電力系統的諧波(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 tbtna nn ?? （ 22） 式中 ??? ?? ??? )()(u10 tdta 。 ????? ???? )(c os)(u1 ttdnta n。 第二章 諧波及有源電力濾波器 5 bn = ?1 ???? ??? )(sin)(u ttdnt。 或 u( t? )= a0+??? ?1n )sin(c nn tn ?? （ 23） 式中 cn, n? , 和 an , bn 的關系為 cn= 22na nb? ； n? =arctg(nnba )。 an = cnsin n? 。 bn = cncos n? ； 在式 (22)或式 (23)的傅立葉級數中，頻率為 1/T 的分量稱為基波，頻率為大于 1/T 的 整數倍基波頻率的分量稱為諧波，諧波次數為諧波頻率和基波頻率的整數比。國際上公認的諧波含義為 ： “諧波是一個周期電 氣量的正弦波分量，其頻率為基波頻率的整數倍”。所以，諧波次數必須為整數 。 如 :我國電力系統的額定頻率為 50Hz，則其基波為 50Hz, 2 次諧波為 100Hz,以此類推。即 諧波次數為諧波頻率和基波頻率的整數比 , 也可以 分為奇次諧波和偶次諧波。 諧波分析中的常用概念 n 次諧波電壓含有率以 HRUn (Harmonic Ratio Un )表示。 HRUn = %1001 ?UUn （ 24） 式中 Un — 第 n 次諧波電壓有效值； U1 — 基波電壓有效值； n 次諧波電流含有率以 HRIn 表示 。 第二章 諧波及有源電力濾波器 6 HRIn = %1001 ?IIn （ 25） 式中 In — 第 n 次諧波電流有效值； I1 — 基波電流有效值； 諧波電壓含量 UH 和諧波電流含量 IH 分別定義為 : ???? 22n nH UU （ 26） ???? 22n nH II （ 27） 電壓諧波總畸變率 TNDn (Total Harmonic Distortion)和電流諧波總畸變率THDi 分別定義為 : THDn = %1001 ?UU H (28) THDi = %1001 ?IIH （ 29） 以上介紹了 諧 波以及 與諧波有關的基本概念?？梢钥闯?，諧波是一個周期電氣量中頻率為大于 1 整數倍基波頻率的正 弦波分量。 有源電力濾波器技術的提出 減少感性負載和非線性負載對市電電源的污染有兩個辦法：一是 主動型，即 對負載本身進行改造；二是 被動 型，即 在電力系統中 加裝無功與諧波電流補償裝置，如無功功率補償器和濾波器 。被動型諧波抑制中安裝的電力濾波器又分為無源濾波器和有源濾波器。 無源電力濾波器 無源濾波方案是目前采用較多的諧波抑制手段。無源電力濾波器 (Passive Power Filter，簡稱 PPF)由一組針對特定頻率的 LC 單調諧濾波器組成，既可以第二章 諧波及有源電力濾波器 7 補償諧波，又可以補償無功功率。它具有成本低、結構簡單、技術成熟等優點。無源濾波方案的優點是簡單、方便、可靠，但它存在如下缺點： (1) 濾波器的設計大多 針對特定頻率的諧波，只能濾除特定次諧 波 ； (2 )電網阻抗與 LC 可能產生并聯諧振使該次諧波分量放大，降低電網質量 ； (3) 電網阻抗與 LC 可能產生串聯諧振 ； (4)體積大、損耗大。 有源電力濾波器 為了解決無源濾波器的局限性，人們做了許多研究和探索其中有代表意義的是有源電力濾波器技術的提出。 20 世紀 80 年代后期有源電力濾波器（ APF）在日美等發達國家成功研制并投入使用。 1991 年， 等人提出了一種 APF與 PF 串聯后再并入交流系統的 HAPF。隨著現代控制理論和微處理器等方面的發展， PWM 變流器技術和 DSP 技術在電力有源濾 波器中廣泛應有，使電力電子裝置趨于數字化。 