電力系統(tǒng)諧波及其抑制技術(shù)的研究

1、山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 摘要摘要隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,電力系統(tǒng)的發(fā)展及電力市場(chǎng)的開放,各種非線性負(fù)載(諧波源)應(yīng)用普及,產(chǎn)生的諧波對(duì)電網(wǎng)的污染日益嚴(yán)重,電能質(zhì)量問(wèn)題越來(lái)越引起廣泛關(guān)注。因此,諧波及其抑制技術(shù)已成為國(guó)內(nèi)外廣泛關(guān)注的課題。本文首先對(duì)國(guó)內(nèi)外諧波問(wèn)題及其現(xiàn)狀進(jìn)行了描述，介紹了電力系統(tǒng)諧波主要產(chǎn)生形式以及抑制電網(wǎng)諧波的主要方式，對(duì)現(xiàn)有的基于瞬時(shí)無(wú)功功率諧波檢測(cè)方法進(jìn)行了改進(jìn)，提出了三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器諧波檢測(cè)方法：基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的改進(jìn)方法。研究了并聯(lián)有源電力濾波器電流控制方法，確定采用三角波比較控制方式作為本文所研究三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器控制策略。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)

2、、諧波、諧波抑制、有源濾波器ABSTRACTWith the development of the power system and the opening of the electricity Market, the power quality problem is receiving increasing attention.The pollution of the harmonies to the grid is inereasingly severe, owing to the Prevalence of the non-linear loads (harmoniesourees).

3、So, the harmonic and its suppression technology is becoming the topic of common e oncern worldwide. A general description of development of harmonic around the world is given in this thesis at fist. It simply introduces the main mode of suppressing harmonic. This thesis put forward an improved harmo

4、nic detecting based on instantaneous reactive power theory considering that the power system is often under imbalance in our country,and a harmonic detection method of the three-phase three-line parallel active power filter-the harmonic current deteetion methodbased on the instantaneous reaetive pow

5、er theory.Key words: Power system, Harmoni, Harmonie Suppression, Aetive Powerfilte山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 緒論目錄1 緒論51.1 研究的目的和意義51.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況和進(jìn)展62 諧波及其有源濾波器的研究92.1諧波的基本概念92.2諧波的產(chǎn)生極其危害102.3諧波的抑制方法142.4 有源濾波器172.5 并聯(lián)有源電力濾波器補(bǔ)償特性的研究192.6 電力系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn)202.7 本章小結(jié)213基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法223.1諧波檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀223.2三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論233.3基

6、于瞬時(shí)無(wú)功功率p、q檢測(cè)方法263.4基于算法的諧波電流實(shí)時(shí)檢測(cè)284 并聯(lián)有源電力濾波器的控制策略研究314.1有源電力濾波器工作原理及模型314.2并聯(lián)有源電力濾波器滯環(huán)比較控制方法324.3有源電力濾波器系統(tǒng)354.4直流側(cè)電壓的控制364.5本章小結(jié)375有源三相濾波器的仿真385.1檢測(cè)模塊分析385.2電流跟蹤控制模塊395.3有源濾波器逆變模塊416 總結(jié)和發(fā)展426.1總結(jié)426.2 發(fā)展前景43參考文獻(xiàn)44致謝46山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 諧波及其有源濾波器的研究1 緒論1.1 研究的目的和意義隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，大量非線性負(fù)荷（如電氣化鐵道牽引負(fù)荷、整流負(fù)荷、電力機(jī)

7、車、電弧爐、變頻調(diào)速裝置等）接入電力系統(tǒng)，這些非線性負(fù)荷在系統(tǒng)電壓作用下，供電電流發(fā)生畸變，含有大量的諧波成分。非線負(fù)荷的諧波電流注入系統(tǒng)后，在系統(tǒng)阻抗上產(chǎn)生諧波電壓，引起電網(wǎng)電壓畸變，造成電力系統(tǒng)諧波污染。目前，電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題日益嚴(yán)重，不但降低了電能質(zhì)量，還威脅到電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。所以，對(duì)電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題進(jìn)行計(jì)算、分析和研究，并進(jìn)而采取相應(yīng)的抑制措施，是一項(xiàng)非常迫切的任務(wù)。改善電能質(zhì)量，既需要供電部門提高供電質(zhì)量，同時(shí)在用戶側(cè)就地改善電能質(zhì)量也是很有必要的，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)明確指出：用戶的非線性負(fù)荷、沖擊性負(fù)荷、波動(dòng)負(fù)荷、非對(duì)稱負(fù)荷對(duì)供電質(zhì)量產(chǎn)生影響或?qū)Π踩\(yùn)行構(gòu)成干擾和妨礙時(shí)，用戶必須采取

8、措施加以消除。本文所要研究的主要就是如何在用戶側(cè)抑制用戶產(chǎn)生的諧波電流以及電流不對(duì)稱等電能質(zhì)量問(wèn)題。電能質(zhì)量問(wèn)題的提出由來(lái)已久，衡量電能質(zhì)量的指標(biāo)也是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而備受關(guān)注。在電力系統(tǒng)的發(fā)展早期，電力負(fù)荷的組成比較簡(jiǎn)單，主要由同步電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和各種照明設(shè)備等線性負(fù)荷組成。20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，非線性電力電子器件和裝置在現(xiàn)代工業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，不少用戶對(duì)電能的利用都要經(jīng)過(guò)電力電子裝置的轉(zhuǎn)換和控制，這些裝置給人們生產(chǎn)和生活帶來(lái)方便和效率的同時(shí)，使電力系統(tǒng)的非線性負(fù)荷明顯增加。 諧波研究的意義，是因?yàn)橹C波的危害十分嚴(yán)重，諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低

9、，使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀，還會(huì)引起供電電壓畸變，增加用電設(shè)備消耗的功率，降低系統(tǒng)的功率因數(shù)，增加輸電線路的損耗，縮短輸電線壽命，增加變壓器損耗，對(duì)電容器有很大影響，造成繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置工作紊亂，增加感應(yīng)電動(dòng)機(jī)的損耗，使電動(dòng)機(jī)過(guò)熱，造成換流裝置不能正常工作，引起電力計(jì)量誤差，干擾通信系統(tǒng)，對(duì)其它設(shè)備造成影響。諧波研究的意義，還在于其對(duì)電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。但是，現(xiàn)在電力電子裝置產(chǎn)生的諧波污染已經(jīng)成為阻礙電力電子救贖發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領(lǐng)域的研究人員必須對(duì)諧波問(wèn)題進(jìn)行更為有效的研究。諧波研究的意義，還可以上升到治理污染環(huán)境、

