电力系统谐波抑制技术的研究

电力系统谐波抑制技术的研究内容摘要：

和的平方根值，与各分量的初相角无关。 某次谐波分量的大小，常以该次谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表示，称为该次谐波的含有率 nHR ， n次谐波电压的含有率以 nHRU (Harmonic Ratio nU )表示： (1)第 n次谐波电压含有率 nHRU ： ％1001  UUHRU nn (27) 式 (27)中： nU 为第 n次谐波电压有效值； 1U 为基波电压 有效值。 (2)第 n次谐波电流含有率： ％1001  IIHRI nn (28) 式 (28)中： nI 第 n次谐波电压有效值； 1I 基波电压有效值。 (3)谐波电压含有量： 22 )( n nH UU (29) (4)谐波电流含有量： 9 22 )( n nH II (210) (5)电压总谐波畸变率： ％1001  UUTHD Hu (211) (6)电流总谐波畸变率： ％1001  IITHD Hi (212) 提高电能质量，对谐波进行综合治理，防止谐波危害，就是要把谐波含有率和总谐波畸变率限制到国家 标准规定的允许范围之内。 实际上，谐波电压几乎是相对基波电压而言的。 因为电压往往只有百分之几的变化，所以电压 THD通常是一个有意义的数据。 但对电流来说，情况有所不同。 较小幅值的谐波电流可能导致较大的 THD值，而此时电力系统受到的威胁并不大。 由于系统中大多数的监控装置是按上述定义和方法给出的 THD值的，这可能使用户误认为此时的谐波电流是危险的。 为了解决这一难题，可将 THD中所采用的基波电流改为基波额定电流的峰值。 谐波的抑制方法 对谐波抑制和消除的方法本文采用的是从改进电力电子装置入手，使注入电网的谐波电流减少，也就是在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。 这类方法可防止谐波影响波及众多的供用电设备。 电网质量的提高可节省消除谐波影响的大量人力和物力。 将高水平的技术和相对集中的财力用到控制谐波源上，则对电力电子装置改进技术的突破十分有利，这样的方法有： 由谐波产生的机理知，随着整流相数的增加，网侧电流谐波成分减少，电流波形接近于正弦波。 在晶闸管三相桥式整流电路中，电流只含有 n次奇次谐波，但高次谐波的振幅值只有基波振幅值的 1/n，这说明谐波次数越高，其振幅值越小。 在多相整流电路中，谐波 的影响就显著减少当然整流相数提高，会使设备的造价相应提高。 逆变器输出端的电压谐波严重地影响了直流到交流变换器的应用。 但如果用两台逆变器 10 输出的电压在副边叠加，使两台逆变器的输出波形每半周内都保持 6个间隙，然后第二台逆变器输出波形相对第一台逆变器输出波形相移 36176。 ，这样第一台逆变器的输出波形中的五次谐波和第二台逆变器输出波形中的五次谐波的相位差为 180176。 ，五次谐波在变压器副边互相抵消，达到了同时消除三次和五次谐波的目的，逆变器输出电压波形接近于正弦波。 采用 PWM在所需的频率周 期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。 抑制和消除谐波的另一大类方法是在电力电子装置的交流侧利用LC无源滤波器和电力有源滤波器对谐波电流分别提供频域谐波补偿和时域谐波补偿。 这类方法属于对己产生的谐波进行有效抑制的方法。 LC无源滤波器是一种常用的谐波补偿装置。 它的基本工作原理是利用 LC谐振回路的特点抑制向电网注入的谐波电流。 当谐振回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，则可将该次谐波电流滤除，使其不会进入电网。 多个不同谐振频率的谐振回路可溥除多个 高次谐波电流，这种方法简单易行。 在网侧投入无功补偿装置是用来补偿由谐波造成的无功功率，提高功率因数。 另外，无功补偿装置中电感和电容的合理设置，可在某次频率产生谐振，即可对该频率的谐波实现滤波。 传统的固定电容器和晶闸管控制电抗器的无功补偿装置已经落后，近年来发展趋势是采用 GTO构成的换向变流器，通常称为静止无功发生器 (SVG)，它既可提供滞后的无功功率，又可提供超前的无功功率。 如果单纯用于补偿无功，可用移相多重联结的方法来降低其补偿电流中的谐波。 再使用适当的控制方法，别可在补偿无功功率的 同时对谐波电流进行补偿。 