（电力系统及其自动化专业论文）电力谐波检测与抑制.pdf

d e t e c t i n gm e t h o d a n ds u p p r e s s i o no fp o w e r s y s t e mh a r m o n i c a b s t r a c t f o i l o w i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h en a t i o n a le c o n o m ya n dt h el i v i n gs t a n d a r d o f p e o p l e t h ee l e c t r i cp o w e r e l e c t r o n i c sp r o d u c ti sb r o a d l ya p p l i e dt ot h ec o n 仃0 lr e a l mm 也ei n d u s t r y t h e s ee l e c t r i cp o w e r se l e c t r o n i c se q u i p st om a k eah a 衄0 n l cp o l l u t l o n p r o b l e mw i t h i nt h ee l e c t r i cp o w e rs y s t e mi s s e r i o u sg r a d u a l l y t h e r e f o r e ，t h e 锄l y s l s a n ds u p p r e s s i o no fh a m o m i c h a sb e e na ni m p o r t a n tt o p i ci nt h ee l e c t r i cp o 眦rs y s t e 札 r e c e n t l y , i ti sm a t u r et h a tt h et e c h n i q u eo f p p fi su s e dt os u p p r e s st h eh a r m o m cl n m o s tc i r c 啪s t 觚c e s b u t ，p p fh a sm a n yd i s a d v a n t a g e st h a t i ti se a s i l ya f f e c t e db y s y s t e mp a 随m e t e r s , a n di tc a no n l yr e m o v es o m e f i xh a r m o n i c s t h e r f o r e ，t h es t u d ya p f i sb c c o m i n gaf o c u st o p i cb e c a u s eo f i t s sn i c ed y n a m i cc o m p c n s a t i o n h o w e v e r ，a 量j 上 i nc h i 舱i sn o ti np r a c t i c a ls t a g es of a r m o s to f t h ew o r ki sj u s tt h es t u d yr e s e 撤h1 n t h e o r e t i c a l l y i nm yt h e s i s ，m u c h i sd o n et o a l n c t i o no fa p f a l lt h i sw o r km a k e sm u c h t h ed e c t e c t i n gm e t h o da n dt h ec o n t r o l s e n s ef o rt h ei n d u s t r i a l i z a t i o no fa p f i n t h ef o l l o w i n gy e a r i nt h i st h e s i s ，t h ec u r r e n td e t e c t i n gm e t h o d o fi n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt n e o r y i sd i s c u s s e d b o t hp 、qd e t e c t i n gm e t h o da n di p i qd e t e c t i n gm e t h o d a r ea n a l y z e db y c o m p u t e rs i m u l a t i o n a tt h es a m e t i m e ，s e l e c t i o no fc a t e g o r ya n dp a r a m e t e ro f l p f 眦 v e r yi m p o n 蛆ti nc u r r e n td e t e c t i o n ，s oh o w t os e l e c tt h e mi si m i t a t i n gb yc o m p u t e f i no r d e ft oi m p r o v