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哈尔滨理 二大学工学硕士学位论文 电力系统谐波及其抑制技术的研究 摘要 随着电力系统的发展以及电力市场的开放，电能质量问题越来越引起广 泛关注。由于各种非线性负载( 谐波源) 应用普及，产生的谐波对电网的污染 日益严重。因此，谐波及其抑制技术己成为国内外广泛关注的课题。 本文首先对国内外谐波问题及其现状进行了描述，介绍了抑制电网谐波 的主要方式，由传统l c 滤波装置到有源电力滤波装置的发展过程及其今后 a p f 的发展趋势。介绍了电力谐波的基本概念以及非线性负荷谐波源的产生 和影响，并对几种典型的非线性谐波源进行了分析。随后对非线性负荷谐波 源建立了数学模型，并用数学公式推导得出了结论，利用m a t l a b 6 5 软件中 的s i m u i n k 仿真环境为平台建立了模型，并仿真证明了非线性负荷用户对 线性用户产生的影响。 目前，在谐波抑制方面，已经有了实用的很成熟的无源滤波技术，但由 于无源滤波器存在的一些缺点。有源电力滤波器因其动态补偿谐波的优越性 已经成为了一项热门的研究课题。本文在考虑到我国电力系统大多数情况下 处于不平衡状态下，对现有的基于瞬时无功功率谐波检测方法进行了改进， 提出了三相三线制并联有源电力滤波器谐波检测方法：基于瞬时无功功率理 论的i p 一乞改进方法。谐波电流检测方法，在系统稳定情况下进行了仿真分 析，证明了一乞检测方法能实时、准确地检测不同负载情况下的谐波。 研究了并联有源电力滤波器电流控制方法，确定采用三角波比较控制方 式作为本文所研究三相三线制并联有源电力滤波器控制策略。 最后依据前面所研究的谐波检测方法和控制部分构建了三相三线制并联 有源电力滤波器，进行了m a t l a b 仿真实验，仿真结果验证了该滤波装置的 良好补偿性能。 关键词电力系统谐波；脉宽调制；有源电力滤波器；瞬时无功功率理论 哈尔滨理工大学工学硕十学位论文 j 皇= 詈詈詈昌昌詈詈詈皇詈詈詈暑皇詈皇= 皇詈詈皇詈詈! 暑詈昌= 詈詈昌皇詈暑詈詈詈詈詈昌詈皇皇詈皇詈詈詈鼍詈喜詈! 暑詈皇詈= 詈詈詈暑詈穹皇暑暑e 暑皇1 ii i = 詈暑昌昌毫皇鼍 s t u d yo np o w e rs y s t e mh a r m o n i c sa n d i t s s u p p r e s s i o nt e c h n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ep o w e r s y s t e ma n dt h eo p e n i n go ft h ee l e c t r i c i t y m a r k e t ，t h ep o w e rq u a l i t yp r o b l e mi sr e c e i v i n gi n c r e a s i n ga t t e n t i o n t h ep o l l u t i o n o ft h eh a r m o n i e st ot h eg r i di si n e r e a s i n g l ys e v e r e ，o w i n gt ot h ep r e v a l e n c eo ft h e n o n l i n e a rl o a d s ( h a r m o n i e s o u r e e s ) s o ，t h e ，h a r m o n i ca n di t s s u p p r e s s i o n t e e h n o l o g yi sb e c o m i n gt h et o p i co fc o m m o n eo n c e f nw o r l d w i d e ag e n e r a ld e s c r i p t i o no fd e v e l o p m e n to fh a r m o n i ca r o u n dt h ew o r l di sg i v e i l i nt h i st h e s i sa tf i s t i ts i m p l yi n t r o d u c e st h em a i nm o d eo fs u p p r e s s i n gh a r m o n i c ， t h ed e v e l o p m e n to fp a s s i v ef i l t e ra n da c t i v ep o w e rf i l t e r , a n dt h et r e n d si na p e t h eb a s i cc o n c e p t so fe l e c t r i ch a r m o n i ca sw e l la sn o n l i n e a rl o a d sh a r m o n i c s o u r c ep r o d u c t i o na n di n f l u e n c ea r ep r e s e n t e d ，a n da n a l y z e ds e v e r a ln o n - l i n e a r l o a d sh a r m o n i cs o u r c e a f t e r