1、全日制碩士學位論文 research on three-phase harmonic energy extraction circuit 申請人姓名： 指導教師： 學位類別： 專業名稱： 研究方向： xxxxxx 理工大學電氣工程與自動化學院理工大學電氣工程與自動化學院 二二一四年六月一四年六月 三相諧波電能提取電路研究三相諧波電能提取電路研究 xxx 理理工工大大學學 學學位位論論文文原原創創性性聲聲明明 本人鄭重聲明：所呈交的學位論文：三相諧波電能提取電路研究，是我個人 在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。論文中除了特別加以標注和致 謝的地方外，不包含任何其他個人或集體已經公開發表

2、或撰寫過的研究成果。其 他同志對本研究的啟發和所做的貢獻均已在論文中作了明確的聲明并表示了謝意。 本人學位論文與資料若有不實，愿意承擔一切相關的法律責任。 學學位位論論文文作作者者簽簽名名 : 年年 月月 日日 xxx 理工大學 學位論文版權使用授權書 本學位論文作者及導師完全了解 xxx 理工大學有關保留、使用學位論文的規 定，即：學校有權保留和向有關部門、機構或單位送交論文的復印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱，允許將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據庫進 行檢索和傳播，允許采用任何方式公布論文內容，并可以采用影印、縮印、掃描 或其他手段保存、匯編、出版本學位論文。 保保密密的的學學

3、位位論論文文在在解解密密后后適適用用本本授授權權書書。 學學位位論論文文作作者者簽簽名名： 指指導導教教師師簽簽名名： 年年 月月 日日 年年 月月 日日 中圖分類號：中圖分類號：tm714 密密 級：公開級：公開 udc：621.3 單位代碼：單位代碼：10460 三相諧波電能提取電路研究 research on three-phase harmonic energy extraction circuit 申請人姓名申請人姓名申請學位申請學位工學碩士工學碩士 學科專業學科專業電力系統及電力系統及 其自動化其自動化 研究方向研究方向電氣安全與電氣安全與 可靠性技術可靠性技術 導師導師職稱職稱

4、提交日期提交日期2014.5.30答答辯辯日日期期2014.6.42014.6.4 xxx 理工大學 致致 謝謝 本論文是在導師 xxxx 教授的悉心指導下完成的。在三年碩士研究生期間， 康老師從論文選題、課題研究到論文的審閱定稿，都傾注了許多的心血。康老師 嚴謹踏實的治學態度，高瞻遠矚的學術思想，平易近人的為人處事作風深深地觸 動了我。同時康老師在很多方面都給予了我極大的幫助和鼓勵，及時糾正我在論 文寫作中的錯誤，教會我處理問題的方法。在此我向康老師致以最衷心的感謝和 深深的敬意！ 同時感謝三年來不斷支持和幫助我的老師和同學們，感謝同實驗室的各位同 學給予的幫助，感謝我的父母多年來對我學業的

5、大力支持和無私幫助。 最后，向所有參加論文評審的各位專家和教授表達誠摯的謝意。 i 摘摘 要要 隨著工業技術的發展，電網中的諧波污染日益嚴重，通常采用無源濾波器和 有源濾波器濾除電網中的諧波，使電網中的諧波含量滿足國標要求。然而電網中 的諧波電壓和諧波電流也是一種能量，只是其頻率并非電網所采用的基波頻率。 提取電網中的諧波電能并加以利用，實現在治理電網諧波的同時利用電網諧波電 能。 本文提出一種基于諧波相序特性和基波磁通補償原理、采用單調諧濾波電路 與三相變壓器相結合提取三相諧波電能的新方法。該方法將單調諧濾波電路與變 壓器一次側串聯組成濾波電路并聯連接在電網和諧波源之間，濾除電網中的某次 諧

6、波，同時從變壓器二次側提取諧波電能。在三相變壓器一次側并聯基波調諧電 路，在基波頻率時將諧波提取電路短路，分流單調諧濾波電路中的容性基波電流， 實現在不取用電網基波功率的前提下提取純凈的諧波電能。在電網和濾波電路之 間串聯一個基于基波磁通補償的變壓器，用來提高電網對諧波的阻抗，迫使更多 諧波電流流入濾波電路，使諧波提取最大化。 最后依據前文的研究構建三相諧波電能提取電路模型，對其工作原理進行分 析。在 matlab 中構建三相諧波電能提取電路仿真模型，通過仿真實現了在不 取用電網基波電能時提取電網中的 5 次和 7 次諧波電能，并將其作為三相電源為 負載提供電能。仿真結果驗證了本方法在理論上的

7、正確性和可行性。 關鍵詞關鍵詞：諧波相序；諧波電能；基波磁通補償；三相諧波提取電路 iii abstract with the development of industrial technology, harmonic pollution is becoming severity in power system. we usually adopt passive filter and active filter to filter the harmonic in power system, and make sure the harmonic distortion rate satisfy

8、the national standards. however, the harmonic voltage and harmonic current are also kinds of energy, merely its frequency is not the same as the fundamental frequency of the grid. the harmonic energy of power grid can be extracted and utilized, meanwhile realize using the harmonic energy and filter

