【正文】 ............................. 49 第一章 緒論 1 第一章 緒論 諧波的 發(fā)展及 現(xiàn)狀 “諧波 ”一詞起源于聲學(xué)。 本文 建立 MATLAB/Simulink 的仿真模型，著重對(duì)基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的幾種諧波電流檢測(cè)方法 ： pq 檢測(cè)法、 qp ii 檢測(cè)法 分別進(jìn)行仿真，并對(duì)比 仿真結(jié)果，得出較好的諧波或無(wú)功電流檢測(cè)方 案。 本文對(duì)平均功率理論和瞬時(shí)功率理論進(jìn)行了分析、比較，指出了它們適用的范圍及優(yōu)缺點(diǎn)。其次，對(duì)有源電力濾波器的基本原理、分類和基本組成進(jìn)行了闡述。 本文首先針對(duì)諧波問(wèn)題，敘述了諧波產(chǎn)生原因、危害等，并介紹了諧波抑制方法。中 文 摘 要 I 摘 要 近年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中具有非線性、沖擊性和不平衡用電特性的負(fù)荷不斷增加，產(chǎn)生大量諧波。電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴(yán)重，影響到供電質(zhì)量和用戶使用的安全性，因此電網(wǎng)諧波污染的治理越來(lái)越受到關(guān)注。其中，有源電力濾波器是抑制電網(wǎng)諧波的有效手段之一，這種濾波器能對(duì)頻率和幅度都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到了廣泛重視。 本文重點(diǎn)研究了諧波 電流的檢測(cè)方法。詳細(xì)介紹了瞬時(shí)基于無(wú)功功率理論的幾種諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法 ： pq 檢測(cè)法、 qp ii 檢測(cè)法和 dq0 檢測(cè)法，并分析了它們的檢測(cè)原理、特點(diǎn)及使用局限性。針對(duì)不同的負(fù)載和負(fù)載突變情況進(jìn)行了仿真，得出不同方法的使用條件和最優(yōu)結(jié)果。有關(guān)諧波的數(shù)學(xué)分析在 18 世紀(jì)和 19 世紀(jì) 已 奠定了良好的基礎(chǔ)。 電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題早在 20 世紀(jì) 20 年代和 30 年代就引起了人們的關(guān)注。 1945 年 發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期關(guān)于諧波研究的經(jīng)典論文。 70 年代以來(lái)由于電力電 子 技術(shù)的 飛 速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭的應(yīng)有日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴(yán)重。國(guó)際電工委員會(huì)（ IEC）和國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議都相繼組成了專門的工作組，制定包括供電系統(tǒng)、各項(xiàng)電力設(shè)備和用 電設(shè)備以及家用電器在內(nèi)的諧波標(biāo)準(zhǔn) 。這些 非線性、沖擊性和不平衡性的用電特性，對(duì)供電質(zhì)量造成嚴(yán)重的污染。隨著信息產(chǎn)業(yè)、高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展以及傳統(tǒng)行業(yè)采用計(jì)算機(jī)管理及先進(jìn)控 制技術(shù)的應(yīng)用 ，現(xiàn)代數(shù)字信息對(duì)供電可靠性及個(gè)性化電能質(zhì)量需求有了更高的要求。 美國(guó)電力研究院 (EPRI)的 Narain 博士于 1988 年首先提出了 “Custom Power”的新概念及其質(zhì)量分成三個(gè)等級(jí)。這 是新一代柔性配電系統(tǒng)第一章 緒論 2 的發(fā)展方向。僅依靠過(guò)去的無(wú)源濾波技術(shù)治理諧波已不能滿足要求，研究和開(kāi)發(fā)適應(yīng)這一要求的新技術(shù)已成為近年來(lái)電力系統(tǒng)領(lǐng)域中的熱點(diǎn)。 