w a r dm a t h e m a t i c a lm o d e lt ot h en o n l i n e a r1 0 a d s h a r m o n i cs o u r c ei sc o n s t r u c t e d ，a n dd r a w nt h ec o n c l u s i o nb yt h em a t h e m a t i c a l f o r m u l a t h es i m u l a t i o nm o d e lo fn o n l i n e a rl o a d sh a r m o n i cs o u r c ep o w e ri s g i v e ri ns i m u l i n ke n v i r o n m e n to fm a t l a b 6 5s o f t w a r e s i m u l a t i o nr e s e a r c h p r o v e d t h en o n - l i n e a r l o a d su s e ri n f l u e n c et h el i n e a rl o a d su s e r a tt h em o n m e n t ，i nh a r m o n i cs u p p r e s sa s p e c t ，i th a sh a dp r a c t i c a la n d m a t u r ep a s s i v et h c h n i q u e ，b u ti th a sm a n yd i s d v a n t a g e s t h e r e f o r e ，t h e s ey e a r s m u c hr e s e a r c ht u r n st ot h ea c t i e p o w e rf i l t e r f o ri t s p r i o r f u n c t i o no f c o m p e n s a t i n gh a r m o n i c sd y n a m i c a l l y t h i st h e s i sp u t f o r w a r da l li m p r o v e d h a r m o n i cd e t e c t i n gb a s e do ni n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r yc o n s i d e r i n g t h a tt h ep o w e rs y s t e mi so f t e nu n d e ri m b a l a n c ei no u rc o u n t r y , a n dah a r m o n i c d e t e c t i o nm e t h o do ft h et h r e e - p h a s et h r e e - l i n ep a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e r - t h e h a r m o n i cc u r r e n td e t e e t i o nm e t h o d 一b a s e do nt h ei n s t a n t a n e o u sr e a e t i v e p o w e rt h e o r y , a n dp e r f o r m ss i m u l a t i o na n a l y s e si nt w o d i f f e r e n tc a s e ，t h es t e a d y s y s t e ma n dt h ea b r u p tl o a dc h a n g e s i i 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 1 1 i st h e s i sc o n d u c t sr e s e a r e ho ft h ec o n t r o l l i n gm e t h o do ft h ec u r r e n to ft h e p a r a l l e la c t i v ep o w e rf i l t e r , a n dc h o o s e st h eh y s t e r e s i sc u r r e n tc o n t r o lm a n l i e r 舔t h ec o n t r o l l i n gs t r a t e g y f i n a l l y , t h i st h e s i sd e v e l o p sat h r e e p h a s et h r e e - l i n ep a r a l l e la c t i v ep o w e r f i l t e rw i t ht h ea b o v eh a r m o n i cd e t e c i o na p p r o a c ha n dc o n t r o l l i n gm e t h o d ，a n d c o n d u c t ss i m u l a t i o