電力系統(tǒng)中諧波電流的快速檢測及抑制

1、電力系統(tǒng)中諧波電流的快速檢測及抑制(安徽工程大學 電氣工程學院 蕪湖 241000)Methods of Harmonics Detection and Restraint for Power System(College of Electrical Engineering, Anhui Polytechnic University, Wuhu , 241000)摘要: 針對電力系統(tǒng)諧波危害，我們當務(wù)之急是把諧波實時的檢測出來并采取有效的方法加以抑制。介紹了幾種最新諧波檢測方法和抑制手段，討論了各種最新方法的特點，并就其發(fā)展趨勢進行分析關(guān)鍵詞: 諧波電流快速檢測; 抑制; MatlabAbst

2、ract: Harmonic, which harms to power system, should be detected and suppressed by adopting effective ways. This paper introduces several latest detection and prevention ways, discusses the characteristics, and analyzes the further development trend of ways. Key words : harmonic current quick detect

3、; suppress; Matlab中圖分類號 TM712 文獻標識碼 A1 引 言1.1 諧波的產(chǎn)生及其危害諧波是指對周期交流信號進行傅立葉分解后得到的頻率不為基波頻率的分量。在電力系統(tǒng)中，由于非線性負載的使用，使得電網(wǎng)中三相電壓不對稱、電壓波動等情況愈來愈嚴重。正弦輸入通過非線性負載時， 雖然可以提高效率，但是同時也會使電流波形偏離正弦而產(chǎn)生畸變，從而在負載電流中產(chǎn)生諧波。該畸變電流在系統(tǒng)中傳輸，也會引起電壓波形的畸變，從而產(chǎn)生諧波污染問題。諧波的危害十分嚴重，它使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低；電氣設(shè)備過熱；產(chǎn)生振動和噪聲；絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障和燒毀；引起電力系統(tǒng)局部并

4、聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振， 使諧波含量放大，造成電器設(shè)備燒毀；使繼電保護等裝量誤動作； 使電能計量出現(xiàn)混亂等。對于電力系統(tǒng)外部， 也會造成通信設(shè)備和其他電子設(shè)備的嚴重干擾甚至引發(fā)安全事故。在電力系統(tǒng)中,正常的電壓和電流波形應(yīng)當是頻率為50Hz的正弦波, 但是實際波形總有不同程度地畸變。尤其是近年來,配電網(wǎng)中諸如換流器、 變頻調(diào)速器、 電弧爐、 電氣化鐵路及家用電子電器等各種設(shè)備不斷增加,這些負荷的用電特性( 非線性、 沖擊性和不對稱性)使電力系統(tǒng)中電壓和電流的波形發(fā)生較嚴重地畸變。諧波電流和諧波電壓對公用電網(wǎng)是一種污染, 它使用電設(shè)備所處的環(huán)境惡化,也對周圍的通信系統(tǒng)和公用電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來危害。1.

5、2 諧波的檢測諧波檢測是諧波問題中的一個重要分支，準確、實時檢測出電網(wǎng)中瞬態(tài)變化的畸變電流、電壓，對抑制諧波有著重要的指導作用。傳統(tǒng)的諧波檢測方法主要有： 1）模擬濾波器測量諧波；2）基于fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波檢測法；3）基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法；4）基于傅里葉變換的諧波檢測法；5）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測法；6）基于自適應(yīng)對消原理的諧波檢測法；7）基于小波分析的諧波檢測法等等 這些方法在實際運用中均有不同程度局限及缺點。針對這一問題，在以上各種方法基礎(chǔ)上的拓展和改進方法應(yīng)運而生。1.3 諧波的抑制及設(shè)備諧波抑制的基本思路有二: 一是裝設(shè)諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都適用

6、；二是對主諧波源設(shè)備進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為 1。目前，無源濾波是實際應(yīng)用最多、效果較好、價格較低的解決方案， 它包括以下幾種基本形式:調(diào)諧濾波(單調(diào)諧濾波、 雙調(diào)諧濾波)和高通濾波。 其中單調(diào)諧濾波主要適用于某次諧波的治理。雙調(diào)諧濾波可以同時吸收兩種頻率的諧波； 高通濾波主要適用于高次諧波的治理，它可與單調(diào)諧濾波器配合，濾除高于該次以上諧波。 傳統(tǒng)的諧波抑制方式為 LC調(diào)諧濾波器， 但易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導致諧波放大。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源濾波補償技術(shù)日益成熟，并得到了廣泛應(yīng)用。2幾種主要諧波檢測方法分析2.1 模擬濾波器模擬濾波器有兩種,一是通過濾波器濾

