电网谐波污染及电力系统的谐波电流检测的研究（可编辑）

电网谐波污染及电力系统的谐波电流检测的研究（可编辑） 国内图书分类号: 学校代码: 国际图书分类号:. 密级:公开 专业硕士学位论文 电网谐波污染及电力系统的谐波电流检测 研究 硕士研究生:曹勖 导 师:谭伟璞副教授 企业导师:徐晓红高级工程师 申请学位:工程硕士 专业领域:电气工程 培养方式:在职 所在 学 院:电气与电子工程学院 答辩 日期:年月 授予学位单位:华北电力大学 : ..:. ::: :: ,: : 华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明:此处所提交的硕士学位论文《电网谐波污染及电力系统的谐波电流检测 研究》,是本人在导师指导下,在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得 的成果。据本人所知,论文中除己注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本 文的研究工作做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果 将完全由本人承担。 嗍咖咖日 ?名:翦影 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 《电网谐波污染及电力系统的谐波电流检测研究》系本人在华北电力大学攻 读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归华北电 力大学所有,本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解华北 电力大学关于保存、使用学位论文的规定,同意学校保留并向有关部门送交论文 的复印件和电子版本,允许论文被查阅和借阅,学校可以为存在 馆际合作关系的 兄弟高校用户提供文献传递服务和交换服务。本人授权华北电力大学,可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文,可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于请在以上相应方框内打“?”: 保密口,在 年解密后适用本授权书 不保密口 作者签名: 日期:,/多年‖月厂。日 髻彩 导师签名: 日期:力歹年‖月卜日 涮定 华北电力大学硕士学位论文 摘要 电网中非线性负载应用的日益增多,使得其中含有的谐波成分也在不断增多,对电 能质量有着直接的显著影响。具有显著的优点,被公认为改善电能质量,治理电网 谐波及其污染的最有效手段。但是此项技术还存在许多不足,大大限制了实际应用。 本课题首先对电网质量下降,谐波污染问题结合相关的参考文献进行了,并对 谐波抑制以及无功补偿较为常用的技术进行了简要的介绍,而后对机理、国内外 研究现状进行了简要的概括。总结概况谐波电流检测常用到的方法,提出了三相三线制 并联谐波检测的。方法,这种方法在运算过程中不出现畸变电压谐波成分,从 而避免了受谐波成分影响,提高了检测精度。提出一种新的通用检测方法一完善 方法,可以用于三相、单相、四相电路谐波检测,给出相应的推导,进行仿真,给出仿 真结果。并将之进一步推广,使其能够应用于基波无功、有功、负序电流以及任意次的 谐波电流中;本文针对两种问题提出来相应的解决方法:为了减少数字采样中常常出现 的混叠现象,本文采用模拟滤波器与数字滤波器相结合的方法;模拟仿真结果显示,本 文采用的检测方法能够保证检测负载电流基波以及谐波电流分量的准确性。 关键词:谐波,有源滤波器,方法,改进,模拟滤波器华北电力大学硕士学位论文, 西, . . .. , ,, , .,, ?, , ,,.,一 , ,, .,, . ,, : ; , , . :, ,, 华北电力大学硕士学位论文 目 录 摘要一第章绪论? .谐波及其危害.谐波治理与无功补偿方法?一 .滤波器概述?” ..无源滤波器简介 ..有源滤波器简介 .哈尔滨供电情况分析一 .本文的主要内容 第章有源滤波器分析??“ . 的基本原理 . 的基本类型 ..从直流侧储能元件角度? ..从供电系统角度 ..以与电网连接方式为依据. 的检测算法 ..模拟滤波器 ..基于传统功率定义法? ..基于快速傅里叶变换法..基于瞬时无功功率理论法?” ..基于法? ..自适应法??一 ..基于人工神经网络法 .变流器控制方法..线性控制? .。非线性控制?” .本章小结第章谐波电流检测方法 .谐波检测方法研究现状.三相电路瞬时无功功率理论 ..瞬时无功、有功功率一 ..瞬时有功、无功电流一 华北电力大学硕士学位论文 .瞬时无功功率应用技术.. 检测方法?一 .. ”检测方法? .. 检测方法与、检测方法的比较 . 、检测方法仿真? ..系统负载稳定时谐波源负载仿真分析??“ ..系统负载发生突变时的仿真分析?” .本章小结第章谐波电流检测新方法的研究 . 方法简介 .. 时域分析法 ..瞬时无功检测方法与时域分析法的比较.. 方法 .三相电路谐波电流检测法?” ..各基本量检测“ ..推广应用??” .低通滤波器的..类型..截止频率??” ..阶数.电网谐波检测中数字混叠研究..数字混叠问题以及解决 方法” ..滤波器的选择一 .仿真实验.本章小结第章结论“ 参考文献??