ne x p e r i m e n t sw i t hm a t l a b ，w h o s er e s u l t sv e r i f yt h eg o o d c o m p e n s a t i o nc h a r a e t e r i s t i c sa n dp e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e r i n gd e v i c e k e y w o r d sp o w e rs y s t e mh a r m o n i c ，p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，a c t i v ep o w e r f i l e r ，i n s t a n t a n e o u sr e a c t i v ep o w e rt h e o r y i i i 哈尔滨理工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力系统谐波及其抑制 技术的研究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工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，论文中除已注明部分外不包 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。 作者签字： 多野 吼z 矽年了月2 铂 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 电力系统谐波及其抑制技术的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕 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哈尔滨 理工大学所有，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 解哈尔滨理工大学关于保存、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。本人授权哈尔 滨理工大学，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 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密团。 ( 请在以上相应方框内打) 作者签名： 导师签名： ， 劢珲 一 。霉i 尹 r ，谐波器分流很少。因此， 简单地说，只要将滤波器的谐振次数设定为需要滤除的谐波次数一样，则该次 谐波将大部分流入滤波器，从而起到滤除该次谐波的目的。 2 双调谐滤波器 双调谐滤波器如图2 2 所示。它有两个谐振频率，能同时吸收两个频率的 谐波，其作用等效于两个并联的单调谐滤波器。双调谐滤波器的阻抗特性可以 看作由上段厶、c l 、z l 组成串联阻抗z 。和下段厶、尺：与c 2 、r ，组成并联阻抗 z ：，则滤波器阻抗为z = z 。+ z ：。采用双调谐滤波器代替两个单调谐滤波 器，可以减少基波损耗，降低厶上的冲击电压。 双调谐滤波器正常运行时，由于并联支路的基波阻抗比串联支路的基波阻 抗小得多，因此并联支路所承受的基波电压远小于串联支路所承受的基波电 压。 由于双调谐滤波器比两个单调谐滤波器成本低，近年来在一些高压直流输 电工程得到了应用。目前已有国外公司开发出三调谐滤波器并在高压直流输电 工程应用。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 g 马 三2 r 图2 - 2 双调谐滤波器原理图 f i g 2 - 2s e h e m a t i ed i a g r a mo fd o u b l e - t u n e df i l t e r 3 高通滤波器 电网中高次谐波含量较低，同时由于高次谐波遇到的谐波阻抗大( 系统阻 抗一般是感性的) ，因此滤除高次谐波时不采用调谐滤波器，为了降低成本， 通常采用高通滤波器滤除谐波，高通滤波器对所有的高次谐波阻抗均较小，可 以将某一频率以上的谐波滤除。高通滤波器又称减幅滤波器可分为：一阶高通 滤波器、二阶高通滤波器、三阶高通滤波器和c 型高通滤波器，如图2 3 所 示。 州 i l c ) 三阶d ) c 型 图2 3 各种型式的高通滤波器 f i g 2 3v a r i o u s t yp 懿o n i i g l lp a s sf i l t e r 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 2 4 有源电力滤波器分类 图2 _ 4 电力滤波器的系统构成分类 f i g 2 - 4c l a s s i f i c a t i o no f a c t i v ep o w e rf i l t e rs y s t e mc o p o n e n t s 图2 4 是有源a p f 的分类情况，有源电力滤波器从不同的角度进行分类： 1 根据应用场合不同，a p f 可以分为直流a p f 和交流a p f 两大类：直流 a p f 主要用来消除高压直流输电系统换流站直流侧的谐波，其研究较少，应用 也较少；交流a p f 主要用于交流电力系统，是目前研究主要对象。 