10、維護(hù)綠色環(huán)境來(lái)考慮。對(duì)電力電子來(lái)說(shuō)，無(wú)諧波就是“綠色”的主要標(biāo)志之一。因此消除諧波污染，已成為電力系統(tǒng)，尤其是電力電子技術(shù)中的一個(gè)重大課題。諧波研究及其抑制技術(shù)已日益成為人們關(guān)注的問(wèn)題。1.2 國(guó)內(nèi)外研究狀況和進(jìn)展1.2.1 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀我國(guó)在有源電力濾波器的應(yīng)用研究方面，繼日本、美國(guó)、德國(guó)等之后，得到學(xué)術(shù)界和企業(yè)界的充分重視，并投入了大量的人力和物力，但和電子工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家相比有一定的差距。我國(guó)從80年代開始大量采用硅整流設(shè)備，尤其是鐵路電氣化的迅速發(fā)展，推動(dòng)了硅整流技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用。電氣化鐵道具有牽引重量大、速度高、節(jié)約能源、對(duì)環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，電力牽引已成為我國(guó)鐵路動(dòng)力改造的主要方向。目

11、前，非線性負(fù)荷的大量增加，使我國(guó)不少電網(wǎng)的諧波成分以大大超過(guò)了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并出現(xiàn)了一些危及電網(wǎng)安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的問(wèn)題。于此同時(shí)，我國(guó)許多科研和生產(chǎn)單位，一些高等院校相繼開展了諧波研究工作，在多次學(xué)術(shù)會(huì)議上交流了這一方面的成果。但是，我國(guó)在 APF 方面的研究仍處于起步階段，到 1989 年才有這方面文章。研究 APF 主要集中在并聯(lián)型、混合型，也開始研究串聯(lián)型。研究最成熟的是并聯(lián)型，而且主要以理論眼界和實(shí)驗(yàn)研究為主。理論上涉及到了功率理論的定義、諧波電流的監(jiān)測(cè)方法、有源電力濾波器的穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)特性研究等。1991年北方交通大學(xué)王良博士研制出 3KVA 的無(wú)功及諧波的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償裝置；同年，華北電力科學(xué)院

12、和冶金自動(dòng)化研究院聯(lián)合研制了用于 380V三相系統(tǒng)的33KVA 雙極面結(jié)型(BJT)電壓型濾波器；采用多重化技術(shù)，西安交通大學(xué)研制出120KVA 并聯(lián)型有源濾波器的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。此外，清華大學(xué)、華北電力大學(xué)、重慶大學(xué)等高等院校也對(duì)APF展開了深入的理論研究。我國(guó)雖在理論上取得一定的進(jìn)展，由于多方面的條件的限制，我國(guó)的有源濾波技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，工業(yè)應(yīng)用上只有少數(shù)幾臺(tái)樣機(jī)投入運(yùn)行，如華北電力實(shí)驗(yàn)研究所、冶金部自動(dòng)化研究院和北京供電公司聯(lián)合開發(fā)研究的有源高次諧波抑制裝置于 1992年在北京木材廠中心變電站投入工業(yè)運(yùn)行，該裝置采用了三個(gè)單相全控橋逆變器(功率開關(guān)為GTR)，用于低壓電網(wǎng)單個(gè)諧波源的諧波補(bǔ)

13、償，且只能補(bǔ)償幾個(gè)特定次數(shù)的諧波(5、7、11、13 次)，調(diào)制載波的頻率(3.3KHZ)不高；河南電力局與清華大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的 20MVA 靜止無(wú)功發(fā)生器(包含有源諧波器)在鄭州孟若變電站進(jìn)行 300KVA 中間工業(yè)樣機(jī)試運(yùn)行，該樣機(jī)主電路由 18 脈沖電壓型逆變器、直流儲(chǔ)能電容器、9 臺(tái)曲折繞組變壓器及系統(tǒng)的連接變壓器組成，18脈沖逆變器分為 3 相 6 脈沖電壓型逆變器(功率開關(guān)為GTO)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。 總的來(lái)講，目前我國(guó)有源電力濾波技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用，仍處于試驗(yàn)和攻堅(jiān)階段，特別是在既治理諧波又補(bǔ)償無(wú)功功率的HAPF系統(tǒng)方面，還有許多基礎(chǔ)理論與技術(shù)有待于深入研究。從近年來(lái)的研究和應(yīng)用中我們

14、可以看出APF具有如下的發(fā)展趨勢(shì)： 1.通過(guò)采用PWM調(diào)制技術(shù)和提高開關(guān)器件等效開關(guān)頻率的多重化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)高次諧波的有效補(bǔ)償和系統(tǒng)的大容量；2.從經(jīng)濟(jì)上考慮，可以采用APF和PF組成的混合型濾波系統(tǒng)，以減少APF 的容量，達(dá)到降低成本、提高效益的目的；3.從長(zhǎng)遠(yuǎn)角度看，隨著半導(dǎo)體器件制造水平的迅速發(fā)展，混合型濾波系統(tǒng)低成本的優(yōu)勢(shì)將逐漸消失，而串并聯(lián)APF由于其功能強(qiáng)大、性價(jià)比高，將是很有發(fā)展前途的有源濾波裝置。1.2.2 國(guó)外研究現(xiàn)狀國(guó)外對(duì)電力諧波問(wèn)題的研究大約開始于五六十年代，當(dāng)時(shí)的研究主要是針對(duì)高壓直流輸電技術(shù)中變流器引起的電力系統(tǒng)諧波問(wèn)題。七八十年代隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及其在工業(yè)、交

15、通及家庭中的廣泛應(yīng)用，諧波問(wèn)題日趨嚴(yán)重從而引起各國(guó)的高度重視。近幾十年間電力諧波的研究，滲透到了數(shù)字信號(hào)處理、計(jì)算技術(shù)、系統(tǒng)仿真、電工理論、控制理論與控制技術(shù)、電網(wǎng)絡(luò)理論、電力電子學(xué)等其它學(xué)術(shù)領(lǐng)域，已經(jīng)越過(guò)了電力系統(tǒng)的范疇，并且形成了自己特有的理論體系、分析研究方法、控制與治理技術(shù)、監(jiān)測(cè)方法與技術(shù)、限制標(biāo)準(zhǔn)與管理制度等。目前，諧波研究仍是一個(gè)非?；钴S的領(lǐng)域。 抑制諧波可以從治理諧波源本身入手，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)為1，單位功率因數(shù)變流器就是可以實(shí)現(xiàn)這種功能的電力電子裝置。但由于諧波的多樣性，在電網(wǎng)中一般還是加裝濾波器的方法來(lái)抑制高次諧波，這些裝置一般可分類為無(wú)源濾波器和有源濾波器兩種。2

