電力系統(tǒng)諧波計(jì)算與抑制模型研發(fā)設(shè)計(jì)

1、1.2 諧波產(chǎn)生的機(jī)理1.3 諧波的產(chǎn)生源1.3.1 電輸配電系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波1.3.2 電源質(zhì)量不高產(chǎn)生的諧波1.3.3 用電設(shè)備產(chǎn)生的諧波2 諧波的危害低供配電設(shè)備及用電設(shè)備的效率，使電網(wǎng)的電圧與 電流波形發(fā)生畸變。三相配電線路中相線上的3的 整數(shù)倍諧波在中線上會疊加，使中線電流值可能南 過相線上的電流，使線路過熱，甚至發(fā)生火災(zāi)。另外, 相同頻率的諧波電壓與諧波電流要產(chǎn)生同次諧波的 冇功功率和無功功率，從而降低電網(wǎng)電壓，浪費(fèi)電網(wǎng) 的容量，2.2對變壓器的影響變壓器在高次諧波電壓的作用下，將產(chǎn)生集膚 效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，在繞組中引起附加銅損，同時也使 鐵損相應(yīng)增加。另外.3的倍數(shù)次零序電流會在三角

2、 形接法的繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，這一額外的環(huán)流可能會 使繞組電流超過額定值。對于帶不對稱負(fù)載的變圧 器,如果負(fù)載電流中含有直流分值,會引起變壓器的 磁路飽和，從而大大增加交流激磁電流的諧波分星。 23對電力電容器的影響由于電容器的容抗與頻率成反比，在高次諧波 電壓作用下的容抗要比在皋波電壓作用下的容抗小 得多，從而使諧波電流的波形畸變更比諧波電壓的 波形畸變大得多，即便電壓中諧波所占的比例不大, 也會產(chǎn)生顯著的諧波電流。當(dāng)它們構(gòu)成的局部諧振 回路的頻率與系統(tǒng)中存在的某次諧波頻率相近時， 就會造成危險的過電流和過電壓，也就是在發(fā)牛諧 振的情況下.很小的諧波電壓就可引起很大的諧波 電流，造成諧波電流的放

3、大使電容器成倍地過負(fù) 荷導(dǎo)致電容器因過流而損壞。2.4對旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響諧波電壓或電流會在電機(jī)的定子繞組.轉(zhuǎn)子 何路以及定子和轉(zhuǎn)子鐵芯中引起附加損耗。由于 渦流和集膚效應(yīng)的關(guān)系，定子和轉(zhuǎn)子導(dǎo)體內(nèi)的這 些附加損耗要比直流電阻引起的損耗大。此外，諧 波電流還會增大電機(jī)的噪音和產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，使 電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動。由諧波電流和電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場 相互作用產(chǎn)生的脈動轉(zhuǎn)矩可能使電機(jī)發(fā)生振動， 當(dāng)電機(jī)的機(jī)械系統(tǒng)的自然頻率在受到上述轉(zhuǎn)矩的 激發(fā)而可能引起共振時，則會損壞電機(jī)設(shè)備，危及 人身安全。2.5對繼電保護(hù)自動控制裝置和計(jì)算機(jī)產(chǎn)生干擾和造成誤動作這些保護(hù)和控制設(shè)備通常都是按照工作于所加電壓或電流為工業(yè)頻率和正弦波

4、形而設(shè)計(jì)的，諧波的存在使它們的正常工作條件受到干擾，嚴(yán)重時將造成謀動作。2.6對測儀表的影響測量儀表是在正弦波情況下進(jìn)行校驗(yàn)的，如果 供電的波形發(fā)生畸變，儀表則容易產(chǎn)生誤差導(dǎo)致電 氣儀表計(jì)雖不準(zhǔn)確。2.7對通倍的干擾供電系統(tǒng)中的靜止變流器在換相期間電流波形 發(fā)生急劇變化，該換相電流會在正常供電電壓中注 人一個脈沖電壓。該脈沖電壓所包含的諧波頻率較高，甚至達(dá)到1 MHz,因而會引起電磁干擾。它對通信線路和通信設(shè)備會產(chǎn)生很大影響。輕者產(chǎn)生噪聲,降低通信質(zhì)量；重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作等。2.8對其他用戶設(shè)備的影晌高次諧波除了對上述設(shè)備產(chǎn)生影響外，還會影儀用互感器的測疑精度、便熔斷器未