et h ec u r r e n tt r a c k i n gp e r f o r m a n c eo fa p f ，i n t h i st h e s i s ，t w 0 c 黼n tc o n t r o lm e t h u d sf o ra p fa r ep r o p o s e d t h e ya r eh y s t e r e s i s c u r r e n tc o n t r o l 蛐d t r i 锄g u l 盯w a v ec u r n l tc o n t r 0 1 i t sp r o v e dt h a tt h e yb o t hh a v eg o o d r e a lt i m et 豫c l 【i n g a b i l i t yb ys i m u l a t i o n t h e yc a nm e e ta p f sw o r k i n gd e m a n d f i n a l l y , i ti n t r d u c eat y p i c a lh a r m o n i cm o d e lt h ei n t e r m e d i a t ef r e q u e n c y 1 n d u c t i v e s t o v e 锄di t ，sw o r k i n gp r i n c i p l e c o m b i n i n gt h et h e o r i e sw i t ha c t u a lm e a s u r e m e n t ，i t 蚰a l v s et h eh a r m o n i c ，sc h a r a c t e r b ym a k i n gu s eo fm a t l a b t ob u i l dt h es y s t e m m u d e l ，p p f 锄da p fa r ep u t i nt h es i m u l a t i o nr e s p e c t i v e l y r e s u l tp r o v e sa p f i sb e t t e f k e yw o r d s ：p o w e rs y s t e m ；h a r m o n i c ；a c t i v ep o w e rf i l t e r ；i n s t a n t a n e o u sr e a c t l v e p o w e rt h e o r y ；m a t l a bs i m u l a t i o n n 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的成果和相 关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位发表或使用本论文 的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发表过的研究成果，也不包含 本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集 体，均已在论文中明确说明并致谢。 论文作者签名： 戡本 学位论文使用授权说明 2 0 0 8 年g 月1 0 日 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 口即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 翻季名叶奄p 尹 广西大g 明曩士爿吒止论文电力黹翻讨嗣，与抑目 第一章绪论 1 1 谐波的提出及研究意义 “谐波一一词起源于声学。有关谐波的数学分析早在1 8 世纪和1 9 世纪就己 奠定了良好的基础。傅立叶等人提出的谐波分析方法至今仍在广泛采用。 电力系统的谐波问题早在2 0 世纪的2 0 年代和3 0 年代就引起人们的关注。当 时在德国，由于使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变。1 9 4 5 年 j c r e a d 发表的有关变流器谐波的论文是早期关于谐波研究的经典论文【。 到了5 0 年代和6 0 年代，由于高压直流输电技术的发展，发表了大量有关变 流器引起的电力系统谐波问题的论文。e w x i m b a r k 在其著作中对此进行了总结 2 1 。7 0 年代以来，由于电力电子技术的快速发展，各种电力电子装置在电力系统、 工业、交通及家庭中的应用日益广泛，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国 都对谐波问题给予充分关注，定期召开有关谐波问题的学术讨论会。国际电工委 员会( i e c ) 和国际大电网会议都相继组成了专门的工作组，制定包括供电系统、各 项电力设备和用电设备以及家用电器在内的谐波标准，并将谐波干扰问题列入电： 磁兼容范围内。 我国对谐波问题的研究起步较晚，吴竟吕等人1 9 8 8 年出版的电力系统谐波 一书是我国有关电力谐波问题较有影响的著作p 】。夏道止等与1 9 9 4 年出版的 高 压直流输电系统的谐波分析及滤波是近年出版的代表性著作【4 j 。