16、 諧波及其有源濾波器的研究2.1 諧波的基本概念 2.1.1 諧波的基本含義國(guó)際上公認(rèn)的諧波含義是：“諧波是一個(gè)周期電氣量的正弦波的分量，或者說(shuō)諧波分量為周期量的傅里葉級(jí)數(shù)中大于1的 次分量其頻率為基波頻率的整數(shù)倍”。諧波次數(shù)必須是個(gè)正整數(shù)，例如我國(guó)電力系統(tǒng)的額定頻率是50HZ，2次諧波為100HZ，3次諧波為150HZ，有些國(guó)家電力系統(tǒng)的額定頻率為60HZ，其基波60HZ，2次諧波為120HZ，3次諧波為 180HZ。諧波次不能為非整數(shù)，因此也不能有非整數(shù)諧波。2.1.2 諧波的數(shù)學(xué)表達(dá)供用電系統(tǒng)中，通常認(rèn)為電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)交流電壓和交流電流呈正弦波形。在進(jìn)行諧波分析時(shí)，正弦電壓通常由下數(shù)學(xué)式表示：

17、 （2.1）式(2.1)中： 為電壓有效值,為初相角，為角頻率。 正弦電壓施加在線性無(wú)源元件電阻、電感和電容上，其電源和電壓分別為比例、積分和微分關(guān)系，仍為同頻率的正弦波。但當(dāng)正弦電壓施加在非正弦電路上時(shí)，電流就變?yōu)榉钦也?，非正弦電流在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，會(huì)使電壓波形也變?yōu)榉钦也?。?dāng)然，非正弦電壓施加在線性電路上時(shí)，電流也是非正弦波。理論上任何周期性波形都可以分解成傅立葉級(jí)數(shù)形式，稱為諧波分析或頻域分析。諧波分析是計(jì)算周期性畸變波形的基波和諧波的幅值和相角的基本方。對(duì)于周期為的非正弦電壓，一般滿足狄力赫利條件，可以分解為如下形式的傅立葉級(jí)數(shù)： （2.2）式中： （2.3） （2.4） （2

18、.5）在傅立葉級(jí)數(shù)中頻率的分量稱為諧波，均以非正弦電壓為例，頻率為 的分量稱為基波，大于諧波次數(shù)為基波頻率和基波頻率的整數(shù)比。以上公式及定義均以非正弦電壓為例，對(duì)于非正弦電流的情況也完全適用，把式中轉(zhuǎn)成即可。2.2 諧波的產(chǎn)生極其危害2.2.1諧波產(chǎn)生的原因2.2.1.1 電源本身的諧波發(fā)電機(jī)是由三相繞組組成的，理論上講，發(fā)電機(jī)三相繞組必須完全對(duì)稱，發(fā)電機(jī)內(nèi)的鐵心也必須完全均勻一致，才不致造成諧波的產(chǎn)生。但受工藝、環(huán)境以及制作技術(shù)等方面的限制，致使電樞表面的磁感應(yīng)強(qiáng)度分布稍稍偏離正弦波，因此，產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也會(huì)稍稍偏離正弦電動(dòng)勢(shì)，即所產(chǎn)生的電流稍偏離正弦電流。當(dāng)然，幾個(gè)這樣的電源并網(wǎng)時(shí)，總電

19、源的電流也將偏離正弦波。2.2.1.2 非線性負(fù)載所致諧波產(chǎn)生的另一個(gè)原因是由于非線性負(fù)載。當(dāng)電流流經(jīng)線性負(fù)載時(shí)，負(fù)載上電流與施加電壓呈線性關(guān)系；而電流流經(jīng)非線性負(fù)載時(shí)，則負(fù)載上電流為非正弦電波，即產(chǎn)生了諧波。主要非線性負(fù)載裝置有：1） 輸電和配電系統(tǒng)中存在大量的電力變壓器。因變壓器內(nèi)鐵心飽和，磁化曲線的非線特性以及額定工作磁密位于磁化曲線近飽和段上等諸多因素，致使磁化電流呈尖頂形，內(nèi)含大量奇次諧波。變壓器鐵心飽和度越高，其工作點(diǎn)偏離線性就越遠(yuǎn)，產(chǎn)生的諧波電流就越大，嚴(yán)重時(shí)三次諧波電流可達(dá)額定電流的5%。2） 整流器和逆變器產(chǎn)生的諧波電壓、電流。整流器的作用是將交流電轉(zhuǎn)變成直流電，而逆變器則是

20、將直流電轉(zhuǎn)變成交流電。大功率整流器廣泛應(yīng)用于冶金、化工等領(lǐng)域，大功率整流器逆變器廣泛應(yīng)用于交流變頻調(diào)速及交直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速等領(lǐng)域。其電路中的二極管視為理想二極管，即正向阻抗接近零，反向阻抗無(wú)窮大。因此，只允許電流單方向流動(dòng)，從整流器的輸出端看，每相電流波形為矩形波，不是正弦波，利用傅氏級(jí)數(shù)展開式展開周期的矩形波形，可以看到除了工頻正弦波（50 HZ基波）外，還疊加了一系列高次波形諧波。應(yīng)該說(shuō)電動(dòng)機(jī)采用變頻器進(jìn)行調(diào)速，可以高水平完成調(diào)速，也可以節(jié)省大量電能（近30%）。但如前面分析，變頻調(diào)速過(guò)程中要產(chǎn)生高次諧波，即形成高次諧波污染，造成廠區(qū)的電視、音響系統(tǒng)不能正常工作；還要干擾二次儀表壓力、流量

21、、可編程控制器及智能控制器正常工作；諧波還要使變壓器、電動(dòng)機(jī)、電容器及電抗器產(chǎn)生過(guò)熱。3） 電弧爐運(yùn)行引起電壓波動(dòng)。隨著冶煉工業(yè)的發(fā)展，當(dāng)然會(huì)更多地使用電弧爐，這是一個(gè)重要負(fù)荷。運(yùn)行時(shí)，電極和金屬碎粒之間會(huì)發(fā)生頻繁斷路，而在熔化期間，電源兩相短路，一旦熔化金屬?gòu)碾姌O上落下，電弧熄滅，電源又開路，因此，可以說(shuō)冶煉過(guò)程是頻繁的短路開路短路的過(guò)程，會(huì)引起用戶端電壓波動(dòng)及白熾燈閃爍，一般電壓波動(dòng)頻率是0.1 HZ幾十HZ，這種諧波是以三次諧波為主。4） 充氣電光源和家用電器也是常見的諧波源。如熒光燈、高壓汞燈、高壓鈉燈與金屬鹵化物燈應(yīng)用氣體放電原理發(fā)光，其伏安特性具有明顯的非線性特征；計(jì)算機(jī)、電視機(jī)、

22、錄像機(jī)、調(diào)光燈具、調(diào)溫炊具、微波爐等家用電器，因內(nèi)置調(diào)壓整流元件，會(huì)對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生高次奇諧波；電風(fēng)扇、洗衣機(jī)、空調(diào)器含小功率電動(dòng)機(jī)，也會(huì)產(chǎn)生一定量的諧波。這類設(shè)備功率雖小，但數(shù)量多，也是電網(wǎng)諧波源中不可忽視的因素。2.2.2 諧波的危害2.2.2.1 對(duì)電氣一次設(shè)備的影響與危害1）對(duì)旋轉(zhuǎn)電機(jī)的影響與危害諧波電流除了在電機(jī)的定子繞組中產(chǎn)生有功損耗以外，還產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，在轉(zhuǎn)子的鐵芯中和轉(zhuǎn)子的繞組中感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生有功附加損耗。這些附加損耗使電機(jī)的定子和轉(zhuǎn)子溫升增大。另外，諧波電流和基波磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生的扭力矩作用在轉(zhuǎn)子上，激發(fā)汽輪發(fā)電機(jī)周期性振動(dòng)，并伴有噪聲。如果諧波電流的頻率接近定子零部件的固有振