5、超過整定值就 熔斷、影響電子顯微鏡的畫面清晰度、使日光燈的鎮(zhèn)流器及補(bǔ)償用電容過熱和損壞、影響其他換流設(shè)備 或其他由電壓過零所控制的設(shè)備的同步等。眾所周知，化工企業(yè)具有連續(xù)生產(chǎn)的特性以 及產(chǎn)品的危險性，對整個化工裝宜的電氣系統(tǒng)的 穩(wěn)定性和可靠性提出了很髙的要求。本文所論述 的電氣系統(tǒng)較其他大型化工企業(yè)的電氣系統(tǒng)更為復(fù)雜。鑒于以上原因，對諧波污染造成的危害影響加 以監(jiān)測和限制極為迫切。3諧波檢測方法3.1模擬電路消除諧波的方法很多，即仔無源的也鈾源的;既有主動型, 又有被動型，還fl混合型你采用右源電力濾波器是目前絞為先進(jìn) 的但由于模擬帶通濾潑器對頻舉利泯頁的變化菲常敏感,且其檢 測壞節(jié)多采用模擬

6、電路,因而造價較高故使其基波幅值謀差很難 控制在10%以內(nèi)，嚴(yán)垂影響了冇源濾波器的控制性能.最早的諧破測是采用模擬腮波器實(shí)現(xiàn)的。圖1為模擬并行濾波式 諧波測裝置框圖。由圖可見,人值號經(jīng)放大后送人一組并行連接的 帶通淀波器,濾波器的中心是固定的為工旗的英數(shù)倍 且兒亦（其中幾是諧波的量高次數(shù)）然后送人多路顯示器顯示被 測中所含諧波成分及其幅值。該檢測方醫(yī)的優(yōu)點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡單，遺 價低，絵岀阻抗低品質(zhì)因斂易于控制。但該方法也有許多缺點(diǎn)如濾波輸 人1放大i濾波奧1槍波淞1檢液器2槍波an圖1模擬并行涯波式諧波側(cè)試裝框圖3.2傅立葉變澳H前電力系統(tǒng)的諧波分析，大椰足通過傅立葉變換實(shí)現(xiàn)的，由 r該方法可在

7、數(shù)字域進(jìn)行諧波檢測.離敗傅立葉變換所需耍處理 的足經(jīng)過采樣和A/D轉(zhuǎn)換得到的數(shù)字信號.設(shè)待測信號為x(0, 采樣何隔為采樣頻率他/Zu滿足采樣定理，即E大于傅號最高頻率分歌的2信，則采樣侑號為x(nAt),并且采樣佰號總雄 有瞅長度的，即n=0.1NT.這相當(dāng)于對無限長的倍號做了載 斷因而迭成了傅立葉變換的池蘇現(xiàn)煤，產(chǎn)生誤差.通過加窗可以減小液鐫現(xiàn)妝的影響.3.3小波變換電力諧波址由各種頻率分成隨機(jī)的、合成的、出現(xiàn)和消失都非 常突然的信號我們町充分發(fā)揮小波變換的優(yōu)勢即對諧波采樣離散麻.利用小波變換對數(shù)字侑號進(jìn)行處田.實(shí)現(xiàn)對諧波的精確測 定從而攻變利用離散備立葉變換進(jìn)行處珅受到局限的不利局而。療

