分布式系统背景谐波APF抑制

摘要IIAbstractWithmoreandmoreattentiononsustainabledevelopmentandenvironmentalpollution,distributedgeneration,windpowerandsolarasrepresentative,hasbeenwidelydeveloped.Aimtoimprovepowerquality,acertainnumberofinductiveandcapacitivedevicesareinstalledinthedistributedsystemandtheyaffectthecharacteristicparametersofthetransmissionlinewhichmaketheharmonicmagnifyeasilyinthesituationoflightloadorno-load.Basedonthetransmissionlinetheory,itcanbeconcludedthatthereflectedwaveisthefundamentalreasonofharmonicmagnificationandthereisnoreflectedwavewhenthetransmissionlineisinfiniteandtheimpedancematchingattheendofline.InthepaperR-APFanddiscrete-frequencytuningmethodarebasedontheimpedancematchingandthesimulationandexperimentaregiven.ThepaperproposetheinfinitelonglineharmonicsuppressionstrategywhichisinstallinganAPFattheendofthelineandcontroltheoutputcurrentoftheAPFtoimitatetheinfinitelongtransmissionline.ComparetotheR-APF,itisexcellentinthevariablecharacteristicimpedanceandincludingcurrentharmonicload.Toimprovethereliabilityofthepowersystem,theringnetworkisappliedtosupplypowertousers.Thispaperresearchesintotheharmonicpropagationintheringnetwork,pointsouttheoptimalinstallationpointandalsogivesomeadvicetochoosetheAPFcompensationgain.ExperimentsbasedonTMS320F2812havebeenperformedtoverifythetheoreticalanalysisanddemonstratetheeffectivenessoftheproposedstrategies.Keyword：harmonicmagnification;R-APF;infinitelongtransrmissionline;ringnetwork;harmonicsuppress燕山大学工学硕士学位论文目录目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1引言 11.2分布式系统谐波繁殖传播 21.2.1分布式系统谐波源 21.2.2谐波繁殖危害 21.2.3分布式系统谐波传播 31.3分布式系统谐波抑制 31.3.1滤波装置发展简介 31.3.2分布式系统谐波传播治理现况 51.3.3新型环形分布式网络谐波抑制 61.4课题研究内容 7第2章分布式系统传输线参数模型 82.1传输线参数模型分析 82.1.1传输线集总参数模型 82.1.2传输线分布参数模型 82.2谐波传播分析 102.2.1均匀传输线方程 102.2.2射线型电力网络谐波传播 122.2.3环形电力网络谐波传播 132.3有源电力滤波器 152.3.1有源电力滤波简化 152.3.2谐波检测 162.4末端阻性有源电力滤波器 172.4.1末端匹配控制策略 172.4.2分频调节控制策略 202.5阻性有源滤波器实验 22本章小结 24第3章无限长传输线系统谐波抑制策略 253.1无限长传输线思想APF控制策略 253.2APF电流源增益特性分析 263.3无限长传输线仿真验证 293.4无限长传输线滤波器实验 31本章小结 35第4章分布式环形网络谐波振荡 364.1线路谐波振荡分析 364.2谐波振荡抑制 384.2.1单滤波器安装位置选择 384.2.2滤波器等效阻抗选择 41本章小结 42第5章系统软硬件实现 435.1系统硬件实现 435.1.19km传输线电路 435.1.2有源滤波器主电路及参数 445.1.3采样检测电路 455.1.4开关驱动电路 465.2系统软件实现 46本章小结 47结论 48参考文献 49攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果 52致谢 53作者简介 54燕山大学工学硕士学位论文第1章绪论第1章绪论1.1引言分布式供电系统是相对于传统的集中式单一供电系统来讲的，是指将发电系统以小规模(数千瓦至50MW的小型模块式)、分散式的放置在用户附近，图1-1给出了一种分布式系统示意图。分布式供电系统与“小机组”已不是同一概念，与集中供电电站相比，分布式供电系统在安全可靠性及特殊场合区域具有明显优势，近些年作为传统集中供电不可缺少的重要补充得到迅速发展[1-8]。图1-1分布式供电系统框图电力系统本身为非清洁能源，含有大量背景谐波，分布式系统也不例外，分布式系统中的光伏、风力机并入供电网络中均需要进行变化，会产生一定含量的背景谐波；在分布式系统中存在一定数目的用于优化电能质量的电感和电容装置，这些感、容性装置影响了分布式配电网络的特征参数。当系统自身状况，如传输线长度、带载状况等满足一定条件时，线路某些节点的谐波含量会被放大数倍[9]，严重危及用电设备的安全。分布式系统谐波放大抑制成为研究的新型课题。传统电网对谐波的治理主要针对耗电量大的大型工矿企业比如电化厂、钢铁厂等，这些大型工矿企业往往集中于某个地区分布，在电力系统中将它们作为一个单一的集中谐波源进行分析治理，谐波抑制设备也安装在谐波源周围，目的就是减少这些工厂注入电网中的谐波。分布式系统容量较小，不会出现集中较大的谐波源负载，但其服务用户往往是家庭或企业这种容易广泛分布的个体，传统电网的谐波集中治理手段对分布式系统已经不再适应。此外，分布式系统的负载波动较大，像给居民区供电的分布式系统，某些时段会出现轻载，这些都可能会引起系统的的谐波波动，危及用电设备，文献[10]中就提到了夜间由于系统轻载，谐波发生严重振荡造成电网中电容器烧毁的事件。1.2分布式系统谐波繁殖传播1.2.1分布式系统谐波源从配电端考虑：分布式系统是一个新兴的供电网络，分布式发电机可以为光伏、风机、燃料电池以及备用发电机等。它们必须经过电力变换才能接入供电网络中。光伏、燃料电池本身发出为直流电，需经过直交变换，变换过程不可避免的要产生一定谐波电压，风机、备用电机其本身发出为频率不固定的交流电，也需要经过电力变换转换为工频交流电，这一过程也会给电网组注入谐波电压；分布式系统会存在一定数量的变压器，其励磁曲线为非线性，会给电网注入谐波电流[11]。