電力系統(tǒng)諧波的產(chǎn)生原因及其危害 諧波產(chǎn)生原因 電力系統(tǒng)中的諧波主要是由各種變流設(shè)備以及其他非線性負(fù)載產(chǎn)生的。在實(shí)際存在系統(tǒng)電源阻抗時(shí)，畸變電流將在阻抗上產(chǎn)生電壓降，因?yàn)楫a(chǎn)生畸變電壓，畸變電壓將對(duì)所有的負(fù)載產(chǎn)生影響。前者如各種整流設(shè)備，交流調(diào)壓裝置，變流設(shè)備，直流拖動(dòng)設(shè)備整流器， PWM 變頻器，相控調(diào)制變頻器以及現(xiàn)代工業(yè)設(shè)施為節(jié)能和控制用的電力電子設(shè)備等；后者如交流電弧爐，交流電焊機(jī)，日光燈和發(fā)電機(jī)，變壓器及鐵磁諧振設(shè)備等。 電力系統(tǒng)諧波的危害及對(duì)電能計(jì)量的影響 諧波的危害 諧波是電網(wǎng)的公害 ，它 的危害主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面 : 1）諧波會(huì)使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)成附加諧波損耗 , 降低了發(fā)電、輸電及用第一章 緒論 3 電設(shè)備的使用效率。諧波會(huì) 增加 電 機(jī) 的 附加損 耗 , 產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng) 和過(guò)電壓 , 諧波會(huì)使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱 , 絕緣老化 , 壽命縮短以至損壞。 4）諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作 ,使電氣測(cè)量?jī)x表不準(zhǔn)確。 電力諧波對(duì)電能計(jì)量的影響 諧波有功功率是由諧波源設(shè)備即上面提到的整流、換流等設(shè)備產(chǎn)生 ,其功率來(lái)源是由產(chǎn)生諧波的設(shè)備在其工作過(guò)程中將電源基波部分功率轉(zhuǎn)變而成的。對(duì)諧波源用戶而言 , 其計(jì)量入口處的總有功將是基波有功和諧波有功之代數(shù)和 。非線性設(shè)備在其運(yùn)行過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的畸變功率 , 從而導(dǎo)致非線性設(shè)備的真實(shí)功率因數(shù)低于位移因數(shù)的值。這就導(dǎo)致了在非線性負(fù)荷中用一般感 應(yīng)式儀表計(jì)量無(wú)功將產(chǎn)生較大的誤差 , 其統(tǒng)計(jì)的功率因數(shù)將會(huì)比真實(shí)值偏高 , 誤差值大小取決于波形畸變程度 , 一般誤差值范圍在 5%～ 15%之間。為了保證我國(guó)的電能質(zhì)量，自 1990 年以來(lái)，我國(guó)相繼發(fā)布了多相電能質(zhì)量國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) .這些標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布為提高我國(guó)的電能質(zhì)量水平起到了很大的促進(jìn)作用。正弦電壓可表示為 u(t)= 2 Usin( ???t ) (21) 式中 U— 電壓有效值 。 ?— 角頻率 , T??? 2f2 ??? 。 正弦電壓施加在電阻、電感和電容這些線性無(wú)源元件上，其電流和電壓分別為比例、積分和微分關(guān)系，仍為同頻率的正弦波。當(dāng)然，非正弦電壓施加在線性電路上時(shí)電流也是非正弦波。 ????? ???? )(c os)(u1 ttdnta n。 或 u( t? )= a0+??? ?1n )sin(c nn tn ?? （ 23） 式中 cn, n? , 和 an , bn 的關(guān)系為 cn= 22na nb? ； n? =arctg(nnba )。 bn = cncos n? ； 在式 (22)或式 (23)的傅立葉級(jí)數(shù)中，頻率為 1/T 的分量稱為基波，頻率為大于 1/T 的 整數(shù)倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比。所以，諧波次數(shù)必須為整數(shù) 。