PWM整流器在電網(wǎng)諧波抑制中應用研究

1、畢業(yè)論文課題名稱:PWM整流器在電網(wǎng)諧波抑制中的應用研究學生姓名與學號: 郭壯 123220122 所在院系: 電氣信息工程學院 專業(yè)年級: 電氣工程及其自動化2012級專升本 指導教師及職稱: 王化冰 副教授 平頂山學院教務處制第1章緒論11背景和意義 電能的使用是衡量一個國家科學技術與經(jīng)濟發(fā)展水平的重要標志之一，隨著電力電子技術的發(fā)展，電力網(wǎng)絡負荷的急劇加大，非線性負荷容量的不斷增長，電網(wǎng)中出現(xiàn)了電壓電流波形畸變、電壓波動與閃變，以及三相不平衡等電能質量問題。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)是以恒定的頻率，標準的電壓和正弦波形對用戶供電，但因為非線性電力負荷的大量應用，產(chǎn)生了大量的諧波電流、諧波電壓和無

2、功，引發(fā)了各種問題，如損耗增加、效率降低、噪聲和過壓過熱等，嚴重惡化了電力生產(chǎn)環(huán)境。于是各國的電力科技人員對諧波抑制和無功補償這方面的課題研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。并且隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，在這方面取得了一些突破性發(fā)展，其中美日兩國的科研人員取得了巨大的成就，而國內目前多處在起步階段；另外從維護綠色環(huán)境的角度來看，無諧波就是電力系統(tǒng)環(huán)境“綠色”的主要標志之一，所以該研究是很有實際意義的。12國內外研究與發(fā)展現(xiàn)狀傳統(tǒng)的諧波抑制方法是使用LC濾波器，但其損耗大，參數(shù)易變，不能動態(tài)補償?shù)热秉c已不能滿足電能質量的要求。動態(tài)抑制諧波，補償無功的新型電力電子裝置有源電力濾波器(APF)成為近些年來研究的

3、熱點。APF是在1971年由SasakiH最早提出。1982年世界上第一臺并聯(lián)型有源濾波器投入工業(yè)應用；1987年Takeda等提出串聯(lián)APF加并聯(lián)無源濾波器的混合有源電力濾波器(HAPF)；1988年，F(xiàn)ZPeng等提出串聯(lián)APF加并聯(lián)無源濾波器的HAPF；1990年，HFujit等提出APF與無源濾波器相串聯(lián)的HAPF；1994年，HAkagi等提出串聯(lián)APF和并聯(lián)APF的HAPF等等。最近又有人提出統(tǒng)一電能質量調節(jié)器(UPQC)，結合并聯(lián)有源電力濾波器和串聯(lián)有源電力濾波器的優(yōu)點，綜合改善電能質量?，F(xiàn)階段有源電力濾波器的研究方向是如何減少開關損耗，增加系統(tǒng)容量，其中基于SPWM的多電平級聯(lián)

4、變流器是研究的熱點。90年代后期，并聯(lián)APF在日本、美國等國開始廣泛應用。在國內，西安交大、浙大、清華、哈工大等高校正在積極研究，取得了階段性成果，其中拓撲結構和控制方法方面取得了一定的成果，但離產(chǎn)業(yè)化目標甚遠，有很多關鍵技術如APF大容量化，模塊化，標準化有待解決，還未見到有應用性成果報道。13電能質量 電能質量(Power Quality)描述的內容是，通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質。理想狀態(tài)的公用電網(wǎng)應以恒定的頻率、正弦波形和標準電壓對用戶供電。在三相交流系統(tǒng)中，則要求各相電壓和電流的幅值應大小相等、相位相差120。電能質量引起的事故也是屢見不鮮。如甘肅白銀供電局所屬110kV變

