1、電力系統(tǒng)諧波抑制的仿真(fn zhn)研究目 錄1 緒論(xln) 1.1 課題背景(bijng)及目的 1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進(jìn)展 1.2.1國外研究現(xiàn)狀 1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀 1.3 本文的主要內(nèi)容2 有源電力濾波器及其諧波源研究 2.1 諧波的基本概念 2.1.1 諧波的定義 2.1.2諧波的數(shù)學(xué)表達(dá) 2.1.3電力系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn) 2.2 諧波的產(chǎn)生 2.3 諧波的危害和影響 2.4 諧波的基本防治方法 2.5無源電力濾波器簡述 2.6 有源電力濾波器介紹 2.6.1 有源濾波器的基本原理. 2.6.2 有源電力濾波器的分類. 2.7并聯(lián)型有源電力濾波器的補(bǔ)償特性 2.7.1諧波源 2.

2、7.2有源電力濾波器補(bǔ)償特性的基本要求 2.7.3影響有源電力濾波器補(bǔ)償特性的因素 2.7.4并聯(lián)型有源電力濾波器補(bǔ)償特性 2.8 諧波源的數(shù)學(xué)模型的研究 2.8.1 單相橋式整流電路非線性負(fù)荷 2.8.2 三相橋式整流電路非線性負(fù)荷.3 基于瞬時無功功率的諧波檢測方法 3.1諧波檢測的幾種方法比較 3.2三相電路瞬時無功功率理論 3.2.1瞬時有功功率和瞬時無功功率 3.2.2瞬時有功電流和瞬時無功電流 3.3 基于瞬時無功功率理論的諧波檢測算法. 3.4基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法.4并聯(lián)有源電力濾波器的控制策略 4.1并聯(lián)型有源電力濾波器系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理 4.2并聯(lián)有源電力濾波器

3、的控制研究. 4.2.1并聯(lián)有源電力濾波器直流側(cè)電壓控制 4.2.2有源電力濾波器電流跟蹤控制技術(shù) 4.2.2.1 PWM控制原理 4.2.2.2滯環(huán)比較控制方式 4.2.2.3三角波比較方式 4.3有源電力(dinl)濾波器的主電路設(shè)計 4.3.1直流側(cè)電容量的選擇(xunz). 4.3.2直流側(cè)電壓(diny)的選擇5 有源電力濾波器仿真分析 5.1 仿真電路及主要參數(shù). 5.2 仿真結(jié)果及分析.6 總結(jié).1 緒論(xln)1.1課題(kt)背景及目的隨著國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高(t go)，電力電子產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于工業(yè)控制領(lǐng)域，用戶對電能質(zhì)量的要求也越來越高，諧波問題一直被作為

4、最突出的問題之一而受到廣泛的關(guān)注。改善電能質(zhì)量，既需要供電部門提高供電質(zhì)量，同時在用戶側(cè)就地改善電能質(zhì)量也是很有必要的，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確指出：用戶的非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷、波動負(fù)荷、非對稱負(fù)荷對供電質(zhì)量產(chǎn)生影響或?qū)Π踩\行構(gòu)成干擾和妨礙時，用戶必須采取措施加以消除。電能質(zhì)量問題的提出由來已久，衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)也是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而備受關(guān)注。在電力系統(tǒng)的發(fā)展早期，電力負(fù)荷的組成比較簡單，主要由同步電動機(jī)、異步電動機(jī)和各種照明設(shè)備等線性負(fù)荷組成。20世紀(jì)80年代以來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性電力電子器件和裝置在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，不少用戶對電能的利用都要經(jīng)過電力電子裝置的轉(zhuǎn)換和控制，這些

5、裝置給人們生產(chǎn)和生活帶來方便和效率的同時，使電力系統(tǒng)的非線性負(fù)荷明顯增加。諧波研究的意義，是因為諧波的危害十分嚴(yán)重，諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱、產(chǎn)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(shè)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(hù)、自動裝置工作紊亂，增加感應(yīng)電動機(jī)的損耗，使電動機(jī)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(shè)備造成影響。諧波研究的意義，還在于其對電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。但是，現(xiàn)在電力電子裝置產(chǎn)生