从用户端考虑：谐波主要来自用户注入分布式系统的的谐波电流，工厂企业中半导体开关器件装置，例如交直流换流装置（整流器、逆变器）、双向晶闸管等为典型的非线性负载，会给电网引入谐波电流；随人民生活水品的提高，像电视机、个人计算机等用电设备，成为人民的生活必须品，这些用电设备核心技术都采用了非线性拓扑，均会给电网注入谐波电流。1.2.2谐波危害谐波对电力系统的危害是严重的，主要分为以下几个方面[12,13]：(1)降低供电系统的可靠性。谐波电流在传输线路中产生附加损耗，将加速电力电缆、电线的绝缘老化，造成电压击穿；(2)谐波影响电气设备的正常运行。增加用电设备的附加损耗，产生机械震动，噪音，影响设备的使用寿命；(3)谐波频率与电力系统中的某些电感、电容元件构成串联或并联回路匹配时，会发生电路谐振，产生很大的谐振电流，危害用电设备；(4)影响继电保护和自动控制系统可靠性。继电保护和自动控制系统装置是以基波为基础实现相关功能的，谐波可能导致继电保护误动作和自动控制装置的失灵，发生事故；(5)影响通讯设备的正常工作。谐波的电磁噪声和射频噪声使仪器仪表、计算机和通信系统失灵，影响正常工作。1.2.3分布式系统谐波传播分布式系统中安装了一定数量为提高功率因数的较大的校正电容器，这些电容装置改变了传输的特征阻抗，分析分布式系统传输模型时，必需考虑线路容性成分。谐波的本质为电磁波，在传输线上传播时，满足波传播的特性，根据传输线理论，线路中谐波状况易受谐波反射波的影响，谐波反射波与入射波的迭加是谐波振荡的根本原因[15]。根据传输线理论，空载或者轻载时，谐波发生了全反射，当传输线长度满足四分之一波长的奇数倍时，入射波与发射波同相迭加，背景谐波源位于波节位置，振荡最为严重；谐波波长一半的整数倍，背景谐波源位于波峰位置，受背景谐波源限制，整条线路无谐波放大。文献[10]提到了9km传输线在线路空载情况，七次谐波发生严重振荡，而五次谐波却维持在较低的水平，证明了谐波放大是由于反射波引起的。电力系统针对分布式系统中的谐波振荡，最初为限制单根传输线长度，将单根电力传输线的长度限制在8km以内，当传输距离较长时，传输线间需加入隔离装置，以防止谐波振荡的发生。加入隔离装置，不仅会增加电力系统的安装和维修费用，更降低了系统的可靠性，若隔离装置发生事故，则整条传输线必须切断进行检修，从用户的角度是很不利的。需要采用新的设备和措施谐波抑制技术来改善这一尴尬境况。1.3分布式系统谐波抑制很早就展开了对谐波危害的治理。治理手段从用户和电力部门的角度可以归纳：一是用户的主动治理，采用新的电力电子手段，更新设备降低甚至消除谐波的产生；二是电力部门的被动治理，在电网加入有源或无源滤波器，吸收电网中的谐波，或者阻碍电网中的谐波流入负载。本文提出的抑制方案均为基于被动治理的角度出发的。1.3.1滤波装置发展简介谐波抑制初期，多采用无源滤波器，其结果简单、成本低，而且对固定频率的谐波补偿效果明显，是抑制谐波的主要手段。但随着电力电子技术的发展，对电能质量要求的提高，无源滤波器的体积大、动态补偿效果差、补偿范围窄等缺点制约了其应用，已无法满足谐波治理的需求。图1-2给出了几种常见的无源滤波器[16-18]。图1-2四种类型的无源滤波器有源滤波器[19-23]的出现，给谐波抑制提供了新的手段，与无源电力滤波器相比，具有高度可控性和快速响应特性，且补偿范围宽，能跟踪补偿各次谐波，且具有补偿无功功率的功能；与无源电力滤波器相比，有源电力滤波器的体积和重量也小很多，安装方便。针对有源电力滤波器的研究成为了电力滤波的热点，研究内容主要涉及拓扑结构、补偿特性、谐波检测方法和控制算法等。图1-3、图1-4分别为有源电力滤波器的主电路与一种常见的混合型有源电力滤波器系统。(a)有源滤波器主电路(b)电流控制环节图1-3有源滤波单元结构图1-4混合型有源电力滤波器系统构成1.3.2分布式系统谐波传播治理现况[23-35]分布式系统中谐波振荡造成的危害更加严重，文献[10]提到，由于谐波振荡，谐波都被放大了三四倍，谐波含量的突变，致使线路中并联电容的烧毁。抑制谐波振荡是分布式系统中谐波治理的主要方面。日本学者最早对由于谐波繁殖造成分布式系统中的严重谐波污染进行了研究。在文献[10]、[24]提到日本6.6kV的分布式系统，当夜间或系统轻载时，线路中的七次谐波容易发生谐波繁殖，会被放大到7%甚至更高，由于线路谐波含量过高，引发了一系列电力设备烧毁的事故。在日本学者对谐波振荡的研究中，指出谐波繁殖是电力系统中的无功补偿电容器与线路中的电感发生串、并联谐振引起的，电力部门可通过在传输线中安装基于电压检测的有源电力滤波器，该类型的有源电力滤波器可等效为一谐波阻尼，也称R-APF，其改变谐波的传输结构，消除了谐波振荡的条件，有效的抑制线路中的谐波繁殖。考虑经济上的可行性，保持较好谐波抑制效果的同时，减少R-APF的滤波效果与滤波器的容量，在文献[24]提出在线路末端安装R-APF为最合理的选择。文献[10]又对R-APF又进行了深入的研究，指出R-APF不仅可以为本地的谐波电流源提供低阻抗消除通路，又可以为传输线的谐波传播提供阻尼，有效抑制电力系统传输线上的谐波传播振荡，但最初由于滤波装置控制策略的电压增益为固定值，对线路中谐波抑制的动态效果差。为消除该缺点，在文献[25]提出增益自动调节的R-APF，检测安装点的电压畸变THD（TotalHarmonicDistortion），与参考THD进行比较，动态调节滤波器的电压增益，保证电压THD维持在参考电压THD，以确保整条传输线不发生谐波振荡，阻性滤波器的动态性能也得到了很大的提高。当传输线的长度过长时，R-APF对线路谐波传播的抑制出现了新的问题，在抑制某次谐波的同时，可能会放大其他次谐波，在文献[9]称之为“鼹鼠现象”，并从传输线理论的角度，阐述了谐波繁殖、“鼹鼠现象”产生的原因。基于文献[9]的研究成果，对传输线谐波抑制思想分为了两个方向：1.在传输线不同位置安装多个R-APF，实现整条传输线的谐波抑制，虽对谐波抑制效果有明显优势，但动态抑制性能仍未提高，且经济适用性不强，而且对多个滤波单元的协调控制、容量分配仍需进一步研究；2.不同次谐波在传输线中传播时，反射波情况不同，而之前的控制方案对所有次谐波提供了相同的谐波阻尼，造成了“鼹鼠现象”，在文献[26]中，仍将有源滤波器安装在线路末端，而对不同次谐波提供不同的电压增益，通过分频控制来实现传输线上的谐波抑制，该方法在降低成本的同时，也提高了对谐波抑制的效果，但与方向1比较，仍然不理想。1.3.3新型环形分布式网络谐波抑制在低压的分布式供电系统中，为提高系统运行的安全可靠性，保证对用户的持续供电，并保证系统本身设备的安全，将传统的射线型网络两端相连，构成环形供电网络。环形供电网网络指电源端配出后经过一系列用户后又回到原来的电源端，环形配电网络是封闭的，如遇到一侧电网出现事故，则在另一侧仍可以送电，保证对用户的持续供电，提高用电可靠性的同时，也能提高用电效率。图1-5给出了环形网络的示意图。图1-5环形供电网路示意图新的供电网络改变了电力供电系统的结构，与之前的放射式或树干式配电相比提高了供配电的可靠性，但谐波振荡情况也与之不同。形成谐波反射波的条件不同，环形网络的谐波抑制成为研究的新内容，本文基于文献[34]、[35]提出的环形网络模型，对环形网络的的谐波振荡进行原理分析，对环形网络的谐波抑制提供理论依据。