林海雪、孙树勤 等在1 9 9 8 年出版的 电力网中的谐波对谐波进行了详细的分析。此外，唐统一 等人和容健纲等人分别独立翻译了j a r r i l a g a 等的著作 ：电力系统谐波一书 5 , 6 1 ， 也在国内外有较大的影响。 谐波的研究是很有意义的。首先是因为谐波的危害十分严重，谐波可使电能 的生产、传输和利用的效率降低；使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘 老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁；谐波可引起电力系统局部并联谐振 或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器设备烧毁；谐波还会引起继电保护和 自动装置误动作，对通信设备产生严重干扰等。 广麓r 大掣嘎鼻嫩攀位论文t 爿呻簟潮讨囊i 爿抑i 谐波研究的意义，还在于其对电力电子技术自身发震的影响。但是，现在电 力电子装置产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使 电力电子领域的研究人员崧须对谐波阀题进行更先有效的研究。 谐波研究的意义，还可以上升到治理环境污染、维护绿色环境来考虑。对电 力系统来说，无谐波就是绿色筇的主要标恚之一。 因此消除谐波污染，已成为电力系统，尤其是电力电子技术中的一个重大课 题。谐波研究及其抻制技术已曩益成为人们关注的问题嘲。 。2 谐波研究的现状 1 2 国外研究现状 国际上对电力谐波问题的研究大约起源于五六十年代，当时的研究主要是针 对高压直流输电技术巾交流器孳| 起的电力系统谐波 掰题。7 0 年代螽期，随着电力 电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用，谐波问题日趋严重，从 丽孳| 起各嚣的高度重视。近十尼年闻电力谐波的研究，已经越过了电力系统的范 畴，渗透到了电工理论、电网络理论、电力电子学、数字信号处理、计算技术、 系统仿真、控制理论与控制技术等其它学术领域，并且形成了自己特有的理论体 系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、限制标准与管理制度等。 露前，谐波研究仍是一个菲常活跃的领域。发达禽家的经验和预测表明，随 着科学技术的发展，非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量迅猛增加。针对 谐波的大量出现，蠢前黧外已经研制成功各种谐波测量分析仪，知德国产的 n o w a i 谐波分析仪、美国产f 4 0 4 1 手持式谐波分析仪和英国产p a 系列高精度 电力谐波分析仪等【刀。 抑制谐波可以从治理谐波源本身入手，使其不产生谐波，且功率因数为1 单 使功率因数变流器就是可以实现这种功能的电力电予装置。健由于谐波源的多样 性，在电网中一般还是加装滤波器的方法来抑制高次谐波，这些装置一般可分类 为无源滤波器和有源滤波器两种。 ( 1 ) 光源滤波装置。传统无源滤波通过使用r l c 无源元件的串并联方式构成 无源的单调谐、高遥或低通等滤波器，戬达到滤除谐波的目酶，蔼量这种谐波抑 广1 f 犬掣嘎膏士掌位论文 制装置还可以起无功补偿和电压调整的作用。由于它具有成本低、技术成熟、结 构简单、容易实现等优点，所以它仍然是目前广泛使用的谐波抑制技术。但它也 有其一些不足之处d , 5 , s 】，主要表现为：( a ) 由于系统中的电源和线路都存在阻抗，所 以会影响补偿特性：( b ) 单调谐无源滤波器仅在其调谐点及附近具有较好的滤波效 果，偏离调谐点后，滤波效果将明显变差。 ( 2 ) 有源滤波装爱。随着2 0 世纪6 0 年代以来新型电力半导体器件的如现，脉 宽调制( p w m ) 技术的发展，以及基于瞬时无功功率理论地提出，针对无源滤波 器的缺陷，在1 9 6 9 年b i r d 和m a r s h 等人提出了向电网中注入三次谐波电流以减少 电源系统中电流的谐波成分，这是( a c t i v ep o w e rf i l t e r ) a p f 思想的萌芽【9 1 。之后， 在1 9 7 6 年g y u g y il 等人提出了用大功率晶体管p w m 变换器构成有源滤波器，并 正式提出了有源滤波的概念。2 0 世纪8 0 年代由于大功率全控型功率器件的成熟， p w m 技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流实时监测方法的提出， 使a p f 得以迅猛发展。a p f 通过向电网注入谐波及无功或改变电网的综合阻抗频 率特性，以改善波形，除了具有响应速度快，具有很好的动态实时补偿功能等优 点外，还具有可进行无功补偿，抑制电压闪变等多种功能。因此a p f 逐渐成为了 一种具有很大潜在应用价值的谐波补偿装置，并开始得到迅速的发展。但由于全 控型功率器件的成本及性能，制约了a p f 的实际应用，目前只有在日本得到比较 广泛的推广【1 0 1 舢。 a p f 一般分为并联型、串联型和混合型三种。