一 攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果致访.. 作者简介 华北电力大学硕士学位论文 第章绪论 《国民经济和社会发展“十二五”规划纲要》中对哈尔滨未来提出了总的要 求,提出“北跃、南拓、中兴、强县发展战略。然而随着哈尔滨市社会经济的 快速发展,负荷量增大,负荷类型增多,对电力系统也提出了更高的要求。除了 对电网进行系统全面地规划外,还需要通过各种技术保障电网运行的安全及提高 电能的质量。 近年来,哈尔滨地区电力电子技术的发展带动了大量电力电子装置的广泛应 用,提高了电能的有效利用及工业生产效率。但同时,有色金属、化工冶金、机 械加工的直流拖动等工业部门广泛使用的整流、变流技术,也造成了电网电压、 电流的畸变问题,造成了对电网的谐波污染。而随着哈尔滨整体“十二五”发展 规划对经济高速发展的要求,人们生活质量以及各个企业的发展对电能质量的要 求,有关管理部门在要求保障电力供应的前提下,也给我们供电部门下达了抑制 谐波、提高电能质量的任务。因而,哈尔滨供电局近几年的科研规划中一项重要 内容就是提高电能质量。 电能质量包含的内容有许多。谐波治理是提高电能质量的一个主要内容,也 是当今电力电子领域研究的一个热点【’。 .谐波及其危害 电力系统供应给用户的应是纯正弦的工频交流电压,加载在交流负荷上系统 中流过的电流也应该是纯正弦的工频交流电流。但由于系统中存在非线性负荷, 会使系统中的电压、电流波形发生畸变,畸变部分就是谐波。谐波对电能质量形 成了干扰,这对系统中的一些敏感负荷是非常有害的。 谐波对电网以及其他的设备危害巨大,具体可以反映在以下几个方面: 谐波的出现会造成电网中其他元件的谐波损耗,大大降低输电、配 电等的效率,次谐波流过中线严重时,会导致线路因过热而起火; 谐波导致各种设备无法正常工作。相对于电机来说,谐波会导致各 种噪声、机械振动和过电压的产生,并且会引起附加的损耗,导致变压器的局部 过热。而电容器、电缆等设备如果出现过热,会加速绝缘老化,大大降低寿命, 严重时导致直接的损坏; 谐波在电网中也会出现串并联谐振,从而大大放大谐波,加重前两 个危害; 谐波的出现会使得电气测量、仪表测量的不准确,还会使许多自动 装置以及继电器出现误动作; 对通讯系统的干扰,严重时会导致信息的丢失,严重干扰系统的正华北电力大学硕士学位论文 常运行。 哈尔滨是我国著名的机械工业基地,是除沈阳外机械加工企业最集中的地区, 直流电机拖动使用大量的整流装置。而整流装置的使用,不仅产 生大量的谐波, 也会附带产生基波无功功率。基波无功功率也会对电网产生不利的影响,主要包 括以下三个方面: 增加损耗。无功功率增大,也就会使得总电流增大,从而导致线路 及设备的损耗增大; 设备容量的增大。增大无功功率,必然引起电流、视在功率的增大, 也就使得发电机、变压器等电气设备、导线容量增大,对于启动、控制、测量电 力设备的仪表的规模、尺寸也要进一步地增大; 变压器、线路上的压降增大。增大无功功率,电流相应的增大,在 线路、变压器上的压降也变一同增大,并且也会引起电压的剧烈波动,导致供电 质量的进一步下降。 .谐波治理与无功补偿方法 对于谐波的抑制,可以分为两类一一设置滤波装置滤除谐波、改造设备本身 使之不产生谐波并保证功率因数接近为【。 对于改造设备本身来说,主要采取的方法是限制变流装置的容量,采用脉宽 调制、谐波消去优化等技术,多重化接线方式,接入滤波环节等技术。此种方法 可以较为有效地将高次谐波降低,但是由于电力电子装置本身的工作特点,必然 难以完全消除高次谐波。 加入滤波装置的方法,目前,国内较为常用的为无源滤波装置,采用的主要 为电容器以及电抗器的组合。这种装置与谐波源并联,可以有效地滤波的同时, 起到无功补偿的作用。而且此种设备结构简单、成本低,维修方便,运行高效可 靠。但是此种装置是在系统中提供并联低阻通道,虽然能起到滤波的作用,它容 易受到滤波器、系统阻抗比的影响,存在以下不足: 对较低次谐波滤波效果较好的单调谐波滤波器只能对调谐点附近的 滤波有好的效果,对于偏离的谐波效果较差,如果采用增加无源滤波器的数量来 改善滤波效果,显然会大大增加成本,得不偿失; 随着谐波电流的增大,无缘滤波器的负担增大,严重时,会出现过 载,甚至损坏设备; 电网阻抗、频率发生变化时,滤波器会与之产生谐振,从而进一 步增大谐波电流,导致事故的发生; 滤波效果不稳定,频率阻抗的变化,会降低滤波效果。 无功功率是指电源与负载之间交换的部分功率,用交换能量的幅度表示无功华北电力大学硕士学位论文 功率的大小。 电力系统中的元件多为电感性元件,而其无功功率的获得则只能通过网络获 得,而无功功率需要通过近距离的提供,因此最合理的方法便是在出现消耗的地 方进行补偿,也就是所谓的无功补偿。主要包括对谐波、基波进行补偿这两个方 面。现场应用一般主要由以下五种方法进行补偿: 早期采用的方法为多在高压侧进行集中补偿固定以及动态变化无功 功率的同步调相机。但是由于同步调相机是旋转电机,响应速度慢,损耗大,而 且噪音大,运行维护不方便。由于以上缺点,导致此种方法逐渐趋于淘汰。 第二种补偿方法为在电路中并联一个电容器,此种方法大大降低了 成本,可靠性也得以很大程度地提高,几乎取代了上面的方法。但是此种方法缺 点便是不能补偿动态变化的无功功率,而且系统中出现谐波时还有可能发生与谐 振并联的情况。 