1.4课题研究内容本文针对背景谐波传输线传播振荡进行了研究，在查阅大量文献，总结验证前人提出的抑制方案的基础上，提出自己的抑制方案，丰富谐波抑制手段，本文的主要工作包括：第一章简述了背景谐波传播的特点及危害，阐明了谐波振荡的缘由，简单介绍背景谐波抑制的研究境况。第二章中建立与分析分布式系统谐波传播模型，从理论上给出了射线型传输线和环形传输线网络谐波传播的数学表达式，做为谐波抑制的依据。简要介绍了APF的简化及谐波提取环节，并对末端阻性APF(R-APF)谐波抑制方案进行原理介绍与仿真实验验证。第三章提出无限长传输线谐波抑制策略，通过在线路末端加入APF模拟等效一定长度的传输线，实现对传输线谐波振荡的抑制。给出了该控制方案完整的理论推导，并通过仿真与实验进行了验证。与前面提到的R-APF相比不仅具有更好的抑制效果，而且还对线路参数的变化具有更强的适应性，这一突出优点能降低“鼹鼠现象”发生的可能性。此外，当在传输线上突加谐波负载时，无限长传输线控制策略也具有更好的效果。第四章对环形网络谐波传播情况进行了分析，指出环形网络空载时，线路谐波放大更加严重，针对环形网络谐波放大问题，提出了采用单台APF实现线路谐波抑制，给出了APF的最佳安装点，及补偿增益选择。第五章简要介绍了实验平台的软硬件实现，介绍平台中一些关键器件和电路，给出了选取准则与设计原理，并给出了基于TMS320F2812DSP控制芯片的软件控制的流程图。燕山大学工学硕士学位论文第2章分布式系统传输线参数模型第2章分布式系统传输线参数模型分布式系统的供电网络中存在着一定数量的功率校正电容器，线路中也存在等效电感与电阻，这些构成了传输线的基本参数。与传统大电网分析模型相比，分布式系统的容量较小，分析模型中容性成分的影响已不能忽略，本章给出了比较常见的两种传输线模型，基于传输线理论与数学模型分析了谐波在传输线上的传播情况，为谐波抑制提供理论基础。2.1传输线参数模型分析2.1.1传输线集总参数模型传输线集总参数模型[36]虽与传输线的真实情况有所差异，但其在不影响结果的前提下，更容易实现仿真、实验验证，参考文献中均采用该模型模拟传输线的谐波情况。图2-1给出了传输线的集总参数模型。图2-1传输线集总参数模型在实际传输线中，线路参数是非均匀分布的，传输线空间状况以及校正电容的分布均使传输线的容、感性参数分布不均，为便于分析起见，通常忽略造成不均匀性的因素，且将校正电容认为均匀分布在传输线每千米线路中，将传输视为均匀传输线。表2-1为基于6.6kV、3MVA实际分布式系统传输线参数。表2-1实际传输线电路参数线路电压V频率f容量S线路电感L线路电阻R线路电容C线路长度L6.6kV50Hz3MVA1.98mH/km0.36Ω/km25μF/km9km2.1.2传输线分布参数模型集总参数模型[36]在对传输线模拟仿真方面具有便利性，但不够精确。传输线的分布参数模型是集总参数模型的极限情况，分布参数模型更加接近传输线的实际情况，采用分布参数模型，原理分析线路谐波振荡。图2-2给出了均匀传输线的电路模型，及含谐波电压源与末端阻性有源电力滤波器(R-APF)的分布式参数模型，在分布式参数模型中l表示馈电线长度，x为距始端长度，R-APF安装在线路末端，可等效为一阻值1/Kv的电阻（Kv为R-APF的电压增益）。图2-2传输线分布参数模型(a)传输线电路模型；(b)分布式参数模型传输线理论中，决定电压(电流)在传输线中传播形态的两个重要参数：传输线特征阻抗，传播常数。传输线的特征阻抗： (2-1)R0——单位长度电阻值，单位为Ω/km；L0——单位长度电感值，单位为H/km；G0——单位长度电导值，单位为S/km；C0——单位长度电容值，单位为F/km，忽略电导影响，设置G0=0，ω为电压（电流）频率。传播常数γ： (2-2)在传输线理论中，认为电压、电流电磁波，在传输线介质中传播时，传播波长表达式如(2-3)。 (2-3)五、七次谐波在分布式系统中振荡最为严重，是本文的主要研究对象，根据表2-1给出的传输线数据，可得： (2-4) (2-5) (2-6)可得到五、七次谐波的波长： (2-7) (2-8)由式(2-7)、(2-8)，9km传输线近似为五次谐波波长的一半，七次谐波波长的3/4，分别为波节与波腹，为谐波振荡最弱与最强的两点，因此本文仿真与实验的传输线长度为9km。表2-2给出了传输线上电压频率、波长以及传输线长度的关系。表2-2传输线上电压频率、波长以及传输线长度关系频率f波长λ传输线长度l250Hz(5th)17.94km9km(λ5/2)350Hz(7th)12.82km9km(3λ7/4)2.2谐波传播分析2.2.1均匀传输线方程[36-42]传输线参数往往不均匀分布，为便于分析，假设分布式系统容、感性参数均匀分布在传输线上，视传输线为均匀传输线，进而传输线上电压和电流可视为，时间t和距离x的函数，即： (2-8)设电压、电流的参考方向如图2-2(b)所示。设定谐波电压源为传输线的起点，电压（电流）的正方向为由谐波电压源指向终端。分布参数模型中，线路参数均为无限小量，可得到传输线上电压、电流的偏微分方程，对图2-2(a)应用基尔霍夫电压定律得： (2-9)同理，由基尔霍夫电流定律可得： (2-10)进一步整理，可得到： (2-11)式(2-11)即为均匀传输线关于电压、电流的偏微分方程，简称均匀线方程。电压的变化与分布的电阻和电感参数有关；电流与电导和电容参数有关。在给定传输线的初始条件和边界条件后，即可确定线路中x位置处的电压u(x,t)和电流i(x,t)，在式(2-11)中，对x再进行一次求导数，并结合式(2-2)，得到传输线的二阶线性微分方程： (2-12)该二阶微分方程的通解方程形式： (2-13)其中，，A1、A2、B1、B2由传输线的边界条件确定。图2-3电压正向行波与反向行波沿线分布假定u+=A1e-γx为传输线电压正向行波，u+=A1eγx为电压反向行波，传输线上各点的真实的电压波形都可以认为是正向行波与反向行波迭加的结果，如图2-3所示。类似的传输线上各处的电流也可以看做正向电流和反向电流行波的迭加。通常将由电源侧向负载侧的正向行波成为入射波，而从负载侧向电源侧的反向行波成为反射波。反射波与入射波迭加造成了谐波的放大。反射波为线路谐波振荡的本质原因。反射波与负载阻抗有密切的关系，假设终端阻抗值为zL（空载为∞，短路为0），可得到反射系数： (2-14)末端阻抗不同，反射系数不同，根据式(2-14)可总结出：1.终端阻抗zL=z，又称终端匹配传输线，此时n=0，无反射波，电压、电流均不会发生振荡，工作在此状态下的传输线称为无反射线。2.终端开路iL=0，反射系数n=1，此时在传输线末端发生全反射，其特点是在终端电压最大，从负载端向电源端，电压的最大值与最小值每隔λ/4（λ为电压波长）交替出现。3.终端短路uL=0，反射系数n=-1，情况与开路类似。4.终端接人非特征阻抗负载，传输线上的电压、电流波形将会被部分发射，波形情况与接入负载阻值有关。此外，从式(2-14)可以看出当传输线长度x=∞（或x足够大），反射系数n=0，也不会存在反射波。综上，为实现消除线路谐波振荡，需满足：a.传输线末端阻抗匹配；b.传输线无限长。2.2.2射线型电力网络谐波传播[43-44]谐波电压源处于传输线始端，如图2-2(b)所示，假定谐波电压值为vh，负载(R-APF)位于传输线的末端，式(2-13)中的A1、A2、B1、B2由传输线长度与末端阻抗决定。