23、動(dòng)頻率時(shí)，可能引起發(fā)電機(jī)的強(qiáng)烈振動(dòng)，造成汽輪機(jī)的軸和葉片因疲勞而損壞。2） 對(duì)變壓器的影響與危害變壓器中諧波電流的影響主要是增加其銅損和鐵損，并隨頻率的增大而增大。諧波損耗產(chǎn)生的局部過(guò)熱會(huì)降低變壓器的絕緣壽命。當(dāng)附加損耗達(dá)到一定值時(shí)，需要降低出力運(yùn)行。若變壓器繞組的電抗和電容器組發(fā)生串聯(lián)諧振時(shí)，將產(chǎn)生諧波過(guò)電壓，使局部放電量增加，加速絕緣老化。嚴(yán)重時(shí)還會(huì)發(fā)生絕緣擊穿事故。3） 對(duì)電力電容器的影響與危害電力系統(tǒng)中的諧波會(huì)增加電容器的介質(zhì)損耗，使溫升增高，從而降低其壽命。諧波產(chǎn)生的損耗與諧波次數(shù)成正比。高次諧波的含量越大，產(chǎn)生的損耗也越大。由于電容器的結(jié)構(gòu)不利于散熱，造成電容器的溫度升高與介質(zhì)損耗

24、增加形成惡性循環(huán)，最后可能導(dǎo)致熱擊穿。電力系統(tǒng)中的諧波會(huì)增加電容器的介質(zhì)損耗，使溫升增高，從而降低其壽命。諧波產(chǎn)生的損耗與諧波次數(shù)成正比。高次諧波的含量越大，產(chǎn)生的損耗也越大。由于電容器的結(jié)構(gòu)不利于散熱，造成電容器的溫度升高與介質(zhì)損耗增加形成惡性循環(huán)，最后可能導(dǎo)致熱擊穿。2.2.2.2 對(duì)二次設(shè)備的影響與危害1） 對(duì)測(cè)量設(shè)備的影響與危害傳統(tǒng)的功率定義大都是建立在平均值基礎(chǔ)上的。但當(dāng)電路中含有諧波時(shí)，傳統(tǒng)的功率概念已無(wú)法對(duì)諧波電路的功率現(xiàn)象進(jìn)行解釋和描述。迄今為止，還未找到徹底解決問(wèn)題的理論和方法。以至于同一廠家制造的同一種儀表對(duì)同一電氣量進(jìn)行測(cè)量，按照不同的定義所得的結(jié)果有時(shí)竟相差20%30%

25、。因此，存在諧波時(shí)功率的分類和定義直接影響功率和電能的測(cè)量以及與之有關(guān)的收費(fèi)問(wèn)題。2） 對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響與危害正常運(yùn)行時(shí)，變壓器空載合閘時(shí)勵(lì)磁涌流含有大量的諧波分量，使變壓器二次電流波形嚴(yán)重畸變，以致電流幅值可能超過(guò)過(guò)電流繼電器的整定值而誤動(dòng)作。在故障情況下，諧波影響比較大的是距離保護(hù)。阻抗繼電器是按系統(tǒng)的基波阻抗整定的，3次諧波會(huì)引起很大的測(cè)量誤差，嚴(yán)重時(shí)可能拒動(dòng)或誤動(dòng)。對(duì)于高阻接地故障，因故障電流中的諧波含量較大，如果沒有濾波裝置，誤動(dòng)作的可能性較大。3次諧波電流也容易引起接地保護(hù)裝置的誤動(dòng)作。晶體管繼電保護(hù)裝置的組成元器件對(duì)各次諧波所呈現(xiàn)的阻抗不同，往往使比較器上的諧波含量比一

26、次系統(tǒng)的含量大得多，因此，諧波容易使電壓（或電流）的幅值增加，并引起交流量過(guò)零的機(jī)會(huì)增多，微分的脈沖次數(shù)增多，都可能引起晶體管繼電保護(hù)的誤動(dòng)作。2.3諧波的抑制方法對(duì)諧波抑制和消除的方法本文采用的是從改進(jìn)電力電子裝置入手，使注入電網(wǎng)的諧波電流減少，也就是在諧波源上采取措施，最大限度地避免諧的產(chǎn)生。這類方法可防止諧波影響波及眾多的供用電設(shè)備。電網(wǎng)質(zhì)量的提可節(jié)省消除諧波影響的大量人力和物力。將高水平的技術(shù)和相對(duì)集中的財(cái)用到控制諧波源上，則對(duì)電力電子裝置改進(jìn)技術(shù)的突破十分有利，這樣的方法有：2.3.1 增加整流相數(shù)法 諧波產(chǎn)生的機(jī)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。

27、在晶閘管三相橋式整流電路中，電流只含有次奇次諧波，但高次諧波的振幅值只有基波振幅值的，這說(shuō)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(dāng)然整流相數(shù)提高，會(huì)使設(shè)備的造價(jià)相應(yīng)提高。2.3.2 波形疊加法 逆變器輸出端的電壓諧波嚴(yán)重地影響了直流到交流變換器的應(yīng)用。但如果用兩臺(tái)逆變器輸出的電壓在副邊疊加，使兩臺(tái)逆變器的輸出波形每半周內(nèi)都保持6個(gè)間隙，然后第二臺(tái)逆變器輸出波形相對(duì)第一臺(tái)逆變器輸出波形相移這樣第一臺(tái)逆變器的輸出波形中的五次諧波和第二臺(tái)逆變器輸出波形中的五次諧波的相位差為，五次諧波在變壓器副邊互相抵消，達(dá)到了同時(shí)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

28、。 2.3.3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(dá)到抑制諧波的目的。抑制和消除諧波的另一大類方法是在電力電子裝置的交流側(cè)利用LC無(wú)源濾波器和電力有源濾波器對(duì)諧波電流分別提供頻域諧波補(bǔ)償和時(shí)域諧波補(bǔ)償。這類方法屬于對(duì)己產(chǎn)生的諧波進(jìn)行有效抑制的方法。 2.3.4 LC無(wú)源濾波法 LC無(wú)源濾波器是一種常用的諧波補(bǔ)償裝置。它的基本工作原理是利用 LC諧振回路的特點(diǎn)抑制向電網(wǎng)注入的諧波電流。當(dāng)諧振回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，則可將該次諧波電流濾除，使其不會(huì)進(jìn)入電網(wǎng)。多個(gè)不同諧振頻率的諧振回路可溥除多個(gè)高次諧波電流，這種方法簡(jiǎn)單易