5、電站供電的電氣化鐵道在運行中產(chǎn)生諧波，引起llOkV母線電壓畸變4左右，諧波含量達22，所以對電能質量一定要高度重視，避免重大事故的產(chǎn)生。14電網(wǎng)諧波及其產(chǎn)生眾所周知，在世界各國電力工業(yè)中幾乎都是采用正弦供電方式。電源以單一恒定頻率(50Hz60Hz)的正弦變化規(guī)律向電網(wǎng)供電，系統(tǒng)中各點的電流、電壓都是以單一恒定的供電頻率隨時間按正弦規(guī)律變化的量。但隨著技術的發(fā)展，電力系統(tǒng)中的非線性負載的比重不斷增加，直接造成了電網(wǎng)中電流和電壓波形的畸變。從頻域的觀點，在這些電流和電壓的波形中，不僅包含與供電電源同頻率的正弦量(稱為基波分量)，而且出現(xiàn)一系列頻率為基波頻率整倍數(shù)的正弦波分量(稱為高次諧波分量)

6、，這一系列正弦分量統(tǒng)稱為電力諧波。隨著非線性和時變性的電力電子裝置在電力系統(tǒng)中的廣泛應用，電網(wǎng)中諧波的含量越來越高。15諧波標準我國的諧波標準GBT1454993電能質量公用電網(wǎng)諧波是在總結執(zhí)行SDl2684電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定的經(jīng)驗，標準的相關問題在吸取國外諧波標準研究成果的基礎上，結合國情進行了系統(tǒng)的研究。如表11所示為標準中規(guī)定的諧波電壓在公用電網(wǎng)的限值。向該點注入諧波的電流分量(方均根值)的位于電網(wǎng)的公共連接點上全部的用戶都在不應該超過上表中所規(guī)定的值。當最小的短路容量位于公共連接點處與基準的短路容量不相同時(見表12)。其諧波電流允許值應該按下式換算求出I=S(k1)I(hp)/

7、S(k2) (1-1) 式中，S(k1)公共連接點的最小短路容量(MVA)；S(k2)基準短路容量(MVA)；I(hp)一第h次諧波電流允許值(A)表1-l諧波電壓(相電壓)在公共電網(wǎng)的限值電網(wǎng)標稱電壓kV電壓總諧波畸變率()各次諧波電壓含有率()奇次偶次0.3861035661105.04.04.03.03.02.04.03.22.41.62.01.61.20.8表12注入公共連接點的諧波電流允許值標準電壓kV基準短路容量MVA諧波次數(shù)及諧波電流允許值A23456789101112130.3861035661101010010025050075078432615161262342012139

8、.63921137.78.16.062342012139.626148.55.15.44.04424158.89.36.819116.43.84.13.021116.84.14.33.2168.55.13.13.32.428169.35.65.94.3137.14.32.62.72.024137.94.75.03.7標準電壓kV基準短路容量MVA諧波次數(shù)及諧波電流允許值A1415161718192021222324250.386103566 11010100100250500750116.13.72.22.31.7126.84.12.52.61.99.75.33.21.92.01.518106

9、.03.63.82.88.64.72.81.71.81.3169.05.43.23.42.57.84.32.61.51.61.28.94.92.9181.91.47.13.92.31.41.51.1147.44.52.72.82.16.53.62.11.31.41.0126.84.12.52.61.9注：220kV基準短路容量取2000MVA16主要研究內容閱大量的參考文獻后，很多專家學者對電網(wǎng)諧波抑制都有很深的見解，本文主要針對電網(wǎng)出現(xiàn)諧波問題時進行分析，并得出抑制和補償方法，主要內容如下：1介紹了PWM整流器的工作原理；2對PWM整流器電網(wǎng)中的特性分析，同時也對PWM整流器的諧波性能進行了

10、頻譜分析；3利用PWM整流器將諧波進行了仿真分析。首先建立了在高功率整流模式、整流+諧波抑制模式下的仿真模型，然后針對各個模式進行分析；4針對上述建立的PWM整流器仿真模型，對某電網(wǎng)進行諧波治理分析。第2章 諧波抑制的原理及分析諧波是指電流中所含有的頻率為基波的整數(shù)倍的電量，交流電網(wǎng)的有效分量為工頻單一頻率，因此任何與工頻頻率不同的成分都可以稱之為諧波。電力電子中的諧波主要是由非線性負載產(chǎn)生，當正弦波基波電壓施加到非線性負載上時，負載吸收的電流與其上施加的電壓波形不一致，其電流發(fā)生了畸變，由于負載與整個網(wǎng)絡相連接，這樣畸變電流就可以流人到電網(wǎng)中，這樣的負載就成了電力系統(tǒng)中的諧波源。21 PWM