图2-2(b)模拟了在线路末端加入R-APF，其对预抑制谐波等效为阻抗为1/Kv的电阻，结合式(2-13)，可得： (2-15) (2-16)可得到传输线上距始端x的谐波电压值： (2-17)从式(2-17)，我们就可以得到整条线路的谐波电压值，谐波的振荡情况由谐波传播因数Mv来表示： (2-18)Mv与传输线参数、传输线长度l、APF电压增益以及距离始端x的位置有关，其越大，说明谐波放大的越严重。2.2.3环形电力网络谐波传播电力输电系统将各个发电厂和负载供电之间的线路连接成环状，构成环形供电网络，一端线路退出运行时，另一回路仍能继续供电，保证系统运行安全可靠性，如图1-5所示。环形网络中谐波传播与射状网络有所差异，下面给出环形网络中含有R-APF谐波传播情况。环形网络中传输线首尾相连，可将传输线视为双供电电源给用户供电，R-APF安装在环形网络中，传输线的长度为l，R-APF将传输线分成了l1、l2两段，其中R-APF对谐波等效阻值为1/Kv的谐波阻尼，如图2-4所示：图2-4R-APF安装在环形网络根据电路迭加原理，建立图2-4的分布式参数模型，如图2-5所示。由x、y两个方向进行传播，距离R-APF的长度分别为l1、l2。(a)x向谐波电压传播(b)y向谐波电压传播图2-5等效环形网络分布式参数模型图2-5(a)标注的1为起点，APF安装点上流侧等效阻值为zu，下流侧等效阻值为zd，线路特征阻抗为z。根据传输线阻抗计算公式，特征阻抗为z，末端短路，线路长度为l的传输线输入阻抗zin： (2-23)根据式(2-23)，可得到APF上、下流侧等效电阻阻值： (2-24)参考式(2-17)，沿x向传播，线路各点的谐波电压值如式(2-23)所示： (2-25)其中v1为x=l1的电压值，的值为APF与下流侧传输线阻抗的等效值： (2-26)类似，可求出y向传播的电压： (2-27)其中。设x方向为谐波传播正方向，线路中任意一点处谐波电压vh(x): vh(x)=vx(x)+vy(l-x) (2-28)2.3有源电力滤波器2.3.1有源电力滤波简化有源电力滤波器是一种基于PWM变流器，用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置。有源电力滤波器在实际应用中大部分采用三相三线制系统，而三相四线制系统可以在三相三线制的基础上对主电路、指令电流等作适当变化即可，图2-6给出了三相三线制滤波装置示意图。图2-6三相三线制滤波装置示意图一个完整的有源滤波器系统主要由两个部分组成，指令电流运算电路和补偿电流发生电路，前者为检测谐波或者无功量，并运算生成指令电流，后者主要是控制APF输出电流，使其跟踪运算电路计算得到的指令电流。出于提高仿真速度和便于结果分析，仿真中用受控电流源替代APF装置，以R-APF为例，图2-7给出了等效后的电路示意图。图2-7三相三线制滤波装置等效示意图2.3.2谐波检测[14]电力系统谐波检测是解决谐波问题的基础，但谐波受随机性、分布性、分平稳性等因素影响，准确检测并非易事。选择合适的谐波检测方法，能为有源电力滤波器提供有效、准确的指令电流。1983年日本冈山大学HirofumiAkagi教授提出了三相电路瞬时无功功率理论，理论的成功应用促使APF在80年代投入实际应用的一个重要因素，成为快速检测谐波提供了新的方法。基于瞬时无功功率的检测方法不仅可以检测谐波也可以检测无功功率，若只检测无功功率可实现无延时检测；检测谐波时，因滤波环节的存在会造成一定延时，但最多不超过一个电源周期，以三相整流器为例，其检测延时约为1/6周期，可见，该方法具有很好的实时性。随着DSP技术的发展，基于瞬时无功功率理论的谐波检测得到广泛应用。图2-8给出了一种常见的基于瞬时无功功率理论的谐波检测原理图。图2-8一种常见的基于瞬时无功功率理论的谐波检测原理图其中PLL为锁相环，C32、C23分别为Park矩阵与Park反变换矩阵，变换矩阵。检测接入点三相电流ia、ib、ic，经过变换矩阵C32和C得到p、q轴的电流值，经低通滤波器滤波，得到电流在p、q轴下的基波电流成分，在经反变换与ia、ib、ic作差即可得到电流的谐波含量iah、ibh、ich。2.4末端阻性有源电力滤波器谐波振荡的根本原因是谐波反射波与入射波的迭加，消除谐波反射波是消除谐波振荡的根本办法。传输线理论给出了无谐波振荡的两种情况：(a)传输线末端阻抗匹配；(b)传输线长度为足够长。末端阻性有源电力滤波器(R-APF)安装在射线型传输线线路末端，控制使其等效阻抗与线路特征阻抗匹配，进而实现整条传输线网络无谐波放大。****2.4.1末端匹配控制策略末端阻性有源滤波器又称基于电压检测的并联型有源电力滤波器，是并联型有源电力滤波器一种控制方法，与负载端电流检测和源端电流检测两种控制方法相比，具有更好的稳定性，更适合在配电系统中安装。末端阻性有源电力滤波器的工作原理如下：检测末端设备安装点的电网电压v，提出其谐波含量vh，谐波含量与电压增益Kv相乘后作为有缘电力滤波器的电流参考指令，如式(3-1)所示。 (2-29)在图2-8的基础上进行修改，得到末端阻性有源电力滤波器的控制框图，如图2-9所示。图2-9固定电压增益控制框图末端阻性有缘电力滤波器对谐波来讲，相当于阻值为1/Kv的电阻，而对基波为开路，不会对基波构成影响。理论上，1/Kv=z(z为传输线特征阻抗)，阻抗匹配，线路无谐波放大。考虑线路阻性成分的存在，当阻抗匹配后，线路中谐波含量会低于背景谐波源的水平。图2-10给出了在传输线末端加入阻性有源滤波器，随补偿系数变化整条线路的谐波放大倍数。(a)线路七次谐波放大倍数(b)线路五次谐波放大倍数图2-10线路谐波放大倍数9km传输线相当于七次谐波波长的3/4，五次谐波波长的1/2，分别为对应电压正向行波的波峰和波节。波峰与波节分别为波传播的两个代表点，在波上的其它点的振荡况处于两者之间。从图2-11可以看出，线路满足l=(2k+1)λ/4（k=1,2……）时，1/Kv越大，谐波抑制效果越好；而当l=kλ/2时，线路末端开路情况下，线路谐波状况最好。图2-10(b)中，随着Kv的增加，线路谐波被放大，尤其是线路中段，造成所谓的鼹鼠现象。其他等效波长长度的传输线的谐波情况处于波峰与波节两种情况之间。综上，若不考虑传输线长度因素，则选Kv=1/z(z为传输线特征阻抗)为线路中含有多次谐波的电压增益最合理的选择。在图2-1给出的传输线集总参数模型的基础上，对固定增益的阻性有源滤波器进行matlab仿真，仿真简图如图2-11所示。图2-11固定增益阻性有源滤波器仿真简图在仿真模型中，采用三相50Hz电压源V模拟含背景谐波的电网供电端，V中五、七次谐波含量为2%，电压源V的基波幅值设为100V，传输线模型中R、L、C的值参考表2-1的值，图2-12给出了9km传输线加入末端阻性有源滤波装置前后线路谐波情况对比图，虚线为抑制后的情况。(a)七次谐波放大(b)五次谐波放大(c)总谐波放大图2-129km传输线谐波抑制前后对比在线路末端加入R-APF前，线路约为七次谐波的波长的3/4，七次谐波放大严重，最高可达背景谐波的4.5倍；线路约为五次谐波波长的一半，五次谐波无放大，整条且整条线路含量很低，最好的位置接近于零。这些现象验证了之前的理论分析。加入APF后，无论五次谐波还是七次谐波，均无谐波放大现象，实现了末端阻抗匹配，证明末端阻性有源电力滤波器的可行性。2.4.2分频调节控制策略通过分析图2-11给出的不同Kv时，线路中五、七次谐波放大情况，可以看出线路谐波放大情况与传输线长度的等效波长有关系，满足l=kλ/2(如9km五次谐波)，线路末端开路时，整条线路谐波都会得到很好的抑制，在线路中间最为明显，接近于0；当l=(2k+1)λ/4(如9km七次谐波)，线路末端开路为最严重情况，随着Kv的增大，线路谐波得到抑制，整条线路无谐波放大。