電力系統諧波檢測與治理問題的研究畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 代和 30 年代就引起人們的關注。當時在德國，由于使用靜止汞弧變流器而造成了電壓、電流波形的畸變 。 1945年 發 表的有關 變流器諧波的論文是早期關于諧波研究的經典論文 [1]。 70年代以來，由于電子技術的飛速 發展，各種電力電子裝置在電力系統、工業、 交通 及家庭中的應用日益廣泛，諧波所造成的危害日益嚴重。 諧波的研究具有重要意義，首先是諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產、傳輸和利用的效率降低，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀．其次，諧波研究的意義還可以上升到治理環境污染、維護綠色環境的角度來認識．對電力系統這個環境來說，無諧波是“綠色”的主要標志之一。在電力電子技術領域，要求實施“綠色電力電子”的呼聲也日益高漲．目前， 對地球環境的保護 己成為全人類的共識。對電力系統諧波污染的抑制也已 成為電工科學技術界所必須解決的問題。在國際上，許多國家都先后對電兩中的電壓畸變，各次諧波電壓、諧波電流的數值、測量方法及非線性負荷的管理等制定了相應規定來加以嚴格限制。我國過去對電網中的諧波問題未加重視和研究。但是近年來由于電氣化鐵路的大量出現，以及可控硅整流裝置的廣泛應用，不少電網中的高次諧波含量的數值已大大超過了國際上公認的標準。據我國電力科學院系統研究所對西南、西 北、華中、華北等地區重點電網測試的結果來看，我國電網的諧波污染已 很嚴重。為了更好的采取措施對 電網諧波含量加以限制，必須具有相應的監測手段。為此，除了引進發達國家研制的諧波監測儀器外，還應當研究符合我國電網現狀的諧波分析方案，以提高電網諧波監測分析水平，這對于抑制高次諧波含量是十分必要和有價值的。 江 蘇 大 學 學 士 學 位 論 文 7 國內外電力諧波檢測與分析方法研究現狀 諧波檢測方法是諧波檢測的核心環節，也是各文獻著重論述和相互區別所在。諧波測量一般包括三個步驟：信號預處理；諧波幅值和相位測量；結果再處理。其中信號預處理和結果再處理是輔助算法，為諧波測量服務，以優化測量性能，達到實際應用的目的。諧波測量方法雖然在算法設計和現實中 占據主導地位，但輔助算法在很大程度上決定了其能否預期執行和裝置的可靠性，故不能忽視對它的設計。實踐表明，獲得一個時滯性小，去噪聲能力強，同時為后續分析提供高精度諧波特征的輔助算法并不容易．輔助算法的選擇主要取決于以下因素：實際輸入信號的動態特性與所要求的理想信號符合程度；數據處理性能；給定的時間響應和精度要求；軟硬件實現約束條件。 目前國內外諧波檢測與分析方法可分為 [2] (1) 采用模擬帶通濾波器測量諧波 最早的諧波測量是采用模擬濾波器實現。即采用濾波器將基波電流分量濾除，得到諧波分量，或采用帶通濾波器得 出基波分量，再與被檢測電流相減得到諧波分量。該檢測法的優點是結構簡單，造價低，輸出阻抗低，結果易于控制。該方法也有許多缺點，如濾波器的中心頻率對元件參數十分敏感，受外界環境影響較大，難以獲得理想的幅頻和相頻特性．當電網頻率發生波動時，不僅影響檢測精度，而且檢測出的諧波電流中含較多的基波分量，大大增加了有源補償器的容量和運行損耗。 (2) 基于傅立葉變換的諧波檢測與分析 隨著計算機和微電子技術的發展，基于傅立葉變換的諧波檢測是當今應用最多也是最廣的一種方法。它由離散傅立葉變換過渡到快速傅立葉變換的基本原理構成 。模擬信號經采樣，離散化為數字序列信號后，經微型計算機進行諧波分析和計算，得到基波和各次諧波的幅值和相位，并可獲得更多的信息，如諧波功率、諧波阻抗以及對諧波進行各種統計和分析等，各種分析計算結果可在屏幕上顯示或按需要打印輸出。使用此方法測量諧波精度較高，功能較多，使用方便。其缺點是需要一定時間的電流值，且需進行兩次變換，計算量大，需花費較多的計算時間，從而使得檢測方法具有較長時間延時，檢測結果實際是較長時間前的諧波江 蘇 大 學 學 士 學 位 論 文 8 和無功電流，實時性不好。而且算法中存在頻譜泄漏效應和柵欄效應，使計算出的信號頻率、幅值和相位不 準，尤其是相位誤差很大，無法滿足測量精度的要求，必須對算法進行改進，以達到要求值。 (3) 小 波變換檢測法 對諧波電流進行動態抑制時，不必分解出各次諧波分量．