29、行。 2.3.5靜止無(wú)功補(bǔ)償法 在網(wǎng)側(cè)投入無(wú)功補(bǔ)償裝置是用來(lái)補(bǔ)償由諧波造成的無(wú)功功率，提高功率因數(shù)。另外，無(wú)功補(bǔ)償裝置中電感和電容的合理設(shè)置，可在某次頻率產(chǎn)生諧振，即可對(duì)該頻率的諧波實(shí)現(xiàn)濾波。傳統(tǒng)的固定電容器和晶閘管控制電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置已經(jīng)落后，近年來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是采用GTO構(gòu)成的換向變流器，通常稱為靜止無(wú)功發(fā)生器(SVG)，它既可提供滯后的無(wú)功功率，又可提供超前的無(wú)功功率。如果單純用于補(bǔ)償無(wú)功，可用移相多重聯(lián)結(jié)的方法來(lái)降低其補(bǔ)償電流中的諧波。再使用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，別可在補(bǔ)償無(wú)功功率的同時(shí)對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償。 2.3.6電力有源濾波器補(bǔ)償法 如上所述的LC濾波器及靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置雖然能減少諧波

30、分量，抑制某些諧波，但卻不能對(duì)變化的高次諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器。早在1971年日本 HISaskai 和TIMachida 首先提出有源補(bǔ)償裝置的原始模型，由當(dāng)時(shí)是采用線性放大器來(lái)抑制諧波電流，效率低，在實(shí)際電力系統(tǒng)中并無(wú)實(shí)用價(jià)值。之后于 1976年，美國(guó)西屋電氣公司的 LIGyugyi 等提出了采用 PMW 變流器構(gòu)成的電力有源濾波器，并確立了有源補(bǔ)償抑制無(wú)功與高次諧波的概念。這些采用PWM變流器構(gòu)成的電力諧波抑制裝置已成為當(dāng)今有源濾波器基本結(jié)構(gòu)。然而，在70年代由于缺少大功率快速器件，因此對(duì)電力有源濾波器的研究，幾乎沒有超出實(shí)驗(yàn)室的范

31、圍。進(jìn)入80年代以來(lái)，隨著大功率晶體管(GRT)、大功率門極可關(guān)斷晶閘管(GTO)和靜電感應(yīng)閘管(ST)等器件的快速發(fā)展，電力有源濾波器的研究開始活躍起來(lái)，并且正朝著實(shí)用化的方向發(fā)展。在發(fā)展過(guò)程中取得的有代表意義的成果有：1983年日本長(zhǎng)崗科技大學(xué)的H.Akagi等提出的瞬時(shí)無(wú)功理論，這一理論為電壓型有源濾波器的控制提供了一個(gè)諧波補(bǔ)償電流的基本算法，并研制出 7KVA 的瞬時(shí)無(wú)功和高次諧波補(bǔ)償器。采用4個(gè)三相 PWM 電壓型四象限變流器四重聯(lián)接，以提高系統(tǒng)的工作頻率。用于補(bǔ)償 20KVA 三相整流器在交流側(cè)所產(chǎn)生的高次諧波和無(wú)功電流，補(bǔ)償效果較好，證明了有源高次諧波補(bǔ)償器的可行性和實(shí)用性。 2

32、.4 有源濾波器有源電力濾波器APF并聯(lián)型 單獨(dú)使用直流APF 串聯(lián)型 交流APF 串聯(lián)混合型 與LC串聯(lián) 混合型并聯(lián)混合型 與LC并聯(lián)串并聯(lián)混合型 注入型圖2.1電力濾波器的系統(tǒng)構(gòu)成分類 1.根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合不同，APF可以分為直流APF和交流APF兩大類：直流APF主要用來(lái)消除高壓直流輸電系統(tǒng)換流站直流側(cè)的諧波，其研究較少，應(yīng)用也較少；交流APF主要用于交流電力系統(tǒng)，是目前研究主要對(duì)象。 2. 根據(jù)主電路的形式分，可以分為單個(gè)主電路有源電力濾波器和多重化即混合型主電路有源電力濾波器。后者可以增大有源電力濾波器的容量，提高等效開關(guān)頻率，減小單個(gè)器件的開關(guān)損耗，改善補(bǔ)償電流的跟隨特性。由于電網(wǎng)與A

33、PF及APF與PPF之間存在著諧波通道，特別是APF與 PPF之間諧波通道，可能使APF注入的諧波電流又流入PPF和系統(tǒng)中，特別是在公共連接點(diǎn)(PCC)的電網(wǎng)諧波電壓較高，即背景諧波較大時(shí)尤甚，PPF 有過(guò)載燒壞的危險(xiǎn)。所以較好方法是 APF和PPF按頻率分段完濾波功能，即由PPF濾除低次諧波，APF濾除高次諧波，或者反之PPF由多組單調(diào)諧濾波器及高通濾波器組成，用于濾除負(fù)載中占主要成分的低次諧波；APF采用高頻變流器，濾除剩余的高次諧波電流，由于高次諧波電流幅值較小，故APF容量可以大大降低。3. 根據(jù)接入電網(wǎng)的方式不同可以分為并聯(lián)型、串聯(lián)型、串并聯(lián)型以及混合型。并聯(lián)型 APF可以看作電流源

34、，它通過(guò)注入補(bǔ)償電流來(lái)補(bǔ)償電流型負(fù)載的諧波、無(wú)功和負(fù)序電流；串聯(lián)型APF主要消除電壓型諧波源對(duì)系統(tǒng)的影響。與并聯(lián)型APF相比，由于串聯(lián)型 APF 中流過(guò)的是正常負(fù)載電流，因此損耗較大。為了提高 APF 的容量、提高其性能降低其成本，可將并聯(lián)型或串聯(lián)型有源電力濾波器與無(wú)源LC濾波器混合使用，組成混合型有源電力濾波器。由木泰文等提出的統(tǒng)一電能調(diào)節(jié)器(Unified Power Quality Conditioner，縮寫UPQC)，它實(shí)際上是并聯(lián)型 APF、串聯(lián)型APF和LC調(diào)諧波濾波器三者的組合，在該使用方式中，串聯(lián)型有源電力濾波器起到調(diào)整電源電壓和諧波隔離的作用；并聯(lián)型有源電力濾波器則主要起到

35、諧波電流和無(wú)功補(bǔ)償作用。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器在柔性交流輸電(FACTS)中得到廣泛應(yīng)用。 4. 根據(jù)主電路儲(chǔ)能元件的不同分類，有源電力濾波器可分為電壓型和電流型，電壓型有源電力濾波器的主電路直流側(cè)接有大電容，在正常工作時(shí)，其電壓基本保持不變；電流型有源電力濾波器的主電路直流側(cè)接有大電感，在正常工作時(shí)，其電流基本保持不變。與電壓型APF相比，電流型 APF的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)由于主電路開關(guān)器件的直通而發(fā)生斷路故障，但是，電流型APF的直流側(cè)大電感上始終有電流流過(guò)，該電流將在大電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少使用。電流型 PWM 逆變電路和電壓型 PWM逆變電路的作用是產(chǎn)生非正弦電流來(lái)補(bǔ)償非線