7、除基波電流分量,得到諧波電流分量;二是用帶通濾波器得出基波分量,再與被檢測電流相減后得到諧波電流分量,其原理和電路結(jié)構(gòu)簡單、造價低, 能濾除一些固有頻率的諧波。缺點是: ( 1)誤差大, 實時性差, 電網(wǎng)頻率變化時尤其明顯; ( 2)對電路元件參數(shù)十分敏感, 參數(shù)變化時檢測效果明顯變差。其原理見圖1,以 a相電流為例, 負載電流經(jīng)過低通濾波器得到電流中基波成分, 再用負載電流與此基波成分相減便得到諧波成分。這種諧波檢測方法具有成本低、響應(yīng)速度快、結(jié)構(gòu)簡單和易實現(xiàn)等優(yōu)點。圖1 諧波檢測原理圖2.2 基于瞬時無功功率的諧波電流檢測法日本學者H. Akag i 1983年提出瞬時無功功率理論,以瞬時

8、實功率P 和瞬時虛功率 Q的定義為基礎(chǔ)即PQ理論, 后又補充定義瞬時有功電流 i P 和瞬時無功電流 i Q 等物理量,經(jīng)歷了一個逐漸完善的過程。它首先用于三相電路諧波檢測中, 目前在有源電力濾波器中,該諧波檢測法應(yīng)用最多。以計算 P 和 Q為出發(fā)點的稱為 P - Q法,以計算 i P 和 i Q 為出發(fā)點的稱為 i P -i Q 法,它們都能準確地檢測對稱三相電路的諧波值,實時性較好, 在只需測量諧波時可省去鎖相環(huán)電路。i P- i Q 法的適應(yīng)范圍更寬, 能適應(yīng)不對稱電網(wǎng)和電壓波形畸變時的情況,按 i P、i Q 運算方式時,只讀取 si nt和cost參與運算, 畸變電壓的諧波成份在運算

9、中不出現(xiàn),因而它在電源電壓畸變情況下也能準確檢測出諧波電流;而P - Q法在這種情況下則誤差較大。2.3用FFT系數(shù)傅里葉變換的幅值來分離諧波的算法如果信號中同時存在幾個頻率相近的整數(shù)次和非整數(shù)次諧波，利用現(xiàn)有的傅里葉變換和連續(xù)小波變換 (CWT) 方法都不能給出較為滿意的分析結(jié)果，甚至連諧波的個數(shù)都無法判斷 利用連續(xù)小波變換系數(shù)傅里葉變換的幅值來分離諧波的算法,通過仿真，驗證了該算法能夠把頻率相近的整數(shù)次和非整數(shù)次諧波進行分離，檢測結(jié)果基本能夠反映實際的諧波情況，從而提高了諧波檢測的精度，為電力系統(tǒng)中復雜的諧波情況提供了一種新的分析算3諧波的抑制技術(shù) 3 . 1 利用無源濾波器該裝置利用諧振

10、原理,通過 L、 R、 C組成的濾波電路對需要消除的高次諧波進行調(diào)諧, 使之發(fā)生諧振,用其在諧振時阻抗最小的特性, 有效消除指定次數(shù)的諧波,并在諧波源附近就地吸收諧波電流,使指定次數(shù)的諧波電流被濾波器吸收而不能注入電網(wǎng),從而達到抑制諧波的目的。具體來說,無源濾波器又有如下幾類。3.1.1單調(diào)諧濾波器這是最為常用的一種濾波器, 由 L、 R、C串接而成,它是針對某一次諧波而設(shè)計的。當系統(tǒng)中有該次諧波時,由于濾波器的存在使得諧波容抗與諧波感抗剛好抵消,整個濾波器電路對該次諧波僅相當于一個低阻通道,從而將該次諧波從系統(tǒng)中濾除。3.1.2 雙調(diào)諧濾波器雙調(diào)諧濾波器相當于由兩個單調(diào)諧濾波器并聯(lián)組成,它可

11、以同時吸收兩種頻率的諧波。與兩個單獨的單調(diào)諧濾波器相比,它的基波損耗較小,但是結(jié)構(gòu)比較復雜。3.1.3 二階減幅型濾波器這種濾波器又稱為高通濾波器, 可與單調(diào)諧濾波器相配合,它對于高于某次以上諧波的諧波阻抗較小,從而可以從系統(tǒng)中濾除高于該次以上的諧波。這種濾波器基波損耗較小,阻抗頻率特性較好,因此在電力系統(tǒng)中應(yīng)用較多。3.2利用有源電力濾波器利用有源電力濾波器可以有效地用于電力系統(tǒng)補償諧波、無功功率和電壓不平衡，但是不足之處在于，應(yīng)用到工業(yè)系統(tǒng)時容易受到系統(tǒng)電壓等級以及容量的限制。為了克服上述不足，降低系統(tǒng)容量要求， 把有源濾波器和無源濾波器相結(jié)合的混合型有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)就應(yīng)運而生， 其中