6、的諧波污染已經(jīng)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(lǐng)域的研究人員必須對諧波問題進(jìn)行更為有效的研究。諧波研究的意義，還可以上升到治理污染環(huán)境、維護(hù)綠色環(huán)境來考慮。對電力電子來說，無諧波就是“綠色的主要標(biāo)志之一。因此消除諧波污染，已成為電力系統(tǒng)，尤其是電力電子技術(shù)中的一個重大課題。諧波研究及其抑制技術(shù)已日益成為人們關(guān)注的問題。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和進(jìn)展121國外研究現(xiàn)狀國外對電力諧波問題的研究大約在五六十年代開始，當(dāng)時主要是針對高壓直流輸電技術(shù)中變流器引起的電力系統(tǒng)諧波問題進(jìn)行研究。到了七八十年代，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，諧波問題變得日益嚴(yán)重，從而引起各國的高度重視。最近

7、幾十年，電力諧波的研究，已經(jīng)滲透到了許多其它學(xué)術(shù)領(lǐng)域，并且形成了自己特有的理論體系、分析研究方法、控制與治理技術(shù)、監(jiān)測方法與技術(shù)、限制標(biāo)準(zhǔn)與管理制度等。到目前為止，對諧波這一領(lǐng)域的研究仍然非常活躍。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(nèi)得到了十分廣泛的關(guān)注，國際電工委員會(IEC)、國際大電網(wǎng)會議(CIGRE)、國際供電會議(C也D)及美國電氣和電子工程師學(xué)會(IEEE)等國際性學(xué)術(shù)組織，都相繼成立了專門的電力系統(tǒng)諧波工作組，并己制定除了限制電力系統(tǒng)諧波的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。從1984年開始，每兩年召開一次的電力系統(tǒng)國際諧波會議(ICHPS)為這個領(lǐng)域的國際交流提供了直接的渠道，正推動著諧波

8、研究工作深入開展。122國內(nèi)研究(ynji)現(xiàn)狀 我國在有源電力濾波器的應(yīng)用研究方面，繼日本、美國、德國等之后，得到學(xué)術(shù)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(dá)的國家相比有一定的差距。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，推動了硅整流技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。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，電力牽引己成為我國鐵路動力(dngl)改造的主要方向。目前，非線性負(fù)荷的大量增加，使我國不少電網(wǎng)的諧波成分以大大超過了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并出現(xiàn)了一些危及電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運行的問題。于此同時，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

9、究工作，在多次學(xué)術(shù)會議上交流了這一方面的成果。 但是，我國在有源電力濾波器方面的研究仍處于起步階段，到1989年才有這方面的文章。研究APF主要集中在并聯(lián)型、混合型，也開始研究串聯(lián)型。研究最成熟的是并聯(lián)型，而且主要以理論眼界和實驗研究為主。理論上涉及到了功率理論的定義、諧波電流(dinli)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。1991年北方交通大學(xué)王良博士研制出3KVA的無功及諧波的動態(tài)補(bǔ)償裝置；同年，華北電力科學(xué)院和冶金自動化研究院聯(lián)合研制了用于380V三相系統(tǒng)的33KVA雙極面結(jié)型(BJT)叫電壓型濾波器；采用多重化技術(shù)剛，西安交通大學(xué)研制出120KVA并聯(lián)型有源濾波器的實驗

10、樣機(jī)。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APF展開了深入的理論研究。我國雖在理論上取得一定的進(jìn)展，由于多方面的條件的限制，我國的有源濾波技術(shù)還處于實驗階段，工業(yè)應(yīng)用上只有少數(shù)幾臺樣機(jī)投入運行，如華北電力實驗研究所、冶金部自動化研究院和北京供電公司聯(lián)合開發(fā)研究的有源高次諧波抑制裝置于1992年在北京木材廠中心變電站投入工業(yè)運行，該裝置采用了三個單相全控橋逆變器(功率開關(guān)為GTR)，用于低壓電網(wǎng)單個諧波源的諧波補(bǔ)償，且只能補(bǔ)償幾個特定次數(shù)的諧波(5、7、11、13次)，調(diào)制載波的頻率(33KHZ)不高；河南電力局與清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的20MVA靜止無功發(fā)生器(包含有源諧波器)在鄭州

11、孟若變電站進(jìn)行300KVA中間工業(yè)樣機(jī)試運行，該樣機(jī)主電路由18脈沖電壓型逆變器、直流儲能電容器、9臺曲折繞組變壓器及系統(tǒng)的連接變壓器組成，18脈沖逆變器分為3相6脈沖電壓型逆變器(功率開關(guān)為GTO)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。總的來講，目前我國有源電力濾波技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，仍處于試驗和攻堅階段，特別是在既治理諧波又補(bǔ)償無功功率的HAPF系統(tǒng)方面，還有許多基礎(chǔ)理論與技術(shù)有待于深入研究。1.3本文的主要內(nèi)容 本文主要針對電網(wǎng)諧波的抑制問題，對諧波和電力濾波器做了大量的研究和仿真工作。主要包括以下幾個部分。首先對課題的背景和國內(nèi)外諧波問題及其現(xiàn)狀進(jìn)行了描述。介紹了諧波的基本概念抑制(yzh)電網(wǎng)諧波的主要方式