經過幾十年的發展，有源電力濾波器技術已 取得了很大的進步 。與無源電力濾波器相比，有源電力濾波器具有以下優點 。 (1)對功率器件工作頻率以內的各次諧波都有較好的濾波效果 ； (2)當系統阻抗和頻率變化時，濾波特性不受影響 ； (3)不會發生串 /并聯諧振現象，且能有效抑制系統與無源濾波器 間的諧振 ； (4)不存在過載現象，當負載諧波電流較大時，仍能繼續運行 。 有源電力濾波器的組成、原理和發展趨勢 有源電力濾波器的基本結構和工作原理 有源電力濾波器 (APF)根據與補償對象連接的方式的不同，可分為并聯型和串聯型兩種，實 際應用中多為并聯型。下面以并聯型有源濾波器為例 。圖 11所示為最基本的有源電力濾波器的原理框圖 。 有源電力濾波器系統由兩部分組成，即指令電流運算電路和補償電流發生電路。其中，指令電流運算電路的核第二章 諧波及有源電力濾波器 8 心是檢測出被補償對象電流中的諧波和無功等電流分量 ； 補償電流發生電路的作用是根據指令電流運算電路得出補償電流的指令信號，產生實際的補 償電流。 作為主電路的 PWM 變流器，在產生補償電流時，主要作為逆變器工作。在電網向有源電力濾波器直流側充電 時，它作為整流器工作。也就是說，它既可以工作在逆變器狀態，又可以工作在整流器狀態，而這兩種狀態無法嚴格區分 。 圖 21 所示為有源濾波器的基本工作原理 ： 檢測補償對象的電壓和電流，經指令電流運算單元計算得出補償電流的指令電流信號，該信號經補償電流發生電路放大，得出補償電流，補償電流與負載電流中要補償的諧波及無功等電流抵消，最終得到期望的電源電流。 如果要求有源電力濾波器在補償諧波的同時，也補償無功功率，則需要在補償電流的指令信號中增加與負載電流的基波無功分量反極性的成分即可。這樣，補償電流與負載電流中的諧波 及無 功成分相互抵消 。 有源電力濾波器的分類 有源電力濾波器按照所使用的變流器類型可分為 ： 電流型有源濾波器 (CSI)和電 壓型有源濾波器 (VSI )； 按照與負載連接的拓撲結構可分為 ： 并聯型、串負載 主 電路 指令電流 運算電路 驅動 電路 電流跟蹤 控制電路 電源s is iL ic HPF R L ic* APF 圖 21 系統構成原理圖 第二章 諧波及有源電力濾波器 9 聯型和串、并聯混合使用型 ； 按照使用場合的電源相數可分為 ： 單相、三相三線和三相四線用有源電力濾波器等。 有源電力濾波器交流 A P F直流 A P F串聯型A P F并聯型A P F統一電能質量調節器單獨使用方式串聯混合型單獨使用方式并聯混合型注入回路方式與 LC 并聯與 LC 串聯串聯諧振方式并聯諧振方式 圖 22 有源電力濾波器的系統構成分類 下面根據 APF 與負載連接的拓撲結構的分類方式對有源電力濾波器的基本原理作簡單的介紹。 并聯型 APF 主要用于感性電流源型負載的諧波補償，目前技術上 已 相當成熟，投入運行的 APF 多為此方案。 而對于 串聯型 APF 來說 ，通過變壓器串聯在電源與負載間，可等效為一受控電壓源，主要用于消除帶電容的二極管整流電路等電壓諧波源負載對 系統的影響。 此外，還有 串 并聯型 APF，其兼有串、并聯型 APF 的功能， 具有較高性價比。 值得關注的是 并聯型 APF 與 LC 并聯結構，這是有源電力濾波器中最基本的形式，也是目前應用最多的一種。 有源電力濾波器的發展趨勢 作為改善和提高電能質量的主要措施之一，有源電力濾波器技術近年來取得了大的發展。具體表現在電能質量問題得到了政府和相關部門的高度重視 ；功率開器件的性價比也在逐步提升 ； 隨著新一代 DSP 的出現，控制系統的成本只占很小一部分等等。 