2 根据主电路的形式分，可以分为单个主电路有源电力滤波器和多重化即 混合型主电路有源电力滤波器。后者可以增大有源电力滤波器的容量，提高等 效开关频率，减小单个器件的开关损耗，改善补偿电流的跟随特性，下图即为 本文所研究的混合型h a p f 1 。 图2 - 5 并联a p f + 并联p f 的h a p f f i g 2 - 5h y b r i da p fp a r a l l e la p 脚l l e lp f 1 4 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 由于电网与a p f 及a p f 与p p f 之间存在着谐波通道，特别是a p f 与p p f 之间谐波通道，可能使a p f 注入的谐波电流又流入p p f 和系统中，特别是在 公共连接点p u ( p c c ) 的电网谐波电压较高，即背景谐波较大时尤甚，p p f 有过 载烧坏的危险。所以较好方法是a p f 和p p f 按频率分段完成滤波功能，即由 p p f 滤除低次谐波，a p f 滤除高次谐波，或者反之。p p f 由多组单调谐滤波器 及高通滤波器组成，用于滤除负载中占主要成分的低次谐波；a p f 采用高频变 流器，滤除剩余的高次谐波电流，由于高次谐波电流幅值较小，故a p f 容量 可以大大降低。 3 根据接入电网的方式不同可以分为并联型、串联型、串并联型以及混合 型。并联型a p f 可以看作电流源，它通过注入补偿电流来补偿电流型负载的 谐波、无功和负序电流；串联型a p f 主要消除电压型谐波源对系统的影响。 与并联型a p f 相比，由于串联型a p f 中流过的是正常负载电流，因此损耗较 大。为了提高a p f 的容量、提高其性能降低其成本，可将并联型或串联型有 源电力滤波器与无源l c 滤波器混合使用，组成混合型有源电力滤波器。由赤 木泰文等提出的统一电能调节器p 叫( u n i f i e dp o w e rq u a l i 坤c o n d i t i o n e r ，缩写 l r p q c ) ，它实际上是并联型a p f 、串联型a p f 和l c 调谐波滤波器三者的组 合，在该使用方式中，串联型有源电力滤波器起到调整电源电压和谐波隔离的 作用；并联型有源电力滤波器则主要起到谐波电流和无功补偿作用。统一电能 质量调节器在柔性交流输电咿。( f ：a c t s ) 中得到广泛应用。 4 根据主电路储能元件的不同分类，有源电力滤波器可分为电压型和电流 型，电压型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电容，在正常工作时，其电 压基本保持不变：电流型有源电力滤波器的主电路直流侧接有大电感，在正常 工作时，其电流基本保持不变。与电压型a p f 相比，电流型a p f 的一个优点 是，不会由于主电路开关器件的直通而发生断路故障，但是，电流型a p f 的 直流侧大电感上始终有电流流过，该电流将在大电感的内阻上产生较大的损 耗，因此目前较少使用。 电流型p w m 逆变电路和电压型p w m 逆变电路的作用是产生非正弦电流 来补偿非线性负荷产生的谐波电流。电压型p w m 变流器在它的直流侧有一个 大电容，由于其轻便且特性较好，所以应用较为广泛。结构如图2 6 和图2 - 7 所示，本文采用图2 6 所示的结构。 电流型有源电力滤波器和电压型有源电力滤波器主要区别是直流侧的储能 件不同。在大容量时，电压型有源电力滤波器的电容型储能元件的体积和成本 随补偿器视在功率的增大而显著增加，电流型有源电力滤波器的电感型储能元 1 5 哈尔滨理工大学t 学硕上学位论文 件的体积和成本随补偿器视在功率的增加变化不大。所以电压型有源电力滤波 器主要适用于低压配电系统中进行无功和谐波补偿，电流型有源电力滤波器则 可用于高压供电系统的无功和谐波补偿。 i i i 、 ! 本j 9 玉 ! 去 a i j _ j b + i 曲 c + i _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ 舅! 本舅i 本舅 7 卒1l 图2 - 6 三相电压型p w m 变流器 f i g 2 - 6t h r e e - p h a s ev o l t a g ep w m c o n v e r t e r i l 0 、l 玉 ! 卒夕 一 a 叶i 阔 b + i c b c i c c 一! 太奠! 太 奠i 本 一 i li 图2 7 三相电流型p w m 变流器 f i g 2 - 7t h r e e - p h 蹴c u r r e n tp w m c o n v c r t a r 5 根据接入系统的相数分，可以分为单相有源电力滤波器和三相有源电力 滤波器，三相有源电力滤波器又可分为三相三线制有源电力滤波器和三相四线 制有源电力滤波器。 2 5 非线性负荷谐波源分析 所谓“谐波源，通常是指各类特定的用电设备，即非线性设备，或称非 线性电力负荷，谐波源分为谐波电流源和谐波电压源，这是谐波产生的根本原 因川。 电力系统中，正弦供电电压加在非线性设备上就会产生非正弦电流或者正 弦供电电流通过非线性设备也会导致非正弦电压。