9、the harmonic at the same time. this paper proposes a new method of harmonic extraction, which base on the harmonic sequence characteristics and the principle of fundamental magnetic flux compensation, and combined the single-tuned filter circuit and three-phase transformer to extract harmonic energy

10、. a single-tuned filter circuit in series with the primary winding of the transformer, and they are paralleled in power system as a whole to filter harmonic, meanwhile extract grid harmonic energy from the secondary winding of the transformer. a fundamental tuned circuit is paralleled with the prima

11、ry winding of the transformer. the equivalent impedance of the fundamental turned circuit at fundamental frequency is zero and bypasses the capacitive fundamental current, meanwhile makes the harmonic extraction circuit as a short circuit, achieves the goal of extract harmonic energy without consumi

12、ng fundamental energy. a transformer based on the fundamental magnetic flux compensation series between the grid and the passive filter to improve harmonic impedance of grid, force more harmonic current flow into passive filter and maximize the harmonic extraction. finally, the harmonic energy extra

13、ction model is built and its working principle is analyzed. using matlab built the harmonic energy extraction model, by means of simulation, this model realize extract the fifth and seventh harmonic energy from power grid without consuming fundamental energy, and provide power to load as a three-pha

14、se source. the simulation results verify the feasibility and correctness in theory of this method. key words：phase sequence of harmonic; harmonic energy; fundamental magnetic flux compensation ; three-phase harmonic extraction circuit iv v 目 錄 摘摘 要要 .i 目目 錄錄.v 1 緒論緒論.1 1.1 課題的提出與意義.1 1.2 電網諧波電能提取技術研

15、究現狀.4 1.3 本文主要研究內容.6 2 電網諧波特性分析電網諧波特性分析.9 2.1 整流裝置的特征諧波.9 2.2 諧波相序特性.10 2.3 公用電網諧波標準.12 2.4 電網中的諧波功率.15 2.5 非正弦周期電流電路的功率和功率因數.17 2.6 本章小結.18 3 無源濾波器的設計與仿真無源濾波器的設計與仿真.19 3.1 無源濾波器的結構和基本原理.19 3.1.1 單調諧濾波器特性.19 3.1.2 二階高通濾波器特性.20 3.2 無源濾波器的電容器參數設計方法.22 3.2.1 無源濾波器的無功功率補償.22 3.2.2 最小濾波電容參數計算方法.23 3.3 系統

16、阻抗對濾波器參數的影響.24 3.4 磁通補償原理及其應用.26 3.4.1 磁通補償基本原理.26 3.4.2 磁通補償實現方法.28 3.4.3 無源基波磁通補償在本設計中的應用.30 3.5 無源濾波器的仿真研究.31 3.5.1 無基波磁通補償的無源濾波器仿真.32 3.5.2 有基波磁通補償的無源濾波器仿真.38 3.6 本章小結.40 vi 4 三相諧波電能提取電路的分析與仿真三相諧波電能提取電路的分析與仿真.41 4.1 三相諧波電能提取電路結構.41 4.2 三相諧波電能提取電路的工作原理.42 4.3 三相諧波電能提取電路的仿真研究.45 4.3.1 無基波磁通補償的諧波電能

17、提取電路的仿真研究.45 4.3.2 有基波磁通補償的諧波電能提取電路的仿真研究.49 4.4 本章小結.53 5 結論與展望結論與展望.55 參考文獻參考文獻.57 作者簡歷作者簡歷.61 學位論文數據集學位論文數據集.63 error! no text of specified style in document. 1 1 緒論 1.1 課題的提出與意義 電能作為人們日常工作和生活中最重要的能源，其利用程度和效率在一定程 度上反映了一個國家科學技術的發展水平。伴隨著時代發展和工業進步，電網中 的負荷也變得多種多樣，這些負荷在利用電能的同時，也給電網的電能質量帶來 一些負面影響。 在理想電網

18、中，電壓和電流的波形應該是工頻正弦波。正弦電壓施加在線性 時不變電阻、電感和電容元件上，其電流和電壓分別是比例、積分和微分關系， 仍為同頻率的正弦波。當正弦電壓施加在非線性電路元件上，電流發生畸變而成 為非正弦周期波，非正弦周期電流在電網阻抗上產生非正弦周期壓降，導致電壓 波形也變為非正弦周期波1，所以電網中的諧波主要是由電網中負荷的非線性引 起的。 電網中的非線性負荷可分為以下三類：第一類是由鐵磁飽和型材料制成的電 氣設備，如變壓器、飽和電抗器等；第二類是各種電力電子設備，如各種交直流 換流裝置，整流器、逆變器、開關電源、變頻裝置等；第三類是電弧型電氣設備， 如交流電弧爐、交流電焊機和日光燈

19、等2。 隨著電力系統中非線性負荷的日益增多，諧波污染問題變得日益嚴重，對電 力環境造成污染，給電網的經濟運行和電能質量造成極大影響。作為供電電源與 用電設備之間的非線性接口，電力電子裝置在實現功率轉換和處理的同時，不可 避免的產生諧波電流并將其注入電力系統，使電網的電壓和電流波形發生畸變。 尤其是 70 年代以來，伴隨電力電子技術的飛速發展，大量電力電子裝置在電網、 工業交通和日常生活等方面的廣泛應用，使其成為電網中的主要諧波源。 理想的公用電網給負載提供的電壓應該是單一固定頻率的正弦波，諧波電壓 和諧波電流的出現，對公用電網是一種污染，給電網中的用電設備的正常工作帶 來危害。諧波對公用電網及

