ? 的非正弦電壓，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)： u(? t)=a0 +??? ?1 )]s in ()c o s ([n nn tnbtna ?? (22) 式 (22)中： ?? ?? ??20210 )()(a tdtu (23） an= ?21 ? ? ???20 )()co s ()( tdtntu （ n=1,2,3… ） (24) bn = ?21 ? ? ???20 )()s in ()( tdtntu （ n=1,2,3… ） (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T1 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。 電力系統(tǒng)諧波的標(biāo)準(zhǔn) 由于電網(wǎng)中的諧波電壓和電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)本身和用電設(shè)備造成很大的危害，所以必須限制諧波電流流入電網(wǎng)和控制諧波電壓在允許的范圍內(nèi)，以保證供電質(zhì)量。各級(jí)電網(wǎng)的諧波水平一般用諧波電壓含有率或總諧波畸變率來反映。 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 中壓電網(wǎng) (24一 77kv)，一般 2%5%、個(gè)別 6%。 我國原水利電力部于 1984年根據(jù)原國家經(jīng)濟(jì)委員會(huì)批轉(zhuǎn)的《全國供用電規(guī)則》的規(guī)定，制定并發(fā)布了 《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》。 表 1一 I公用電網(wǎng)諧波電壓 (相電壓 )限值 The limited value of Public electric grid harmonic voltage (Phase 電壓等級(jí)越高，諧波限制越嚴(yán)格。表 1一 1給出了公用電網(wǎng)諧波電壓限值。周期為 T=2? /? 。 電力系統(tǒng)中的諧波來自電 6設(shè)備。由于發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)不可能是完善的正弦波，因此發(fā)電機(jī)發(fā)出的燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 電壓波形不可能是一點(diǎn)不失真的正弦波。隱極機(jī)多用于汽輪發(fā)電機(jī)。對(duì)于諧波分量而言。當(dāng)發(fā)電機(jī)的端電壓高于額定電壓的 10％以上時(shí)，由于電機(jī)的磁飽和．會(huì)使電壓的三次諧波明顯增加。由于電網(wǎng)電壓偏移在177。 所以發(fā)電、變電設(shè)備產(chǎn)生的諧波分量鄙比較小，比圍家的考核標(biāo)準(zhǔn)低的多，因此發(fā)電、變電設(shè)備不是影響電網(wǎng)電壓渡形方面質(zhì)量的主要矛盾。 非線性用電沒備是主要的諧波源，非線性用電設(shè)備主要有以下四大類：第一，電弧加熱設(shè)備：如電弧爐、電焊機(jī)等；第二，交流整流的直流用電設(shè)備：如電力機(jī)車、電解、電鍍等；第三，交流整流再逆變用電沒備：如變頻調(diào)速、變頻空調(diào)等；第四 ，開關(guān)電源設(shè)備：如中頻爐、彩色電視機(jī)、電腦、電子整流器等。晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網(wǎng)吸收的是缺角的正弦波，所以給電網(wǎng)帶來的是另一部分的缺角正弦波，顯然留下部分中含有大量的諧波。變頻裝置常用于風(fēng)機(jī)、水泵、電梯等設(shè)備中，由于采用了移相控制，諧波成分很復(fù)雜，除含有整數(shù)次諧波外，還含有分?jǐn)?shù)次諧波，這類裝置的功率一般較 大，隨著變頻調(diào)速的發(fā)展，對(duì)電力系統(tǒng)造成的諧波就越來越多。洗衣機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等有繞組的設(shè)備中，因?yàn)椴黄胶怆娏鞯淖兓材苁共ㄐ胃淖儭? 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 電力系統(tǒng)諧波的危害 對(duì)電機(jī)的危害 (1)對(duì)同步電機(jī)的影響 ： 定子繞組為星形接法的旋轉(zhuǎn)電機(jī)接受的高次諧波電流通常只含有正序和負(fù)序分量。因此，同步電機(jī)的轉(zhuǎn)子就分別感應(yīng)出(h1)和 (h+1)次諧波電流。高次諧波電流在發(fā)電機(jī)定子中同樣有集膚效應(yīng)。諧波電流對(duì)隱極式同步電機(jī)的定子零部件，也能引起嚴(yán)重問題，甚至構(gòu)成制約條件。 (2)對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的影響 感應(yīng)電動(dòng)機(jī)由于轉(zhuǎn)子導(dǎo)線尺寸比 定子導(dǎo)線的尺寸大得多，所 以隨著電流頻率的上升，轉(zhuǎn)子電阻的增加比定子電阻的增加更快。