12、，由無源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。介紹了電力諧波的基本概念以及非線性負(fù)荷諧波源的產(chǎn)生和影響，并對幾種典型的非線性諧波源進(jìn)行了分析。隨后對非線性負(fù)荷諧波源建立了數(shù)學(xué)模型，并用數(shù)學(xué)公式推導(dǎo)得出了結(jié)論。 研究了諧波的檢測方法和有源電力濾波器的控制方法，構(gòu)建了有源電力濾波器，進(jìn)行了MATLAB 仿真(fn zhn)實驗，仿真結(jié)果驗證了該濾波裝置的良好補(bǔ)償性能。（4）總結(jié)(zngji)與展望。2 有源電力濾波器及其諧波源模型研究2.1 諧波的基本概念2.1.1 諧波的定義電力系統(tǒng)諧波的定義是對周期性非正弦電量進(jìn)行傅立葉級數(shù)分解，除了得到與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還得

13、到一系列大于電網(wǎng)基波頻率的分量，而這部分分量就稱為電網(wǎng)諧波。諧波通常是指一個周期電氣量的正弦波的分量，其頻率為基波頻率的整數(shù)倍。諧波頻率與基波頻率的比值 （ n =f n / f l ） 稱為諧波次數(shù)。如我國電力系統(tǒng)的額定工作頻率為50Hz，故其2 次諧波為100 Hz，其3 次諧波為150 Hz，其4 次諧波為200 Hz電網(wǎng)中有時也存在非整數(shù)倍次數(shù)的分量，稱為非諧波或分?jǐn)?shù)諧波。諧波實際上是一種干擾量，污染電網(wǎng)，影響電能質(zhì)量。2.1.2 諧波的數(shù)學(xué)表達(dá)供用電系統(tǒng)中，通常認(rèn)為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)交流電壓和交流電流呈正弦波形。在進(jìn)行諧波分析時，正弦電壓通常由下數(shù)學(xué)式表示： (2-1)式(21)中：U為電壓有

14、效值，為初相角，為角頻率。 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(guān)系，仍為同頻率的正弦波。但當(dāng)正弦電壓施加在非正弦電路上時，電流就變?yōu)榉钦也ǎ钦译娏髟陔娋W(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會使電壓波形也變?yōu)榉钦也ā．?dāng)然，非正弦電壓施加在線性電路上時，電流也是非正弦波。理論上任何周期性波形都可以分解成傅立葉級數(shù)形式，稱為諧波分析或頻域分析。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。對于周期為T=2/的非正弦電壓U，一般滿足狄力赫利條件，可以分解為如下形式的傅立葉級數(shù)： （2-2）式中（2-2）：a0= (2-3)an= n=1,2,3 (2

15、-4)bn=n=1,2,3 (2-5)在傅立葉級數(shù)中頻率的分量稱為(chn wi)諧波，均以非正弦電壓為例，頻率為1/T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。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，把式中改成(i chn)即可。2.1.3電力系統(tǒng)(din l x tn)諧波標(biāo)準(zhǔn)由于電網(wǎng)中的諧波電壓和電流會對電網(wǎng)本身和用電設(shè)備造成根大的危害，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。世界許多國家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn)，或由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。各級電網(wǎng)的諧波水平一般用諧波電壓含有率或諧波畸變率來反映。國際

16、大電網(wǎng)會議(CIGRE)和國際電工委員會(IEC)都成立了專門工作組擬定電力系統(tǒng)和電工產(chǎn)品的諧波標(biāo)準(zhǔn)，很多國家對諧波也制定了相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)，一些國家的電壓總諧波畸變率的大致范圍為：低壓電N(O時，即a相的實際補(bǔ)償電流小于指令電流時，主電路a相上橋臂導(dǎo)通，下橋臂關(guān)斷;反之，當(dāng)Ica0、Icbo和IccO，此時需要增大a相和b相電流同時減小c相電流，對應(yīng)開關(guān)狀態(tài)為a相和b相上橋臂導(dǎo)通、下橋臂關(guān)斷，c相上橋臂關(guān)斷、下橋臂導(dǎo)通。將Sabc=110代入(4-16)得: (4-17)為了控制電流變化，需要使Ica、Ice增大同時使Icc減小，此時應(yīng)滿足: (4-18)由式(4-17)和(4-18)得: (