20、電氣設備的危害有以下幾個方面： （1）諧波使公用電網中的電氣設備產生附加的諧波損耗，降低發電機、變 壓器、輸電線路及用電設備的效率，大量的三次諧波電流流過中性線時，會使線 路過熱而損壞。 （2）影響電氣設備的正常工作。對于電動機來說，諧波除了引起附加的諧 波損耗外，還會產生機械振動、噪聲和過電壓，局部嚴重過熱。諧波導致設備發 xxx 理工大學碩士學位論文 2 熱增加，加速絕緣元件的老化，縮短設備壽命，影響電氣設備的正常工作，如諧 波會造成電纜、電容器設備過熱、絕緣老化、壽命縮短，嚴重時可損壞設備。 （3）引起電網局部諧振。電網中為了提高功率因數在負荷側裝設大量并聯 電容器，同時為消除電網中的某

21、次諧波裝設大量的單調諧無源濾波器。諧波會引 起公用電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，從而使諧波放大，嚴重時燒毀電抗器 和電容器而引發事故。 （4）諧波引起電力計量和測量誤差。 （5）諧波造成繼電保護和自動裝置誤動作。 （6）諧波對相鄰的通信線路產生干擾，降低通信質量。 采用濾波裝置就近吸收諧波源產生的諧波，是目前抑制電網諧波污染的主要 措施，濾波裝置主要有無源濾波器、有源濾波器和混合濾波器。無源濾波器結構 簡單，技術成熟，成本低，治理電網諧波的同時為電網提供無功補償，是治理電 網諧波的主要方法之一。但無源濾波器也有一些缺點：濾波效果受系統阻抗的影 響；無源濾波器與系統阻抗發生諧振，導致某次諧波放

22、大；一條無源濾波支路只 能濾除一定頻率的諧波，濾除不同頻率的諧波需要多個濾波支路；不能對變化的 諧波進行動態補償。 隨著電力電子技術的發展，特別是全控型器件和pwm逆變技術的出現，以及 瞬時無功功率理論的成熟，使有源電力濾波器成為治理電網諧波和無功補償的一 種新方法。有源濾波器相對于無源濾波器具有明顯的優勢，能夠對電網中的諧波 進行動態跟蹤補償，并且其補償特性不受電網阻抗變化的影響，不容易和電網阻 抗發生諧振。有源濾波器的變流電路分為電壓型和電流型，目前實用的裝置中90%以 上是電壓型3。從有源濾波器和補償對象的連接方式來看，有源濾波器分為并聯 型和串聯型，目前并聯型占實用裝置的絕大多數。 將

23、無源濾波器和有源濾波器通過不同的拓撲結構組成的混合型濾波裝置已成 為諧波治理研究的熱點。混合濾波器結合了有源濾波器和無源濾波器的優點，即 無源濾波器成本低，可以濾除大容量諧波，有源濾波器動態補償諧波，補償效果 不受電網參數影響。將無源濾波器和有源濾波器通過不同的拓撲結構聯接，形成 多種混合濾波方案，常用的有并聯無源與并聯有源混合型、有源與無源串聯后與 電網并聯混合型、并聯無源與串聯有源混合型、統一電能質量控制器等4。 目前對電網諧波抑制的研究大都是針對某種諧波源和濾波裝置單獨進行的， 實際的供用電系統結構非常復雜，其中電力電子裝置等非線性負荷種類繁雜，數 error! no text of s

24、pecified style in document. 3 量眾多，容量和諧波特性以及其在供電系統中的位置各異，濾波裝置的特性各不 相同，諧波源之間、濾波裝置之間、諧波源和濾波裝置之間相互影響。因此，單 純針對某種濾波裝置的研究是遠遠不夠的，必須以整個供用電系統為對象，對諧 波的綜合治理進行深入研究，建立諧波綜合治理的系統理論和技術基礎。目前世 界范圍內對諧波治理的研究趨向于對諧波綜合治理系統研究9。 不論是采用無源濾波器還是有源濾波器治理電網中的諧波，其目的都是將電 網中的諧波濾除，使電網中的諧波含量降低到國標規定值以下，使電網達到安全 運行的要求。安裝濾波設備不僅增加投資，還要增加運行費用

25、，加重電網的日常 運行管理工作，特別是要抑制的諧波幅值越高，其濾波設備的投資和運行費用就 會越高。 值得注意的是電網中的諧波電壓和諧波電流也是一種能源，只是其頻率并非 電網中通常所采用的工頻頻率。如果將這部分諧波電能提取出來并加以利用，在 治理諧波的同時利用諧波電能，不失為一種治理電網諧波的好方法。將抑制諧波 轉變為利用諧波的能量，實現變廢為寶，將利用諧波能量獲得的效益，用以補償 有關設備的經濟投入，而且也是綠色能源、循環經濟發展中的一個有益環節。 電網中的大功率非線性用電負荷，其產生的諧波功率是相當可觀的。有研究 表明，對某一電解項目進行分析，電解設備用電為 24mw，功率因數 0.7，在變