第三种方法为采用静止无功补偿装置,此种方法可以有效、 迅速、连续地控制无功功率。这种装置的典型器件便是晶闸管控制电抗器固定 电容器。此外,晶闸管投切电容器的应用也较为广泛。 之所以能够实现连续调节是通过调节触发延迟角实现的,也就是调节晶闸 管的延迟角度。但是晶闸管投切电容器是不能实现连续调节的,只能通过分组的 方式,因此需要与相互配合使用。虽然技术在长距离输电系统实现分 段补偿以及负载无功补偿方面得到了广泛的应用,但是由于此项技术采用的为相 控原理,所以在工作过程中也会产生大量的谐波。 第四种方法是新型的电力电子装置静止无功发生器,补偿 原理为电压电源逆变技术提供无功。它比静止无功补偿装置更为先进:需要的电 感电容等储能元件的容量较小、占地面积进一步变小,调节速度快,而且谐波的 含量更小,当系统出现欠压时,无功调节能力则更强。但是也只能 进行无 功功率的补偿,功能较为单一。 ,可以 第五种方法为采用电力有源滤波器 补偿负载以及无功功率高次的谐波,动态性能高,尤其在对电能要求质量高的场 合优势突出。为此本文主要对此进行研究。 .滤波器概述 ..无源滤波器简介 目前我国较为常用的为无源滤波器。要想滤除谐波,其原理实质在 于为整个电路中存在的谐波提供一个释放的途径,从而将基波保留下来,短路谐 波,保证谐波可以通过滤波器不进入系统中,而直接再流回到产生谐波的负载回华北电力大学硕士学位论文 路中。 对于需要滤除的谐波频率,通过滤波器设置抵消感抗与容抗,这一过程也就 称之为调谐。采用低值电阻,在需要调谐的频率上,滤波器表现出的为一种高阻 抗的特性,如此便可保证该频次谐波能够顺利返回到谐波源内通过滤波器。如果 是非调谐的基波以及任意次的谐波,那么滤波器表现出的则为高阻抗特性,从而 使其影响将为最低。 可以进一步分为双调谐滤波器、高通滤波器、单调谐滤波器三大类,下 面简介如下: 单调谐滤波器中低值电阻与其本身的品质因数有关。也就是说品质 因数决定了滤波器的敏锐度。低值电阻数值随品质因数的减少而增大,滤波器调 谐的敏锐度则随着品质因数的增大而增大。但是如果品质因数过大,则会导致滤 除的谐波频带过窄,如果系统频率或者是电容器的电抗器参数一旦取值不当,发 生了偏差,就会发生失谐的情况;反之,如果品质因数过小,则会大大增大滤波 器的损耗。 双调谐滤波器谐振频率有两个,也就是说可以同时吸收两个频率谐 波,作用相当于两个单调谐滤波器并联。此类滤波器正常运行时,并联支路的基 波阻抗与串联支路的不同,前者比后者小得多,因此,前者承受的 基波电压远远 小于后者的基波电压。此类滤波器成本低于两个单调谐滤波器的成本,因而在高 压直流输电中,得到了广泛的应用。 高通滤波器 电网中含有的高次谐波含量往往较少,并且由于一般情况下系统阻抗组感性 的,高次谐波遇到的谐波阻抗一般也较大,因而不利用调谐滤波器滤除高次的谐 波。对于所有的高次滤波而言,高通滤波器对其的阻抗均不大,可以滤除某一频 率之上的谐波,为了降低成本,往往采用高通滤波器将谐波滤除掉。此类滤波器 又称为减幅滤波器,可以分为四大类:一阶、二阶、三阶以及型高通滤波器。 优缺点如下: 优点 成本低廉、结构简单,在吸收谐波的基础上,可以起到改善功率因数、补偿 无功的作用;目前,此类设计技术以及制造的技术已经相对娴熟、便于维修防护, 在工程实际应用中,此类技术应用最为广泛。 缺点 谐振频率对元件的参数依赖程度高,只能滤除主要谐波,电容电感参数一旦 发生漂移就会显著地影响到滤波的性能,从而使得性能不稳定;此外,滤波特性 对电网参数的依赖性较强,如果运行工况发生改变,导致电网的阻抗、谐振频率 跟着发生变化,如此变化增大网络是设计难度;特定的频率,滤波器以及 华北电力大学硕士学位论文 电源阻抗会发生并联、串联谐振,前者会大大增大这一频率的谐波电流,导致电 网质量的下降,后者,则会使得电源侧某次谐波电压向滤波器注入电流的情 况;如果接入电网中,其他谐波源没有采取有效的滤波措施,则会导致电流流入 滤波器中,从而导致过载情况的发生;增大了有色金属的损耗量,并且体积大, 笨拙。 ..有源滤波器简介 有源滤波器的基本原理为:对补偿对象进行检查,从中提取出谐波电流,而 后通过补偿装置产生出一个补偿电流,要保证这一电流对于谐波电流极性相反而 幅值相等,从而保证电网中谐波的消除,只保留基波分量。此种方法能够跟踪补 偿频率以及幅值都发生变化的谐波,并且特性不易受电网等影响,成为研究的热 点【。 目前,此项技术在日本、美国等发达国家已经在广泛地使用,如日本的 使用数量为多台,容量的范围为千伏安~兆伏安。主要的生产厂家也 主要是这些发达国家,诸如美国的西屋电气公司、德国的西门子公司以及日本三 菱电机公司。不同用途使用的数量也不同,只补偿谐波的占至.%,谐波、无 功功率同时补偿的占到.%,补偿电压波动的比例为.%,补偿无功功率、谐 波和负序电流以及补偿无功功率、谐波、不平衡电流的均占到.%。而我国对 的研究还处于起步阶段。 主要使用的为自身具有储能性质的等可关断的器件,可以根据需 要输出能量。对于高压供电系统来说,需要电力电子器件具有较 高的耐压能力, 而一旦电力电子器件容量上去,开关的频率势必会降低,因此在高压供电领 域应用的较少,主要还是针对低压系统。而现在也有大量的学者对这一问题进行 研究,主要提出的解决方法为:串并联元器件、将无缘滤波器与相结合。 在变频调速领域,采用的为较为成熟的大容量、高压变频技术,此外还有逆变器 串并联、多电平技术以及多重化等常用技术。