即 諧波次數(shù)為諧波頻率和基波頻率的整數(shù)比 , 也可以 分為奇次諧波和偶次諧波。 HRUn = %1001 ?UUn （ 24） 式中 Un — 第 n 次諧波電壓有效值； U1 — 基波電壓有效值； n 次諧波電流含有率以 HRIn 表示 ?？梢钥闯?，諧波是一個(gè)周期電氣量中頻率為大于 1 整數(shù)倍基波頻率的正 弦波分量。被動(dòng)型諧波抑制中安裝的電力濾波器又分為無(wú)源濾波器和有源濾波器。無(wú)源電力濾波器 (Passive Power Filter，簡(jiǎn)稱 PPF)由一組針對(duì)特定頻率的 LC 單調(diào)諧濾波器組成，既可以第二章 諧波及有源電力濾波器 7 補(bǔ)償諧波，又可以補(bǔ)償無(wú)功功率。無(wú)源濾波方案的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、方便、可靠，但它存在如下缺點(diǎn)： (1) 濾波器的設(shè)計(jì)大多 針對(duì)特定頻率的諧波，只能濾除特定次諧 波 ； (2 )電網(wǎng)阻抗與 LC 可能產(chǎn)生并聯(lián)諧振使該次諧波分量放大，降低電網(wǎng)質(zhì)量 ； (3) 電網(wǎng)阻抗與 LC 可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振 ； (4)體積大、損耗大。 20 世紀(jì) 80 年代后期有源電力濾波器（ APF）在日美等發(fā)達(dá)國(guó)家成功研制并投入使用。隨著現(xiàn)代控制理論和微處理器等方面的發(fā)展， PWM 變流器技術(shù)和 DSP 技術(shù)在電力有源濾 波器中廣泛應(yīng)有，使電力電子裝置趨于數(shù)字化。與無(wú)源電力濾波器相比，有源電力濾波器具有以下優(yōu)點(diǎn) 。 有源電力濾波器的組成、原理和發(fā)展趨勢(shì) 有源電力濾波器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 有源電力濾波器 (APF)根據(jù)與補(bǔ)償對(duì)象連接的方式的不同，可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩種，實(shí) 際應(yīng)用中多為并聯(lián)型。圖 11所示為最基本的有源電力濾波器的原理框圖 。其中，指令電流運(yùn)算電路的核第二章 諧波及有源電力濾波器 8 心是檢測(cè)出被補(bǔ)償對(duì)象電流中的諧波和無(wú)功等電流分量 ； 補(bǔ)償電流發(fā)生電路的作用是根據(jù)指令電流運(yùn)算電路得出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，產(chǎn)生實(shí)際的補(bǔ) 償電流。在電網(wǎng)向有源電力濾波器直流側(cè)充電 時(shí)，它作為整流器工作。 圖 21 所示為有源濾波器的基本工作原理 ： 檢測(cè)補(bǔ)償對(duì)象的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算單元計(jì)算得出補(bǔ)償電流的指令電流信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)補(bǔ)償電流發(fā)生電路放大，得出補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波及無(wú)功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。這樣，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中的諧波 及無(wú) 功成分相互抵消 。 有源電力濾波器交流 A P F直流 A P F串聯(lián)型A P F并聯(lián)型A P F統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器單獨(dú)使用方式串聯(lián)混合型單獨(dú)使用方式并聯(lián)混合型注入回路方式與 LC 并聯(lián)與 LC 串聯(lián)串聯(lián)諧振方式并聯(lián)諧振方式 圖 22 有源電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成分類 下面根據(jù) APF 與負(fù)載連接的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分類方式對(duì)有源電力濾波器的基本原理作簡(jiǎn)單的介紹。 