线路对不同次谐波的等效长度不同，因此，针对不同次数的谐波，采用不同的电压增益，即所谓的谐波分频控制，可以得到更好地谐波抑制效果。针对线路中主要的五、七次谐波。图2-13给出了分频控制的控制框图。图2-13五、七次谐波分频控制框图图2-13中，分别提取线路的五、七次谐波，给五、七次谐波赋予不同的电压增益Kv7、Kv5。由图2-11可知9km线路，五次谐波末端开路为谐波状况最好的情况，因此设Kv5=0；而七次谐波的增益越大，对谐波的抑制效果越好。参考图2-11给出的仿真模型，设定Kv7=1/z，Kv5=0时，在9km传输线线路验证谐波抑制的分频调节控制策略，9km传输线线路谐波放大情况抑制前后对比如图2-14所示，虚线为抑制后的谐波电压放大倍数。(a)七次谐波放大(b)五次谐波放大(c)总谐波放大图2-149km传输线分频谐波抑制前后对比图2-14中，在加入分频控制的末端阻性有源滤波器前，线路中七次谐波放大严重，最高达到了4.5倍，而五次谐波整条传输线不仅未被放大，而且在线路中段接近于零。加入滤波器后，很好的抑制了线路七次谐波的放大，整条传输线七次谐波维持在了源端水平，而五次谐波依旧保持了抑制前的水平，相比之前末端匹配的控制策略，进一步改善了整条线路的电压畸变，对比图2-12和图2-14中总谐波放大，很明显分频控制具有更好的抑制效果。2.5阻性有源滤波器实验在搭建后好的9km传输线实验平台的基础上，对第2.4节提到的末端阻性有源滤波器和分频控制进行了实验验证。图2-15无补偿装置线路电压波形图2-16锁相环DA输出图2-15为未加入有源滤波装置时，节点1、4、6和9四个典型位置的电压波形，从图中可以看出节点4和9电压畸变最为严重，谐波含量已经到了7%，验证了图2-12的仿真结果。图2-16为对线路末端电压的DSP锁相环的AD输出，尽管电压畸变已经很严重，仍能成功锁相，保证实验的准确性。图2-17加入末端阻性滤波器节点电压波形图2-18给定电流与补偿电流对比图2-17给出了末端加入阻抗匹配的阻性有源滤波器，节点1、4、6和9的电压波形与图2-15相比，电压波形得到了很大的改善，分析波形，电压的谐波含量降到了4%左右，说明阻性有源滤波器对线路谐波振荡起到了很好的抑制效果。图2-18为给滤波器输出电流与给定补偿电流。图2-19抑制前后七次谐波含量图2-20抑制前后五次谐波含量图2-19和图2-20给出了在线路末端加入末端阻性有源滤波器前后，线路中的五、七谐波含量对比，虚线为抑制后的谐波含量。加入末端阻性有源滤波器后，整条线路的五、七次谐波均不会发生放大现象，除去实验参数不均对实验结果的影响，实验结果可认为与仿真相同，证明末端阻性谐波抑制方案能很好的抑制线路谐波振荡。图2-21分频控制特殊节点电压波形图2-22给定电流与补偿电流对比图2-21为基于分频控制的谐波抑制方案，线路节点1、4、6和9的电压波形。与图2-17相比，节点电压波形变的更加平滑，图2-22为滤波器输出电流与参考指令电流的对比。图2-23分频控制五次谐波含量抑制前后对比与末端阻性谐波抑制方案相比，谐波的分频控制最大的改善就是维持加入滤波装置前线路中良好的五次谐波状况。图2-23为加入分频控制滤波器前后线路中五次谐波含量对比，虚线为加入后的。很明显，线路中五次谐波没有受滤波器的影响，依旧维持抑制前的状况。本章小结本章首先给出了分析传输线的两种基本模型——集总参数模型和分布参数模型。根据传输线理论，推导了谐波在传输线上传播的电压、电流方程，总结出无谐波放大的两种情况：a)末端阻抗匹配；(b)传输线足够长。并在分布式参数模型的基础上给出了加入等效阻值为1/Kv的APF后，几种常见线路线路谐波表达式，作为优化谐波抑制的重要的数学依据。验证了末端阻性APF抑制谐波振荡的可行性，给出相应的仿真与实验结果。第3章无限长传输线系统谐波抑制策略第3章无限长传输线系统谐波抑制策略无限长传输线是除末端阻抗匹配外，另外一种无反射波，谐波不会放大的情况，本章通过控制APF，模拟无限长传输线，为抑制线路谐波放大提供了新的思路与方法。3.1无限长传输线思想APF控制策略为实现无限长传输线，在线路末端加入APF，控制APF输出电流近似模拟长度为x的传输线，当x足够大时，即可近似消除传输线上的谐波反射波，实现无谐波振荡，图3-1给出了模拟传输线无限长的等效示意图。图3-1模拟无限长传输线模型在图3-1当中A为含背景谐波的9km传输线，B为加入的受控电压源和受控电流源。在传输线理论中，若已知起始点电压U0和电流I0，则距离起始点长度为x的电压ux和电流ix的值如式(3-2)所示。 (3-1)假定图3-1中B部分a为起始端，电压和电流的值分别为U0、I0，参考(3-1)即可得出b点的电压和电流。则B部分中的受控电压源和受控电流源的表达式即可得到，如式(3-2)所示。 (3-2)图3-1中b点为空载情况，则存在i=-I0，将该等式代入(3-2)中，可得到等式： (3-3)进而可以得到图3-1中B部分的等效阻抗： (3-4)当x∞时，B部分的等效阻抗为线路的特征阻抗，在传输线的末端实现了阻抗匹配，在整条传输线上不存在谐波反射波，实现无谐波振荡。根据电路的替代定理，对图3-1给出的无限长传输线进行简化，可用值为式(3-5)的受控电流源替代原B部分。 (3-5)简化后的控制示意图如图3-2所示，采集线路末端谐波电压和谐波电流，作相应运算作为受控电流源的指令信号。图3-2无限长传输线简化控制示意图其中K1、K2分别为电流、电压增益系数，且： (3-6)3.2APF电流源增益特性分析由式(3-6)可以看出K1、K2的值只与γ、x有关系，且当x足够大时，K1/K2=z。图3-3给出了7次谐波情况下K1、K2与等效延长传输线长度x的关系，图中虚线为K1，实线为K2。图3-3电压、电流增益与等效延长x关系在实验与仿真中，将五、七次谐波的电压、电流增益设置为相同的较大的值，使对五、七次谐波均有较大的等效长度来消除五、七次谐波因γ不同而影响的谐波抑制效果。分析图3-3可以看出：随着K1、K2的增加，受控电流源的等效延长传输线长度x越大。K1、K2与x成指数性变化，以K1为例，当K1=2.6时，等效传输线长度已增长为100km。在等效延长距离x的变化过程中，K1和K2的比恒为z。传输线等效长度在100km以上时，由于传输线阻性成分的存在，谐波反射波已经很微弱，谐波情况已接近无限长传输线，因此，在仿真和实验中可以用较小K1、K2值来模拟无限长传输线，在保持较好的谐波抑制效果的同时，还提高了滤波器的反应速度。为验证K1/K2=z是线路谐波抑制最优选择，图3-4给出了在不同K1、K2值的情况下，9km传输线路上1km、4km、6km和9km四个节点的谐波放大情况。其中左侧图为节点电压谐波放大倍数，右侧图为无谐波放大区域示意图。1000m(b)4000m(c)6000m(d)9000m图3-4不同K1、K2值线路谐波放大情况分析图3-4给出的线路节点在不同K1、K2情况下线路谐波放大情况，结合每个节点给出的两幅谐波放大示意图，看出对每个节点来讲，K1、K2的变化范围是很宽的，但对整条线路来讲，K1/K2维持在特征阻抗附近时，整条线路都不会发生谐波放大情况。3.3无限长传输线仿真验证在图2-1和表2-1给出的实际传输线模型的基础上，按照上文推导的无限长传输线思想，搭建如图3-2的仿真图。在仿真时保持K1/K2=z，分别将K1设置为0(开路)、1、5、10和30，图3-5给出了在不同K1、K2下线路谐波放大情况。