举个例子：有个正弦电压 吠f ) = 圪s i n a ) t ，当该电压加在电感上时，就会有，( f ) = l d i d t ，如果不是 常数，那么f 就是非正弦电流，即有谐波电流存在。 谐波源通常可以分为两大类：一类是含有电弧和铁磁的非线性谐波源，如 电气化铁道、电弧炉、变压器及数量很大的电子节能设备，家用电器等典型非 线性负载，即使供给理想的正弦波电压，它们也将产生非正弦电流。且谐波成 分基本上只与其固有的非线性及工况有关，而与这些负载的内部阻抗的变化几 乎无关；另一类是含有半导体元件的各种电力电子设备，如整流器、逆变器、 静止无功补偿器、变频器、高压直流输电设备等等。本节选出两中较为典型的 进行阐述，即单相桥式整流电路、三相全控桥式整流电路，下面对这两种谐波 1 6 哈尔滨理t 大学t 学硕士学位论文 源产生谐波的机理进行分析。 2 5 1 单相桥式整流电路非线性负荷 如图2 8 所示，设电源电压为一= 压u s i n ( c o t + 口) ， 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， 穷大，并且忽略电流脉动，则交流侧电流为理想方波。 rt a c 式中u 为电源电压有 而直流侧电感三为无 l i i i ( l ) i r 图2 - 8 单相桥式整流电路 f i g 2 - 8s i n g l e - p h a s eb r i d g er e c t i f y i n gc i r c u i t 将交流侧理想的方波电流进行傅立叶分解得到： r = 昙l ( s i i l 耐+ j 1s i i l 3 耐+ 吾s i l l 5 研+ ) = 弘s i n 刀耐( 2 - 5 ) 式( 2 15 ) 中：l ：2 x 1 2 i a：1 ，3 ，5 ，7 ) 从上式看出，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，说明电源侧的电流发生了畸变，即有谐波电流存在。 2 5 2 三相桥式整流电路非线性负荷 本文的非线性负荷谐波源以三相桥式全控整流电路来进行分析，三相整流 装置可整流电压脉动较小，脉动频率较高，而且由于三相平衡，对供电系统得 影响较小，可整流电压脉动较小，脉动频率较高，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 4 q 装置以及大型铝厂的整流装置等 都用到了三相整流方式。三相整流有三相半波，三相全控桥式，三相半控桥 1 7 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 式，本节主要研究典型的三相全控桥式整流电路产生谐波的机理。图2 - 9 是三 相六脉波整流电路接线图。 图2 - 9 中，在电源电压的一个周期内有6 次，上下桥各有3 次，所以称为 6 脉动整流，本节对下图做如下假设： 1 ) 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； 2 ) 电源为理想的三相平衡系统，并以彳相电压为基础； 3 ) 控制触发角为零，即相当于不可控整流； 4 ) 交流侧的电感为零，即换相重叠角y = 0 。 广厂 厂 翼厶上j lk 一l 圪一【圪 讯一 ： 婴 厶 不、k u v v v v c r 仄、 y vv v 一厂 f jl 一l jl l 卜 r 图2 - 9 非线性负荷三相全控桥式整流电路 f i g 2 - 9t 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 彳，b ，c 三相的电流波形都是由正负两个序列的方波组成。方波的幅值设 为，。，方波的宽度等于2 ，r 3 ，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： i ：塑( s i n 刎一! s i n 5 刎一! s i n 7 刎+ 土咖1 1 刎+ 土s刎 o 5 7 1 1 1 3inl37 l1 一二s i n l 7 0 t 一二s i n l 9 c o t + 1 )( 2 1 6 ) 1 71 9 由上式可见，a 相电流除基波外，还包含了5 ，7 ，1 1 ，1 3 ，1 7 ，1 9 等次 谐波。它们的有效值为： ，厢， 1 i2 1 d 石 1 1 2 - - 1 ，l 1 8 ( 2 - 1 7 ) 哈尔摈理工大学1 学硕士学位论文 l 司理可以写出b , c 两相电流，的表达式，分别如下： t = 半陋卜邮“+ 争扣。“， + l s i n ( 1 1 m r + ；z ) + 击s i n ( 1 3 n “一；一) + 】( 2 - 1 8 ) t = 半两啦+ 争扣s “一；神专洫c ，“+ + 吉删“一和去s i n 0 ，“+ 争】( 2 - 1 9 ) 以上分析可得出以下结论： 1 ) 各次谐波对基波的比值，也就是谐波的含有量，与谐波的次数成反比； 2 ) - - 相桥式整流电路中只含有( 缺1 ) 次谐波； 3 ) ( 6 k - 1 ) 次谐波，即5 ，1 1 ，1 7 次谐波构成负序- - = 相系r ，而( 6 k + 1 ) 次为 正序三相系统； 4 ) - - - - 相桥式整流电路不存在电流的零序分量。 