8、先小波變換貝仃門動調(diào)焦”性.小波可以右作足一個雙冏換數(shù).對一信號進(jìn)行小波變換相當(dāng)于從這一時頻內(nèi)的伉息捉取仏號.対F分析低頻仏息這時時謝fl動變釦可對信號的低頻分雖做慨貌分析：對F檢測高頻信息時囪變罕叮對fri兮的舖煩分束做細(xì)致的觀測：其次小波變換處理荻域伯息址按荻帯方式而不 昱按頻點(diǎn)的方式進(jìn)行處理.囚此仿號頻率的微小波動不會劉處理 產(chǎn)生很人:的影響并不耍求對仏號進(jìn)行整周期采樣。4諧波的計(jì)算方法4.1傳統(tǒng)計(jì)算方法傳統(tǒng)的計(jì)算方法通常利用諧波網(wǎng)絡(luò)的數(shù)學(xué)模型 即諧波網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣，該方法完成以下功能:(1)進(jìn)行基波潮流計(jì)算，求得系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)基波電 壓；(2)形成諧波節(jié)點(diǎn)導(dǎo)納矩陣;五 抑制諧波的方法5

9、.1 對整流設(shè)備。換流設(shè)備增加可控硅變換裝置脈沖數(shù)5.2 增設(shè)無功補(bǔ)償裝置增設(shè)動態(tài)無功補(bǔ)償裝置。動態(tài)無功補(bǔ)償裝置 （靜止同步補(bǔ) 裝置、靜止無功補(bǔ)償裝置 ）可以補(bǔ)償負(fù)荷快速變動的無功需求， 濾出系統(tǒng)諧波、改善功率因數(shù)、減少向系統(tǒng)注入的諧波電流， 降低三相電壓不平衡度，穩(wěn)定母線電壓等，從而提高電力系統(tǒng) 承受諧波的能力。此外，在諧波源處通常裝設(shè)無功補(bǔ)償裝置。 矚 慫潤厲釤瘞睞櫪廡賴。5.3 安裝無源濾波裝置 無源濾波器實(shí)際上就是利用電容和電抗器的適當(dāng)連接組 成對某次諧波為低阻抗的諧振回路來吸收符合所產(chǎn)生的高次諧 波電流，這也是目前較多采用的一種被動式諧波抑制措施 聞創(chuàng)溝燴鐺 險愛氌譴凈。5.4 安裝

10、有源濾波裝置 有源濾波器就是利用時域補(bǔ)償原理制造的濾波裝置，其優(yōu) 點(diǎn)就是能做到適時補(bǔ)償， 且不增加電網(wǎng)的容性元件， 但缺點(diǎn)就是 造價太高。這種諧波抑制方式是今后發(fā)展的主流5.5 裝設(shè) 隔離變壓器裝設(shè)隔離變壓器。在重要的配電系統(tǒng)中，把隔離變壓器就 地裝設(shè)在每一個配電盤上，可以有效防止 3N 次諧波電流從線 路傳回電源，使諧波電流與配電系統(tǒng)相隔離。此外，在三相四 線式供電系統(tǒng)中，應(yīng)適當(dāng)增大中性線導(dǎo)線的截面積，要求至少 與相線的截面積相等，這樣可以有效地防止諧波電流對中性線 的危害。隔離變壓器要適當(dāng)提高其額定值，否則也會產(chǎn)生電壓 畸變和過熱。六實(shí)際應(yīng)用矩陣變換器諧波計(jì)算方法與濾波器設(shè)計(jì)矩陣變換器 （