第二章 諧波及有源電力濾波器 10 關于有源電力濾波器技術的研究目前主要集中在以下幾個方面 ： (1)諧波處理理論的進一步研究 ； (2)進一步降低補償裝置相對于負載 (諧波源 )裝置的容量 ； (3)控制系統的進一步簡化 ； (4)補償裝置的多功能化。 我國在有源電力濾波器的研究方面起步較晚， 進入 90 年代，國內的多所高校和研究機構 才 加入到了有源濾波器的研究中來，當時的工作主 要以理論研究和實驗為主 。 但 在對國外研究成果進行消化吸收的基礎上，我國的有源濾波器的理論研究己經達 到或者接近國際先進水平。 但總的來說，由于受各種條件限制，我國有源電力濾波器的實際應用水平不高，范圍不大。所以目前的主要發展方向是加快有源電力濾波器的產品化 。 有源電力濾波器的諧波電流檢測技術及其發展 有源電力濾波器技術包含著三個關鍵技術，即功率器件制造技術、諧波電流檢測技術和電流控制技術。三大技術的發展決定著 APF 技術的發展。 下面我們就來看一下最基本的集中檢測的方法。 (1)用模擬帶通濾波器檢測的方法。 該方法使用模擬濾波器來實 現諧波電流檢測。該檢測法的優點是電路結構簡單，造價低，輸出阻抗低，品質因素易于控制由于 濾波器中心頻率固定，當電網頻率波動時，濾波效果會大大下降 。這種方法多用于補償效果要求不高的場合，它不能適應現代電力系統的需要。 (2)基于 Fryze 功率定義的檢測方法 其原理是將負載電流分解為與電壓波形一致的分量，將其余分量作為廣義無功電流 (包括諧波電流 )。它的缺點是 ： 因為 Fryze 功率定義是建立在平均功率基礎上的，所以要求得瞬時有功電流需要進行一個周期的積分，再加其它運算電路，要有幾個周期延時。因此，用這種方法求得的 “ 瞬時有功電流 ” 實際是幾個周期前的電流值。 這對有源電力濾波器控制是一個難以接受的缺陷。 第二章 諧波及有源電力濾波器 11 (3)基于頻域分析的 FFT 檢測法 該方法的基礎是傅立葉級數分析，將檢測到的畸變電流 (或電壓 )進行傅立葉 變換但 這種方法也不能同時分離出無功電流和諧波電流。當電網頻率發生變換，分解為高次諧波代數和的形式，再將其合成為總的補償電流。此方法的優點是檢測精度較高，缺點是需要一定時間的電流值，計算量大，需花費較多的計算時間 。 (4)基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測法 1983 年，日本學者 赤木泰文 等人提出了瞬時無功功率理論，利 用此理論，先檢測出三相電壓與負載電流并變換到 0?? 坐標系下，再計算出畸變電流的瞬時有功功率和瞬無功功率，濾去基波分量后得到高次諧波瞬時有功功率和瞬時無功功率，然后從中取出補償電流，最后將它們變換到 abc 坐標下即得到了所需補償的諧波電流。此方法是目前 APF 中應用最廣泛的一種檢測方法，其優點是能快速跟蹤補償電流，進行適時補償，系統頻率特性不變，即使高次諧波增加，系統也不會過載，且不受電網參數和負載變化的影響 ； 缺點是成本高，系統損耗大 。 (5)基于小波變換理論的諧波電流檢測法。 由于小波分析克服了傅立葉分析在頻域完全局部化而在時域完全無局部性的缺點，即它在頻 域和時域同時具有局部性，因此人們將小波變換理論應用到諧波檢測。然而，基于神經網絡、小波和模糊控制的算法雖然適用，但是這些算法過于復雜，不容易得 到推廣使用。所以目前使用較多的是基于瞬時無功理論的電流檢測方法。第 三 章 無功功率理論 12 第 三章 無功功率理論 平均功率理論 傳統的平均功率理論建立在單相交流系統的基波正弦電壓和基波正弦電流信號的基礎上。 設電網電壓為 ： wtVwtVV ms s in2s in ?? (31) 負載電流為： ????s i nc os2c oss i n2)s i n(2)s i n(iwtIwtIwtIwtIlllml ?? ???? (32) 則系統吸收的瞬時功率定義為 ： lsivp?