(a)七次谐波放大(b)五次谐波放大(c)总谐波放大图3-59km无限长传输线控制谐波抑制从图3-5可以看出，当K1大于5时，线路谐波含量在抑制后基本维持相同，五、七次谐波均未被放大。K1大于5的等效延长传输线长度大于100km，传输线足够长，可近似等效为无限长传输线。图3-6给出了无限长传输线有源滤波器与末端阻性有源滤波器的谐波抑制情况对比，其中线路始端含五、七次谐波均为2%，末端阻性有源滤波器Kv=z，无限长传输线K1=10，K2=1.12，虚线无限长传输线有源滤波器的线路谐波抑制曲线。(a)总谐波放大(b)五次谐波放大图3-69km无限长传输线与末端阻性滤波器谐波抑制对比从图3-6可以看出无限长传输线对整条线路和五次谐波的抑制要优于末端阻性有源滤波器，对五次谐波抑制效果比较好，比较适合于线路中五次谐波含量较高的情况。分布式系统中电容器的投切、负载的工况以及天气变化均会影响线路的特征阻抗。对线路特征阻抗发生变化，对无限长传输线与末端阻性有源滤波器两种方法进行了仿真对比，图3-7给出了两种方法的谐波抑制效果对比，虚线为无限长传输线谐波抑制方案。(a)特征阻抗变大(b)特征阻抗变小图3-79km特征阻抗改变无限长传输线与末端阻性滤波器谐波抑制对比图3-7(a)为线路特征阻抗变为之前的1.5倍，无限长传输线谐波抑制方案的谐波抑制情况明显优于末端阻性谐波抑制方案；图3-7(b)为特征阻抗变为之前的2/3，两种控制方案的谐波抑制效果基本相同，无限长传输线抑制方案略优于末端阻性谐波抑制方案。综合起来，无限长传输线谐波抑制方案，对线路的特征阻抗的灵敏度小，对传输线线路参数发生改变时，具有更好的谐波抑制效果。传输线路中间往往会带有非线性负载，这些负载会给电网注入谐波电流，考虑线路中含有谐波电流源的情况，对前面提到的两种谐波抑制方案进行了仿真对比。仿真中，在3km处加入三相五、七次谐波电流源负载（五、七次谐波电流幅值均为1A），图3-8给出了两种谐波抑制方案的效果对比图。图3-83km加入谐波电流源负载谐波抑制对比图3-8中虚线为无限长传输线谐波放大曲线，点划线为末端阻性谐波放大曲线，实线为抑制前谐波放大曲线。由于3km处加入谐波负载，线路3km处谐波有一定放大，在1-3km段，两种抑制方案抑制效果相同，而在3km以后，无限长传输线的抑制效果凸显出来，尤其是在4-7km段，谐波放大倍数明显低于末端阻性控制方案，最高抑制效果提高20%以上。*****3.4无限长传输线滤波器实验无限长传输线有源滤波器有末端阻性有源滤波器相似，仍安装在线路末端，但无限长传输线滤波器需对滤波器输出电流进行采样，作为闭环控制的输入指令。图3-9为加入无限长传输线滤波器之前，线路节点1、4、6和9的电压波形，电压畸变已相当严重。图3-10为加入该控制方案滤波器(K1=10，K2=1.12)后的电压波形，从图中明显看出电压波形得到很好的改善，通过分析软件得出线路最高的谐波含量从之前的7%降到了4%以下。图3-9分频控制特殊节点电压波形图3-10给定电流与补偿电流对比图3-11和图3-12给出了抑制前后线路的谐波含量，虚线为五次谐波THD，点虚线为七次谐波THD，实线为总THD。加入滤波器之前，线路中的七次谐波从之前的4%左右最高放大到了近8%，已经超过了电网对谐波要求的标准。加入滤波器后整条线路维持在了背景谐波源的水平，谐波未被放大。图3-11未抑制前线路谐波含量图3-12抑制后线路谐波含量图3-13给出了不同电压、电流增益及未加补偿装置、末端加入阻抗匹配的阻性有源滤波器的线路THD情况。图3-13不同情况下，线路THD电压、电流增益越大，等效延长的距离也就越大，从图3-13中可以看出，随着K1的增加，整条线路的THD维持的越平滑，谐波抑制效果越好。但电压、电流的增益增大到一定值后，谐波抑制效果改善不明显。实验中通过改变滤波器等效阻抗值，模拟线路特征阻抗发生变化，特征阻抗变大或变小与滤波装置阻抗不匹配下，R-APF与无限长传输线APF对线路谐波的抑制情况。图3-14为特征阻抗小于滤波器等效阻抗，滤波器等效阻抗大于线路特征阻抗(约是特征阻抗的1.5倍)，在加入两种控制策略滤波器后，线路各个节点五、七次谐波含量及总谐波含量。虚线为无限长传输线APF的抑制结果。(a)(b)(c)图3-14特征阻抗等效变小时，两种抑制方案线路谐波对比(a)七次谐波含量对比；(b)五次谐波含量对比；(c)总谐波含量对比分析图3-14的实验结果，对线路节点七次谐波的抑制，末端阻性控制方案要略优于无限长传输线谐波抑制方案，但对线路中五次谐波的抑制，很明显末端阻性的效果要差很多，综合起来，整体对线路谐波抑制，仍是无限长传输线谐波抑制方案占优。验证了之前的仿真分析。图3-15给出的为特征阻抗大于滤波器等效阻抗的情况，特征阻抗约为滤波器等效阻抗的1.5倍。(a)(b)(c)图3-15特征阻抗等效变大时，两种抑制方案线路谐波对比(a)七次谐波含量对比；(b)五次谐波含量对比；(c)总谐波含量对比分析图3-15的实验结果，当特征阻抗等效变大时，对线路节点七次谐波的抑制，末端阻性控制方案与无限长传输线谐波抑制方案，接近相同，而对线路中五次谐波的抑制，无限长传输线谐波抑制方案的效果突出，而考虑总的谐波抑制效果，无限长传输线谐波抑制方案的效果是要优于末端阻性控制方案。综合图3-14和图3-15的实验结果，可以总结：无论线路特征阻抗变大还是变小，无限长传输线谐波抑制方案是要好于末端阻性控制方案，实验结果与之前的理论仿真相符。本章小结zhuyu提出了无限长传输线谐波抑制方案，给出了方案的理论推导，原理上证明了方案的可行性。对无限长传输线谐波抑制方案进行了仿真验证，与末端阻性APF相比，具有更好的谐波抑制效果，尤其对传输线线路特征阻抗发生改变时，抑制效果更优，降低了鼹鼠现象发生的可能性。最后对仿真进行了实验验证。证明方案的正确性与可行性。第4章分布式环形网络谐波振荡第4章分布式环形网络谐波振荡分布式系统电压等级较低，采用环形网络具有更高的可靠性，如4-1所示将供电端引出的两个射线型网络终端连接起来即构成一个环形网络。本章针对环形网络的谐波放大做了相应的理论分析，指出环形网络谐波危害的严重性。图4-1等效环形供电网络4.1线路谐波振荡分析环形供电网络本质是两个射线型传输线连接而成的，分析谐波在环形网络中的放大情况，可等效为两个射线型传输线网络的迭加。图2-5和图2-6给出了分析环形网络的模型。在环形网络中，谐波振荡最为严重的往往是线路空载时，图4-2给出了空载情况下的电路模型。(a)x向谐波电压传播(b)y向谐波电压传播图4-2空载等效环形网络分析模型(yuxu)参考式(2-23)~(2-28)可以得到线路空载时，谐波在线路中传播表达式： (4-1)假设线路长度l固定，求对x的导数，可得到长度l上的谐波电压极大值点需满足式(4-2)。 (4-2)若式(4-2)成立，有x=l/2。即在环形网络中，空载情况下，线路中点谐波含量最高。基于表2-1给出的传输线参数，图4-3给出了线路空载，五次谐波在不同长度的传输线上的放大情况，线路长度从五次谐波波长的一半变化为一个波长。(a)9km(b)12km(c)15km(d)18km图4-3空载五次谐波振荡放大图4-3(a)、(b)、(c)和(d)分别为9km(λ5/2)、12km(2λ5/3)、15km(3λ5/4)和18km(λ5)中五次谐波的放大倍数，线路中间位置的谐波含量整条传输线最严重的。结合式(4-1)，当分母sinhγl=0时，线路的谐波情况会更严重，即线路长度l需满足： l=nλ/2 (4-3)结合波的传播理论，传输线上位置相距为半波长整数倍的谐波含量相同。