现在研究较多的为多电平技术,较 为成熟的为七、五、三电平变频技术,有许多的成品面世,许多的结构、控制方 法也已经在实际中得到应用,但是在的应用还不多。 .哈尔滨供电情况分析 哈尔滨电业局是一个大型的国有供电企业,向哈尔滨各个市县区进行供电, 主要为双城、宾县、五常、尚志、延寿、肇东个市县并且还包括市内的八 区,整个覆盖的供电面积高达.万平方公里左右。其中,哈尔滨市区内的供电 企业又可以分为几大部分,分别为:南岗区,道里区、道外区、香 坊区、平房区、 松北区、呼兰区、阿城区供电企业,这几大区又包含有几个小的部分,依次包含华北电力大学硕士学位论文 有新农、西郊供电局、道里供电区,太平、东郊、道外供电局,动力、香坊、向 阳、幸福供电局,城南、平房供电局,松北供电局,呼兰电业局、供电局,阿城 局、供电局。 哈尔滨向整个社会供电的最大用电负荷高达,而网供最大的负荷则 高达,全社会、网供的电量分别为.亿千瓦时、.亿千瓦时, 其中,对于市辖区的全社会、网供的最大负荷分别为.、., 全社会、网供的电量分别为.亿千瓦时、.亿千瓦时;对于县级区的全社 会、网供的最大负荷分别为、.,全社会、网供的电量分别为. 亿千瓦时、.亿千瓦时, 哈尔滨的电源建设情况为:总共含有哈三电厂、大唐哈一热、哈热电厂三座 的电厂,装机容量则达到;对于的电厂、市辖、县级供电区 则分别包含有座、座、座,而装机的容量则分别为.兆瓦、.兆瓦、 .兆瓦;对于的电供电区则包含有座,县级供电区包含的做数位座,而 装机的容量则为.兆瓦。 对于哈尔滨供电区来说,将电网分为了若干个相互独立的供电分区, 其中心为的变电站以及发电厂,并且保证了各个分区之间的相互联系,从 而保证出现故障时,能够有效地实现负荷的转带,并且将各个供电分区进行明确, 满足供电的需求,支撑起整个电网网架。 的电网公用网络接线形式有着各种各样的形式,各个不同的供电区有 着不同的接线形式,其中市辖供电区的电网的接线形式主要采用“、” 混合接线以及辐射接线,通过链式的接线方式连接局部地区;而县级供电区采用 的则为主要采用“”接线以及辐射接线,较为薄弱,大大降低了其可靠性。 对于哈尔滨供电区来说,其市辖区的低压线路干线主要包括的导线截面分为 四种??、、、平方毫米,而县级供电区主要包括的导线截面为 平方毫米之间,并且型号也是多种多样,市辖区的低压线路支线主要包括 的导线截面分为四种??、、、平方毫米,进户导线截面则为、 平方毫米,县级的则为至平方毫米之间。 对于哈尔滨供电区来说,其县级供电低压线路不仅有着各种各样的导线截面, 而且小截面线路也是各种各样,主要的原因是历史遗留下来的问题,原先的低压 配电网没有相关的可以参考,并且受制于农网改造资金,并且导线的截面也 偏小。 “十一五’’时期,在省委、省政府的正确领导下,市委市政府带领全市人民 深入贯彻落实科学发展观,加快改革开放以及现代化的建设,振兴东北老工业基 地,增强经济实力,使得城市面貌发生了很大的变化,人们的生产生活也得到了 极大地改善,不仅成功应对了国际危机,而且取得了很大的成就,同时整个区域 华北电力大学硕士学位论文 的电网负荷压力也在不断地增长,提出了更为严峻的挑战。 “十五”期间,最大的负荷、全社会用电量年均增长率分别为.%、.%, 前两个产业的用电量年均下降幅度达.%、.%,可见,第二产业的降低 幅度还是较大的,但是第一产业的降低幅度十分有限,而第二产业在整个社会的 用电量比重中占到一半以上,所以其决定了整个电量的发展方向。“十一五”期 间,最大的负荷、全社会用电量年均增长率分别为.%、.%,相比前一个 五年,下降了.%,前两个产业的用电量年均增长幅度达.%、.%,第 二产业在整个社会的用电量比重有所下降,占到一半以下,第三产业的用电量有 所增长为.%;城乡居民用电量年均增长.%,整个居民生活的用电量保持 稳定地增长。 面对快速地发展以及人们对电网需求的变化,哈尔滨城市总体规划的要求, 对电网进行了规划,削除了其薄弱之处。 为此提出了近中期不同的规划目标,近期目标为: 对于电压等级电网,主备建立起网架坚强、布局合理的高压配网网架, 形成标准化、化的电网;改善电源的布局建设,增加变电站站点数,对于城 网各级电网,大大增大其变电、输电、配电的容量,协调好无功、有功容量之间 的比例,形成结构合理、层次分明的布局,保证一定的备用、互通容量。 对于的电网,则为了满足负荷的要求,逐步消除掉供电的瓶颈:设计 分级标准,并据此完善城网的接线,加强电网网架;改善设备的运行环境,提高 电网的装备水平,从而大大降低事故率以及停电的时间;适度提高配电自动化建 设,提高可靠性。 中远期规划目标为大大提高整个电网的改造以及建设力度,保证整个电网的 网架可靠、协调发展、电源合理、运行灵活、设备先进、智能化高效管理,保证 安全、可靠、经济的供电,保证电能质量。这其中的一项具体内容就是上技术、 上设备,治理谐波、提高功率因数。 .本文的主要内容 本文就是结合哈尔滨供电局的中远期规划,就提高电能质量的谐波治理问题 开展研究。谐波治理主要包括谐波检测与谐波补偿两个方面。只有快速准确地检 测出谐波的性质及量值,才有可能有效地对谐波进行补偿,提高 电能质量及功率 因数。由于电力系统的谐波治理主要是针对谐波电流进行的,所以,本文的主要 工作是研究谐波污染及谐波电流的检测方法 本论文的主要研究工作如下: 在查阅大量文献的基础上,分析研究了的基本原理、类型划分 以及的谐波电流检测方法及换流器的调制控制方式,并在此基础上确定了华北电力大学硕士学位论文 本文所选用的谐波电流检测方法。 