由于感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的負(fù)載 般都是固定連接的，在受到諧波影響時(shí)，不能臨時(shí)降低負(fù)載來避免異常過熱和縮短壽命，在確定允許的諧波電壓時(shí)，應(yīng)使絕大多數(shù)電動(dòng)機(jī)在諧波電壓下不至過分增大消耗壽命的速度。折算公式為： 式中 Ueq為等價(jià)基波負(fù)序電壓； hU 為第 h次諧波電壓； m為系數(shù)，且 m≤ 1。當(dāng)直流電流、低頻電流地電流流入變壓器繞組時(shí)，變壓器產(chǎn)生嚴(yán)重磁飽和，使其中的諧波電流增大，以致威脅???1 2ea )/(= U h mh hU燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 設(shè)備本身和電網(wǎng)的安全運(yùn)行。諧波電流除了引起變壓器繞組附加發(fā)熱外，對(duì)外殼、外層的鋼片和某 些緊固零件引起發(fā)熱，甚至?xí)饑?yán)重的局部過熱。 諧波會(huì)大大增加電力變壓器的銅耗和鐵耗，降低變壓器的有效出力，諧波導(dǎo)致的噪聲會(huì)使變電所的噪聲污染指數(shù)超標(biāo)，影響工作人員的身心健康。 對(duì)線路的危害 諧波對(duì)供電線路產(chǎn)生了附加損耗。電纜中的諧波電流會(huì)產(chǎn)生熱損，使電纜介損、溫升增大，使線路電阻隨頻率增加而 提高，造成電能的浪費(fèi) 。 增加了輸電線路的損耗，縮短了輸電線壽命。對(duì)于架空線路而言，電暈的產(chǎn)生和電壓峰值有關(guān)，雖然電壓基波未超過規(guī)定值，但由于諧波的存在，當(dāng)諧波電壓與基波電壓峰值重合時(shí)，其電壓峰值可能超過允許值而產(chǎn)生電暈，引起電暈，損耗增加。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%。國內(nèi)外電網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明 :受諧波影響而導(dǎo)致的電氣設(shè)備損壞中電容器占有最大比例。一般來說，電壓升高 10%，電容器壽命縮短 1/2。器溫升每上 升 8℃，壽命縮短 1/2。特別是在發(fā)生諧振的情況下，很小的諧波電壓就會(huì)引起的諧波電流，導(dǎo)致電容器因過流而損。造成電能計(jì)量的誤差。這樣受害的用戶既從系統(tǒng)中吸收基波功率，又從諧波源吸收無用的諧波功率，其后果是諧波源負(fù)荷用戶少付電費(fèi)，而受害的用戶多付電費(fèi) :給供電部門或電力用戶帶來直接的經(jīng)濟(jì)損失。由此可知，上述三種配電斷 路器都可能因諧波產(chǎn)生。對(duì)于電磁接角器來說，諧波電流使磁體部件溫升增大，影響接點(diǎn)，線圈溫度升高使額定電流降低。 對(duì)其通信系統(tǒng)的影響 諧波對(duì)通信線路的干擾，不但可以損害通話的清晰度，由于諧波和基波的綜合作用，曾有多次觸發(fā)電話響起的記載，在極端情況下會(huì)威脅通信設(shè)備和人員的安全。 本章小結(jié) 本章對(duì)電力系統(tǒng)諧波作了簡(jiǎn)單扼要的介紹和分析，介紹了基本的定義及 表達(dá)式，從而分析出諧波產(chǎn)生的原因。 通過對(duì)諧波源諧波產(chǎn)生燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 15 機(jī)理的定性分析產(chǎn)生的諧波進(jìn)行測(cè)量和定量計(jì)算打下了基礎(chǔ)。 燕山大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 16 第 3章 電力系統(tǒng)諧波的檢測(cè) 1） 帶阻濾波法 這是一種最為簡(jiǎn)單的諧波電流檢測(cè)方法，其基本原理 是設(shè)計(jì)一個(gè)低阻濾波器，將基波分量濾除，從而獲得總的諧波電流量。 2）帶通選頻法和 FFT變換法 帶通選頻方法采用多個(gè)窄帶濾波器，逐次選出各次諧波分量，基本原理如圖 1所示 : 圖 ：基本原理圖 利用 FFT變換來檢測(cè)電力諧波是一種以數(shù)字信號(hào)處理為基礎(chǔ)的測(cè)量方法，其基本過程是對(duì)待測(cè)信號(hào) (電壓或電流 )進(jìn)行采樣，經(jīng) A／ D轉(zhuǎn)換，再用計(jì)算機(jī)進(jìn)行傅里葉變換，得到各次諧波的幅值和相位系數(shù)。 量。 3） 瞬時(shí)功率矢量法 1984年，日本學(xué)者 ，并在此基礎(chǔ)上提出了 2種諧波電流的檢測(cè)方法： pq法和 ip iq 法。 ip 一 iq 法適用范圍廣，不僅在電網(wǎng)電壓畸變時(shí)適用，在電網(wǎng)電壓不對(duì)稱時(shí)也同樣有效。這 2種方法的優(yōu)點(diǎn)是當(dāng)電網(wǎng)電壓對(duì)稱且無畸變時(shí)，各電流分量 (基波正序無功分量、不對(duì)稱分量及高次諧波分量 )的測(cè)量電路比較簡(jiǎn)單，并且延時(shí)小。如電網(wǎng)中最典型的諧波源 —— 三相整流 器，其檢測(cè)的延時(shí)約為 1／ 6周期。此理論是基于三相三線制電路。仿真表明該方法是可行的，其檢測(cè)性能優(yōu)于以往的單相諧波電流的測(cè)量方法。 4） 傅里葉變換 利用傅立葉變換可在數(shù)字域進(jìn)行諧波檢測(cè)，電力系統(tǒng)的諧波分析，目前大都是通過該方法實(shí)現(xiàn)的，離散傅立 葉變換所需要處理的是經(jīng)過采樣和A/D 轉(zhuǎn)換