图2 一1 0 三相全控桥式整流电路变流侧a 相电流波形 f i g2 - 1 0 a cc 【l r r e n t w a v e f o r m o f t h r e e - p h a s e a l l - w a v eb r i d g e r d i 轴g d m f i t 图2 1 0 为三相全控桥式整流电路进行仿真是交流侧的a 相电流波形。整 流电路采用口= 3 05 的触发角，电源电压有效值为2 2 0 v ，电路直流侧负载用的 是电阻和电感串联，为阻感性负载，r = - 1 0 0 q ，l = 0 0 1 h ，电源还有自身的阻 抗，仿真中三相电源电压为正弦波对称电压，用示波器来显示整流器交流侧a 相电源电流波形。 2 6 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根大的危害， 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 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 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 制谐波的规定。 各级电网的谐波水平一般用谐波电压含有率或谐波畸变率来反映。国际大 电网会议( c i g r e ) 和国际电工委员会( 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相应的国家标准，一些国家的 电压总谐波畸变率的大致范围为： 低压电n ( ik v ) ，一般5 ，个别3 、7 ； 中压电n ( 2 4 7 7 k v ) ，一般2 一5 ，个别6 ： 高压电网( 8 4 k v 及以上) ，一般1 1 5 ，个别2 - - 5 。 我国原水利电力部于1 9 8 4 年根据原国家经济委员会所批的全国供用电 规则的规定，制定并发布了s d l 2 6 8 4 电力系统谐波暂行规定。在此基础 上，系统地研究了标准的有关问题，结合国情，吸取国外谐波标准研究成果的 基础上于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1 日开始实施。 表2 1 公用电网谐波电流( 相电流) 限值 t a b l e 2 - lt h el i m i t e dv a l u eo f p u b f i cd e c t r i cg r i dh a r m o m cc a m e n t ( p h a s e - c t m e n 0 电网标准电压电流总谐波畸各次谐波电压总含有率( ) ( k v )变率( ) 畸次偶次 0 3 87 05 02 o 6 1 04 03 21 6 3 5 6 63 o2 41 2 1 1 02 01 60 8 2 7 本章小结 本章介绍了谐波的基本概念和抑制方法，然后介绍了无源滤波器和有源滤 波器分类和研究现状，接着分析了非线性负荷谐波源单相和三相桥式整流电路 非线性负荷的工作原理和特性，最后介绍了电力系统谐波标准，为以后研究研 究典型谐波源电力电子整流装置进行谐波治理工作明确了方向。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 第3 章基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法 3 1 谐波检测的几种方法比较 1 早期的谐波检测方法都是基于频域理论卜“，即采用模拟滤波器原理。优 点是原理和实现电路简单、造价低、输出阻抗低、品质因素易于控制。但存在 诸多缺点：实现电路的滤波中心频率对元件参数十分敏感、受外界环境影响较 大、难以获得理想幅频和相频特性；电网频率波动不仅影响检测精度，而且检 测出的谐波中含有较多的基波分量：当需要检测多次谐波分量时，实现电路变 得复杂，其电路参数设计难度随之增加；运行损耗大。由于上述严重缺陷，随 着电力系统谐波检测要求的提高及新的谐波检测方法日益成熟，该方法已极少 采用。 2 基于f r y z e 传统功率定义的谐波检测法原理是将负荷电流分解为与电压 波形一致的分量( “有功电流”) ，其余分量作为广义无功电流( 包括谐波电 流) 。因为f r y z e 功率定义是建立在平均功率基础上，所以要求瞬时有功电流需 要一个周期的积分，需要一个周期才能得出检测结果，再加上其它运算电路， 需要有几个周期的延迟。因此，用这种方法求得的“瞬时有功电流”实际上是 几个周期前电流，实时性不好。 3 近年来，国内外对神经网络( n 眦a ln e t w o r k ，n n ) 进行谐波检测的相关 研究文献迅速增加，并取得了一些工程应用或成果，概括起来有两个方面：一 是提出了基于多层前馈网络n n 的电力系统谐波检测方法，该方法利用多层前 馈神经网络来进行谐波检测；二是将a d a l i n e 神经网络和自适应对消噪声技术相 结合进行谐波检测。谐波n n 检测方法优点：( 1 ) 计算量小：( 2 ) 检测精度高，各 次谐波检测精度不低于f t 和w t ，能取得令人满意的结果；( 3 ) 对数据流长度的 敏感性低于f t 和w t ：( 4 ) 实时性好，可以同时检测任意整数次谐波；( 5 ) 抗干扰 性好，在谐波检测中可以应用一些随机模型的信号处理方法，对信号源中的非 有效成份( 如直流衰减分量) 当作噪声处理，克服噪声等非有效成份的影响。