如上所述的 LC滤波器及静止无功补偿装置虽然能减少谐波分量，抑制某些谐波，但却不能对变化的高次谐波动态补偿。 随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。 早在 1971年日本 ，由当时是采用线性放大器来抑制谐波电流，效率低，在实际电力系统中并无实用价值。 之后于1976年，美国西屋电气公司的 PMW变流器构成的电力有源滤波器，并确立了有源补偿抑制无功与高 次谐波的概念。 这些采用 PWM变流器构成的电力谐波抑制装置已成为当今有源滤波器基本结构。 然而，在 70年代由于缺少大功率快速器件，因此对电力有 11 源滤波器的研究，几乎没有超出实验室的范围。 进入 80年代以来，随着大功率晶体管 (GRT)、大功率门极可关断晶闸管 (GTO)和静电感应闸管 (ST)等器件的快速发展，电力有源滤波器的研究开始活跃起来，并且正朝着实用化的方向发展。 在发展过程中取得的有代表意义的成果有： 1983年日本长岗科技大学的 ，这一理论为电压型有源滤波器的控制提供了一个谐波补偿 电流的基本算法，并研制出 7KVA的瞬时无功和高次谐波补偿器。 采用 4个三相 PWM电压型四象限变流器四重联接，以提高系统的工作频率。 用于补偿20KVA三相整流器在交流侧所产生的高次谐波和无功电流，补偿效果较好，证明了有源高次谐波补偿器的可行性和实用性。 无源电力滤波器分类 无源电力滤波器 (Passive Power Filter， PPF， PF)又称 LC滤波器，是由电容元件、电感元件和电阻元件按照一定的参数配置，一定的拓扑结构连接而成。 无源电力滤波器是目前广泛采用的谐波抑制手段。 滤除谐波原理实质是为电路中的 谐波提供一条释放路径，即保留基波而使谐波短路，使谐波可以通过滤波器直接流回谐波源而不注入系统。 滤波器设置在需要滤除的谐波频率上使感抗和容抗相等而抵消，通常称为调谐。 无源滤波器分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器。 图 (a)为单调谐滤波器原理图，滤波器对 n次谐波 )( sn n  的阻抗为： )1( CnLnjRZ ssfnfn   (213) 式 (213)中：下标 nf 表示第 n次单调谐滤波器。 (a) (b) 图 单调谐滤波器电路原理图及阻抗特性 12 由式 (213)画出滤波器阻抗随频率变化的关系曲线，如图 (b)所示。 单调谐滤波器是利用串联 L、 C谐振原理构成的，谐振次数 n为： LCsn 1 (214) 在谐振点处， fnfn RZ  ，因 fnR 很小， n次谐波电流主要由 fnR 分流，很少流入电网中。 而对于其他次数的谐波， fnfn RZ  ，谐波器分流很少。 因此，简单地说，只要将滤波器的谐振次数设定为需要滤除的谐波次数一样，则该次谐波将大部分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。 双调谐滤波器如图。 它有两个谐振频率，能同时吸收两个频率的谐波，其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。 双调谐滤波器的阻抗特性可以看作由上段 L C Z1组成串联阻抗 Z1和下段 L R2与 C R3组成并联阻抗 Z2，则滤波器阻抗为 21 ZZZ 。 采用双调谐滤波器代替两个单调谐滤波器，可以减少基波损耗，降低 L2上的冲击电压。 双调谐滤波器正常运行时，由于并联支路的基波阻抗比串联支路的基波阻抗小得多，因此并联支路所承受的基波电压远小于串联支路所承受的基波电压。 由于双调谐滤波器比两个单调谐滤波器成本低，近年来在一些高压直流输电工程得到了应用。 目前已有国外公司开发出三调谐滤波器并在高压直流输电工程应用。 图 双调谐滤波器原理图 电网中高次谐波含量较低，同时由于高次谐波遇到的谐波阻抗大 (系统阻抗一般是感性的 )，因此滤除高次谐波时不采用调谐滤波器，为了降低成本，通常采用高通滤波器滤除谐波， 13 高通滤波器对所有的高 次谐波阻抗均较小，可以将某一频率以上的谐波滤除。 高通滤波器又称减幅滤波器可分为：一阶高通滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和 C型高通滤波器，如图。 图 各种型式的高通滤波器 有源电力滤波器分类 ， APF可以分为直流 APF和交流 APF两大类：直流 APF主要用来消除高压直流输电系统换流站直流侧的谐波，其研究较少，应用也较少；交流 APF主要用于交流电力系统，是目前研究主要对象。 ，可以分为单个主电路有源电力滤波器和多重化即混合型主电路有源电力 滤波器。 后者可以增大有源电力滤波器的容量，提高等效开关频率，减小单个器件的开关损耗，改善补偿电流的跟随特性 . 由于电网与 APF及 APF与 PPF之间存在着谐波通道，特别是 APF与 PPF之间谐波通道，可能使 APF注入的谐波电流又流入 PPF和系统中，特别是在公共连接点 (PCC)的电网谐波电压较高，即背景谐波较大时尤甚， PPF有过载烧坏的危险。 所以较好方法是 APF和 PPF按频率分段完成滤波功能，即由 PPF滤除低次 ,APF滤除高次谐波，或者反之。 PPF由多组单调谐滤波器及高通滤波器组成 ,用于滤除负载中占主要成分的低次 谐波； APF采用高频变流器，滤除剩余的高次谐波电流，由于高次谐波电流幅值较小，故 APF容量可以大大降低。 、串联型、串并联型以及混合型。 并联型 APF可以看作电流源，它通过注入补偿电流来补偿电流型负载的谐波、无功和负序电流；串联型APF主要消除电压型谐波源对系统的影响。 与并联型 APF相比，由于串联型 APF中流过的是正常负载电流，因此损耗较大。 为了提高 APF的容量、提高其性能降低其成本，可将并联型 14 或串联型有源电力滤波器与无源 LC滤波器混合使用，组成混合型有源电力滤波器。 由 赤木泰文等提出的统一电能调节器 (Unified Power Quality Conditioner，缩写 UPQC)，它实际上是并联型 APF、串联型 APF和 LC调谐波滤波器三者的组合，在该使用方式中，串联型有源电力滤波器起到调整电源电压和谐波隔离的作用；并联型有源电力滤波器则主要起到谐波电流和无功补偿作用。 统一电能质量调节器在柔性交流输电 (FACTS)中得到广泛应用。 ，有源电力滤波器可分为电压型和电流型，电压型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电容，在正常工作时，其电压基本保 持不变；电流型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电感，在正常工作时，其电流基本保持不变。 与电压型APF 相比，电流型 APF 的一个优点是，不会由于主电路开关器件的直通而发生断路故障，但是，电流型 APF 的直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感的内阻上产生较大的损耗，因此目前较少使用。 电流型 PWM 逆变电路和电压型 PWM 逆变电路的作用是产生非正弦电流来补偿非线性负荷产生的谐波电流。 电压型 PWM 变流器在它的直流侧有一个大电容，由于其轻便且特性较好，所以应用较为广泛。 结构如图 和图 所示，本文采用图 所示的结构。 电流型有源电力滤波器和电压型有源电力滤波器主要区别是直流侧的储能件不同。 在大容量时，电压型有源电力滤波器的电容型储能元件的体积和成本随补偿器视在功率的增大而显著增加，电流型有源电力滤波器的电感型储能元 件的体积和成本随补偿器视在功率的增加变化不大。 所以电压型有源电力滤波器主要适用于低压配电系统中进行无功和谐波补偿，电流型有源电力滤波器则可用于高压供电系统的无功和谐波补偿。 图 三相电压型 PWM变流器 图 三相电流型 PWM变流器 ，可以分为单相有源电力滤波器和三相有源电力滤波器，三相有源电力滤波器又可分为三相三线制有源电力滤波器和三相四线制有源电力滤波器。 15 非线性负荷谐波源分析 所谓“谐波源”，通常是指各类特定的用电设备，即非线性设备，或称非线性电力负荷，谐波源分为谐波电流源和谐波电压源，这是谐波产生的根本原因。 电力系统中，正弦供电电压加在非线性设备上就会产生非正弦电流或者正弦供电电流通过非线性设备也会导致非正弦电压。 举个例子：有个正弦电压 tVtv m sin)(  ，当该电压加在电感 L上时，就会有 dtLditv )( ，如果 L不是常数，那么 )(ti 就是非正弦电流，即有谐波电流存在。 谐波源通常可以分为两大类：一类是含有电弧和铁磁的非线性谐波源，如电气化铁道、电弧炉、变压器及数量很大的电子节能设备，家用电器等典型非线性负载，即使供给理想的正弦波电压，它们也将产生非正弦电流。 且谐波成分基本上只与其固有的非线 性及工况有关，而与这些负载的内部阻抗的变化几乎无关；另一类是含有半导体元件的各种电力电子设备，如整流器、逆变器、静止无功补偿器、变频器、高压直流输。