只需檢測出除基波電流外的總畸變電流，但對出現諧波的時間問題，傅里葉變換就無能為力。小波變換由于克服了傅里葉變換在頻域完全局部化而在時域完全無局部性的缺點，即它在時域和頻域同時具有局部性。因此通過小波變換對諧波信號進行分析可獲得所對應的時間信息。 (4) 基于神經網絡的諧波檢測與分析法 神經網絡理論是最近發展起來十分熱門的交叉邊緣學科，它涉及生物、電子 、計算機、數學和物理等學科，有非常廣闊的應用前景，它的發展對未來的科學技術的發展將有重要的影響，神經網絡就是采用物理可實現的系統來模仿人腦神經網絡的結構和功能系統，它之所以受到人們的普遍關注，是由于它具有本質的非線性特性、并行處理能力、強魯棒性以及自組織自學習的能力。將神經網絡應用于諧波測量，主要涉及網絡構建、樣本的確定和算法的選擇，目前己有一些研究成果。文獻 [3]提出了基于人工神經網絡的電力系統諧波測量方法。該方法利用多層前饋網絡的函數逼近能力，通過構造特殊的多層前饋神經網絡，建立了相應的諧波測量電路，并 給出了電路的訓練算法和步驟，提出了訓練樣本的形成方法。仿真結果表明了此方法的有效性。文 獻 [4]將 神經網絡理論和自適應對消噪聲技術相結 合， ADLINE 矩陣作為輸入，建立相應的測量電路，這種方法的自適應能力較強。 (5) 自適應檢測法 該方法基于自適應干擾抵消原理，將電壓作為參考輸入。負載電流作為原始輸入，從負載電流中消去與電壓波形相同的有功分量，得到需要補償的諧波與無功分量。該方法的特點是在電壓波形畸變情況下也具有較好的自適應能力。缺點是動態響應速度較慢。 (6) 瞬時空間向量法 江 蘇 大 學 學 士 學 位 論 文 9 利用瞬時無功功率理論。即“州 ”理論，對電力諧波量進行測量。即將基波分量與總電流相減得到相應的諧波電流，但是此方法忽略了零序分量，且對于不對稱系統，瞬時無功的平均分量不等于三相的平均無功。所以．此方法只適用于三相電壓正舷、對稱情況下的三相電路諧波和基波無功電流的檢測。 電力諧波檢測與分析方法的發展趨勢 諧波檢測算法向智能化、多功能實用化發展，求解方法從直觀的函數解析過渡到精確的分 析和信號處理；諧波檢測效果向高精度、高速度和實時性好的方向發展。 現有方法中檢測精度高則速度慢，檢測速度快則精度低或實時性不好．故必須研究新的諧波特性辨識 方法和數學方法，以滿足高精度測量的要求；諧波檢測及分析與控制目標相結合，測量、分析與控制一體化、集成化，使測量系統低成本、高性能和多功能化；完善現有諧波檢測理論體系并建立新體系，提出新的諧波檢測方法 [2]。 諧波抑制技術的發展現狀 國外抑制技術研究現狀 目前，諧波研究仍是一個非 常活躍的領域。發達國 家的經驗和預測表明，隨著科學技術的發展，非線性負荷用電設備的種類、數量和用電量迅猛增加。針對諧波的大量出現， 目 前 國 外已經研制成功各種諧波測量分析儀，知德國產的 諧波分析儀、美國 產 F40/41 手持式諧波分析儀和英國 產 PA 系列高精度電力諧波分析儀 等 [5]。 抑制諧波可以從治理諧波源本身入手，使其不產生諧波，且功率因數 為 1。 單 使功率因數變流器就是可以實現這種功能的電力電子 裝置。由于諧波源的多樣性，在電網中一般還是加裝濾波器的方法來抑制高次諧波，這些裝置一般可分類為無源濾波器和有源濾波器兩種。 (1) 光源 濾波裝置。傳統無源濾波通過使 用 RLC 無 源元件的串并聯方式構成無源的單調諧、高遙或低通等濾波器，均 達到濾除諧波的目的 ，這種諧波抑制裝置還可以起無功補償和電壓調整的作用。由于它具有成本低、技術成熟、結 構簡單、容易實現等優點，所以它仍然是目前廣泛使用的諧波抑制技術。但它也有江 蘇 大 學 學 士 學 位 論 文 10 其一些不足之 處 [6,7,8]， 主要表 現為： 由于系統中的電源和 線路都存在阻抗，所以會影響補償特性： 單 調諧無源濾波器僅在其調諧點及附近具有較好的濾波效果，偏離調諧點后，濾波效果將明顯變差。 (2) 有 源濾波裝愛。 隨著 20 世紀 60 年 代以來新型電力半導體器件的如現，脈寬 調制 (PWM)技術的發展，以及基于瞬時無功功率理論地提出，針對無源濾波器的缺陷， 在 1969 年 Bird 和 Marsh 等人提出了向電網中注入三次諧波電流以減少電源系統中電流的諧 波成分，這是 (Active Power Filter)APF 思 想的萌芽 [9]。 