式(4-3)中若n为偶数时，谐波最为严重的中点位置谐波含量与背景谐波源情况相同，受背景谐波源的影响，整条线路谐波都不会发生放大，图5-3(d)给出的传输线长度为λ，中点位置谐波含量与背景谐波源相同，整条线路的谐波放大倍数均在1以下。继续延长传输线，每当传输线的距离l=(2k+1)λ/2时，线路就会出现谐波放大的现象，由于阻性成分的存在，谐波放大的倍数会有所降低，图4-4给出了27km(3λ5/2)传输线五次谐波放大情况。线路中点等位置的谐波被放大3.5倍，与9km(λ5/2)相比谐波放大情况相比略显缓和，但谐波放大对线路的危害仍很大，若背景谐波含量为4%，4km、12km等谐波放大严重的点的电容装置就可能被烧毁。因此，传输网络较短的分布式供电系统，必须采取措施来防止线路中的谐波放大，以保护安装在线路中功率因数校正电容器等用电设备。图4-427km空载五次谐波振荡放大****4.2谐波振荡抑制对环形网络谐波振荡的抑制主要针对线路空载或者轻载的情况，仿照射线型供电网络抑制谐波振荡的方法，通过在线路中接入一个或多个APF作为只针对谐波的负载来抑制谐波振荡，滤波装置的安装位置与等效阻抗决定了整条线路谐波振荡的水平。4.2.1单滤波器安装位置选择从节约成本的角度考虑在环形网络加入单个APF实现线路空载时可能发生的谐波放大。将图2-6给出的加入APF后的分析模型进一步简化，如图4-5所示。图4-5环形网络简化模型其中，。当图4-5中两条等效传输线均满足阻抗匹配时，沿x、y方向传播的谐波均不会发生谐波放大，迭加后，整条线路也不会发生谐波放大。沿x、y传输线的特征阻抗均为z，则有： Rx=Ry=z (4-4)为满足(4-4)等式，需要zd=zu，则APF必须安装在线路中点，且线路中点是单个APF的最优安装点。图4-6给出了λ5/2环形线路，线路不同位置接入从轻到重的负载时，线路中五次谐波放大情况。(a)1km加入负载(b)2km加入负载(c)3km加入负载(d)4km加入负载(d)5km加入负载图4-69km线路中间带载谐波振荡图4-6给出了在9km线路中点加入从轻到重负载时，线路中的谐波放大情况。APF安装点越接近中点位置，抑制谐波放大的效果越好，在1km、2km和3km加入APF后线路都会存在一些节点，无论APF等效阻抗值为多少，均会出现谐波放大；接近中点后，只要等效阻抗大于某个值后，不会出现谐波放大。因此线路中点附近是安装单个APF的最佳位置。4.2.2滤波器等效阻抗选择滤波器安装在环形网络的中间位置为抑制谐波的最优点，在传输线中间点时，可将传输线等效为两条长度相同(均为l/2)、特征阻抗为为z的传输线并联，环形网络变换为射线型网络，如图4-7所示，可将射线型网络中的谐波抑制方案应用到环形网络中。图4-7中间加滤波器等效传输模型两条等长、等特征阻抗并联以后，传输线线路电感变为之前的1/2，电容变为之前的二倍，根据第二章给出的特征阻抗给出的计算公式，等效模型的特征阻抗变为z/2。为实现环形网络的阻抗匹配，在线路中点位置加入等效阻抗如式(4-5)的R-APF，即可实现整条线路无谐波放大。 RAPF=1/KV=z/2 (5-5)假设线路背景谐波源只含有五次谐波，图4-8随机给出几段传输线长度，在线路中点加入等效阻抗为z/2有源滤波器，整条线路的谐波电压放大情况。(b)(d)图4-8不同长度传输线阻抗匹配谐波放大图4-8给出了6km(λ5/3)、9km(λ5/2)、14km(3λ5/4)、18(λ5)长度具有代表性，图中虚线为加入滤波器后，线路的谐波放大情况。无论传输线为谐波放大最为严重的(2k+1)λ/2,还是整条线路谐波状况最好的kλ，加入等效阻值为z/2的滤波器后，整条传输线的谐波含量维持在背景谐波的水平，谐波放大系数M<1，无谐波放大。本章小结本章对分布式系统中环形供电网络谐波振荡进行了分析，线路满足一定长度时，空载会引发严重的谐波放大问题，并指出线路中点为线路谐波的极值点。以单台APF为基础，给出了其最佳安装位置：安装在线路中点附近，这样可以将传输线等效为长度与特征阻抗均减半的射线型传输线网络，可以将射线型网络抑制谐波振荡的方法应用于环形网络，例如在中间加入阻抗匹配的R-APF。第5章系统软硬件实现第5章系统软硬件实现5.1系统硬件实现前文分析了末端阻性谐波抑制方案与无限长传输线谐波抑制方案，基于以上两个实验方案进行实验平台的搭建。考虑只有单相可编程交流电源，搭建了单相传输线实验平台进行实验验证。系统平台包括9km传输线电路、单相有源电力滤波器、DSP控制板、霍尔采样电路及开关驱动电路。5.1.19km传输线电路考虑到实验的可操作性和平台空间大小，搭建了基于传输线集总参数模型的9km传输线，9组RLC分为9个节点，串联等效实验，如图5-1所示。图5-1单相9km传输线手工缠绕实验平台所需的9个电感，电表4-1给出了9段RLC的实际电路参数值。表5-19km传输线数据线路电感/mH电容/μF电阻/Ω0-11.9823.40.51-21.8721.60.52-31.9824.30.53-42.0024.20.54-51.9622.90.55-61.9420.10.56-72.0425.20.57-82.1123.60.58-91.9933.90.5试验中，谐波电压源有Chroma6350单相可编程交流电源来实现，chroma6350最大功率可以达到3kVA，输出频率最高可达2kHz，，输出电压150V/300V可调，对应输出电流有效值为30A/15A可选。输入电压190V-250V，输入频率为47Hz-63Hz，输入最大电流有效值为23A。实验利用Chroma6530,通过编程发出含五、七次谐波的50Hz工频电压源，其中5次谐波含量2.45%，七次谐波含量3.95%[43]。5.1.2有源滤波器主电路及参数实验用到有源滤波器为单相全桥电压型PWM变换器，将其用作单相有源滤波器需考虑的主电路参数包括交流侧电感、直流侧储能电容和功率开关管，图5-2给出了单相滤波器的示意图。图5-2有源滤波器主电路交流侧电感：有源滤波器中，交流侧电感的选取需考虑输出补偿电流跟踪指令电流能力的能力，L取值太大，跟踪电流变化慢，导致跟踪电流与参考电流之间的误差较大；L值太小，则当参考电流变化缓慢时，补偿电流的变化可能超过参考电流的变化量，形成毛刺，增加电流的纹波[44]。此外，L的选取还要考虑开关的频率。综合，本实验选取的电感值L为0.4mH。直流侧电容：直流侧电容主要为电压型变流器提供稳定的直流侧电压，它可以缓冲负序电流和高次谐波电流在直流电容侧的能量脉动以及由于电力开关的作用和有源电力滤波器的交流电感储能造成的脉动。电容电压值及其波动取决于滤波器补偿容量和电容值的大小。它们不仅决定了滤波器的补偿效果，也决定了滤波器的实用性和经济性，电压值越小，对开关管的耐压能力要求越低，成本也就越低；电容电压的波动直接决定了电容容值的大小，允许波动范围越大，电容取值可以越小，降低成本。综合考虑成本与补偿效果，本实验采取直流侧采取值为1000μF，耐压为450V的电解电容。功率开关器件：有源滤波装置开关管多为GTO和IGBT，对大容量(100kVA以上)的有源电力滤波器一般选择GTO，而小容量的通常选择IGBT。本实验平台为小容量滤波器样机，为提高开关的工作频率，选用英飞凌的IKW40T120(1200V,40A)型IGBT作为主电路开关器件。5.1.3采样检测电路实验中，有源电力滤波器需闭环运行的，电路中加入电压、电流检测元件实时检测关键位置的电压和电流，再经采样电路处理，输入DSP经过相应计算，生成滤波器功率开关管的驱动信号。