36、性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流。電壓型 PWM變流器在它的直流側(cè)有一個(gè)大電容，由于其輕便且特性較好，所以應(yīng)用較為廣泛。2.5 并聯(lián)有源電力濾波器補(bǔ)償特性的研究2.5.1有源電力濾波器補(bǔ)償特性的基本要求有源電力濾波器對(duì)高次諧波的補(bǔ)償效果可以用以下兩個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量。1. 諧波含有率HR該次諧波的均方根值與基波均方根值的百分比表示,稱為諧波含有率HR。h次諧波的電流含有率h次諧波的電壓含有率2. 總諧波畸變率THD指各次諧波均方根值的平方和的平方根值與基波均方根值的百分比。 （2.13） （2.14）提高電能質(zhì)量,對(duì)諧波進(jìn)行綜合治理,防止諧波危害,就是要把諧波含有率和總諧波畸變率限制到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許范圍之內(nèi)

37、。補(bǔ)償后的電源電流總諧波畸變率THD越小,補(bǔ)償效果越好。2.5.2影響有源電力濾波器補(bǔ)償特性的因素從原理上講,有源電力濾波器可以實(shí)現(xiàn)諧波源負(fù)載中諧波的完全補(bǔ)償,但實(shí)際這是很難實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)樵谥C波檢測(cè)環(huán)節(jié)、控制系統(tǒng)和指令電流運(yùn)算電路的誤差導(dǎo)致補(bǔ)償電流存在誤差。誤差可以分為:幅值誤差和相位誤差,會(huì)影響有源電力濾波器的補(bǔ)償特性,使諧波源的諧波不能徹底完全補(bǔ)償。2.5.3并聯(lián)型有源電力濾波器補(bǔ)償特性圖2.2并聯(lián)補(bǔ)償諧波電流等效電路圖并聯(lián)型APF對(duì)諧波源進(jìn)行補(bǔ)償時(shí),其系統(tǒng)單相等效電路如圖所示。圖中:us為電源端電壓,當(dāng)電源中沒有諧波,只包含基波時(shí)（，別為基波電流和電源基波阻抗)。由于電力系統(tǒng)中大多數(shù)諧波源

38、為諧波電流源,要補(bǔ)償諧波就要有一個(gè)APF向電流型諧波源提供諧波電流,從而,電源只向諧波源提供基波電流。,式中:為諧波源電流,為電源提供的基波電流,為APF向諧波源提供的諧波電流,可以利用APF的并聯(lián)補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)。若電源向其它負(fù)荷供電,因?yàn)殡娫幢旧碇话?不會(huì)對(duì)其它設(shè)備產(chǎn)生千擾。2.6 電力系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn)由于電網(wǎng)中的諧波電壓和電流會(huì)對(duì)電網(wǎng)本身和用電設(shè)備造成很大的危害，所以必須限制諧波電流流入電網(wǎng)和控制諧波電壓在允許的范圍內(nèi)，以保證供電質(zhì)量。世界許多國(guó)家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，或由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。各級(jí)電網(wǎng)的諧波水平一般用諧波電壓含有率或諧波畸變率來(lái)反映。國(guó)際大電網(wǎng)會(huì)議(CIGRE

39、)和國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)都成立了專門工作組擬定電力系統(tǒng)和電工產(chǎn)品的諧波標(biāo)準(zhǔn)，很多國(guó)家對(duì)諧波也制定了相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，一些國(guó)家的電壓總諧波畸變率的大致范圍為：低壓電網(wǎng)(<1KV),一般 5%,個(gè)別 3%、7%；中壓電網(wǎng)(2477kV),一般 2%5%,個(gè)別 6%；高壓電網(wǎng)(84kV 及以上)，一般 1%1.5%，個(gè)別 2%5%。 電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)電壓（KV）電流總諧波畸變率（%）奇次諧波電壓總含有率（%）偶次諧波電壓總含有率（%）0.387.05.02.04.03.21.6 3.02.40.21102.01.61.8表2.3公用電網(wǎng)諧波電流(相電流)限值 2.7 本章小結(jié)本章介紹了諧波的基本概念

40、和抑制方法，然后介紹了無(wú)源濾波器和有源濾波器分類和研究現(xiàn)狀，對(duì)研究的并聯(lián)型有源電力濾波器補(bǔ)償特性進(jìn)行了分析研究。，最后介紹了電力系統(tǒng)諧波標(biāo)準(zhǔn)，為以后研究研究典型諧波源電力電子整流裝置進(jìn)行諧波治理工作明確了方向。47山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法3基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流檢測(cè)方法3.1諧波檢測(cè)方法研究現(xiàn)狀1. 早期的諧波檢測(cè)方法都是基于頻域理論，即采用模擬濾波器原理。優(yōu)點(diǎn)是原理和實(shí)現(xiàn)電路簡(jiǎn)單、造價(jià)低、輸出阻抗低、品質(zhì)因素易于控制。但存在諸多缺點(diǎn):實(shí)現(xiàn)電路的濾波中心頻率對(duì)元件參數(shù)十分敏感、受外界環(huán)境影響較大、難以獲得理想幅頻和相頻特性;電網(wǎng)頻率波動(dòng)不僅影響檢

41、測(cè)精度，而且檢測(cè)出的諧波中含有較多的基波分量;當(dāng)需要檢測(cè)多次諧波分量時(shí)，實(shí)現(xiàn)電路變得復(fù)雜，其電路參數(shù)設(shè)計(jì)難度隨之增加;運(yùn)行損耗大。由于上述嚴(yán)重缺陷，隨著電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)要求的提高及新的諧波檢測(cè)方法日益成熟，該方法已極少采用。2. 基于Fryze傳統(tǒng)功率定義的諧波檢測(cè)法原理是將負(fù)荷電流分解為與電壓波形一致的分量(“有功電流”)，其余分量作為廣義無(wú)功電流(包括諧波電流)。因?yàn)镕ryze功率定義是建立在平均功率基礎(chǔ)上，所以要求瞬時(shí)有功電流需要一個(gè)周期的積分，需要一個(gè)周期才能得出檢測(cè)結(jié)果，再加上其它運(yùn)算電路，需要有幾個(gè)周期的延遲。因此，用這種方法求得的“瞬時(shí)有功電流”實(shí)際上是幾個(gè)周期前電流，實(shí)時(shí)性不好

