zjb微機繼電保護測試儀說明書

1、 TOC o 1-3 t h z u HYPERLINK l _Toc9306并聯(lián)型有源濾波器電流控制新方法 PAGEREF _Toc9306 II HYPERLINK l _Toc15135摘 要 PAGEREF _Toc15135 II HYPERLINK l _Toc5413Abstract PAGEREF _Toc5413 III HYPERLINK l _Toc5702目 錄 PAGEREF _Toc5702 IV HYPERLINK l _Toc263021緒論 PAGEREF _Toc26302 1 HYPERLINK l _Toc136841.1諧波抑制的意義 PAGEREF

2、_Toc13684 1 HYPERLINK l _Toc56061.2諧波抑制的措施 PAGEREF _Toc5606 3 HYPERLINK l _Toc102421.3電能質(zhì)量 PAGEREF _Toc10242 5 HYPERLINK l _Toc193991.4本文主要研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc19399 7 HYPERLINK l _Toc135332常用濾波器的性能比較分析 PAGEREF _Toc13533 8 HYPERLINK l _Toc52112.1有源濾波器 PAGEREF _Toc5211 9 HYPERLINK l _Toc76332.1.1有源電力濾波器的

3、發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc7633 10 HYPERLINK l _Toc248492.1.2有源濾波器的工作原理 PAGEREF _Toc24849 10 HYPERLINK l _Toc128262.1.3衡量APF補償性能的指標 PAGEREF _Toc12826 11 HYPERLINK l _Toc4072.1.4有源濾波器的主電路結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc407 12 HYPERLINK l _Toc211262.1.5有源濾波器的分類比較 PAGEREF _Toc21126 12 HYPERLINK l _Toc234782.2無源濾波器 PAGEREF _Toc23

4、478 18 HYPERLINK l _Toc138933諧波電流檢測方法研究 PAGEREF _Toc13893 20 HYPERLINK l _Toc202773.1概述 PAGEREF _Toc20277 20 HYPERLINK l _Toc307193.2諧波檢測方法的發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc30719 20 HYPERLINK l _Toc67854控制策略的研究 PAGEREF _Toc6785 26 HYPERLINK l _Toc136384.1正弦脈寬調(diào)制技術 PAGEREF _Toc13638 26 HYPERLINK l _Toc49324.2滯環(huán)控制 PAG

5、EREF _Toc4932 31 HYPERLINK l _Toc37944.3空間矢量PWM控制 PAGEREF _Toc3794 32 HYPERLINK l _Toc149134.4外層控制 PAGEREF _Toc14913 32 HYPERLINK l _Toc4125.1概述 PAGEREF _Toc412 34 HYPERLINK l _Toc89015.2諧波檢測環(huán)節(jié)仿真實現(xiàn) PAGEREF _Toc8901 34 HYPERLINK l _Toc74355.2.1三相/兩相變換SIMULINK下實現(xiàn) PAGEREF _Toc7435 35 HYPERLINK l _Toc27

6、255.2.2低通濾波器的仿真實現(xiàn) PAGEREF _Toc2725 35 HYPERLINK l _Toc29515.2.2低通濾波器的仿真實現(xiàn) PAGEREF _Toc2951 35 HYPERLINK l _Toc202275.2.3兩相/三相變換SIMULINK下實現(xiàn) PAGEREF _Toc20227 36 HYPERLINK l _Toc21975.2.4諧波提取部分仿真實現(xiàn) PAGEREF _Toc2197 36 HYPERLINK l _Toc31945.3諧波補償環(huán)節(jié)仿真實現(xiàn) PAGEREF _Toc3194 37 HYPERLINK l _Toc309575.3.1主電路等

7、效電路圖 PAGEREF _Toc30957 37 HYPERLINK l _Toc279955.3.2主電路仿真實現(xiàn) PAGEREF _Toc27995 38 HYPERLINK l _Toc154035.3.3諧波補償實現(xiàn) PAGEREF _Toc15403 38 HYPERLINK l _Toc325455.3.4負載側(cè)電壓和電流 PAGEREF _Toc32545 40 HYPERLINK l _Toc19711結(jié) 論 PAGEREF _Toc19711 42并聯(lián)型有源濾波器電流控制新方法摘 要在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，隨著各種非線性電力電子裝置的大量應用，電能質(zhì)量不斷受到關注。這些裝置向電力