从补偿的角度来看，a p f 可以 分为无功补偿、谐波补偿、平衡三相系统电压或电流以及多重补偿。常规的并联 型a p f 可以同时补偿谐波电流和无功，属于多重补偿。混合a p f 只能补偿谐波电 流，属于谐波补偿【1 5 2 们。 电力系统的谐波及抑制研究问题近几十年来在世界范围内得到了十分广泛的 关注，国际电工委员会o e c ) 、国际大电网会议( c i g r e ) 、国际供电会议( c i r e d ) 及美国电气和电子工程师学会( i e e e ) 等国际性学术组织，都相继成立了专门的电力 系统谐波工作组，并已制定出了限制电力系统谐波的相关标准。并且从1 9 8 4 年开 始，每两年召开一次的电力系统国际谐波会议( i c h p s ) 为这个领域的国际交流提供 了直接的渠道，正推动着谐波研究工作深入开展l ”】。 广曩r 大掣蝎炙士掌位论文 1 2 2 国内研究现状 我国从8 0 年代开始大量采用硅整流设备，尤其是铁路电气化的迅速发展，推 动了硅整流技术的发展和应用。电气化铁道具有牵引重量大、速度高、节约能源、 对环境污染小等优点，电力牵引己成为我国铁路动力改造的主要方向。目前，随 着这些非线性负荷的大量增加，使我国不少电网的谐波成分己大大超过了有关标 准，并出现了一些危及电网安全、经济运行的问题。事实证明：1 9 8 5 年8 月大同 第二发电厂2 号发电机组( 2 0 0 m w ) 负序电流保护动作跳闸，造成向首都供电中断， 使北京大面积停电的严重事故；1 9 9 4 年4 月山西晋东南电网解歹i j 事故，都是由于 电气化铁道的谐波和负序电流干扰的结果【2 1 1 。与此同时，我国许多科研和生产单 位，一些高等院校相继开展了谐波研究工作，在多次学术会议上，交流了这方面 的一些成果【2 2 1 。 但是，我国在a p f 方面的研究仍处于起步阶段，到1 9 8 9 年才有这方面文章。 研究a p f 主要集中在并联型、混合型，也开始研究串联型。研究最成熟的是并联 型，而且主要以理论研究和试验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、谐 波电流的检测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等【2 3 。2 们。1 9 9 1 年北方 交通大学王良博士研制出3 k v a 的无功及谐波的动态补偿装置；同年，华北电力科 学院和冶金自动化研究院联合研制了用于3 8 0 v 三相系统的3 3 k v a 双极面结型晶 体管( b j t ) 电压型有源滤波器；采用多重化技术，西安交通大学研制出1 2 0 k v a 并联型有源滤波器的试验样机。此外，清华大学、华北电力大学、重庆大学等高 等院校也对a p f 展开了深入的理论和实验研究。我国虽然在理论上取得了一定的 进展，由于多方面条件的限制，我国的有源滤波技术还处在研究试验阶段，工业 应用上只有少数几台样机投入运行，至今未有并联型有源电力滤波器正式产品用 于实际。因此我国有源滤波技术具有广泛的发展和应用前景【3 舢3 2 1 。 从近年的研究和应用中我们可以看出a p f 具有如下的发展趋势f 3 3 3 4 1 ： ( 1 ) 通过采用p w m 调制技术和提高开关器件等效开关频率的多重化技术， 实现对高次谐波的有效补偿和系统大容量的实现； 一 ( 2 ) 从经济上考虑，可以采用a p f 与p f 组成的混合型滤波系统，以减少a p f 的容量，达到降低成本、提高效率的目的； ( 3 ) 从长远角度看，随着半导体器件制造水平的迅速发展，混合型滤波系统 低成本的优势将逐渐消失，而串并联a p f 由于其功能强大、性价比高，将是很有 发展前途的有源滤波装置。 1 3 谐波的基本概念及含义 1 3 1 谐波的定义 国际上通行的谐波定义为f 3 5 】：“谐波是一个周期量的正弦波分量，其频率为 基波频率的整数倍。一定义表明： 本定义的谐波和暂态过程形成的谐波是不同的；谐波次数必须为正整数，以 区别分数谐波。 在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压 可表示为： u ( t ) = 4 - 五us i n ( c a + a ) ( 1 1 ) 式中u 一电压有效值；口一初相角； 彩一角频率；彩= 2 矿= 2 # t ； 一频率；丁一周期。 正弦电压施加在非线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为 比例积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上 时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也 变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对 于周期为t = 2 u o j 的非正弦电压甜( 耐) ，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形 式的傅立叶级数： 甜似) = 口o + 口。