之后，在 1976 年 Gyugyi L 等人提出了用大功率晶 體管 PWM 變 換器構成有源濾波器，并正式提出了有源濾波的概念。 20 世紀 80 年代由于大功率全控型功率器件的 成熟， PWM 技術的進步，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流實時監測 方法 的提出，使 APF 得以迅猛發 展。 APF 通 過向電網注入諧波及無功或改變電網的綜合阻抗頻率特性，以改善波形，除了具有響應速度快，具有很好的動態實時補償功能等優點外，還具有可進行無功補償，抑制電壓閃變等多種功能。因 此APF 逐漸成為了一種具有很大潛在應用價值的諧波補償裝置，并開始得到迅速的發展。但由于全控型功率器件的成本及性能， 制約了 APF 的 實際應用，目前只有在日本得到比較廣泛的推 廣 [1014]。 APF 一 般分為并聯型、串聯型和混合型三種。從補償的角 度來看， APF 可以分為無功補償、諧波補償、平衡三相系統電壓或電流以及多重補償。常規的 并聯型 APF 可 以同時補償諧波電流和無功，屬于多重補償。混 合 APF 只 能補償諧波電流，屬于 諧波補償 [1520]。 電力系統的諧波及抑制研究問題近幾十年來在世界范圍內得到了十分廣泛的關注，國際電 工 委員會 (OEC)、 國際大電網會 議 (CIGRE)、 國際供電 會議 (CIRED)及 美國電氣和電子工程師 學會 (IEEE)等 國際性學術組織，都相繼成立了專門的電力系統諧波工作組，并已制定出了限制電力系統諧波的相關標準 。并且從 1984年 開始，每兩年召開一次的電力系統國際諧波會 議 (ICHPS)為這個領域的國際交流提供了直接的渠道，正推動著諧波研究工 作深入開展 [15]。 國內抑制技術研究現狀 我國在 APF 方面的研究仍處于起步階段，到 1989 年才有這方面文章。研究江 蘇 大 學 學 士 學 位 論 文 11 APF 主要集中在并聯型、混合型，也開始研究串聯型 。研究最成熟的是并聯型，而且主要以理論研究和試驗研究為主。理論上涉及到了功率理論的定義、諧波電流的檢測方法、有源電力濾波器的穩態和動態特性研究等 [2127]。 1991 年北方交通大學王良博士研制出 3KVA 的無功及諧波的動態補償裝置；同年，華北電力科學院和冶金自動化研究院聯合研制了用于 380V 三相系統的 33KVA 雙極面結型晶體管 (BJT)電壓型有源濾波器； 采用多重 化技術，西安交通大學研制出 120KVA并聯型有源濾波器的試驗樣機。此外，清華大學、華北電力大學、重慶大學等高等院校也對 APF 展開了深入的理論和實驗研 究。我國雖然在理論上取得了一定的進 展，由于多方面條件的限制，我國的有源濾波技術還處在研究試驗階段，工業應用上只有少數幾臺樣機投入運行，至今未有并聯型有源電力濾波器正式產品用于實際。因此我國有源濾波技術具有廣泛的發 展和應用前景 [2830]。 從近年的研究和應用中我們可以看出 APF 具有如 下的發展趨勢 [31,32] (1) 通過采用 PWM 調制技 術和提高開關器 件等效開關頻率的多重 化技術，實現對高次諧波的有效補償和系統大容量的實現。 (2) 從經濟上考慮，可以采用 APF 與 PF 組 成的混合型濾波系統 ，以減少 APF的 容 量，達到降低成本、提高效率的目的。 (3) 從長遠角度 看，隨著半導體器件制造水平的迅速發展，混合型濾波系統低成本的優勢將逐漸消失 ，而串并聯 APF 由于 其功能強大、性價比高，將是很有發展前途的有源濾波裝置。 本文主要的研究工作 對電能質量的要求已經越來越引起人們注意，諧波及其抑制的重要性和諧波治理刻不容緩。在電力系統中，應用有源濾波器對系統進行諧波抑制是目前研究的重要課題之一，并聯型有源濾波器可以有效的對負載諧波進行補償。本文主要的工作如下： (1) 在緒論 中介紹諧波分析、檢測和抑制的研究背景、意義、現狀 和發展趨勢。 (2) 在 第二章中，對電力諧波的基本概念和特征參數進行了闡述，研究了諧江 蘇 大 學 學 士 學 位 論 文 12 波產生的原因和諧波的 危害。 (3) 對諧波檢測中重要的低通濾波環節，研究低通濾波器的選取和參數設置對其工作性能的影響，并且利用仿真輔助分析。 (4) 在 分 析各種 PWM 控 制方法 的基礎上，對 pq? 法、 pqii? 檢測法 方法及 滯環比較和三角波比較兩種跟蹤控制電路 進行分析說明 。 (5) 結合前面所研究的諧波檢測