26、 壓器 110kv 側出現 6k1 次諧波。仿真結果表明可利用的諧波功率為 1.48mw， 日利用諧波電能 35520kwh，每年以利用 5000h 計算，可利用諧波電能 740 萬 kwh10。理論計算一個用電 18mw 的鋁電解設備，可利用的諧波功率為 1 mw，日利用諧波電能 24000kwh，每年以利用 6000 小時計算，可利用諧波電能 600 萬 kwh，相當于節省電費 300 多萬元。 將電網中的諧波電能提取出來并加以利用作為治理電網諧波的一種新方法， 與傳統的采用無源濾波器和有源濾波器治理電網諧波的方法相比，并不是單純的 將諧波濾除，而是將電網中的諧波電能提取出來，經過整流或變

27、頻裝置將其轉化 成直流電或基波交流電，在實現諧波治理的同時利用電網中的諧波電能。尤其是 在諧波含量比較豐富的變電站以及大型冶煉企業內進行諧波提取，把這些諧波能 量轉化為基波電能，在減小電網中諧波污染的同時實現能量的最大程度利用。這 樣既降低電網中諧波含量，提高電能質量，又節約社會資源，具有巨大的經濟意 義。 這種治理諧波的方法相對于通過濾波器濾除諧波的方式具有經濟方面的研究 xxx 理工大學碩士學位論文 4 價值，已有學者開始這方面的研究。因此，電網諧波電能提取技術這一課題研究 具有現實意義和經濟價值。 1.2 電網諧波電能提取技術研究現狀 電網諧波電能提取技術作為治理電網諧波的一種新方法，在

28、實現治理電網諧 波的同時將電網中的諧波電能提取出來并加以利用，目前國內外對這方面的研究 較少，還處于探索階段。 鄭州大學趙國生率先提出一種利用電網諧波進行拖動或發電的方法。該方法 將電網每相的無源濾波裝置與三繞組變壓器原邊繞組串聯組成濾波電路并聯于電 網，濾除電網中的諧波，從變壓器的副邊繞組提取諧波電能。為避免在諧波提取 過程中消耗基波電能，在變壓器的另一副邊繞組通過基波消磁電路注入基波無功 電流進行基波消磁11。通過基波消磁使變壓器鐵心中的基波磁通接近為零，從變 壓器的副邊繞組提取出無源濾波裝置濾除的電網諧波成分。提取到的諧波電能經 過三相全波整流后與直流電動機的電樞繞組相連，或者連接相應的

29、發電設備，將 諧波電能作為發電設備的勵磁電流。電網中的諧波電壓和電流分量是隨機變化的， 為了抑制這種變化對電動機的影響，在電動機電樞繞組和整流電路之間串聯電抗 器。為了使直流電動機能在諧波電壓波動情況下拖動同步發電機發電，采用調節 直流電動機勵磁電流的方法來調節發電機輸出的電壓。 四川大學滕福生提出將電容器與特構變壓器相結合提取電網諧波電能。將電 容器與特構變壓器組成諧波分頻電路并聯在電網中，構成特定次諧波的諧振通道 濾除電網中的諧波，同時在變壓器的副邊繞組提取電網諧波電能，并將諧波電能 轉化為可供負載利用的電能10。 鄭州大學陳群和楊新志采用基波磁通補償原理和調諧濾波技術相結合，通過 設置三

30、繞組變壓器和無源濾波器參數，使變壓器的原邊繞組和無源濾波器的阻容 電路組成調諧電路，從而使電網中的諧波電能流入變壓器的原邊，同時從變壓器 的二次繞組提取電網中的諧波電能，并經過變頻裝置變為可直接利用的基波電能。 對于電網基波來說，濾波電路呈容性阻抗，因此在諧波提取時有容性基波電流流 入變壓器。同時利用變壓器的電磁感應和基波磁通補償原理，將變壓器三次繞組 通過一個電感與基頻電源串聯，使變壓器三次繞組側的基波電流與變壓器一次側 的容性基波電流大小相等、方向相反，使變壓器原邊在基頻下呈零阻抗消除基波 無功，從而使變壓器副邊提取的諧波電能中盡可能不含基波無功，從而實現在不 error! no text

31、 of specified style in document. 5 取用基波功率的前提下提取電網諧波電能12。 xxx 機電高等專科學校仝戰營提出在三相電路中串入電感和電容組成的基波 諧振電路，在基波諧振電路與非線性負載之間并聯直流儲能設備，通過三個正向 二極管和三個反相二極管與電路并聯，提取非線性負載不消耗的正、負半周期的 剩余諧波電能，將提取到的諧波電能以直流電方式儲存在儲能設備。該電路對基 波電流無影響，對諧波電流呈現高阻抗，從而迫使諧波電流通過二極管電路以正 負直流電能的形式流入直流儲能設備，儲存的直流電能經平波后可直接利用或經 逆變裝置送回電網16。 為了保證諧波提取后電網諧波含量

