一种关于电力系统谐波抑制技术的研究

一种关于电力系统谐波抑制技术的研究内容摘要：

间工业样机试运行，该样机主电路由 18 脉冲电压型逆变器、直流储能电容器、 9 台曲折绕组变压器及系统的连接变压器组成， 18 脉冲逆变器分为 3 相 6 脉冲电压型逆变器 (功率开关为 GTO)，系统结构较复杂。 总的来讲，目前我国有源电力滤波技术的工业应用，仍处于试验和攻坚阶段，特别是在既治理谐波又补偿无功功率的 HAPF 系统方面，还有许多基础理论与技术有待于深入研究。 从近年来的研究和应用中我们可以看出 APF 具有如下的发展趋势： (1)通过采用 PWM 调制技术和提高开关器件等效开关频率的多重化技术，实现对高次谐波的有效补偿和系统的大容量； (2)从经济上考虑，可以采用 APF 和 PF[21]组成的混合型滤波系统，以减少 APF 的容量，达到降低成本、提高效益的目的； (3)从长远角度看，随着半导体器件制造水平的迅速发展，混合 型滤波系统低成本的优势将逐渐消失，而串并联 APF 由于其功能强大、性价比高，将是很有发展前途的有源滤波装置。 本文主要工作 本文首先对谐波问题及其现状进行了描述，并简单介绍了抑制电网谐波的主要方式，有传统的 LC 滤波装置到有源电力滤波装置 (APF)的发展过程及其今后 APF 的发展趋势。 本文的主要工作如下： 6 ，然后介绍了无源滤波器和有源滤波器分类和研究现状，并分析了非线性负荷谐波源单相和三相桥式整流电路非线性负荷的工作原理和特性，最后介绍了电力系统谐波标准。 波器的精确检测问题，介绍了目前受关注的几种谐波检测方法，重点研究了三相三线制并联有源电力滤波器谐波检测方法：基于瞬时无功功率理论的谐波电流ipiq[22]检测方法，并对进行了改进。 通过在系统稳定情况下的仿真分析，证明了改进过的 ipiq检测方法能实时、准确地检测不同负载情况下的谐波情况。 研究了并联有源电力滤波器电流控制方法，主要研究本文采用的三角波比较 [23]控制方式。 对并联有源电力滤波器直流侧电压控制方法并从根本原因方面进行了分析。 7 第二章 有 源 APF及其谐波源模型研究 谐波的基本概念 谐波的基本含义 国际上公认的谐波含义是：“谐波是一个周期电气量的正弦波的分量，或者说谐波分量为周期量的傅里叶级数中大于 1的 h次分量其频率为基波频率的整数倍” [24]。 谐波次数必须是个正整数，例如我国电力系统的额定频率是 50Hz， 2次谐波为 100Hz， 3次谐波为 150Hz，有些国家电力系统的额定频率为 60Hz，其基波为 60Hz， 2次谐波为 120Hz， 3次谐波为 180Hz。 谐波次数不能为非整数，因此也不能有非整数谐波。 谐波的数学表达 供用电 系统中，通常认为电网稳态交流电压和交流电流呈正弦波形。 在进行谐波分析时，正弦电压通常由下数学式表示： )sin (2)(   tUtu (21) 式 (21)中： U为电压有效值，  为初相角，  为角频率。 正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电源和电压分别为比例、积分和微 分关系，仍为同频率的正弦波。 但当正弦电压施加在非正弦电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。 当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。 理论上任何周期性波形都可以分解成傅立叶级数形式，称为谐波分析或频域分析。 谐波分析是计算周期性畸变波形的基波和谐波的幅值和相角的基本方法。 对于周期为 /2T的非正弦电压 u，一般满足狄力赫利条件，可以分解为如下形式的傅立叶级数 [25]： ])s i n()c os ([)( 1n0   tnbtnaatu nn  (22) 式 (22)中： )()(21 200 tdtua   (23) )()c os ()(21 20 tdtntua n   )3,2,1( n (24) 8 )()c os ()(21 20 tdtntub n   )3,2,1( n (25) 在傅立叶级数中频率的分量称为谐波，均以非正弦电压为例，频率为 l/T的分量称为基波，大于谐波次数为基波频率和基波频率的整数比。 以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式中 )( tu 转成 )( ti 即可。 衡量谐波的主要指标 电压畸变的程度取决于系统阻抗和谐波电流的大小。 同一谐波负荷在系统中两个不同位置时将可能引起两个不同的电压畸变值。 畸变周期性电压和电流总均方根值的确定仍然可根据均方根值的定义进行。 以电流为例，)(ti 的均方根值 I根据定义可表示为：   2 2210 2 )(1 n nT IIdttiTI (26) 即非正弦周期 量的均方根值等于其各次谐波分量均方根值的平方和的平方根值，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。