实验中用到的电压检测元件为CHV-25P，将电压瞬时值转化为电流瞬时信号，输入输出电流比为1000:2500。电压霍尔传感器，电流检测元件为LA-50P电流霍尔传感器，将电流瞬时值转化为电流瞬时值，输入输出电流比1000:1。图5-3给出了实验用到的采样检测电路，图中运放A、B采用TI公司的TLC2272芯片。图5-3采样检测电路DSP对AD转换信号有要求，必须为0-3.3V直流电压信号，实验中检测的均为交流信号，通过运放A搭建同向加法电路增加1.5V偏移量，将交流信号转化为直流信号，在经过运放B滤波后，得到满足DSP输入的信号，其中R1为检测电阻。5.1.4开关驱动电路滤波器样机中采用IGBT作为开关器件，IGBT的驱动应满足：足够大的驱动电流；适当反向关断电压，防止开关误动作；具有驱动信号与主电路信号隔离。综合考虑，选择Agilent公司的光耦驱动芯片HCPL312J，TI公司的电源芯片DCP020515DP提供光耦驱动芯片的VCC和VEE两路电压信号。5.2系统软件实现本文实验，采用TI公司数字信号处理器TMS320LF2812[45]作为闭环算法控制芯片，该DSP主要完成采样数据处理、电压锁相环实现、指令电流瞬时值计算、数字调节器(PI)、驱动信号生成等。实验中涉及的控制程序主要由C语言编程实现，编写程序的流程图如图5-4所示。图5-4软件编写流程图本章小结本章给出了实现平台的构成，简要介绍了平台中的主要部件，给出了电容、电感及功率开关管选取的原则，并对采用电路及驱动电路进行了简短说明，最后给出了实验中的软件编写的流程图。结论结论APF为抑制谐波的主要手段，本文以APF为基础yanjiuruhe抑制分布系统背景谐波在传输线上的谐波振荡，本文的主要工作和结论如下：建立了分布式系统背景谐波在传输线上传播的两种数学模型——集总参数模型与分布参数模型。以分布参数模型为基础，说明在线路轻载或空载时，线路谐波振荡的严重性，验证了传统的末端阻性有源滤波抑制方案及改进的分频控制方案。区别于末端阻性有源滤波控制方案，提出无限长传输线谐波抑制方案，完成该控制方案的理论推导与实验验证，并与阻性有源滤波抑制方案进行对比。仿真与实验均证明le无限长传输线谐波抑制方案能更好的适应线路工况变化，在特征阻抗变大变小及线路中引入谐波电流，无限长传输线均有更优的抑制效果。建立分布式环形供电网络分析数学模型，指出空载情况下线路谐波可能会发生严重放大及谐波最严重的位置。提出了基于单APF的环形供电网络谐波抑制方案，指出单APF的最优安装位置及电压增益选取。由于时间有限，本课题还有很多工作不尽完善，今后可以在一下几个方案展开进一步研究：有源电力滤波器检测环节优化，提高谐波的提取精度与APF的处理速度，减少检测延迟时间。射线型与环形配电网络中，采用多个APF的抑制策略没有做研究，在射频网络中，提到过采用多节分支来消除反射波，多个APF的抑制策略有很大的研究意义。多含分支的传输线网络未作研究，实际中很多配电网络为多分支的，建立分支传输线数学模型，分析谐波传播过程也有很好的实际意义。燕山大学工学硕士学位论文参考文献参考文献[1]袁越，钱科军，ChengkeZhou.分布式发电的环境价值.全国电工理论与新技术年2007：611-614[2]梁才浩，段献忠.分布式发电及对电力系统的影响[J].电力系统自动化，2001，25(12)：53-56[3]王志群，朱守真，周双喜.分布式发电对配电网电压分布的影响[J].电力系统自动化，2005，29(24)：90-97[4]李蓓，李兴源.分布式发电及其对配电网的影响[J].国际电力，2005,9(3)：46-49[5]DriesenJ,KatiraeiF.Designfordistributedenergyresources[J].IEEEPowerandEnergyMagazine，2008，6(3)：30-39[6]张玲，王伟，盛银波.基于清洁能源发电系统的微网技术[J].电网与清洁能源，2009，25(1)：40-43[7]盛鹍，孔力，齐智平，等.新型电网——微网(Microgrid)研究综述[J].继电器，2007，35(12)：75-81[8]鲁宗相，王彩霞，闵勇，等.微电网研究综述[J].电力系统自动化，2007，31(19)：100-105[9]K.Wada,H.Fujita,H.Akagi.ConsiderationofaShuntActiveFilterBasedonVoltageDetectionforInstallationonaLongDistributionFeeder[J].IEEETrans.Ind.Applicat,2002,38(4):1123-1129[10]H.Akagi,H.Fujita,K.Wada.AshuntActiveFilterBasedonVoltageDetectionforHarmonicTerminationofaRadialPowerDistributionline[J].IEEE.1999,35(3):638-645[11]GeorgeJ.Wakileh.电力系统谐波——基本原理、分析方法和滤波器设计[M].徐政，译．北京：机械工业出版社，2003：1-114,188-231[12]朱燕.分布式滤波系统的研究[D].重庆大学学位论文，2006：1-2[13]周国威，吴胜利.电网中谐波的危害及消除告辞谐波的方法[J].电力电容器，2006，2：22-24[14]王兆安，杨君，刘进军.谐波抑制和无功功率补偿[M].第二版．北京：机械工业出版社，2009：4-5，140-164，57-376[15]东南大学等.物理学第五版(下册)[M].北京：高等教育出版社，2006：43-81[16]罗安.电网谐波治理和无功补偿技术及装备[M].北京.中国电力出版社，2006:1-12[17]涂春明，罗安，刘娟.无源滤波器的多目标优化设计[J].中国电机工程学报.2002，22(3)：17-21[18]曹磊，刘翀，杜航.有源电力滤波器和无源电力滤波器的原理、应用及比较[J].电工文摘，2009，2：50-54[19]周洪亮.有源电力滤波控制技术的研究及应用[D].浙江大学博士论文，2002：1-20[20]范瑞祥，罗安，李欣然.并联混合型有源电力滤波器系统参数设计及应用研究[J].中国电机工程学报.2006，26(5)：41-49[21]顾建军，徐殿国，刘汉奎，等.有源滤波器技术现状及其发展[J].电机与控制学报，2003，7(2)：126-131[22]M.EI-Habrouk,M.K.Darwish,P.Mehta.ActivePowerFilter:AReview[J].IEEProcElectr.Appl.2000,147：403-413[23]H.Akagi.NewTrendsinActivePowerLineConditioning[J].IEEETrans.Ind.Appl.,1996,32(6)：1312–1322[24]H.Akagi.ControlStrategyandSiteSelectionofaShuntActiveFilterforDampingofHarmonicPropagationinPowerDistributionSystems[J].IEEETrans.PowerDelivery,1997,12：354–363[25]P.Jintakosonwit,H.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