c o s n a n + b s i n r o t ( 1 2 ) 式中口。= 百1 卜( 州d ( 州 = 砉f f 材( 耐) c 。s 刀训( 耐) ( 万：l ，2 3 ，) 广蕾r ，“炽士学位论文- t 楷翻时嗣i 与抑曩 巩= 喜知础i n 刀删( 硼 u ( o x ) = a o + c s 坂刀研+ 吼) ( 1 - 扪 式中c n 、和a n 、的关系为 厶= 口：+ 睇纯= a r c t a n ( a 瓦) a n = c 月s i n 伊吒- c n c o s 纯 在式( 1 2 ) 或式( 1 - 3 ) 的傅立叶级数中，频率为i t 的分量成为基波，频率 大于l 整数倍基波频率的分量成为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数 比。以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用， 把式中材( 耐) 转成f ( 纠) 即可。 1 3 2 谐波分析中的常用概念 电压畸变的程度取决于系统阻抗和谐波电流的大小。同一谐波负荷在系统中 两个不同位置时将可能引起两个不同的电压畸变值。 畸变周期性电压和电流总均方根值的确定仍可根据均方根值的定义进行。以 电流为例，j ( ，) 的均方根值，根据定义可表示为： l = 瓜而= 阿 ( 1 _ 4 ) 即非正弦周期量的均方根值等于兵各次谐波分量均方根值的平方和的平方根 值，与各分量的初相角无关。 某次谐波分量的大小，常以该次谐波的均方根值与基波均方根值的百分比表 示，称为该次谐波的含有率珊一，刀次谐波电压的含有率以艘玑( h 绷m o n i cr a t i o u 一) 表示： h r u , 皇瓷x 1 0 0 ( 1 - 5 ) 式中以一第刀次谐波电压有效值： u i 一基波电压有效值。 力次谐波电流的含有率以月：i 吼表示： 广西大硝明炙士学位能演；种t 萌礴涮与抑置 h r n = 1 ，a n 1 0 0 ( 1 - 6 ) 1 式中。一一第一次谐波电压有效值； 1 一基波电流有效值。 谐波电压含量和谐波电流含量厶分别定义为： 几一 2 壁 ( 1 - 7 ) 厶2 僵彰2 畸变波形因谐波引起的偏离正弦波形的程度，以总谐波畸变率t h d ( t o t a l h a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 表示。它等于各次谐波均方根值的平方和的平方根值与基波均 方根值的百分比。电压总谐波畸变率t h d , 和电流总谐波畸变率乃迥分别定义为： t h d = 鲁x 1 0 0 r ( 1 8 ) t h d , = 丑1 0 0 。1 1 提高电能质量，对谐波进行综合治理，防止谐波危害，就是要把谐波含有率 和总谐波畸变率限制到国家标准规定的允许范围之内。实际上，谐波电压几乎总 是相对于基波电压而言的。因为电压往往只有百分之几的变化，所以电压t h d 通 常是一个有意义的数据。但对电流来说，情况有所不同。较小幅值的谐波电流可 能导致较大的t h d 值，而此时电力系统受到的威胁并不大。由于系统中大多数的 监控装置是按上述定义和方法给出的t h d 值的，这可能使用户误认为此时的谐波 电流是危险的。为了解决这一难题有专家建议，可将t h d 中所采用的基波电流 改为基波额定电流的峰值，称为总需量畸变率，简称t d d ，这也正是电力系统 谐波控制推荐实施细则与要求中管理规则制定的依据 3 5 , 3 6 1 。 1 3 3 电力系统谐波标准 由于电网中的谐波电压和电流会对电网本身和用电设备造成很大的危害，所 以必须限制谐波电流流入电网和控制谐波电压在允许的范围内，以保证供电质量。 世界许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定限制谐波的 憎，o 燃士学娜屯论：t 戈嘴潮嘲鼍i j 寥，审i 规定。 各级电网的谐波水平一般用谐波电压含有率或总谐波畸变率来反映。世界各 嚣所制定的谐波标准大都比较接近，国际大电瞬会议( c 薹g 跹) 和重际电工委员会 ( i e c ) 都成立了专门工作组拟定电力系统和电工产品的谐波标准，很多国家对谐波 也制定了褶应的星家标准，一些藿家斡电压总谐波畸变率的大致范围为 3 6 , 3 7 j ； 低压电网( sl k v ) ，般5 ，个别3 、7 ； 中压耄鹅( 2 4 7 7 k v ) ，一般2 5 ，个羽6 ； 高压电网( 8 4 k v 及以上) ，一般l 1 5 ，个别2 s 。 我国原水利电力部于1 9 8 4 年根据原国家经济委员会批转的全国供用电撬灵| j 的规定，制定并发布了s d l 2 6 8 4 电力系统谐波管理暂行规定。在此基础上， 系统地研究了标准的有关闷题，结合国情，吸取国外谐波标准研究成采的基础上 予1 9 9 3 年又发布了g b ，t 1 4 5 4 9 9 3 电能质量公用电网谐波，该标准从1 9 9 4 年3 月l 西开始实施 3 8 , 3 9 l 。 