分析研究了目前较为常用的几种谐波检测方法,基于提高检测精度 问题,对、。检测方法进行了深入细致的研究,在系统突变以及稳定两种情况 下,用基于瞬时功率理论的、检测方法进行谐波的检测并做了仿真分析,仿‘ 真结果证明了此种方法的准确、实时性。 根据哈尔滨供电局的发展规划及下达的治理谐波科研任务,本文对 谐波电流检测方法进行新方法的研究与探索。重点研究了基于功率理论的 方法,并给出相应的推导,进行仿真,给出仿真结果。并将之进一步推广, 使其能够应用于基波无功、有功、负序电流以及任意次的谐波电流检测中,为以 后在单相、三相、四相电路中的通用型广泛应用打下基础。华北电力大学硕士学位论文 第章有源滤波器分析 无源电力滤波器有着明显的不足,其容易受到系统阻抗的影响。由于无源滤 波器的局限性,为此,国内外的研究学者不断寻求新的解决方法【玉博。而有源滤 波器可以补偿谐波频率幅值均发生变化的谐波,且不受系统阻抗的影响,有效地 改善电能质量【。就目前的发展趋势来看,有源电力滤波器是一个重要的方向。 为此本文拟采用来开展谐波治理的研究。 本章主要介绍的基本原理,对各种变流器种类、电源相数、拓扑结构的 进行分析总结概况,并简要介绍各种谐波电流的检测方法以及控制方法。 . 的基本原理 有两个最基本的结构??串联、并联,应用较为广泛的为后者,其 基本的结构框图如图.所示。图中各个符号的意思为:。、分别表 示电源电流 以及交流电源。非线性负载,是主要的谐波源,并且大大消耗了无功功率。可以 看出系统主要由两大部分一补偿电流发生电路、谐波检测电路两部分构成。前 者由三部分构成,分别为主电路、电流跟踪电流、驱动电路。主要作用是根据后 者电路得到指令补偿电流信号,从而形成实际的补偿电流,将其与负载电流中要 补偿的相抵消,便形成了期望的电流。后者主要是对谐波电流分量进行检测,也 叫做指令电流运算电路。主电路主要采用的为脉宽调制变流器。可以工作在整流、 逆变两种状态下,而且其没有明显的区别,故在此称为变流器。 图?并联系统构成原理图 有源电力滤波器的原理就是:对于需要补偿的对象,首先通过电流、电压传 感器进行实时地检测,而后通过指令电流运算电路进行计算,通过相应的系统控 制策略生成相关的误差信号,得到相应的补偿电流指令信号,以此作为控制变流 器的输入,通过脉宽调制策略生成一定的开关量,产生相位相反 而电流大小相等 的实际补偿电流,便可得到需要的电流大小,达到补偿无功功率、补偿谐波的目 华北电力大学硕士学位论文 的【删。 进一步细化,如果要抑制谐波,对于负载电流,则可通过指令电流运算电 路进行计算,将得到的谐波分量,设为,反极性设为。,此即为相应的补偿电 流指令信号,以此作为控制变流器的输入,通过脉宽调制策略生成一定的开关量, 产生与谐波分量相位相反而电流大小相等的实际补偿电流。,便可有效地抑制谐 波,使得负载电流中只含有基波分量,便可得到需要的电流大小,达到补偿谐 波的目的,如式.所示。. 如果要实现两种功能??补偿谐波、无功功率,则只需在谐波分量的基 础上再增加一个成分,此成分大小与负载电流的基波无功电流分量相等,但是两 者的极性相反。如此,便可实现两种功能,而只保留负载电流的基波有功分量。 得到的为一个标准的正弦波,其与电源电压的相位、频率均相等,理想情况下, 可以保证单位功率因数。 . 的基本类型 已经发展了几十年,由此也出现了大量不同类型的有源电力滤波器,它 们的工作原理不尽相同,分类的方式也有着不同的标准。根据直流源侧储能元件 的不同,供电系统类型的不同,电网连接方式的不同,分为不同的类型,具体介 绍如下【】: ..从直流侧储能元件角度 按照直流侧储能器件的不同可以将分为两种类型??电压源型、电流源 型。为了实现补偿无功功率、谐波的目的,直流、交流两侧必然要有能量的交换, 因此直流侧可以有大电感、大电容两种储能元件。正常情况下,大电感处电流变 化非常小,类似于电流源,由此形成电流源型,短路时,此种能够有效 地抑制电流的急剧变化。但是,电感存在一定的内阻,而此处抑制 有电流流过, 必然造成大量的能量消耗。因此,此种类型的难以用于大容量系统,已经较 少应用;电容值较大时,两端的电压波动小,便类似于电压源,通过控制变流器 的输出电压便可实现电流的补偿,便形成了电压源型的。此种类型的性 能优良、价格低、工作效率高、损耗小,适用于容量大的系统。但是如果电路中 出现短路时,此种类型的会出现电流贯通短路,危害很大。因此,主电路中 需要有相应的保护装置。此种技术成熟、完善,市场占有率较高。鉴于电压 华北电力大学硕士学位论文 源型的优点,本文主要采用此种类型。 ..从供电系统角度 按照供电系统的不同可以分为三相、单相,其中三相又可以进一步 划分为三相三线制、三相四线刀】。 单相主要用于诸如医院、小型工厂等小功率单相系统的谐波抑制。单相 负荷一般的供电系统为三相四线制。三相四线制系统中,单相负 载的数量较为庞 大,常常导致不平衡的三相负载电流,而且中线的电流也较大。为此提出了多种 三相四线制的并联型。一种为较小功率场合应用的中点电容型的,所有 的中线电流都流经此,另一种是桥臂式的,利用第四桥臂实现中线电流的平衡, 再一种便是较为常用的一种拓扑??桥式,通过耦合变压器实现电压的匹配, 提高系统的可靠性。用于治理三相三线制系统谐波的三相三线制应用较为广泛, 此为本文的研究重点。 ..以与电网连接方式为依据 此种分类方法,也是以电路拓扑结构进行的分类,由于电路拓扑结构进行分 类的方法易于理解,是常用的一种分类方法。将分为三类??串联、并联以 及两者的混合。 并联型提出的时间最早, 应用的范围最广。对于单独使用的电流源逆 变器并联来说,一般串联一个二极管来提高的耐压等级,大大提高 的可靠性,但同时也增加了系统的损耗。此种类型较难采用多级级联或者多电平 的方式提高的容量以及滤波性,应用较少;常用的形式为电压源逆变器 类型的并联,功能繁多、简单便宜,可以消除谐波电流,补偿平衡不对称电 流以及补偿无功电路等,可以当做一个静态的无功补偿器。但此种要承受很 高的谐波电压,因此逆变器的耐压等级需要考虑。目前,针对此中问题,提出的 技术有:多电平以及多级级联、降压变压器等。 串联通过在电网与负载间串联一个耦合变压器,进行电压的调节,相当 于受控的电压源。也就是外界出现干扰电压的情况时,串联可保证负载侧电 压的稳定,并可以补偿三相不平衡电压。相比于并联来说,使用不方便而且 存在逆变器电流过大的情况。由于与电网以及负载问会出现谐波通道,容易 导致串联电力滤波器的损坏,因此选用串联混合型。统一电能质量控制器, 是并串联的混合结构。前者通过并联的方式连接在负载端,主要 的功能为消 除各种电流??负序电流、谐波电流、无功电流。华北电力大学硕士学位论文 . 的检测算法 对于而言,最重要的一环便是对于谐波电流的检测。为保证补偿性能, 谐波检测的准确性、快速性、灵活性以及可靠性至关重要。为此,人们提出了许 多方法【’】: ..模拟滤波器 该种方法结构、原理简单,成本低,可以消除一些固有频率的谐波。基本原 理为:选择带通滤波器提取基波分量,再将此基波分量与负载电流相减,便可获 得所需要的谐波电流分量。但是此种方法的缺点为:当电网频率有明显的波动时, 误差大;电路元件发生变化时,容易引起检测效果波动;无法分离无功、有功分 量。 ..基于传统功率定义法 此种方法建立在平均功率的基础上, 因此需要一个周期数据积 分才可得到 平均功率,也就是说对于瞬时功率来说,需要至少一个周大延时,也就不适于在 负载高频变化、实时性要求较高的场合应用。此种方法的基本原理为:将被检测 电流分解为两部分??与电压波形相同的分量、其余分量作为广义无功电流,因 此此种方法的另一个缺点便是不能将谐波电流、无功电流分开检测。 ..基于快速傅里叶变换法 此种方法检测精度高、使用方便、实现简单、功能多,可以自动跟踪波动的 电网频率,自适应提取谐波分量。在频谱分析、谐波检测中应用广泛。但是此种 方运对于谐波信号频率、相位、幅值的提取采用的为或者离散傅里叶变换方 法,所以计算量巨大,大大降低了实时性,对于非整数次的谐波检测误差大,常 常出现频谱泄露以及栅栏效应等问题。 ..基于瞬时无功功率理论法 物理概念明确、精度高、延时小、实现简单、动态特性好。此理论首先由赤 木泰文以及.、.提出,后又不断地加以完善。突破了传统的对功率 的定义方法,引用了瞬时有功功率以及无功功率的概念。从该理论出发得出谐波 以及无功电流的实时检测方法。通过变换可将三相的瞬时静态电流电压变换 成旋转形式,得到直流分量,通过、逆变换后,便可得到基波电流,与负载 电流相减,也就得到了谐波电流。此种方法的缺点是运算量偏大,检测三相不对 华北电力大学硕士学位论文 称负载的谐波以及无功电流效果较差。 ..基于法 实时性好,不仅仅局限于三相电路。该方法命名是以对此方法贡献大的三位 研究人员命名的,分别为.首次提出、.以及.。 此理论目前只限于理论研究,还未应用于实际。目前,国内有学者将其用于两相 电路的无功、负序、谐波电流、三相电力电流检测中。 ..自适应法 抗干扰能力能,特别适用于电网出现畸变或者基频扰动的情况。此种方法的 原理为:当谐波电流中出现两种相同的干扰成分时,将两者在反馈支路中的两个 乘法器中相乘,只有同频率的干扰成分相乘后才会出现直流分量。而后经过积分 ’ 器的累积放大,形成直流量。缺点为实时性较差。 ..基于人工神经网络法 可以很好地跟踪周期性变化的电流,对于非周期变化的也能快速跟踪,能够 很好地识别出高频随机干扰信号。此种方法的原理与上述方法相似,只是将自适 应滤波器换成了。鉴于方法还不成熟,因此此种方法的缺点为没有规 范的构造以及确定样本数量的方法,训练成本较高,大大降低了实时性,并且结 构复杂,不易实现。 综合上述各方法的优缺点及目前实用中的情况,本文选用瞬时无功功率法。 .变流器控制方法 目前,变流器根据调制方式、控制算法等的不同有多种分类。根据调制方式 的不同,可以分为脉冲幅值调制、脉宽调制以及频率调制。 其中以脉宽调制最为常见。脉宽调制又可根据有无载波进一步划分为两类。其中 有载波的又可以分为正弦脉宽调制以及各种改进方法,无载波 脉宽调制方法又分为滞环控制、无差拍控制以及矢量控制。滞环电流比较控制集 脉宽调制与电流控制于一体,是简单的.控制,此种方法动态响应快、 电路简单、不需要载波。但是采用瞬时值比较方式时,由于有着固定的滞环宽度, 使得其开关频率不恒定。数字无差拍控制是一种新型的高跟踪精度、快的动态相 应速度的新型控制技术。但是由于环境以及运行条件的变化会导致参数的变化, 而精度受此影响较大,难以达到控制的目的,在中较少使用。空间矢量控制 法源于电机控制,是一种较为常用的基波频率叠加零序频率的正弦脉宽调制方法华北电力大学硕士学位论文 【】 从控制算法上分类,可以分为线性与非线性控制两类。 ..线性控制 经典的控制便是线性控制的一种,还有。控制、状态空问法等, 控制此种方法技术上成熟,鲁棒性号,无论是用数字还是模拟电 路算法简单易 于实现,应用的最为广泛。但是此种方法需要提前知道被控对象的数学模型。但 是变流器的非线性较强,难以通过具体精确的数学模型加以描述,并且实际的系 统参数分散性较大,因此此种方法在实际应用中,整定不良,性能较差。”控 制是年代后期提出的一种控制策略,鲁棒性好,基本原理是保证传递函数矩阵 。最小。此种方法的缺点便是实际工程中往往难以提供此种控制所需要的可测 的系统状态信息,为了解决这一问题,需要引入状态观测器,如此,便导致系统 。 的复杂性大大增加。 ..非线性控制 此种控制包括模糊控制、滑膜控制、自适应控制等。 模糊控制方法鲁棒性强、超调小、适应性强。但是要想得到较高的系统精度, 就必须要提高量化程度,大大增加了系统的搜索范围;控制器的结构以及知识表 示形式较为单一,难以在较为复杂的系统中处理知识,应用领域 较为有限;但系 统的非线性很高时,将出现控制效果很差甚至不准确的现象【】。 滑模控制??对被测对象参数的变化以及各种扰动不灵敏,无需辨识,实现 方法简单,响应速度快。但是此种方法要求开发频率无限高,这便与有限频率的 开关特性相悖,常常会出现“颤振”的现象,但这种特性正好与变流器、电机等 控制相合。 滞环比较方式在逆变电路中得到了最为广泛的应用。滞环控制采用的是比较 控制电流瞬时值的方法,也就是将补偿对象与滤波器输出的值进行比较,如果超 出规定的限度,则主电路中的开关元件就会发生动作。此种控制方法简单方便、 不需要载波,响应速度大,输出的电压中不含有特定频率的谐波分量。但是此种 方法有个缺点便是采用瞬时值比较方式时,由于有着固定的滞环宽度,使得其开 关频率不恒定。 总体来说,工程实际应用中较为常用的方法为后两种方法,虽然模糊控制较 多地停留于研究层面,实际应用中还是较少。 华北电力大学硕士学位论文 .本章小结 本章对有源电力滤波的基本原理进行了简要介绍,而后从直流侧储能元 件、供电系统、与电网连接方式三种不同的角度对其进行了分类,并对各种不同 的类型进行了简要介绍。而后分析研究了各种谐波电流的检测方法及换流器的调 制控制方法,确定了本文所选用的方法。华北电力大学硕士学位论文 第章谐波电流检测方法 本文在对各种方法进行总结概况的基础上,根据实际的需求,选择基于瞬时 无功功率理论的电流检测方法.方法进行深入的讨论与分析。重点对谐波 电流检测方法中的、进行研究。 .谐波检测方法研究现状 是治理谐波污染的有效手段,而谐波检测是其中十分重要的一环。谐波 检测的精度高低以及控制电流方法的合理与否成为补偿性能的关键。迄今为 止,已经出现了许多的检测算法。最早的检测方法是概念清晰、电路结构简单的 模拟滤波器,但是此种算法容易受外界干扰,单元器件对温度、频率等敏感性较 高,不能长久地保持稳定,相频、幅频特性理想程度较低。当电网出现波动时, 容易影响检测的精度,而且由于较多检测处谐波基波分量的存在,增加了的 容量,同时降低了系统的稳定性,效果较差。随着科技的发展,出现了各种数字 滤波器,逐渐取代了模拟滤波器【。 目前,谐波检测算法主要分为时域与频域两种。前者主要有同步旋转坐 标变换检测法??法、基于瞬时无功理论的检测法、方法、正交矢量检 测法以及自适应检测法等;而后者主要有卡尔曼滤波器、傅里叶分解法、小波变 换等方法。还有许多的现代信号处理、智能控制的方法,如自适应滤波器、基于 神经网络、模糊控制检测方法以及补偿电流均方根最小方法等。 方法 此方法为走向实用奠定了理论上的基础,是三相谐波检测研究的 重大研 究成果。这种理论不再以平均值作为功率定义,实现了谐波以及无功的实时检测。 在三相三线制中,电压电流经过相关的变换后,便得到有功与无功两个分量、, 经过低通滤波器后便得到直流分量,在经过反变换便得到了基波分量,再与电网 的输入量相减便可得到谐波分量。此方法是具有很好地检测三相平衡系统的瞬时 电流,能否得到很好的补偿效果。当波形出现畸变时,则会出现较大的误差,大 大降低补偿的效果。此种方法不能用于单相系统,对于此有大量的研究。方法 便能很好地解决前一个问题,对于单相谐波检测则出现于上世纪年代中期,主 要的研究成果有:基于瞬时无功理论的单相电流检测、自适应谐波检测、基于鉴 相原理的检测方法。对于三相四线制,出现了谐波检测、..理论、正交矢 量理论。 ?方法 在谐波和无功检测中方法不受电压谐波、不对称的影响,是应用 的最为 广泛的方法之一。原理为:通过变换以及同步旋转变换后,输入的电流信号 华北电力大学面贞士学位论文 便成为坐标系中的静止分量,其他的谐波分量则成为随旋转频率变化的旋转分 量;而后通过过滤即可得到静止分量,再经过反变换与输入信号相减得到指 令信号。 综上所述,以上两种方法原理基本相同,均通过坐标旋转的方式将交流变为 直流,当电压没有发生畸变时,两种方法可以得到谐波分量。后一种为前一种的 改进,不同之处在于变换矩阵的不同。前一种是将电网电压构成矩阵,后一种则 是通过锁相环的方法将电压的相位信息形成矩阵。电压出现畸变时,前一种方法 肯定会出现误差,而后者则不受影响。 基于瞬时无功理论的单相滤波方法 此方法最早是根据方法从单相进行三相改造的过程中形成的,如图.所 示,构造。、。,具有方法相同的特性,方法类似,可以分离谐波、无 功。 