11、整流器基本結構和工作原理PWM整流器是將交流變成直流的變流裝置，通過適當?shù)目刂疲梢允馆敵鲋绷麟妷悍€(wěn)定在一定范圍內，同時使電網(wǎng)側電流正弦化且與電壓同相位。由于非線性和感性容性負載的大量使用，電網(wǎng)中諧波對電能質量造成了嚴重不良影響，不僅干擾了相鄰的其他用電設備，而且還影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運行。如果讓數(shù)量眾多的整流裝置除了實現(xiàn)原先的整流功能外，也能夠起到抑制諧波的作用，這對提高電網(wǎng)的電能質量是非常有意義的。事實上，只要通過適當?shù)目刂疲琍WM整流器完全能夠起到這些作用：從電網(wǎng)吸入有功電流，變?yōu)橹绷鱾魉徒o負載，同時還可以向電網(wǎng)送出反向的諧波電流，以抑制諧波，使該接點從電網(wǎng)吸入的總電流不再含有諧波電流(或者得

12、到抑制)。211基本結構三相電壓型PWM整流器的主電路如圖21所示。圖中e(a)、e(b)、e(c)為電網(wǎng)電壓，i(sa)、i(sb)、i(sc)。為電網(wǎng)輸入電流，u(ra)、u(rb)而和u(rc)為整流橋交流側電壓，u(dc)為整流橋直流側電壓，R為交流測電阻，Ls為交流側電感，C為直流側濾波電容，i(L)為負載電流。PWM整流器可以實現(xiàn)能量的雙向傳輸，當PWM整流器從電網(wǎng)吸收電能時，其處于整流狀態(tài)；當PWM整流器向電網(wǎng)輸出電能時，其處于逆變狀態(tài)。PWM整流器實際上是一個交、直流測可控的四象限變流裝置。參照PWM逆變電路的工作原理，按照正弦信號調制波和三角載波相比較的方法對橋臂上下開關管進

13、行PWM調制，就可以在橋臂的交流側產(chǎn)生正弦調制的電壓波形，波形中除了含有與正弦信號波同頻率切幅值成比例的基波分量外，還含有與三角載波有關的頻率很高的諧波。由于電感的濾波作用，這些高次諧波只會是交流電流產(chǎn)生很小的脈動。如果忽略這種脈動，當正弦信號的頻率和電源頻率相同時，交流電流為頻率與電網(wǎng)頻率相同的正弦波。圖21三相電壓型PWM整流器主電路原理圖212工作原理若只考慮基波分量，忽略PWM諧波分量，則下面的矢量方程式成立。E=V+(jL+R)I (2-1)式中：電網(wǎng)電動勢是E、電網(wǎng)電流矢量是I；在交流側的整流橋的PWM波基波分量是。由此可知，當把電網(wǎng)電動勢作為參考時，通過控制交流電壓矢量即可實現(xiàn)P

14、WM整流器的四象限運行。圖2-2中的向量圖說明了PWM整流器的4種典型的運行狀態(tài)。如圖22(a)所示，I和E同相位，是E超前的相角，電路工作在整流狀態(tài)，切功率因數(shù)為l，這是非?；镜腜WM整流器工作狀態(tài)。圖2-2(b)中I和E相位正好相反，是E滯后的相角，電路工作在逆變狀態(tài)，為負阻性運行，實現(xiàn)了能量的反饋。圖2-2(c)中滯后的相角為，I超前E相位90，電路在向交流電源輸送無功功率，純容性運行。圖2-2(d)中超前的相位為，I滯后E相位90，純感性運行。這四種情況只是PWM整流器運行的四個特殊的工作狀態(tài)。通過控制交流電壓矢量，可以調節(jié)電網(wǎng)電動勢和電流之間的相位差以及電網(wǎng)電流幅值的大小，同時，既