表1 - i 公用电网谐波电压( 相电压) 限值 t a b l e i - it h el i m i t e dv a l u eo fp u b l i ce l e c t r i cg r i 莲h a r m o n i cv o l t a g e p h a s e v o l t a g e ) 电网标称电压电压总谐波畸变率各次谐波电压含有率( ) ( k v )( ) 奇次偶次 0 3 85 04 02 0 6 1 04 o3 21 6 3 5 6 63 o2 4 l 。2 1 1 02 o1 6o 8 对于不同电压等级的公用电网，允许电压谐波畸变率也不相同。电压等级越 离，谐波限制越严格。另外，对偶次谐波的限制也要严于对奇次谐波的限制。表 1 1 给出了公用电网谐波电压限值。 一 电霹公共连接点的全部用户向该点注入的谐波电流分量( 方均根值) 不应超 过表1 2 中规定的允许值。 广呵奠0 犯硕士学旺屯论文电力谐涮时奎鼍i 与抑 瞄 表i - 2 注入公共连接点的谐波电流允许值 t a b l e 1 2h a r m o n i cc u l l r e n tp e r i l e dv a l u ei n p u t t e dt ot h ep u b l i cj o i n tp o i n t 标准电基准短路 谐波次数及谐波电流允许值( a ) 压( k v )( m v a ) 234 567891 0l l1 21 3 o 3 81 0 7 8 6 23 9 6 22 6 4 4 1 9 2 l1 62 8 1 32 4 61 0 04 33 42 l3 41 42 4 1 11 l 8 51 67 11 3 1 01 0 02 62 01 32 08 51 56 4 6 85 19 34 37 9 3 52 5 01 51 27 71 25 18 83 84 i3 15 62 64 7 6 65 0 01 61 38 11 35 4 9 34 14 33 3 5 92 75 0 1 1 07 5 01 29 6 6 0 9 64 0 6 83 0 3 22 44 3 2 03 0 标准电基准短路谐波次数及谐波电流允许值( a ) 压( k v )( 埘 ) 1 4 1 51 6 1 7 1 81 9 2 0 2 l2 22 3 2 4 2 5 o 3 81 01 l1 29 71 88 61 67 88 97 11 46 51 2 61 0 06 16 85 31 04 79 04 34 93 97 43 66 8 1 0 1 0 0 3 74 13 26 02 85 4 2 62 92 34 52 14 1 3 5 2 5 02 22 51 93 61 73 21 51 8 1 4 2 7 1 3 2 5 6 65 0 02 32 62 03 81 83 41 61 91 52 8 1 42 6 1 1 07 5 01 71 91 52 81 32 51 21 41 42 11 0 1 9 当公共连接点处的最小短路容量不同于基准短路容量( 见表1 2 ) 时，冥谐波电 流允许值按下式换算求出： ”鬟 ( 1 9 ) 式中瓯t 一公共连接点的最小短路容量，m v a ： & 2 一基准短路容量，m v a ； 一第h 次谐波电流允许值( 见表1 2 ) ，a ； 厶一短路容量为瓯t 时的第n 次谐波电流允许值，a 。 - 9 广冒大掣啊奠士掌位沦文电力谱潮礴灏与抑_ _ 1 4 本文主要的研究内容 对电能质量的要求已经越来越引起人们注意，谐波及其抑制的重要性和谐波 治理刻不容缓。在电力系统中，应用有源滤波器对系统进行谐波抑制是目前研究 的重要课题之一，并联型有源滤波器可以有效的对负载谐波进行补偿。本文主要 的工作如下： ( 1 ) 通过学习国内外大量的参考文献，分析了几种典型谐波源产生谐波的原 因，对目前主流的谐波抑制方法进行了介绍； ( 2 ) 在了解谐波电流检测技术、a k a g i 瞬时无功功率理论的基础上，对基于 瞬时无功功率理论的谐波电流检测技术进行仿真分析； ( 3 ) 对谐波检测中重要的低通滤波环节，研究低通滤波器的选取和参数设置 对其工作性能的影响，并且利用仿真辅助分析： ( 4 ) 在分析各种p w m 控制方法的基础上，对滞环比较和三角波比较两种跟 踪控制电路进行建模与仿真； ( 5 ) 最后利用某钢厂谐波治理的一个实例，结合前面所研究的谐波检测方 法和控制部分并联有源电力滤波器和无源滤波器，进行了m a t l a b 仿真实验，仿真 结果验证了该有源滤波装置良好的补偿特性能。 广西，“煅士棚铒龟论文已戈t 潮翻蠹测与抑嘲 第三章电力系统谐波源 电力系统孛，越弦供电魄压加在非线性设备上就会产生菲正弦电流或者芷弦 供电电流通过非线性设备也会导致非难弦电压。例如：有一个正弦电压螂= s i n 耐， 当该电压加在电感l 上时，我们知道有材= 磁，盘，如栗l 不是常数，那么3 v 多就 是非正弦电流，即有谐波电流存在。谐波电流与自身特性和工作状况以及外加电 压有关，而与电力系统的参数关系不大，因而常被看作是谐波恒流源。 目前，在现代工业中，电力系统的波形畸变主要来源于两大因素。第一，r l c 元件的菲线性。当正弦电压加在菲线性电路上时，电流就变成非正弦波，非正弦 电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变成非正弦。