42、。 3. 近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Neural Network，NN)進(jìn)行諧波檢測(cè)的相關(guān)研究文獻(xiàn)迅速增加，并取得了一些工程應(yīng)用或成果，概括起來(lái)有兩個(gè)方面：一是提出了基于多層前饋網(wǎng)絡(luò)NN的電力系統(tǒng)諧波檢測(cè)方法，該方法利用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行諧波檢測(cè)；二是將Adaline神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)對(duì)消噪聲技術(shù)相結(jié)合進(jìn)行諧波檢測(cè)。4.小波變換適用于穩(wěn)態(tài)信號(hào)的研究，也適用于時(shí)變信號(hào)的研究。對(duì)波動(dòng)諧波，快速變化諧波檢測(cè)有很大優(yōu)越性。是目前波動(dòng)諧波和快速變化諧波的主要檢測(cè)方法。小波變換克服了FT在頻域完全局部化而在時(shí)域完全無(wú)局部化的缺點(diǎn)。但是WT穩(wěn)態(tài)諧波檢測(cè)面并不具備理論優(yōu)勢(shì);另一方面WT的理論和應(yīng)用時(shí)間相對(duì)較

43、短，WT應(yīng)用在諧波測(cè)量方面尚處于初始階段，存在許多不完善的地方，如缺乏系統(tǒng)規(guī)范的最小波基的選取方法、缺乏構(gòu)造頻域行為良好，即分頻嚴(yán)格，能量集中的小波函數(shù)以改善檢測(cè)精度的規(guī)范方法。3.2三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論由s.Fryze、w.Quade和從agi(赤木泰文)等提出,隨后得到了廣泛深入的研究并逐步完善。該理論突破了傳統(tǒng)的平均值為基礎(chǔ)的功率定義,系統(tǒng)地定義了瞬時(shí)無(wú)功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量。以該理論為基礎(chǔ)可以得出用于有源電力濾波器的諧波和無(wú)功電流實(shí)時(shí)檢測(cè)方法。3.2.1瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論首先于1983年由赤木泰文提出,經(jīng)不斷研究并逐

44、漸完善。變換:實(shí)現(xiàn)了三相瞬時(shí)電壓,電流由靜態(tài)變換到旋轉(zhuǎn)的。正交坐標(biāo)變量作為分析基礎(chǔ)。設(shè)三相電路各相電壓和電流的瞬時(shí)值分別為、和、把他們變換到聲兩相正交的坐標(biāo)系上進(jìn)行研究。 圖3.1坐標(biāo)系電壓矢量、電流矢量 （3.1） （3.2)其中：如圖3.1中所示的平面上，矢量和分別可以合成為(旋轉(zhuǎn))電壓矢量和電流矢量(矢量和是矢量和在軸和軸投影： （3.3） (3.4)引入瞬時(shí)有功功率和瞬時(shí)無(wú)功功率，有： (3.5) (3.6)寫成矩陣形式： (3.7)由上述的公式代入，p，q對(duì)于三相電流、電壓的表達(dá)式： (3.8) (3.9)由公式可以看出三相電路瞬時(shí)有功功率就是三相電路的瞬時(shí)功率。 (3.10) (3

45、.11)3.2.2瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流三相電路瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流分別為矢量在矢量及其法線上的投影。即： (3.12) (3.13)公式：。三相電路各相的瞬時(shí)無(wú)功電流(瞬時(shí)有功電流)是、兩相瞬時(shí)無(wú)功電流(瞬時(shí)有功電流)通過(guò)兩相到三相變換所得到的結(jié)果。即 (3.14)傳統(tǒng)理論中的有功功率、無(wú)功功率等都是在平均值基礎(chǔ)或相量的意義上定義的,它們只適用于電壓、電流均為正弦波時(shí)的情況。而瞬時(shí)無(wú)功功率理論中的概念,都是在瞬時(shí)值的基礎(chǔ)上定義的,不僅適用于正弦波,也適用于非正弦波和任何過(guò)渡過(guò)程的情況。從以上各定義可以看出,瞬時(shí)無(wú)功功率理論中的概念,在形式上和傳統(tǒng)理論非常相似，可以看成傳統(tǒng)理論的推廣

46、和延伸。3.3基于瞬時(shí)無(wú)功功率p、q檢測(cè)方法三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論由S.Fryze、W.Quade和Akagi等提出,隨后得到了廣泛深入的研究。該理論系統(tǒng)的定義了瞬時(shí)無(wú)功功率、瞬時(shí)有功功率等瞬時(shí)功率量。 圖3.2 p、q檢測(cè)方法原理圖根據(jù)定義算出p、q,經(jīng)低通濾波器（LPF）得到p、q的直流分量、。電網(wǎng)電壓波形無(wú)畸變時(shí),為基波有功電流與電壓作用產(chǎn)生的,為基波無(wú)功電流與電壓作用產(chǎn)生。于是,由、即可算出被檢測(cè)電流、的基波分量、。 (3.15)當(dāng)有源電力濾波器同時(shí)用于補(bǔ)償諧波和無(wú)功時(shí),就需要同時(shí)檢測(cè)出補(bǔ)償對(duì)象中的諧波和無(wú)功電流。在這種情況下,只需斷開圖中計(jì)算q的通道即可。這時(shí),由即可計(jì)算出被檢測(cè)電

47、流、的基波有功分量、為： (3.16)將、與、的諧波分量和基波無(wú)功分量之和。由于采用了低通濾波器(LP）求取p、q,故當(dāng)被檢測(cè)電流發(fā)生變化時(shí),需經(jīng)一定延遲時(shí)間才能得到準(zhǔn)確的p、q,從而使檢測(cè)結(jié)果有一定延時(shí)。但當(dāng)只檢測(cè)無(wú)功電流時(shí),則不需低通濾波器,而只需直接將q反變換即可得出無(wú)功電流,這樣就不存在延時(shí)了,得到的無(wú)功電流如下式所示： (3.18)3.4基于算法的諧波電流實(shí)時(shí)檢測(cè)三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率理論，首先在諧波和無(wú)功電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)方面得到了成功的應(yīng)用。目前，有源電力濾波器中，基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波和無(wú)功電流檢測(cè)方法應(yīng)用最多。檢測(cè)諧波電流時(shí)，因被檢測(cè)對(duì)象電流中諧波的構(gòu)成和采用濾波器的不同會(huì)有不

48、同的延時(shí)，但延時(shí)最多不超過(guò)一個(gè)電源周期。對(duì)于電網(wǎng)中典型的諧波源三相整流橋，其檢測(cè)的延時(shí)約為 1/6 周期，所以該方法具有很好實(shí)時(shí)性。以三相電路瞬時(shí)無(wú)功功率為基礎(chǔ)，計(jì)算為出發(fā)點(diǎn)即可得出三相電路諧波電流檢測(cè)的方法如下：基于運(yùn)算方式的諧波電流檢測(cè)法是由西安交通大學(xué)王兆安教授在十世紀(jì)九十年代提出的，該方法與基于 p、q 運(yùn)算方式相比更適合電流的快速檢測(cè)，即使當(dāng)電壓波形有畸變，也能準(zhǔn)確地檢測(cè)出全部諧波和無(wú)功電流運(yùn)算方式的諧波電流檢測(cè)法是由西安交通大學(xué)王兆安教授在二十世紀(jì)九十年代提出的，該方法與基于 p、q 信號(hào)。這兩個(gè)信號(hào)與，一起計(jì)算出基波有功電流和基波無(wú)功電運(yùn)算方式相比更適合電流的快速檢測(cè)，即使當(dāng)電壓