但 是，n n 用于工程实际还有很多问题：没有规范的n n 构造方法，需要大量的训 练样本，如何确定需要的样本数没有规范方法，n n 的精度对样本有很大依赖 性等。另外，n n 和、t 一样，都属于目前正在研究的新方法，研究和应用时间 短，实现技术上需完善，因此，目前在工程应用中未优先选用。 2 l 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 4 基于傅里叶变换的谐波检测法方法检测精度高、实现简单、功能多且使 用方便，在谐波检测方面得到广泛应用。傅里叶分析具有如下局限性：o ) f f t 需要一定时间的采样值，计算量大，计算时间长，使得检测时间较长，检测结 果实时性差；( 2 ) 没有反映出随时间变化的频率，当人们需要在任何希望的频率 范围上产生频谱信息时，f f t 不一定适用；( 3 ) f l a 于一个信号的频率与其周期长 度成正比，对于高频谱的信息时间间隔要相对地小以给出比较好的精度，而对 于低频谱的信息，时间间隔要相对地宽以给出完全的信息，亦即需要一个灵活 可变的时间一频率窗，使在高“中心频率 时自动变窄，而在低“中心频率” 时自动变宽，f f t 自身并没有这个特性，目前谐波f f t 检测都是基于这样的假 设：波形是稳态和周期的，采样的周波数是整数的，针对f f t 这一局限，1 9 4 6 年g a b o r 提出的短时傅里叶变换m ( s h o r tt i i l ef o u r i e rt r a n s f o r m a f i o n ，s 咖， 又称加窗f t 或g a b o r 变换，对弥补f t 不足起了一定作用，但并没有彻底解决这 个问题；( 4 ) 从摸拟信号中提取全部频谱信息需要取无限的时间量，使用过去的 和将来的信号信息只能计算区域频率的频谱；( 5 ) 为了减小误差，通常采用以下 算法解决：加窗算法、插值算法、双峰谱线修正算法。 5 与傅立叶变换，窗1 ：3 傅立叶变换( g a b o r 变换) 相比，小波变换州是时间 和频率的局域变换，因而能有效地从信号中提取有用的信息，通过伸缩和平移 等运算功能对函数或信号进行多尺度细化分析( m u l t i s c a l ea n a l y s i s ) ，解决了傅 立叶变换不能解决的许多困难问题，因而赢得了。数字显微镜”的美誉。小波 变换适用于稳态信号的研究，也适用于时变信号的研究。对波动谐波，快速变 化谐波检测有很大优越性。是目前波动谐波和快速变化谐波的主要检测方法。 小波变换克服了f t 在频域完全局部化而在时域完全无局部化的缺点。但是、胛 稳态谐波检测方面并不具备理论优势；另一方面w t 的理论和应用时间相对较 短，w t 应用在谐波测量方面尚处于初始阶段，存在许多不完善的地方，如缺 乏系统规范的最小波基的选取方法，缺乏构造频域行为良好，即分频严格，能 量集中的小波函数以改善检测精度的规范方法。 3 2 三相电路瞬时无功功率理论 三相电路瞬时无功功率理论由f r y z e 、q u a d 和触晒( 赤木泰文等提出) ， 随后得到了广泛深入的研究并逐步完善。该理论突破了传统的平均值为基础的 功率定义，系统地定义了瞬时无功功率、瞬时有功功率等瞬时功率量。以该理 论为基础可以得出用于有源电力滤波器的谐波和无功电流实时检测方法。 哈尔滨理丁大学工学硕七学位论文 3 2 1 瞬时有功功率和瞬时无功功率 三相电路瞬时无功功率理论首先于1 9 8 3 年由赤木泰文提出，经不断研究 口、变换：实现了三相瞬时电压，电流由静态变换到旋转的。正交坐标 变量作为分析基础。设三相电路各相电压和电流的瞬时值分别为巳、吃、。 和乞、之。把他们变换到口一两相正交的坐标系上进行研究 * z | ； 协- ， 咖：圈 柳3 埘中= 坏另；主岩劫 ( 3 - 2 ) 图3 - i 口一坐标系电压、电流矢量 f i g 3 - 1v o l t a g ea n dc u r r e n tv e c t o ri n 口- pe o o r d i n a t e 如图3 一l 中所示的口一平面上，矢量、和、分别可以合成为( 旋 哈尔滨理工大学工学硕上学位论文 转) 电压矢量e 和电流矢量i ( 矢量乞、和屯、珏是矢量e 和i 在口轴和夕轴投 影： p = e a + = p 么仍 ( 3 _ 3 ) i = 乞+ = f 么仍 ( 3 - 4 ) 式( 3 3 ) 、( 3 - 4 ) r 9e 、i 为矢量e 、i 的模；敛、仍分别为矢量e 、i 的幅角。根据 式( 3 1 ) 和( 3 2 ) 引入瞬时有功功率和瞬时无功功率，有 p = e j 4 + e 8 i b q = e a e 1 b 写成矩阵形式： ； = 乏一l 冶j 1 = c w 乏 艄小= 巴 把( 3 5 ) 、( 3 6 ) 代入，可得p ，q 对于三相电压、电流表达式： p = e a + e a + e a g = f 4 ( 吃一p c ) + f 6 ( 巳一巳) + 之( 巳一e ；) ) ( 3 5 ) ( 3 - 6 ) ( 3 7 ) ( 3 8 ) ( 3 - 9 ) 3 2 2 瞬时有功电流和瞬时无功电流 定义1 ：口，相的瞬时无功电流k ，锄( 瞬时有功电流屯访) 为三相电路 瞬时无功电流( 瞬时有功电流j ，) 在口，轴上的投影，即式( 3 1 0 ) ，( 3 1 1 ) 。 