当然，非正弦电压加 在线性电路上时电流亦是非芷弦波；第二，大量使用电力电予装置也会带来波形 的畸变。配电网中整流器、变频调速装置、电弧炉、电气化铁路以及各种电力电 子设备不断增加，这些负荷的非线性、冲击性和不平衡性等用电特性对用电质量 造成了严重污染：随着非线性用电设备越来越多，所产生的离速谐波电流大量注 入电网，使电网电压正弦波形发生畸变，电能质量下降。本章将对一些典型的谐 波源进行论述分析。 2 。1 发电机和电动机 发电机【删，是电力系统中一个重要的元件，发电机在发出基波电势的同时也 会有谐波电势产生，其谐波电势只取决于发电机本身酶结构和工作获况，基本士 与外接阻抗无关，可以看作是谐波恒压源。我们知道当发电机磁极磁场按正弦分 布时，定子绕组的感应电势就将按正弦规律变化，这是我翻所要求的。但是电机 的实际情况却不是这样，它的磁极磁场并非完全按正弦分布，感应电势也就不完 全是正弦波形。将磁极磁场按傅立叶级数分藤，n 极下魏磁场分布帮s 极下的分 布对称，且都对磁极中心线对称。 第珏次谐波磁场的极对数为瓯极距为靠，谐波电势的频率为厶则谐波电势的 有效值为： 蒋4 4 4 僦黼z 丸 ( 2 1 ) 广西大掌磺士拳位论文电力谐馥梭潮与抑翻 其中为n 次谐波每对极磁通量 l 矗期为n 次谐波绕组系数 以上所讨论的是磁场饱和非线性产生的谐波，对于发电机处于不对称运行时 引起的高次谐波则有如下所述： 当同步电机不对称运行时，定子绕组出现了负序电流，负序电流在定子上产 生一个以同步角速度和转子旋转方向相反的旋转磁场。这种旋转磁场与转子呈现 两倍同步角速度相对运动，将在转子绕组中感应两倍同步频率的电流。如果转子 上只有激磁绕组，激磁绕组中的两倍同步频率的单相电流，只能产生与转子相对 不动的脉振磁场。它的脉动频率是两倍同步频率，这种脉动磁场可以分解成两个 大小相等方向相反的以两倍同步频率相对转子运动的旋转磁场。与转子旋转方向 相反的那个旋转磁场，相对定子以同步转速旋转，它与定子绕组中的负序电流产 生的旋转磁场相对。与转子方向同向旋转的那个两倍同步角速度的旋转磁场，相 对定子以三倍同步角速度旋转，在定子绕组中感应三倍同步频率的的三相对称电 势。由于定子回路不对称，在定子绕组中将出现三次谐波的负序电流，这种电流 在定子上产生以三倍同步角速度反转子方向旋转的旋转磁场，它在励磁绕组中感 应的电流是四倍同步频率的交流。如上面所述相同，定子上将会出现五次谐波电 势。其它各次谐波依次类推。同步电机在不对称运行下的负序电流，将在定子回 路中感应出奇次谐波电流，在转子回路中感应出偶次谐波电流。电动机和发电机 一样都是旋转电机，其产生谐波的主要原因是结构问题。一般容易产生齿谐波， 但是这些谐波的量较小，所以电动机在一般情况下不被视为谐波源。 2 2 变压器 在电力系统中，变压器的总容量一般比发电机总容量多很多，所以在电力系 统中变压器这个谐波源具有普偏性。 2 2 1 变压器正常运行 变压器产生谐波的原因是变压器铁芯的铁磁饱和特性，再者系统运行电压则 是使变压器磁饱和的决定因素。 广。西大掣幽炙士掣啦论文t 力嘴波检测与抑制 在稳态工作时这种磁饱和引起的高次谐波一般很小，不会对系统的工作造成 严重的危害。不失一般性，我们先以空载变压器进行分析并忽略磁滞的影响。 当端电压为正弦波时，也就是： 材：以d s i n 耐( 2 2 ) 由端电压和变压器铁芯磁通之间的关系“：，刚魂可得矽： = 也w m x c o s r 臻t = 九s i n ( 耐一万2 )( 2 3 ) 也就是说，在正弦电压下磁通也是正弦的，只是相位滞后电压# 1 2 。由铁芯的 磁化曲线，即可求得对应磁通的电流波形。假设将磁化曲线表示为： f = 口l + 岛3 则可得： ( 2 4 ) i = q 2 i is i n ( a 膏- # 2 ) + 4 2 1 3s i n ( 3 0 x - # t 2 ) ( 2 5 ) 由上式可见，此时的电流已发生畸变，包含有3 次谐波项了，且其峰值与基 波峰值相重合构成尖顶波。式2 4 只是个近似表达式，实际上还有许多高次谐波， 尤其是激磁电流中的五次和七次谐波电流仍然较大( 5 1 0 ) ，所以不能忽略，计及 所加电压的初相角秽时，也就是： 1 , 4 = 4 2 v s i n ( , o t + 们，则又可得 i = 4 2 1 ls i n ( 谢- # 1 2 + 鳓+ 4 2 1 3s i n ( 3 耐- # 1 2 + 3 0 )( 2 - 6 ) 同上所述类似，若变压器的励磁电流是纯正弦的波形那么就可以得到变压器 端电压是畸变的，也就可以得到其中所含的谐波分量。 求取变压器产生的谐波电流，要受到变压器的结构和其接线方式有关，因此 对三相变压器来说，情况就变得更复杂一些。对三相三铁芯变压器来说，对称系 统零序性谐波的磁通是经由空气( 油及外壳) 构成回路的，磁阻要大的多，因而磁通 中的该次谐波的含量就要小一些。在三角形接法时，零序性谐波电流在三角形内 流动而不会注入系统。不过由于磁路不对称，三次谐波并不平衡，故一部分三次 谐波还是可以通过变压器感应到三角形侧来的。 当施加于变压器的电压愈高，其铁芯愈趋近子饱和，高次谐波成分则急剧增 加，当电压提高一倍，高次谐波电流将增加一倍。 