而對(duì)于 串聯(lián)型 APF 來(lái)說(shuō) ，通過(guò)變壓器串聯(lián)在電源與負(fù)載間，可等效為一受控電壓源，主要用于消除帶電容的二極管整流電路等電壓諧波源負(fù)載對(duì) 系統(tǒng)的影響。 值得關(guān)注的是 并聯(lián)型 APF 與 LC 并聯(lián)結(jié)構(gòu)，這是有源電力濾波器中最基本的形式，也是目前應(yīng)用最多的一種。具體表現(xiàn)在電能質(zhì)量問(wèn)題得到了政府和相關(guān)部門的高度重視 ；功率開(kāi)器件的性價(jià)比也在逐步提升 ； 隨著新一代 DSP 的出現(xiàn)，控制系統(tǒng)的成本只占很小一部分等等。 我國(guó)在有源電力濾波器的研究方面起步較晚， 進(jìn)入 90 年代，國(guó)內(nèi)的多所高校和研究機(jī)構(gòu) 才 加入到了有源濾波器的研究中來(lái)，當(dāng)時(shí)的工作主 要以理論研究和實(shí)驗(yàn)為主 。 但總的來(lái)說(shuō)，由于受各種條件限制，我國(guó)有源電力濾波器的實(shí)際應(yīng)用水平不高，范圍不大。 有源電力濾波器的諧波電流檢測(cè)技術(shù)及其發(fā)展 有源電力濾波器技術(shù)包含著三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，即功率器件制造技術(shù)、諧波電流檢測(cè)技術(shù)和電流控制技術(shù)。 下面我們就來(lái)看一下最基本的集中檢測(cè)的方法。 該方法使用模擬濾波器來(lái)實(shí) 現(xiàn)諧波電流檢測(cè)。這種方法多用于補(bǔ)償效果要求不高的場(chǎng)合，它不能適應(yīng)現(xiàn)代電力系統(tǒng)的需要。它的缺點(diǎn)是 ： 因?yàn)? Fryze 功率定義是建立在平均功率基礎(chǔ)上的，所以要求得瞬時(shí)有功電流需要進(jìn)行一個(gè)周期的積分，再加其它運(yùn)算電路，要有幾個(gè)周期延時(shí)。 這對(duì)有源電力濾波器控制是一個(gè)難以接受的缺陷。當(dāng)電網(wǎng)頻率發(fā)生變換，分解為高次諧波代數(shù)和的形式，再將其合成為總的補(bǔ)償電流。 (4)基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)法 1983 年，日本學(xué)者 赤木泰文 等人提出了瞬時(shí)無(wú)功功率理論，利 用此理論，先檢測(cè)出三相電壓與負(fù)載電流并變換到 0?? 坐標(biāo)系下，再計(jì)算出畸變電流的瞬時(shí)有功功率和瞬無(wú)功功率，濾去基波分量后得到高次諧波瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率，然后從中取出補(bǔ)償電流，最后將它們變換到 abc 坐標(biāo)下即得到了所需補(bǔ)償?shù)闹C波電流。 (5)基于小波變換理論的諧波電流檢測(cè)法。然而，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波和模糊控制的算法雖然適用，但是這些算法過(guò)于復(fù)雜，不容易得 到推廣使用。第 三 章 無(wú)功功率理論 12 第 三章 無(wú)功功率理論 平均功率理論 傳統(tǒng)的平均功率理論建立在單相交流系統(tǒng)的基波正弦電壓和基波正弦電流信號(hào)的基礎(chǔ)上。以該理論為基礎(chǔ)，可以得出實(shí)用的有源濾波器的諧波和無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。 ?? 變換的公式為： ????????????????????????????????????????????????????????????????????cbacbaeeeeeiiiii232302121132232302121132???? (312) 記 ????????????????23230212113232c 在圖 32 所示的 ?? 平面上，相量 ?e ， ?e 和 ?i ， ?i 分別可以合成為（旋轉(zhuǎn)）電壓相量 e 和電流相量 i： eeeee ??? ???? （ 313） 第 三 章 無(wú)功功率理論 14 iiiii ??? ???? （ 314） 式中， e， i 分別為相量 e， i 的模， e? ， i? 分別為相量 e， i 的幅角。 ?? 平面中的 pi 和 qi ，如圖 32 所示。 定義 3： ?? 相