32、達到國標要求，抑制電網阻抗對諧波電能 提取電路的影響，同時讓更多諧波流入單調諧濾波器，使諧波提取最大化，在電 網和諧波提取電路之間串聯一個基于基波磁通補償（fundamental magnetic flux compensation, fmfc）的變壓器18。在滿足基波磁通補償的條件下，串聯變壓器 對電網基波呈現變壓器一次側繞組漏阻抗，對諧波呈現數倍的變壓器勵磁阻抗。 變壓器的漏阻抗通常較小，勵磁阻抗通常遠大于漏阻抗，從而提高電網側對諧波 的阻抗，被迫諧波電流流入諧波提取電路，使諧波提取最大化。 在基波磁通補償電路中，鑒于補償方式的不同，可以將基波磁通補償分為有 源基波磁通補償和無源基波磁通補

33、償。有源基波磁通補償采用檢測電路實時檢測 電網中基波電流的幅值和相位，并由逆變裝置產生與一次側基波電流幅值相等、 相位相反的基波電流注入串聯變壓器二次側，使其滿足基波磁通補償條件，對電 網諧波呈高阻抗22。這種方法需要實時檢測電網中基波電流的幅值和相位，對檢 測電路的實時性要求較高。有源基波磁通補償的檢測方法主要有瞬時無功功率理 論檢測法、自適應檢測法、基于小波變換檢測法、基于神經網絡檢測法及基于空 間矢量檢測法等。 華中科技大學陳喬夫提出一種有源基波磁通補償方案，該方案將串聯變壓器 二次側與一個電壓型逆變器連接在一起，通過控制逆變器跟蹤一次側的基波電流， 由逆變電路向變壓器二次側繞組注入滿足

34、基波磁通補償的電流，使變壓器中基波 磁通接近于零26。從變壓器的原邊來看對基波呈現一次側繞組漏阻抗，對諧波呈 現數倍的勵磁阻抗，提高電網側對諧波的阻抗，實現對諧波電流的隔離，迫使諧 波電流流入無源或混合濾波器支路。這種方案只需檢測、跟蹤電網基波電流，電 路結構簡單，性能穩定，易于在工程中實現，由于電網中的基波電流通常較大， 對逆變裝置的容量要求較高。 xxx 理工大學碩士學位論文 6 無源基波磁通補償是以無源元件為串聯變壓器提供基波磁通補償電流，無源 基波磁通補償方法主要有兩種。鄭州大學焦留成提出將串聯變壓器二次側由基波 諧振回路連于電網，通過基波諧振電路提供與串聯變壓器一次側幅值相等、相位

35、相反的基波磁通補償電流，從而使變壓器鐵心中的基波磁通為零，提高電網側對 諧波的阻抗，迫使諧波電流流入濾波器支路29。xxx 理工大學韓素敏提出在諧波 源前串聯變壓器，二次側以基波單調諧電路作為負載，滿足基波磁通補償條件。 該環節使得基波電流無衰減通過，而對于諧波電流呈現高阻抗，提高電網對諧波 的阻抗，從而使得變壓器一次、二次側只含有基波電流和諧波電壓，電源側基本 不含諧波成分，達到隔離電網諧波的目的32。 除了檢測電網基波電流外，也可以通過逆變裝置給串聯變壓器二次側提供一 個與電網中諧波電流呈正比的諧波電壓。對諧波電流來說，此時串聯變壓器等效 為一個電阻，其阻值遠大于電網阻抗和無源濾波器的等效

36、阻抗，阻止諧波電流流 向電網，這種方法多用于串聯混合型電力濾波器。 1.3 本文主要研究內容 本課題來源于 xxx 省重點科技攻關項目“利用電網諧波進行發電技術的研究” 。本文在前人研究的基礎上，對電網諧波電能提取方法做進一步的研究，其主要 研究內容： （1）本文以阻感負載的三相橋式整流電路作為諧波源，分析其產生諧波的 特征和諧波相序特性，為提取三相電網中的諧波電能提供理論依據。分析電網諧 波的相序特性，探討提取到的諧波電能是否可作為三相電源。依據現有的國家標 準和相關諧波電能數據，分析諧波電能提取的經濟性。 （2）根據無源濾波器的基本原理，以及相關參數設計方法，設計一種無源 濾波電路，該濾波

37、電路應該滿足在濾除電網諧波的同時補償電網無功功率，濾波 后電網側的電壓和電流諧波含量滿足國標要求，為諧波電能提取提供技術支撐。 （3）分析磁通補償原理，設計無源基波磁通補償電路，對其電路結構和工 作原理進行分析。該基波磁通補償電路應該滿足對電網諧波呈高阻抗，對電網基 波呈低阻抗，在不影響電網基波的情況下實現電網側對諧波的隔離，使無源濾波 效果不受電網系統阻抗變化的影響。建立無源濾波電路仿真模型，對其濾波效果 進行仿真驗證，并在無源基波磁通補償條件下對濾波電路進行仿真，分析無源基 波磁通補償電路對濾波效果的影響。 error! no text of specified style in docu

38、ment. 7 （4）設計三相諧波電能提取電路，建立三相諧波電能提取電路模型，對其 電路結構和工作原理進行詳細分析。所設計的三相諧波電能提取電路應該滿足在 不取用電網基波電能的情況下，提取電網中的諧波電能，并將提取到的諧波電能 作為三相電源。 （5）在 matlab 中建立諧波電能提取電路模型，并對其進行仿真。分析提 取到的諧波波形并計算諧波電能，對諧波提取后電網中的電壓電流畸變率是否滿 足國標要求和提取到的三相諧波是否滿足相序特性進行檢驗，驗證本文的三相諧 波電能提取方法的正確性和可行性。 （6）總結研究工作的成果，給出其中的不足之處，并對進一步研究做出展 望。 error! no text

39、 of specified style in document. 9 2 電網諧波特性分析 2.1 整流裝置的特征諧波 電網中的諧波源有變壓器、整流器、開關電源、變頻裝置和電弧爐等，目前 電網中的主要諧波源是電力電子裝置，在各種電力電子裝置中，整流器所占比例 較大。晶閘管整流裝置采用移相控制，從電網中吸收的是缺角的正弦波，從而給 電網留下的是另一部分缺角的正弦波，導致電網中的電壓和電流波形發生畸變。 整流器是一種典型的諧波源，其直流側濾波元件有電感和電容兩種，因此它們注 入電網的諧波也有差異，并且受濾波電感和電容大小的影響。根據直流側濾波方 式的不同，可將這種諧波源分為電壓型諧波源和電流型諧波

40、源34。 阻感負載的三相橋式全控整流電路，假設直流側濾波電感足夠大，忽略電路 的換相過程，直流側電流為恒穩直流電流。每個晶閘管導通時間均為， d i2/3 任一瞬間均有兩個晶閘管導通2。電源供給的電流為晶閘管導通時通過的電流， 即交流側相電流為正、負半波幅值且持續時間為的矩形波，交流側三相 d i2/3 電流波形相同，相位依次相差 120。對該矩形波采用傅里葉級數展開成三角函數 級數，即 (2-1) 0 1 ( )(cossin) nn n i taan tbn t 式中 2 0 0 1 ()d() 2 aitt 2 0 1 ()cosd() 2 n aitn tt 2 0 1 ()sind(

41、) 2 n bitn tt (1,2,3)n 以 a 相電流為例，電流的傅里葉分析表達式為 a i (2-2) 61 1,2,3 1 61 1,2,3 2 3111 sinsin5sin7sin11 5711 2 32 31 sin( 1)sin 2sin( 1)2sin ad k dd nk k k n nk k iitttt itin t n itin t 由式（2-2）可知基波和各次諧波電流有效值分別為 xxx 理工大學碩士學位論文 10 (2-3) 1 6 6 61,12 3 d nd ii iinkk n ， 由上述分析可得以下結論：三相全控橋式整流電路注入電網的電流中僅含有 （k

42、為正整數）次諧波，各次諧波有效值與諧波次數呈反比，且諧波電流有61k 效值與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。 當整流器直流側采用電感濾波時，如果濾波電感 l 足夠大，其直流側電流基 本保持恒定，注入電網的諧波電流主要由直流側電流的大小和各半導體器件的切 換方式所決定，受交流側參數影響較小，具有理想電流源的特性，因此直流側采 用大電感濾波的整流器可看成理想諧波電流源。與直流側電感濾波的整流器相對 應，直流側采用電容濾波的整流器，如果濾波電容足夠大，其直流側電壓為恒值， 并通過各半導體開關器件的切換加到交流側，這類諧波源產生的諧波電壓主要由 直流側電壓的大小和半導體器件的切換方式所決定，受交流側

43、參數影響較小，具 有理想電壓源的特性，因此直流側采用大電容濾波的整流器可以看做電壓型諧波 源37。在各種諧波源中，變壓器、換流器、電弧爐、電氣化鐵道等屬于電流型諧 波源，家用電器、變頻器、不間斷電源和開關電源等屬于電壓型諧波源。 2.2 諧波相序特性 在對稱三相電路中，當負載為線性負載時，三相電壓和電流符合正序相序特 性，即各相電壓和電流大小相等，相位互差 120。以相電流為例，三相電流可表 示為 (2-4) 2 sin() 2 sin(2/3) 2 sin(2/3) a b c iit iit iit 當負載為三相對稱的非線性負載時，電網電流波形發生畸變，設 a 相電流的 表達式為 (2-5

44、)2sin() annn iin t 則 b、c 相電流的表達式分別為 (2-6) 2sin2/3 = 2sin(2/3) bnnn nn iint in tn （） error! no text of specified style in document. 11 (2-7) 2sin (2/3) = 2sin(2/3) cnnn nn iint in tn 對上述各式進行分析，可得出以下結論： （1）當(k=1,2, 3)，即 n 為 3, 6, 9時，三相諧波電流大小和相位均3nk 相同，即為零序諧波。 （2）當，即 n 為 4, 7, 10時，三相諧波電流大小相等，b 相電流31nk

45、比 a 相電流滯后，c 相電流比 a 相電流超前，這些次數的諧波電流2/32/3 均為正序諧波。 （3）當，即 n 為 2, 5, 8時，三相諧波電流大小相等，b 相電流比31nk a 相電流超前，c 相電流比 a 相電流滯后，這些次數的諧波電流均為2/32/3 負序諧波39。 阻感負載的三相橋式全控整流電路的 a 相電流傅里葉分析結果如公式 2-2 所 示，由于交流側三相電流波形相同，相位依次相差 120，則 b 相和 c 相電流的 傅里葉分析表達式為 (2-8) 1 61 1,2,3 1 61 1,2,3 2sin(2/3)( 1)2sin (2/3) 2sin(2/3)( 1)2sin(