广1 r 大掣啊奠士学位论文 电力谐藏检涮与抑_ 2 2 2 变压器激磁涌流 变压器在空载合闸或故障后重合闸时都会产生激磁涌流，通过一些研究变压 器激磁涌流的文献可以发现，谐波分析没有受到很高的重视，但是不得不承认， 激磁涌流含有的丰富的谐波会给系统的正常运行造成很大的隐患。 2 3 整流装置 2 3 1 电力机车中的单相桥式整流电路 电气铁道电力机车牵引负荷为波动性很大的大功率单相整流负荷，它产生的 谐波和负序电流对供电系统和其他电力用户造成极为严重的影响。 电气铁道电力机车牵引负荷为波动性很大的大功率整流负荷，它在电力系统 中具有以下特点： ( 1 ) 不对称性，在电力系统中存在负序分量； ( 2 ) 非线性，在电力系统中产生高次谐波： ( 3 ) 波动性，使电力系统电压波动； ( 4 ) 功率大，分布广，对电力系统影响严重。 电气铁道供电系统注入电力系统的负序分量和谐波来自电力机车的整流装 置，如图2 1 ，设电源电压为：。= 2 u s 砸耐+ 力 式中u 为电源电压有效值； 口为基波电压和电流的相位差。 为便于分析，假设以下理想条件：交流侧电抗为零，而直流侧电感l 为无穷 大，并且忽略电流脉动。则交流侧电流为理想方波，且有：j = 1 d 。 广西j o 羹硕士尊坷盘沦文 电力谐溺睫奎囊i 与抑鼻目 图2 - 1 单相桥式整流电路 f i g 2 1s m o e p h a s e 嘶d g er e c t i 触c 讹诚 l 岛( l ) 将交流侧理想的方波电流进行傅立叶分解得到： i = 昙怕m 积 3m 饼0 5 豳姒+ 沪弘血锨q 。 式中，。：塑 ( n ：l ，3 ，5 ，7 ) 从上式可以看出，当正弦波电压加在单相桥式整流电路上时，电源侧只含有 奇次谐波分量。图2 - 2 为单相桥式整流电路在考虑电源阻抗和直流侧电感时的交流 侧电源电流波形： 图2 2 单相桥式整流电路交流侧电流波形 f i g 2 2a c c u r r e n tw a v e f o mo fs i n g l e - p h 豳eb r i d g er e c t i 匆i n gc i r c u i t 从上图可以看出，当考虑电源阻抗、直流侧电感、以及电流脉动时，电源侧 的电流就不再是方波，同时也说明了如果正弦波电压加在单相整流电路上时，电 源侧的电流就会发生畸变，即有谐波电流存在。 广西大学泻士学位论文 电力凿潮啊涓与抑_ 2 3 2 中频炉中的三相桥式全控整流电路 三相桥式全控整流电路是中频炉中重要组成部分。三相整流装置可使整流电 压脉动较小，脉动频率较高，而且由于三相平衡，对供电系统的影响较小，因而 容量较大的整流装置常采用三相整流的方式，比如大容量的h v d c 装置以及大型 铝厂的整流装置等都用到了三相整流方式。三相整流也是多种多样的，有三相半 波、三相全控桥式、三相半控桥式等等。本节主要研究中频炉中典型的三相全控 桥式整流电路产生谐波的机理。 图2 3 是三相六脉波整流电路接线图，在电源电压的一个周期内有6 次换相( 上 桥臂和下桥臂各有3 次) ，所以称为六脉动整流。下面分析交流侧电流的波形，为 了抓住问题的本质，便于分析理解，所以研究理想的情况。为此，作如下假设： ( 1 ) 电源为理想的三相平衡系统，并以a 相电压为基础： ( 2 ) 整流桥用的g t o 为理想元件，正向电阻为零，反向电阻为无穷大； ( 3 ) 交流侧的电感为零，即换相重叠角7 = u ； ( 4 ) 控制触发角口= 0 ，即相当于不可控的整流。 l 厂厂 小圪厶j l 】l 巧一 l 匕一 l 圪： 占 】 厂一厂 一f - l 圪一l 虼一l 坞 图2 3 三相全控桥式整流电路 f i g 2 3t h r e e - p h a s ea l l w a v eb r i d g er e c t i f y i n gc i r c u i t a ，b ，c 三相的电流波形都是由正负诱个序列的方波组成。方波的幅值等于厶， 方波的宽度等于2 ，正负波形对横轴对称。然后对各相非正弦电流波形进行傅 立叶级数分解，得到基波和一系列谐波表达式： 广西大曹日炙士曹钶立论文 电力韵 波检测与抑制 屯。半圆n i 扣耐t 7 卅枷褂 亿 去s j n l 3 耐一上s i l l1 7 耐一上s i n l 9 倒+ ) 1v 1 31 71 9 r 拓， l2 d 巧 ( 2 1 2 ) l n = l l 刀 厶= 2 x 3 l a l t s i n ( c a t - ，3 ；z ) i ；s i n ( 5 谢+ 鼋万) 一号s i n ( 7 耐一；刀) 。2 。3 ， + s i n ( 1 l a x + 和扣( ，锄一和】 q 列 屯2 警刚：弹献5 研争知斛扣 仁 + 六s 唧- 耐一分吉s 硼3 耐+ ” 弘吖叫 ( 4 ) 三相桥式整流电路不存在电流的零序分量。 i j!； ! ；1 b j “八 ：j j 二 ： ： 0 0 i 盎_ i ? j a 九，i ，、- - -j t 。矗一 j ；，0 j ；7 ；j ；、。j 。? 。； i ： - ，：o ：， ，、-i ，：， - ，j i 一- c 一h ：?訾；：y：；： -：u”o ： ：i r 。1 。：。 。1 ：一! 。- 。+ r 1 !