11、Matrix Converter ，簡稱 MC）的研究從概念提出 至今已有 30 多年，與傳統(tǒng)的電力變換器相比 MC 有一系列優(yōu) 點(diǎn)：能量雙向流動，四象限運(yùn)行；正弦輸入電流、輸出電壓； 可控功率因素；不需要直流儲能元件等由于 MC 包含開關(guān)較多，數(shù)學(xué)模型復(fù)雜，控制繁瑣，到目前 大多數(shù)控制策略仍然不能直接實(shí)現(xiàn) MC 輸入輸出正弦，在輸人 和輸出中仍然含有高次和低次諧波；因此，研究諧波的幅值和 分布規(guī)律對改進(jìn)控制策略和設(shè)計(jì)輸入、輸出濾波器有重大意義。 但是，國內(nèi)外 MC 的諧波計(jì)算方法的研究文獻(xiàn)和論文都較少。 本例應(yīng)用了間接空問矢量調(diào)制的基本原理， 然后，提出了一種 矩陣變換器諧波計(jì)算的方法； 并

12、在 Matlab Simulink 中建立計(jì)算 模型。仿真證明了提出的計(jì)算方法的正確性和可行性。6.1 MC 間接空間矢量調(diào)制的原理圖 1(a)為三相 MC 的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主電路由 9 個雙向 開關(guān)組成， 其中雙向開關(guān)采用普通的 IGBT的共集電極式結(jié)構(gòu)。 殘 騖樓諍錈瀨濟(jì)溆塹籟。MC 間接空間矢量調(diào)制的原理是一種基于虛擬直流環(huán)節(jié)概 的控制方法。 將 MC 在理論上等效為一個整流器和逆變器的虛擬 連接如圖 1(b)。對虛擬的整流和逆變器采用空間矢量脈寬調(diào)制 (SVPWM)技術(shù)并將兩個過程進(jìn)行合成，從而實(shí)現(xiàn)MC 的正弦輸入、輸出和可控功率因素。6.1.1 虛擬逆變器調(diào)制設(shè) MC 輸出線電壓空

13、間矢量定義為6.1.2 虛擬整流器的調(diào)制望得到的輸入相電流間接空間矢址的位置。設(shè)S =#(%+% 八即 +% 宀。)(4)任意時刻輸入電流間接空間矢量厶可由相鄰的 非零矢量孔和人及一個零電流矢量來合成。輸入電 流空間矢雖如圖3(a),圖3(b)中的樂表示輸人電 流矢Et厶在當(dāng)前扇區(qū)中付置%(2 fSi入電流合戒矢址圖3輸入電流合成原理各個開關(guān)矢斌占空比可根據(jù)空間矢吐調(diào)制原理及正弦定理計(jì)算得到:(5)分別為開關(guān)矢量S和/叮S dfi = T/T,W 二 WT嚴(yán) -武中，/卩八抵分別為，八人和G在一個開關(guān)周 期人內(nèi)的作用時間；“為輸人電流空間矢疑的調(diào)制系數(shù)叫隹0_16.1.3虛擬整流器和虛擬逆變器

14、的結(jié)合將虛擬整流和虛擬逆變器過程結(jié)合起來，就可以實(shí)現(xiàn)對1C的直接調(diào)制，得到輸人*輸岀的正弦 波形和可擰輸人功率因素貝體調(diào)制過程如下：在 每個卄關(guān)周期內(nèi).將輸出線電壓矢就合成與輸入相 電流矢最的合成組合起來.共有5個開關(guān)狀態(tài)7；廠 和和扎./和以及零矢愀決定事這樣5 個開關(guān)矢盤在一個幵關(guān)周期的占空比可由式（3）和 式（5）相乘得到.抵=如蘭恥in（砥）呵（60。-借）二丁極：:d葉二心此=mmn（60 -化）如（臨）=TJT,（6）您二嶼、=砒弘（久）$沖（化）=T0yT&咖J r葉-% -仁一詠-耳/7；6.2 MC 諧波計(jì)算方法及計(jì)算模型6.2.1 MC 諧波計(jì)算方法=i-i J r)(rtX)3 +6.2.2諧波計(jì)算模型為了計(jì)算各次i皆波的幅值.需要先在Matlab/Simulink中儲立了一個計(jì)算模SJ,下面給出模型建立的方法:汁算模型如圖4計(jì)算模塊中主要有輸人電流模塊、諧波次數(shù)