8、系統(tǒng)中注入諧波，使電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴重，電能傳輸質(zhì)量惡化。因此，解決諧波問題，變得日益重要。傳統(tǒng)的諧波抑制方法是采用無源濾波器，但它存在許多缺陷，例如：濾波特性受系統(tǒng)參數(shù)的影響較大，只能消除特定的幾次諧波，可能與系統(tǒng)產(chǎn)生并聯(lián)諧振，諧波電流增加導致濾波器負荷過重等，使得諧波抑制效果受到影響。針對并聯(lián)型有源濾波器提出了一種電流控制新方法，與傳統(tǒng)控制方式不同，該方式不需要檢測非線性負載中的諧波及無功電流。本文論述了并聯(lián)型有源濾波器電流控制的等效原理，MATLAB仿真結(jié)果表明，省略了檢測環(huán)節(jié)的該控制方法電路結(jié)構(gòu)簡單，大大簡化了算法的研究，能夠更加簡單準確地補償諧波電流，動態(tài)響應速度也很快。關鍵詞：

9、電力電子技術；并聯(lián)型有源濾波器；等效原理；電流控制；諧波及無功電流AbstractIn modern power system, with a variety of non-linear power electronic devices of a large number of applications, power quality concern. These devices into the power system harmonics, so that the harmonic power grids have become more polluted and the quality o

10、f the deterioration of electrical energy transmission. Thus, the solution to harmonic problems, become increasingly important. Traditional methods of harmonic suppression is the use of passive filter, but it has many defects, such as: filtering properties of the impact of system parameters by a larg

11、er number of only the elimination of specific harmonics, may have a parallel resonance with the system, harmonic current increase in overloaded filters, such as lead, making the effect of harmonic suppression affected. In this paper, a new and efficient based on DSP (digital signal processor)-contro

12、lled single-phase active power filter.A new equivalence principle of current control for shunt active power filters is introduced, which has no use for measurement of harmonic and reactive currents of nonlinear loads. This paper analyzes and demonstrates the principle. Simulation results by MATLAB a

13、re given to show that the equivalence principle without measurements has many merits such as simpler circuit configuration and algorithm, more exact compensation effectiveness and rapid dynamic response. Key words: power electronic technique; shunt active power filters; equivalence principle; curren

14、t control目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc28750并聯(lián)型有源濾波器電流控制新方法 PAGEREF _Toc28750 II HYPERLINK l _Toc11290摘 要 PAGEREF _Toc11290 II HYPERLINK l _Toc25153Abstract PAGEREF _Toc25153 III HYPERLINK l _Toc13082目 錄 PAGEREF _Toc13082 IV HYPERLINK l _Toc58441緒論 PAGEREF _Toc5844 1 HYPERLINK l _Toc62161.1諧波抑

15、制的意義 PAGEREF _Toc6216 1 HYPERLINK l _Toc163131.2諧波抑制的措施 PAGEREF _Toc16313 3 HYPERLINK l _Toc289071.3電能質(zhì)量 PAGEREF _Toc28907 5 HYPERLINK l _Toc97141.4本文主要研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc9714 7 HYPERLINK l _Toc121492常用濾波器的性能比較分析 PAGEREF _Toc12149 8 HYPERLINK l _Toc209532.1有源濾波器 PAGEREF _Toc20953 9 HYPERLINK l _Toc173

16、672.1.1有源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc17367 10 HYPERLINK l _Toc247182.1.2有源濾波器的工作原理 PAGEREF _Toc24718 10 HYPERLINK l _Toc306572.1.3衡量APF補償性能的指標 PAGEREF _Toc30657 11 HYPERLINK l _Toc229932.1.4有源濾波器的主電路結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc22993 12 HYPERLINK l _Toc116742.1.5有源濾波器的分類比較 PAGEREF _Toc11674 12 HYPERLINK l _Toc126752.2

17、無源濾波器 PAGEREF _Toc12675 18 HYPERLINK l _Toc83023諧波電流檢測方法研究 PAGEREF _Toc8302 20 HYPERLINK l _Toc149533.1概述 PAGEREF _Toc14953 20 HYPERLINK l _Toc297423.2諧波檢測方法的發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc29742 20 HYPERLINK l _Toc153454控制策略的研究 PAGEREF _Toc15345 26 HYPERLINK l _Toc84244.1正弦脈寬調(diào)制技術 PAGEREF _Toc8424 26 HYPERLINK l _