17、4- 19)如果要跟蹤電流的變化，就要在一個開關(guān)周期中滿足式(4-19)中的限制條件，考慮到最嚴(yán)重情況有: (4-20) 上式中，Em為交流側(cè)電源相電壓峰值，為了實現(xiàn)對電流變化的跟蹤，直流側(cè)電壓必須大于交流側(cè)電源相電壓的3倍，否則將出現(xiàn)(chxin)補(bǔ)償電流不按控制要求變化的情況。對于其它的開關(guān)組合情況，也可得到相同結(jié)論。5 有源電力(dinl)濾波器仿真分析5.1 仿真(fn zhn)電路及主要參數(shù)目前，有源電力濾波器大多采用并聯(lián)型，下面給出三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)圖。圖5.1 三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)圖如圖所示，主電路工作情況是由6 組開關(guān)器件的通斷組合所決定的。通常，逆變

18、器同一相的上下兩組開關(guān)器件總有一組中的一個器件是導(dǎo)通的。開關(guān)函數(shù)為： (i=1,2,3) （5-1）假設(shè)三相電源電壓之和 ，因為，可以得出描述主電路工作情況的微分方程： （5-2）式中主電路各橋臂中點(zhn din)與電源中點之間的電壓, 開關(guān)(kigun)系數(shù),。本文用MATLAB 對三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器系統(tǒng)(xtng)進(jìn)行仿真研究，仿真電路如圖5.2 所示。主要參數(shù)為：（1）電網(wǎng)：三相理想電壓源為380V，內(nèi)阻0.0312，50Hz。（2）非線性負(fù)載：電力系統(tǒng)的典型諧波源三相橋式全控整流器。整流器的直流側(cè)為阻感性負(fù)載，R=15，L=20e-3 H。（3）諧波檢測：采用基于瞬時無功

19、功率理論的p-q 諧波電流檢測方法。有源電力濾波器補(bǔ)償電流控制采用之前介紹的負(fù)載電流控制方式。圖5.2 并聯(lián)(bnglin)型有源電力濾波器仿真圖其中(qzhng)，各部分模塊圖具體如下：諧波(xi b)電流檢測環(huán)節(jié)模塊圖5.3 諧波電流檢測環(huán)節(jié)模塊PWM 模塊圖5.4 PWM 模塊(m kui)非線性負(fù)荷(fh)模塊圖5.5 非線性負(fù)荷(fh)模塊5.2 仿真(fn zhn)結(jié)果及分析圖5.6 為系統(tǒng)母線三相對稱電流波形，圖5.7 為非線性負(fù)載電流波形，圖5.8 為系統(tǒng)電流諧波分量(fn ling)，圖5.9 為諧波補(bǔ)償電流。圖5.6 系統(tǒng)母線三相對稱電流波形圖5.7 非線性負(fù)載電流(din

20、li)波形圖5.8 系統(tǒng)電流(dinli)諧波分量圖5.9 諧波補(bǔ)償(bchng)電流從圖中的波形圖可以發(fā)現(xiàn)：雖然非線性負(fù)載輸入電流存在很嚴(yán)重的諧波，但通過有源濾波系統(tǒng)補(bǔ)償后，系統(tǒng)輸入電流已經(jīng)(y jing)接近正弦波，基本符合電力工程低電壓系統(tǒng)電流諧波指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)。從上面的仿真圖表明，并聯(lián)型有源電力濾波器能夠?qū)θ嗾鳂蜃韪行苑蔷€性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波進(jìn)行比較好的補(bǔ)償，證明了本次有源電力濾波器仿真的正確性以及的檢測及控制(kngzh)方式的可行性。6 總結(jié)(zngji)隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展以及電力市場的開放，電能質(zhì)量問題越來越引起廣泛關(guān)注(gunzh)。由于各種非線性負(fù)載應(yīng)用普及，產(chǎn)生的諧波對電網(wǎng)的污染日益嚴(yán)重。因此，諧波及其抑制技術(shù)己成為國內(nèi)外廣泛關(guān)注的課題。本文首先對國內(nèi)外諧波問題及其現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，介紹了抑制電網(wǎng)諧波的主要方式，由無源濾波裝置到有源電力濾波裝置的發(fā)展過程及其今后