其中三相电路瞬时有功电流；，和瞬时无功电流毛分别为矢量i 在矢量g 及其法线 上的投影。即：i p = i c o s q 6 ，i q = s i n # ，其中矽= 纯一仍。 o = f ，c o s r p 。= e 。= i ，；= f ，s i n o , = 等 ( 3 1 0 ) f 叼= f 叮s i i l 纯= e _ p l f g ；= 一i 叮c o s 吼= _ - e - af g ( 3 - i i )1 叼2 叮s m 纯2 已g ；21 叮c o s 吼2 g 定义2 ：三相电路各相的瞬时无功电流j 叼，乞( 瞬时有功电流0 ，k ，0 ) 是 口，两相瞬时无功电流k ，( 瞬时有功电流p ，锄) 通过两相到三相变换所得 到的结果。即： 哈尔滨理工人学工学硕上学位论文 笔 = c ：， 乏 ； 芝 = g ， 乏 c 3 一2 ， 式( 3 - 1 2 ) 中c 3 ：= 四，传统理论中的有功功率、无功功率等都是在平均值 基础或相量的意义上定义的，它们只适用于电压、电流均为正弦波时的情况。 而瞬时无功功率理论中的概念，都是在瞬时值的基础上定义的，不仅适用于正 弦波，也适用于非正弦波和任何过渡过程的情况m 1 。从以上各定义可以看出， 瞬时无功功率理论中的概念，在形式上和传统理论非常相似，可以看成传统理 论的推广和延伸。 以三相电流瞬时无功功率理论为基础，计算p 、q 或f 。一。为出发点即 可得出三相电路谐波和无功电流检测的两种方法，分别称之为p 、q 检测算法 和f 。一t 检测方法。 3 3 基于一算法的谐波电流实时检测 三相电路瞬时无功功率理论，首先在谐波和无功电流的实时检测方面得 到了成功的应用。目前，有源电力滤波器中，基于瞬时无功功率理论的谐波和 无功电流检测方法应用最多。检测谐波电流时，因被检测对象电流中谐波的构 成和采用滤波器的不同会有不同的延时，但延时最多不超过一个电源周期。对 于电网中典型的谐波源三相整流桥，其检测的延时约为1 6 周期，所以该方法 具有很好实时性。 以三相电路瞬时无功功率为基础，计算f 。一t 为出发点即可得出三相电路 谐波电流检测的方法如下： 基于f 。一t 运算方式的谐波电流检测法是由西安交通大学王兆安教授在二 十世纪九十年代提出的，该方法与基于p 、g 运算方式相比更适合电流的快速 检测，即使当电压波形有畸变，也能准确地检测出全部谐波和无功电流。 f 。一t 方法原理如图3 2 所示，p l l 为锁相环。 酚2 中一l - 咖c o s 耐t o t 二：斟g ：锎- 亡1 c o s t o t 0q 3 ， 2 - 一q 铡3一s l n 研ly3 l ，zi 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 图3 - 2i ，一检测方法原理图 f i g 3 - 2s e h e m a 6 cd i a g r a mo fi ，一d e t e c t i o nm e t h o d 该方法需要与a 相电网电压屹同相位的正弦信号咖刎和对应的余弦信号 c 0 $ c o t ，通过锁相环( p l l ) 和正、余弦发生电流得到与电源电压乞同相位的正弦 信号和对应的余弦信号。这两个信号与乞，一起计算出基波有功电流和基波 无功电流f p ，： z 豳 协 然后经低通滤波器l p f 滤波得出，的直流分量，。由于，是由 0 ，0 ，0 所产生因此由，即可计算出0 ，0 ，i q r ： 2l d 一矿 2 b 一锄 2 l c 一0 ( 3 - 1 5 ) 与p 、q 运算方式相似，当要检测谐波和无功电流之和时，只需断开图3 - 2 钔 1 ，j，l 1j 一0一0 ，。l q c g = 1j ，v：谚，谚 _-_-_-_-_-_l 、 k 、 出算计而近 哈尔滨理工大学工学硕七学位论文 中计算f 。的通道即可。 3 4 一种对基于瞬时无功功率一检测进行改进的方法 本节对基于瞬时无功功率的一乞检测方法进行了改进，并且设计了经过 仿真，取得了很好的效果。 3 4 1 改进瞬时无功功率检测方法的原理分析 考虑三相电路瞬时无功功率理论的检测算法，可以看出其实是把待测的三 相瞬时电压、电流，经过线性变换后相乘，从而使得基波电流所对应的瞬时功 率为一直流分量，以便于分离出去。 基于瞬时无功功率的谐波检测算法均要使用低通滤波器，若使用模拟滤波 器，动态响应慢，过渡时间要近两个周期。而使用数字滤波器，常用的有巴特 沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆函数滤波器。它们虽然延时相对较小，但 数字实现较为复杂，计算量大，并且无论哪种滤波器其幅频特性的通频带及过 渡带除了允许直流通过外，一些低次谐波成分也通过了滤波器，这也给补偿电 流带来了误差，针对这种情况，本文用直流分量法对f 。、t 算法加以改进，以 一个计算f 。、f 。直流分量的模块代替低通滤波器得到f 。、f 。，实现“滤波”。 假设被检测电流为a - b c 三相对称电流为： i 。= k 洲是磷+ 吼) k = l = ks i n k ( a , t 一詈万) + 幺】 k = l j i 。= ks i n 【是+ 詈窟) + 幺】 式( 3 -