基于鉴相理论的单相瞬时检测方法 电网电压经过锁相环后,形成正余弦信号,与电网保持同相位,将此作为参 考信号,电流中存在畸变的部分则将其基波成分乘以正、余弦信号,如此便可分 别得到基波无功、有功分量,谐波信号成为交流,通过以及正余弦信号变化 后畸变的电流成分可被过滤出来成为基波成分,最后与输入信号相减即可得到谐 波电流。此种方法单相、三相电流不对称系统均可使用,但是由于传递函数选用 欠佳,导致直流分量出现衰减,而中心频率的衰减又不足,导致动态特性以及精 度军不好,较少用于单相中。 图.基于瞬时无功理论的单相滤波方法的原理图 自适应单相检测法 此种方法的原理为:当谐波电流中出现两种相同的干扰成分时,将两者在反 馈支路中的两个乘法器中相乘,只有同频率的干扰成分相乘后才会出现直流分量。 而后经过积分器的累积放大,形成直流量,在经过乘法器便可得 到与原干扰成分 相同或者相反的反馈量,利用此反馈量便可抵消干扰。可以通过比例系数的选择 提高检测精度,但是会影响到动态响应特性。对于两者的同时改进,可以通过选 择滤波器的阶数、类型、参数实现。 华北电力大学硕士学位论文 正交矢量理论 瞬时无功理论可以应用于三相四线制系统,根据相关的原理,可以得到在 一?坐标系下的公式: ‰ %叩 口 ...冶 .%%叩 卜旷,、 %吃 % 相,零序相分量中没有瞬 由上分析可知,理论中零序相分量独立于 时无功电流;而此理论中,零序、、相均有有功分量和无功分量。 理论 在三相四线制中,特别是在零序电压中有中线电流时,采用或正交矢量理 论大大降低了检测存在零序电压、电流谐波的有功、瞬时无功功率的精度。而?? 方法则是基于瞬时无功理论的改进,此种算法是基于电压空间矢量的方法旋转角 度的,保证了三个功率成分的线性独立,可以很好地消除中线电流,补偿瞬时无 功功率。此种理论结合、正交矢量理论的优点,保证了功率守恒以及线性独 立的各功率成分,容易得到补偿。 早期的谐波检测方法多采用的为模拟滤波器的原理,也就是基于频域理论。 此种方法的优点是成本低、原理实现电路简单、易于控制品质因数以及输出阻抗 低等,但是,其缺点也较为明显:实现电路的滤波中心频率容易受到外界环境的 干扰,对元件的参数十分敏感,要想得到理想的相频、幅频特性难度较大;并且 电网频率出现波动时,往往会影响到检测的精度,并且会使得检测出的谐波具有 很多的基波分量;如果先要检测出多次的谐波分量,则需要加大 电路的复杂程度, 也就增大了电路参数的设计难度;运行过程中的损耗也不容忽视。目前对电力系 统谐波检测的要求越来越高,而相应的检测方法也在日益完善,由于以上严重的 缺陷,此种方法应用的范围急剧减少。 基于传统功率定义的谐波检测原理是将负荷电流进行分解,从而使其 一部分分量与电压的波形相一致,这一部分分量即为有功电流。其余的分量也就 是谐波电流,即为广义上的无功电流。由于这一功率的定义是建立在平均功率之 上的,所以,要求瞬时有功电流进行积分在一个周期内的积分。也就是说需 要检测出一个周期内的结果,而后再加上运算电路,也就是说,完成整个的检测, 需要延迟上几个周期。综上所述,这种方法求得的“瞬时有功电流”实时性不好。 谐波电流检测中基于傅里叶变换的方法功能多,易于实现,精度高而且使用 十分方便,得到了广泛的应用,但是此种方法也有其局限性,主要表现在以下几 个方面:要想将所有频谱的信息都提取出来,则需要的时间量为无限的,如果只 是使用过去以及将来的信息得到的频谱有限,只能是区域频率的频谱;一个信号华北电力大学硕士学位论文 的频率与其周期的长度是呈现正比关系的,也就是说如果要提前高频谱的信息, 则其要得到比较好的精度则需要时间间隔相对较小,而对于频谱低的信息,则反 之,需要足够宽能够给出完全信息的时间间隔,因此,需要一个十分灵活可变的 时间??频率窗,保证其在低“中心频率”时,能够自动的加宽,在高“中心频 率”时,能够自动的变窄。快速傅里叶自身并不具有这种特性,是由目前的快速 傅里叶检测原理决定的,它是一种基于稳态、周期波形的假设,因而采样的周波 数也是整数的。鉴于这一缺陷,在年提出来一种改进??短时傅里叶 变换?? ,又称为加窗或者是 变换,但是这种改进起的作用有限,并没有真正地解决稳态;由于此种反映的频 率并不能反映随时间的变化情况,因此,利用快速傅里叶方法在任何想要的频率 范围内并不一定不能显示相关的频谱信息:此种方法需要一定的采样时间,计算 时间长,计算量大,从而使得较长的检测时间,也就大大降低了结果的实时性; 如果想要减少误差,可以采用加窗算法、双峰谱线修正算法以及差值算法等加以 解决。 近年来,通过神经网络?删 检测谐波的方法国内外进 行了大量的研究,出现了大量的研究文献,并很好地应用到了工程实际中,主要 体现在以下层面:一种是基于多层前馈网络神经网络的检测谐波的方法,此种方 法是一种基于多层前馈神经网络的方法;另一种是将两种方法 相结合??自适应 对消除噪声以及丰经网络检测谐波。神经网络检测谐波的优点体现在以 下几点:高的计算精度,各次谐波的精度不低于、方法,能够满足人们对 精度的高要求;实时性好,能够对任意整数次的谐波同时进行检测;计算量小; 对数据流长度的敏感性不高,较、方法小;好的抗干扰能力,对于信号源 中的一些诸如直流衰减分量等的非有效成分可以有效滤除,主要是结合一些随机 模型的信号处理方法,将上述成分作为噪声,有效地克服噪声。但是,神经网络 应用于实际中还存在许多的问题: