有源电力滤波器控制器的研制及其应用毕业论文(编辑修改稿)

有源电力滤波器控制器的研制及其应用毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

有关。 铁心的饱和程度越高，变压器工作点偏离线性越远，谐波电流也就越大，其中 3 次谐波电流可达额定电流的 %。 用电设备产生的谐波是由与电力系统相连的各种非线性负载产生的 [1]。 这些非线性负载主要是整流器、交流调压电路以及频率变换器等电力电子装置，由于这些电力电子装置都为可变结构非线性电力负荷，工作于非线性状态，在高效利用电能的同时也向电网注入大量的非线性电流，给公共电网的电能质量带来了隐患。 另外，工业用的电弧炉、电石炉也是个比较大的谐波源，由于加热原料时电炉的三相电极很 难同时接触到高低不平的炉料，使得燃烧不稳定，引起三相负荷不平衡，产生谐波电流，经变压器注入电网。 其中主要是 2 次 谐波和 7 次谐波。 除此以外 ,其它 像 电视机、电池充电器等装置也会产生谐波。 虽然单个装置的功耗不大 ,但由于数量很多 ,因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。 电力系统 谐波 危害 谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网时一种污染。 在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还不严重，没有引 起足够的重视。 近几十年来，各种电力电子设备的迅速普及 和广泛应用 使谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种事故不断发生，如：广西苹果铝厂 1996 年 6 月因谐波超标，导致电容器爆炸，损坏高压开关和主变压器，造成大面积停电；湖南涟钢 1998 年 7 月，因 5 次谐波超标，导致豹南山 110KV变电站停电 16 小时；由于电气化铁路产生的负序电流和谐波电流的影响，郑州电网继电保护误动，致使京广线中断数小时。 因 此，谐波的危害的严重性才引起人们的高度重视。 大体上说 ， 谐波危害 主要表现在以下几个方面 [18][914]： （ 1）电力电容器引起的谐波放大。 由于电容器的容抗与频率成反比，因此在谐波 电压作用下的容抗要比在基波电压作用下的容抗小得多，从而使谐波电流的波形畸变更比谐波电压的波形畸变大得多，即便电压中谐波所占的比例不大，也会产生显著的谐波电流。 特别是在发生谐振的情况下，很小的谐波电压就可引起很大的谐波电流，导致电容器因过流而损坏。 （ 2）增加旋转电机的损耗。 谐波电压或电流会在电机的定子绕组、转子回路以及定子和转子铁芯中引起附加损耗。 由于涡流和集肤效应的关系，定子和转子导体内的这些附加损耗要比直流电阻引起的损耗大。 另外，谐波电流还会增大电机的噪音和产生脉动转矩。 （ 3）增加输电线的损耗，缩短输 电线寿命。 谐波电流一方面在输电线路上产生谐波压降，另一方面增加了输电线路上的电流有效值，从而引起附加输电损耗。 硕士学位论文 3 在电缆输电的情况下，谐波电压以正比于其幅值电压的形式增强了介质的电场强度，这影响了电缆的使用寿命，据有关资料介绍，谐波的影响将使电缆的使用寿命平均下降约 60％。 （ 4）增加变压器的损耗。 变压器在高次谐波电压的作用下，将产生集肤效应和邻近效应，在绕组中引起附加铜耗，同时也使铁耗相应增加。 另外， 3 的倍数次零序电流会在三角形接法的绕组内产生环流，这一额外的环流可能会使绕组电流超过额定值。 对于带不对称负载的 变压器来说，如果负载电流中含有直流分量，会引起变压器的磁路饱和，从而会大大增加交流激磁电流的谐波分量。 （ 5）造成继电保护、自动装置工作紊乱。 谐波能够改变保护继电器的动作特性，这与继电器的设计特点和原理有关。 当有谐波畸变时，依靠采样数据或过零工作的数字继电器容易产生误差。 谐波对过电流、欠电压、距离、周波等继电器均会起拒动和误动的影响，保护装置失灵和动作不稳定。 零序三次谐波电流过大，可能引起接地保护误动作。 （ 6）引起电力测量的误差。 测量仪表是在纯正弦波情况下进行校验的，如果供电的波形发生畸变，仪表则容易产生 误差。 比如，感应式电能表对设计参数以外的频率的响应不灵敏，频率越高，误差越大，而且为负误差，当频率约为 1000Hz时，电度表将会停止转动。 （ 7）干扰通讯系统。 供电系统中的静止变流器在换相期间电流波形发生急剧变化，该换相电流会在正常供电电压中注入一个脉冲电压，该脉冲电压所包含的谐波频率较高，甚至达到 1 MHz ，因而会引起电磁干扰，对通信线路、通信设备会产生很大的影响。 比如电力载波通信、远动装置信号以及与架空线平行的通讯线路，谐波 的影响都很大。 （ 8）延缓电弧熄灭。 在超高压长距离输电线路上，较大的谐波电流会使潜供电弧熄灭延缓，导致单相重合闸失败，扩大事故。 在消弧线圈接地系统中较大的谐波分量同样会延迟或阻碍消弧线圈的灭弧作用。 谐波分量还会使电流过零时的dtdi/ 值过大，导致断路器断弧困难，影响断流能力。 （ 9）对其它设备的影响。 谐波还会对下列设备产生影响： ①导致功率开关器件控制装置误动作； ②导致功率开关器件故障而损坏； ③使日光灯的镇流器及补偿用电容器过热和损坏； ④对计算机产生干扰； ⑤影响互 感器的测量精度； ⑥使熔断器在没有超过整定值时就熔断； ⑦影响功率处理器的正常运行； ⑧影响电视机的画面质量； 有源电力滤波器控制器的研制及其应用 4 ⑨影响电子显微镜的清晰度； ⑩影响其它换流设备或其它任何由电压过零所控制的设备的同步。 电力系统谐波研究现状 电力系统谐波是由于波形畸变产生的，从交流电出现、应用发展到现在，如何将波形畸变限制在一定的范围内一直是电力工程师关心的问题。 在 20 世纪 20年代和 30 年代的德国，研究者由静止变流器引起的波形畸变提出了电力系统谐波的概念。 当时最有影响的是 Rissik 《 The Mercury Arc Current Converter》[15]，另一篇有关静止变流器产生谐波的经典论文是 Read J. 1945 年发表的《 The Calculation of Rectifier and Converter Performance Characteristics》 [ 16]，至今仍被研究者广泛引用。 50 年代和 60 年代在高压直流输电方面推进了变流器谐波的研究。 在这一时期发表了大量的论文。 Kimbark E. 《 Direct Current Transmission》 [ 17]中对此 进行了总结，该书包括了电力系统谐波方面 60 篇以上的参考文献。 70 年代以后，国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，其中从 1984年开始，每两年召开一次的电力系统谐波国际会议（ ICHPS）极大地推动了谐波领域的研究和交流，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标淮和规定，同时对谐波治理问题的研究也蓬勃发展起来。 我国对电力系统谐波问题的研究起步较晚。 吴竞昌等 在 1988 年出版的《电力系统谐波》 [1]一书是我国有关谐波问题早期较有影响的著作。 随后，许克明等也于 1991 年出版了《电力系统高次 谐波》 [18]，张一中等 1992 年出版了《电力谐波》[2]，夏道止等 1994 年出版了《高压直流输电系统的谐波分析及滤波》 [ 3]，林海雪等 1998 年出版了《电力网中的谐波》 [ 4]，这些著作都对人们认识和研究谐波作出了很大的贡献。 此外，唐统一等和容健纲等分别于 1991 年和 1994 年独立翻译了 Arrilaga 《电力系统谐波》 [5][6]，也在国内有较大的影响。 1998 年，王兆安等出版的《谐波抑制和无功功率补偿》 [12]是国内迄今为止较为全面的介绍谐波分析和治理方法的著作，特别是其中关于有源滤波器的分析和 阐述，被国内许多研究者广泛引用和参考。 近些年来，国内期刊和有关会议上发表的谐波相关问题的研究论文也非常多，谐波问题已经成为研究热点。 因此可以说，我国对谐波问题的研究起步于 80 年代，在整个 90 年代有了长足的发展，与国外研究水平的差距正在不断减小。 另外，谐波标准做为电力系统谐波的一个分支也在蓬勃的发展之中。 美国海军早在 20 世纪 70 年代就发现谐波影响并第一个制订了谐波限制标准 US MILSTD461，目前仍然被美国军方广泛使用。 1982 年国际电工委员会 IEC（ International Electrotechnical Commission 简写为 IEC）第一次指定了通用电器设备产生谐波的限制标准，即 IEC55，并在其后的执行过程中修订完善，目前已硕士学位论文 5 经被世界许多国家承认和接受，在欧、美等发达国家已经成为强行执行的标准。 1993 年美国电气与工程协会（ IEEE）进一步完善了 IEC55 标准，并在其基础上补充了对高压、大功率用电负荷产生谐波的限制标准，这就是 IEEE/ANSI Standard 519 谐波限制标准。 我国原水利电力部于 1984 年根据原国家经济委员会批转的《全国供电用电规则》的规定，制定并发布了 SD12684《电力系统谐波管理暂行规定》[19]。 国家技术监督局于 1993 年又发布了中华人民共和国国家标准 GB/T1454993《电能质量 公用电网谐波》 [20]，从 1994 年 3 月 1 日开始实施。 该标准对 50Hz、110KV 及以下的公用电网各次谐波电压极其供电的电力用户注入的谐波电流作了明确的规定。 对 220KV 以上的电网及其供电用户，以 110KV 电网的规定作为参考标准，或者以保证 220KV 下一级电网符合标准的要求为依据。 该标准还规定了谐波测量和测量数据处理以及确定谐波水平的方法 [21,22]。 1998 年，为了 进一步限制电网谐波，我国颁发了 《低压电气及电子设备发出的谐波电流限制（设备每相电流小于 16A）》，即 IEC 610032 标准，对低压电气以及电子设备发出的谐波电流进行了限制。 电力系统谐波治理方法 谐波治理的措施主要有三种：一是受端治理，即从受到谐波影响的设备或系统出发，提高它们抗谐波干扰能力；二是主动治理，即从谐波源本身出发，使谐波源不产生谐波或降低谐波源产生的谐波；三是被动治理，即外加滤波器， 吸收谐波源产生的注入电网 的 谐波，或者阻碍电力系统的谐波流入负载端。 受端 治理的措施主要有以下几种： （ 1）选择合理的供电方式。 将谐波源由较大容量的供电点或由高一级电压的电网供电，可以减小谐波对系统和其它用电设备的影响，这必须在电网规划和设计阶段考虑。 （ 2）避免电容器对谐波的放大。 改变电容器的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量，可以有效地减小电容器对谐波的放大并保证电容器组的安全运行。 （ 3）提高设备抗谐波干扰能力。 改进设备性能，使其在谐波环境中能够正常工作，当然这是有一定限度的，谐波较大时设备仍将受到严重影响。 （ 4）改善谐波保护性能。 对谐 波敏感设备采用灵敏的谐波保护装置，这能够保证在谐波超标情况下，设备不致于损坏，但不能保障设备的正常工作。 主动治理谐波的措施主要有以下几种： （ 1）增加变流装置的相数或脉冲数。 改造变流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器，可有效减小谐波含量，其中包括多脉整流和准多脉整流技术[23][ 24]，但是装置更加复杂。 有源电力滤波器控制器的研制及其应用 6 （ 2）改变谐波源的配置或工作方式。 具有谐波互补性的装置应集中，否则应适当分散或交替使用，适当限制会大量产生谐波的工作方式。 （ 3）采用多重化技术。 将多个变流器联合起来使用，用多重化技术将多个方波叠 加，以消除频率较低的谐波，得到接近正弦波的阶梯波，但装置复杂，成本较高。 （ 4）谐波叠加注入。 利用三次倍数的谐波和外部的三次倍数的谐波源，把谐波电流加到产生的矩形波形上 [32][ 33]，可用于降低给定的运行点处的某些谐波。 缺点是必须保 证 三次倍数的谐波源与系统的同步，且谐波发生器的功率消耗常常高达整流器直流功率的 10％。 （ 5）采用 PWM 技术。 采用脉宽调制 PWM（ Pulse Width Modulation）技术，使得变流器产生的谐波频率较高、幅值较小，波形接近正弦波，只适用于自关断器件构成的变流器。 （ 6） 设计或采用高功率因数变流器。 比如采用矩阵式变频器、四象限变流器等，可以使变流器产生的谐波非常少，且功率因数可控制为 1。 被动治理谐波的措施主要有以下几种： （ 1）采用无源滤波器 PF（ Passive Filter）。 在谐波源附近或公用电网节点装设单调谐及高通滤波器，可以吸收谐波电流，同时还可以进行无功功率补偿，运行维护也简单。 （ 2）采用有源滤波器 APF（ Active Power Filter）。 在谐波源附近和公用电网节点装设并联型或串联型 APF，可以有效地起到补偿或隔离谐波的作用，并联型还可以进行无功功率补 偿，但装置造价较高。 （ 3）采用混合型有源滤波器 HAPF（ Hybrid Active Power Filter）。 HAPF 兼具 PF 成本低廉和 APF 性能优越的优点，属于 APF 的分支和发展。 HAPF 的种类很多，大致可分为与 PF 的混合、与其它变流器的混合等两类。 有源电力滤波器的发展现状 有源电力滤波器的基本工作原理是由 HSasaki 和 HMachida 于 1971 年首先提出的 [ 25]。 他们首次提出了有源滤波器的原始结构模型，并建立了有源滤波器的基本理论。 有源电力滤波器向电网注入一个与负载谐波电流幅值相等、 相位相反的电流，从而抵消了电网中的谐波电流。 但由于当时是采用线性放大的方法产生小补偿电流，其损耗大，成本高，因而仅在实验室研究，。