12、并聯(lián)混合型(無源和有源相串聯(lián))有源濾波器，能夠把無源濾波器補償容量大以及有源濾波器補償靈活的優(yōu)點結(jié)合在一起，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前應(yīng)用的有源電力濾波器多種多樣， 但總的來說， 都是由諧波檢測環(huán)節(jié)、控制系統(tǒng)和主電路3個主要部分構(gòu)成。 當需要補償負載所產(chǎn)生的諧波電流時，有源電力濾波器檢測出補償對象負載電流中的諧波成分， 將其反極性后作為補償電流的指令信號，這樣由補償電流發(fā)生電路產(chǎn)生的補償電流與負載電流中的諧波分量大小相等，方向相反，因而兩者互相抵消，使得電源電流中只含基波，不含諧波。這樣就達到了抑制電源電流中諧波的目的。有源電力濾波器可以按照主電路使用的變流電路類型、 拓撲結(jié)構(gòu)和電源相數(shù)來分類。

13、按變流器類型分為電流型和電壓型;按拓撲結(jié)構(gòu)可分為并聯(lián)型、 串聯(lián)型和串、并聯(lián)混合型;按電源相數(shù)可分為單相、 三相三線、三相四線等。3.2.1 并聯(lián)型APF 的工作原理在各種有源電力濾波器中,并聯(lián)型有源濾波器是最基本的一種, 也是工程實際中應(yīng)用最多的一種,它集中地體現(xiàn)了有源電力濾波器的特點。其原理見圖2。濾波器從補償對象中檢測出負載電流 i l的諧波分量,將其作為指令信號 i*c, 由補償電流發(fā)生電路,產(chǎn)生補償電流 if,即與諧波分量大小相等,方向相反;也就是說,電源只向負載提供基波電流,而諧波電流由有源電力濾波器的補償電流發(fā)生電路提供,從而使得交流電源電流 i s 中只含基波,不含諧波,這樣就達

14、到了抑制電源電流中諧波的目的。 圖 2 并聯(lián)型有源濾波器原理圖設(shè)非線性負載產(chǎn)生的負載電流為 i l ,供電系統(tǒng)提供的電網(wǎng)電流為 i s , 而有源濾波器的補償電流為if ,根據(jù)基爾霍夫電流定律有: is = i l+ if而非線性負荷電流中分別含有電流諧波分量ilh和電流基波分量il 1，i l= ilh + i l1為防止諧波電流流入電網(wǎng), 只要控制 if = -ilh ,則 is = i l1,即諧波全部被抵消, 只有基波電流注入電網(wǎng),從而防止諧波污染電網(wǎng)。3.3 主動諧波抑制3.3.1 增加整流相數(shù)由諧波產(chǎn)生的機理知,隨著整流相數(shù)的增加,網(wǎng)側(cè)電流諧波成分減少, 電流波形接近于正弦波。在晶

15、閘管三相橋式整流電路中,電流只含有 n次奇次諧波,但高次諧波的振幅值只有基波振幅值的 1/n, 這說明諧波次數(shù)越高,其振幅值越小。在多相整流電路中,諧波的影響就顯著減少,當然整流相數(shù)提高,會使設(shè)備的造價相應(yīng)提高。3 . 3 . 3 脈寬調(diào)制法采用 PWM 在所需的頻率周期內(nèi), 將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖,可以達到抑制諧波的目的。主動型諧波抑制方案的主要問題在于成本高, 效率低,所以對于較大功率的電力電子裝置,一般除了采用主動型諧波抑制方法以外, 還要輔以無源或有源濾波器加以抑制高次諧波。3 . 3 . 2 波形疊加法逆變器輸出端的電壓諧波嚴重地影響了 DC - AC變換器

16、的應(yīng)用。但如果用兩臺逆變器輸出的電壓在副邊疊加, 使兩臺逆變器的輸出波形每半周內(nèi)都保持60°間隙,然后第二臺逆變器輸出波形相對第一臺逆變器輸出波形相移 36° ,這樣第一臺逆變器的輸出波形中的五次諧波和第二臺逆變器輸出波形中的五次諧波的相位差為 180°，五次諧波在變壓器副邊互相抵消,達到了同時消除三次和五次諧波的目的,逆變器輸出電壓波形接近于正弦波。4 結(jié)束語隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展,接入的設(shè)備越來越多,電力網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)也越來越復雜,在這種情況下,電力系統(tǒng)的諧波問題也就越來越受到關(guān)注。因此,檢測諧波和抑制諧波已成為電力系統(tǒng)工作中不可忽視的環(huán)節(jié),日益受到重視。參考文獻【1】 隋國輝,Net平臺AOP框架應(yīng)用研究, 四川大學. 20010 年5月【2】 曲洪橋, 鄭雪峰, 用 AOP 的橫切機制解決面向?qū)ο笤O(shè)計中的耦合問題J微計算機信息, 2006,18【3】 李清華, 基于 AOP 的系統(tǒng)實現(xiàn)研究,武漢大學, 2009 年 5 月【4】 任洪敏, 錢樂秋. 構(gòu)件組裝及其形式化推導