46、2/3) k bn nk k k n nk k iitint itin tn (2-9) 1 61 1,2,3 1 61 1,2,3 2sin(2/3)( 1)2sin (2/3) 2sin(2/3)( 1)2sin(2/3) k cn nk k k n nk k iitint itin tn 當時，b 相諧波電流比 a 相超前，c 相諧波電流比 a 相滯后61nk2/3 ，這些次數的諧波電流均為負序諧波。2/3 當時，b 相諧波電流比 a 相滯后，c 相諧波電流比 a 相超前61nk2/3 ，這些次數的諧波電流均為正序諧波。2/3 由上述分析可得出以下結論：阻感負載的三相橋式整流電路產生的特

47、征諧波 表現出一定的相序特性，5、11、17 等次諧波表現為負序特性，7、13、19 等次 諧波表現為正序特性。因此在進行諧波提取時，可以將這部分諧波電能以三相的 方式提取出來，并作為三相電源利用。 電網中的諧波電壓是諧波電流在系統阻抗上產生諧波壓降，導致電網中的諧 波電壓產生畸變，電網中的電壓畸變程度取決于系統阻抗和諧波電流的大小，由 xxx 理工大學碩士學位論文 12 于電網中的諧波電流呈現一定的相序特性，因此電網中的諧波電壓與相應次數的 諧波電流具有同樣的相序特性。 綜上所述，對稱三相電路中的各次特征諧波具有一定的相序特性。因此，在 進行諧波電能提取時利用諧波的這一特性，采用三相變壓器提

48、取電網中的某次三 相諧波電能，將提取到的諧波電能作為三相電源。這種提取方法與采用三個單相 變壓器提取電網諧波相比，簡化了電路結構，節約投資，同時擴大了諧波電能的 應用場合，便于諧波電能的提取利用。 2.3 公用電網諧波標準 國際上公認的諧波含義為：“諧波是一個周期電氣量的正弦波分量，其頻率 為基波頻率的整數倍”。對于周期為的非正弦電壓，一般滿足狄里2/t ()ut 赫利條件，可分解為如下形式的傅立葉級數： (2-10) 0 1 ( )(cossin) nn n u taan tbn t 式中 2 0 0 1 () () 2 aut dt 2 0 1 ()cos() 2 n autn tdt 2

49、 0 1 ()sin() 2 n butn tdt (1,2,3)n 在式(2-10)的傅里葉級數中，定義頻率為的分量稱為基波，頻率大于基波1/t 頻率整數倍的分量稱為諧波。 諧波含有率(hr)反映某一頻率諧波的含有量，第 n 次諧波的含有率表示為第 n 次諧波的有效值與基波分量有效值之比。n 次諧波電壓含有率可表示為 n hru (2-11) 1 100% n n u hru u 式中為第 n 次諧波電壓有效值；為基波電壓有效值。 n u 1 u n 次諧波電流含有率表示為 n hri (2-12) 1 100% n n i hri i 式中為第 n 次諧波電流有效值；為基波電流有效值。 n

50、 i 1 i 總諧波畸變率(thd)反映的是諧波的總體畸變情況，定義為各次諧波總量的 error! no text of specified style in document. 13 有效值與基波分量的有效值之比。 諧波電壓含量和諧波電流含量分別定義為 h u h i (2-13) 2 2 hn n uu (2-14) 2 2 hn n ii 電壓諧波總畸變率和電流諧波總畸變率分別定義為 u thd i thd (2-15) 1 100% h u u thd u (2-16) 1 100% h i i thd i 為了保證公用電網的正常工作，給電網中的用電負荷提供滿足電能質量標準 的電能，抑

51、制公用電網中的諧波電流和諧波電壓對電網本身和用電設備的正常運 行產生影響，世界上許多國家都發布了限制電網諧波的標準。制定這些標準的基 本原則是限制諧波源注入電網的諧波電流，把電網諧波電壓控制在允許范圍內， 保證電網的正常運行和接入電網的各種電氣設備正常工作1。 目前在國際上主要有 ieee 和 iec 這兩種電能質量標準，我國在參考兩大電 能質量標準的基礎上，同時結合我國的國情，制定出我國的諧波標準 gb/t 14549-93電能質量 公用電網諧波 。 諧波標準主要用兩個參數來表征，即公用電網諧波電壓限值和注入電網的諧 波電流允許值。對于不同電壓等級的公用電網，所允許的電壓諧波畸變率也不相 同

52、。表 2-1 給出了公用電網諧波電壓限值。 表表 2-12-1 公用電網諧波電壓（相電壓）限值公用電網諧波電壓（相電壓）限值 tab.2-1 the harmonic voltage (phase voltage) limits of public power grid 各次諧波電壓含有率（%） 電網標稱電壓（kv）電壓總諧波畸變率（%） 奇次 偶次 0.385.04.02.0 6 10 4.03.21.6 35 66 3.02.41.2 1102.01.60.8 xxx 理工大學碩士學位論文 14 公共連接點的全部用戶向該點注入的諧波電流分量（方均根值）不應超過表 2-2 中規定的允許值40