15、可以控制交直流側有功功率的傳遞，又可以控制整流器從電網(wǎng)吸收或發(fā)出的無功功率，即實現(xiàn)四象限運行。圖2-2四象限運行的PWM整流器矢量圖假定系統(tǒng)電壓三相對稱，如圖23所示，即如下所示：e(a)=E(m)cos(t)e(b)=E(m)cos(t-2/3)e(c)=E(m)cos(t+2/3)式中：瓦與co分別為相電壓幅值與頻率。則由圖2-3可得如下方程，e=Ri(s)+Li(s)+u(r) (2-2) Cu(dc)=i(dc)-i(L) (2-3)式中：若選擇由旋轉坐標系中的d軸與電壓矢量重合，則進行Park變換可得到如下旋轉坐標下的電流方程通常忽略交流測電阻損耗以及開關損耗，因此有如下的交、直流功

16、率平衡式代入式(23)可得對于dq軸電流，有功功率只與isd有關，稱為有功電流；無功功率只與isq有關稱為無功電流。直流電壓可由有功電流控制，而功率因數(shù)可由無功電流控制。因此，PWM整流器通常采用同步旋轉坐標系下的電壓電流雙閉環(huán)控制，如圖2-3所示。圖2-3 PWM整流器控制框圖第3章 PWM整流器的仿真分析上一章分析了PWM整流器以及靜止無功補償器(SVC)的基本結構和工作原理，本章利用matlabsimulink將其進行仿真，主要分析PWM整流器的具體特性，重點研究了其分析諧波的特性。31采用Simulink建立PWM整流器仿真模型的建立311 PWM整流器集體模型的搭建根據(jù)上一章所闡述的

17、理論，對一個采用三電平電壓型變流器的PWM整流器進行matlabsimulink仿真。圖3-1為仿真模型。該模型上面部分為主電路部分，由左至右依次為交流電源、交流負載、電壓電流測量模塊、變壓器、電阻電感、三電平變流器、直流電容和負載電阻。交流電源的線電壓為600V，60Hz，短路容量為30MVA，外接500kVar和1MW的負載，變壓器變比為600240。在005s之前，直流負載為200kW的電阻(直流電壓500V)，005s之后通過斷路器并聯(lián)一個相同大小的電阻，因此功率變?yōu)?00kW?！癇1”模塊為ThleePhase V-IMeasurements”模塊，可以測量三相電路的電壓和電流。圖3

18、-1中有兩個主要模塊，左邊為測量模塊；右邊為控制模塊，采用的就是上一章中所說的同步坐標系下的雙環(huán)控制，其內部結構如圖3-2所示。左邊的模塊為濾波器模塊，采用二階低通濾波器對測量的交流電壓、交流電流和直流電壓信號進行濾波，截止頻率為750Hz。右邊的為離散PWM發(fā)生器模塊。中間的“Controller模塊完成的就是如圖23所示的控制框圖，其內部結構如圖3-3所示。圖3-1中的“Step”模塊在O1s時，其輸出由1變?yōu)?，目的是O1s后關斷所有PWM脈沖，PWM整流器作不控整流運行。圖3-1 PWM整流器仿真模型圖32PWM整流器控制模塊內部結構圖圖3-3“Controller模塊內部結構圖312 PWM整流器及諧波特性分析經(jīng)過對仿真模型的研究，運行程序后可得如下仿真結果。圖34為直流電壓波形，在01s前，PWM整流器能夠實現(xiàn)直流電壓穩(wěn)定在500V的控制目標，即使005s時突加一倍負載，直流電壓也能迅速恢復。在O1s之后，轉為二極管整流橋運行，直流電壓下降，這反映了PWM整流器升壓整流的特性。圖34直流電壓波形圖35為