49、波形有畸變，也能準(zhǔn)確地檢測(cè)出全部諧波和無(wú)功電流。根據(jù)瞬時(shí)無(wú)功功率理論可推導(dǎo)出瞬時(shí)有功電流和瞬時(shí)無(wú)功電流的表達(dá)式為： =（3.19） 其中 由上式可得出電流檢測(cè)法原理如圖3.3所示：圖3.3 -檢測(cè)法原理該方法中，需要與A相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號(hào)sin t和對(duì)應(yīng)的余弦信號(hào)cos t，它們由一個(gè)鎖相環(huán)（PLL）和一個(gè)正、余弦信號(hào)發(fā)生電路得到。其中PLL主要起同步作用，當(dāng)檢測(cè)到過(guò)零上升的時(shí)啟動(dòng)正、余弦表（包括-cos t的值），使其形成一個(gè)矩陣C。根據(jù)（4.11）式計(jì)算出、，在經(jīng)過(guò)LPF濾波可得出、的直流分量、。這里，、是由、產(chǎn)生的，因此由、反變換計(jì)算出、為： (3.19)圖3.3只是檢測(cè)諧波電流

50、時(shí)的情況，當(dāng)檢測(cè)諧波和無(wú)功電流之和時(shí)，只需斷開圖3.3中的通道即可，由即可計(jì)算出被檢測(cè)電流、的基波有功分量為、為： （4.13）將、與、相減，即可得出、的基波分量和基波無(wú)功分量。與p-q檢測(cè)法相，-檢測(cè)法不僅適用于三相不對(duì)稱公用電網(wǎng)，而且對(duì)電網(wǎng)電壓畸變也有效。山東科技大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 并聯(lián)有源濾波器的控制策略研究4 并聯(lián)有源電力濾波器的控制策略研究4.1有源電力濾波器工作原理及模型有源電力濾波器的主電路大多數(shù)采用電壓型，本文采用如圖所示的三相三線制并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)圖。 圖4.1 并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu) 主電路工作情況是由 6 組開關(guān)器件的通斷組合所決定的。通常逆變器同一相的上下兩組開關(guān)器

51、件總有一組中的一個(gè)器件是導(dǎo)通的。開關(guān)函數(shù)為： (4.1)假設(shè)三相電源電壓之和,因?yàn)?可以得出描述主電路工作情況的微分方程： (4.2)式中、一主電路各橋臂中點(diǎn)與電源中點(diǎn)之間的電壓、一開關(guān)系數(shù)4.2并聯(lián)有源電力濾波器滯環(huán)比較控制方法并聯(lián)有源電力濾波器電流控制電路主要作用是根據(jù)由檢測(cè)系統(tǒng)得到補(bǔ)償電流指令信號(hào),得出主電路開關(guān)器件通斷的PWM信號(hào),保證補(bǔ)償電流跟蹤其指令電流信號(hào)的變化。為了取得理想補(bǔ)償特性,APF電流控制方法的選擇十分重要。4.2.1有源電力濾波器電流控制方法研究現(xiàn)狀目前,并聯(lián)有源電力濾波器常用的電流控制方法有:滯環(huán)控制、三角波比較、無(wú)差拍控制和近幾年興起的自適應(yīng)控制、自抗擾控制、神經(jīng)

52、網(wǎng)絡(luò)控制、遺傳算法和單周控制等。三角波比較電流跟蹤控制與一般三角波作為載波的PWM控制方式不同,不是直接將指令信號(hào)叮與三角波比較。而是將指令信號(hào)叮與有源電力濾波器主電路輸出的實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)之差經(jīng)放大器后,與高頻三角波比較,得到矩形脈沖作為有源電力濾波器主電路元器件的控制信號(hào),從而使變流器輸出所需要補(bǔ)償電流。放大器往往采用比例放大器或比例積分放大器。4.2.2三角波控制原理圖4.2三角波比較控制原理圖三角波比較方式具有元器件開關(guān)頻率固定，且 PWM 信號(hào)等于三角載波頻率；輸出補(bǔ)償電流含有諧波較少，但含有與三角載波相同頻率的諧波；但是動(dòng)態(tài)響應(yīng)沒有滯環(huán)比較快、放大器增益有限、三角載波頻率影響元器件

53、等工作特點(diǎn)。 4.2.2 PWM控制原理PWM(Pulse Width Modulation)控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。PWM 控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用最為廣泛，影響也最為深刻。PWM 控制技術(shù)重要理論基礎(chǔ)是采樣控制理論的面積等效原理。如果調(diào)制的信號(hào)波形是從電網(wǎng)提取的諧波電流，可以用三角波對(duì)其進(jìn)行 PWM 調(diào)制，得到有源電力濾波器中 PWM 逆變器的控制信號(hào)，使主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流。4.2.3滯環(huán)比較控制方式滯環(huán)控制是一種電流瞬時(shí)值比較控制，當(dāng)補(bǔ)償對(duì)象與濾波器輸出之差超過(guò)預(yù)定的容許誤差時(shí)，主電路開關(guān)元件動(dòng)作，滯環(huán)

54、電流比較控制是實(shí)際電流與指令電流的上、下限相比較且形成一個(gè)環(huán)帶，并以交點(diǎn)作為開關(guān)點(diǎn)。滯環(huán)比較控制方式基本原理是將補(bǔ)償電流的指令信號(hào)與有源電力濾波器主電路輸出的實(shí)際補(bǔ)償電流信號(hào)差作為滯環(huán)比較器的輸入，通過(guò)比較器的輸出來(lái)控制電力電子器件的通斷，從而控制實(shí)際補(bǔ)償電流的變化。 圖4.3滯環(huán)電流控制原理圖滯環(huán)比較控制方式具有硬件電路簡(jiǎn)單、電流響應(yīng)快、不需要載波輸出電壓中不含有特定頻率諧波分量等特點(diǎn)。在這種控制方式中，滯環(huán)的寬度對(duì)補(bǔ)償電流的跟隨性能有較大影響。當(dāng)滯環(huán)的寬度較大時(shí)，主電路的開關(guān)元件的開關(guān)頻率較低，對(duì)元器件要求不高，但是跟隨誤差較大；反之滯環(huán)的寬度較小時(shí)，跟隨誤差較小，但主電路的開關(guān)元件的開關(guān)頻率較高在并聯(lián)有源電力濾波器實(shí)際應(yīng)用中，滯環(huán)比較控制方式環(huán)寬的選取至關(guān)重要。環(huán)寬的選取是根據(jù)電力系統(tǒng)絕對(duì)