53、。 表表 2-22-2 注入公共連接點的諧波電流允許值注入公共連接點的諧波電流允許值 tab.2-2 the limits of harmonic current injecting into the point of pcc 諧波次數及諧波電流允許值(a)標準 電壓 (kv) 基準 短路 容 量 (mva ) 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 0.3810786239622644192116281324 610043342134142411118.5167.113 10100262013208.5156.46.85.19.34.37.9 35250154.17.7125

54、.18.83.84.13.15.62.64.7 6650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.0 110750129.66.09.64.06.83.03.22.44.32.03.7 表表 2-22-2 ( (續續) )注入公共連接點的諧波電流允許值注入公共連接點的諧波電流允許值 tab.2-2(continuing) the limits of harmonic current injecting into the point of pcc 諧波次數及諧波電流允許值(a)標準 電壓 (kv) 基準 短路 容 量 (mva ) 14 15 16 17 18 19 20

55、 21 22 23 24 25 0.381011129.7188.6167.88.97.1146.512 61006.16.85.3104.79.04.34.93.97.43.66.8 101003.74.13.26.02.85.42.62.92.34.52.14.1 352502.22.51.93.61.73.21.51.81.42.71.32.5 665002.32.62.03.81.83.41.61.91.52.81.42.6 1107501.71.91.52.81.32.51.21.41.12.11.01.9 注：220kv 基準短路容量取 2000mva。 當公共連接點的最小短路容量

56、不同于基準短路容量時，可按公式(2-17)計算 實際電網中所允許的諧波電流值，即 error! no text of specified style in document. 15 (2-17) 1 2 k nhp k s ii s 式中為短路容量為時的第 n 次諧波電流允許值(a)；為國標中第 n 次諧波 h i 1k s hp i 電流允許值(a)；為公共連接點的最小短路容量(mva)；為基準短路容量 1k s 2k s (mva)。 當公共連接點有多個用戶時，每個用戶向電網注入的諧波電流允許值按此用 戶在該點的用電協議容量與其公共連接點的供電設備容量之比進行分配。第 i 個 用戶的第 n

57、 次諧波電流允許值按下式計算： ni i (2-18) 1/ (/) a ninit iiss 式中為按式 2-17 計算的第 n 次諧波電流允許值；為第 i 個用戶的用電協議容 n i i s 量；為公用連接點的供電設備容量； 為相位疊加系數，按表 2-3 取值。 t sa 表表 2-32-3 相位疊加系數取值相位疊加系數取值 tab.2-3 the value of phase superposition coefficient n357111313 及偶次 a1.11.21.41.81.92 2.4 電網中的諧波功率 電網中的非線性負荷在消耗基波功率的同時，將一部分基波電能轉化為諧波 功

58、率反送到電網中，即向電網提供諧波電流。諧波電流在電網中流動會產生功率 損失，作為電網線損的一部分，同時對電網中其他負荷的正常運行產生影響，不 利于電網的經濟運行41。 當電網中的諧波電流和諧波電壓均符合國標規定時，電網中的諧波功率只占 輸電容量的很小份額。10kv 電網供電的三相整流裝置，基波負荷為 2mw，協議 用電容量為 2.5mw，10kv 電網的供電容量為 10mw，公共連接點的最小短路容 量為 100mw。三相整流裝置主要產生 6k1 次諧波電流，且 5、7 次諧波電流較 大，因此對該用戶注入電網的 5、7 次諧波功率進行計算。 按照國標 gb/t 14549-93 規定，本電網允許

59、注入的諧波電流值為 1/1.2 5 2.5 206.3(a) 10 i 1/1.4 7 2.5 155.6(a) 10 i 10kv 電網的公共連接點處存在諧波電壓和，諧波電壓含有率和總諧波電壓 5 u 7 u xxx 理工大學碩士學位論文 16 畸變率為 5 3.2%hru 7 2.4%hru 22 0.0320.0244% u thd 諧波電壓含有率和總諧波電壓畸變率都在國標要求范圍之內，則該用戶注入電網 的諧波功率為 5 3 10 0.032 6.33.49(kw)p 7 3 10 0.024 5.62.33(kw)p 5 次和 7 次諧波功率合計為 57 5.82(kw)pp 即總的諧

60、波功率小于該用戶基波功率的 0.29%。當電網容量較小時，采取濾波措 施將電網中的諧波電壓和諧波電流含量降低到國標要求范圍之內，此時電網中所 含有的諧波電能比較小，占基波負荷的很小一部分。 但對于較大的電網來說，即使諧波電能占基波負荷的很小一部分，但諧波電 能總量是比較大的。一個省的電網或跨省的電網中所有非線性電力用戶注入電網 的諧波功率總數還是相當大的。例如總負荷為 300 萬 kw 的電網，若其諧波源負 荷總計為 60 萬 kw，它們注入電網的有功功率為這些負荷的 0.2%，則其諧波功 率總值高達 1200kw，年損失電量達 1051 萬 kw2。 對于電網中功率較大的諧波源，若不對其進行