18、Toc109954.2滯環(huán)控制 PAGEREF _Toc10995 31 HYPERLINK l _Toc227664.3空間矢量PWM控制 PAGEREF _Toc22766 32 HYPERLINK l _Toc178784.4外層控制 PAGEREF _Toc17878 32 HYPERLINK l _Toc186905.1概述 PAGEREF _Toc18690 34 HYPERLINK l _Toc57585.2諧波檢測環(huán)節(jié)仿真實現(xiàn) PAGEREF _Toc5758 34 HYPERLINK l _Toc191955.2.1三相/兩相變換SIMULINK下實現(xiàn) PAGEREF _To

19、c19195 35 HYPERLINK l _Toc125155.2.2低通濾波器的仿真實現(xiàn) PAGEREF _Toc12515 35 HYPERLINK l _Toc98595.2.2低通濾波器的仿真實現(xiàn) PAGEREF _Toc9859 35 HYPERLINK l _Toc315655.2.3兩相/三相變換SIMULINK下實現(xiàn) PAGEREF _Toc31565 36 HYPERLINK l _Toc63675.2.4諧波提取部分仿真實現(xiàn) PAGEREF _Toc6367 36 HYPERLINK l _Toc300885.3諧波補償環(huán)節(jié)仿真實現(xiàn) PAGEREF _Toc30088 3

20、7 HYPERLINK l _Toc255695.3.1主電路等效電路圖 PAGEREF _Toc25569 37 HYPERLINK l _Toc242005.3.2主電路仿真實現(xiàn) PAGEREF _Toc24200 38 HYPERLINK l _Toc259685.3.3諧波補償實現(xiàn) PAGEREF _Toc25968 38 HYPERLINK l _Toc215865.3.4負載側(cè)電壓和電流 PAGEREF _Toc21586 40 HYPERLINK l _Toc1100結(jié) 論 PAGEREF _Toc1100 421緒論 電能己成為現(xiàn)代人類生活中不可缺少的重要元素之一，無論在工業(yè)生

21、產(chǎn)還是日常生活中，用戶對電力的可靠性及質(zhì)量要求都在不斷提高。隨著社會的發(fā)展和科技的進步，尤其是電力電子裝置的廣泛應用，一方面電力系統(tǒng)中的諧波污染隨著非線性負載的數(shù)量和容量增加而日趨嚴重，另一方面供電方及其電力系統(tǒng)設備、用戶及其用電器對電能質(zhì)量的要求也日益提高，愈發(fā)嚴重的諧波污染與越來越高的電能質(zhì)量要求形成了一對尖銳的矛盾。尤其是IT產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展使得人類更加依賴數(shù)字化設備所提供的信息與服務，而數(shù)字化的設備對供電的質(zhì)量要求更高。同時，現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，電力電子設備的應用日益廣泛，這些負荷的非線性、沖擊性和不平衡的用電特性對供電質(zhì)量造成了嚴重污染。近年出現(xiàn)的用戶電力技術(Custom Power)概

22、念就表明了信息時代的電力用戶己經(jīng)明確提出了對電能質(zhì)量的要求，因而對改善電能質(zhì)量的研究己是刻不容緩。 1.1諧波抑制的意義 自從采用交流電作為電能輸送的一種方式起，人們就已知道電力系統(tǒng)中的諧波問題。但是，近年來隨著非線性設備的大量使用，使得這一問題更加突出。 通常作為諧波源，非線性設備可分為以下幾類： 1、傳統(tǒng)非線性設備，包括變壓器、旋轉(zhuǎn)電機以及電弧爐等。 2、現(xiàn)代電力電子非線性設備，包括熒光燈、在工業(yè)界和現(xiàn)代辦公設備中廣泛使用的電子控制裝置和開關、電源、晶閘管控制設備等。 電力變壓器是一種諧波源，由于經(jīng)濟原因，變壓器使用的磁性材料通常在接近非線性或就在非線性區(qū)域運行。在這種情況下，即使所加的電

23、壓是正弦的，變壓器的勵磁電流也是非正弦的，因而包含諧波。同樣，即使勵磁電流是正弦的，電壓也不可能完全是正弦的。對于旋轉(zhuǎn)電機來說，其線圈被嵌入線槽中，由于這些線槽不可能完全按正弦分布，從而使得產(chǎn)生的磁動勢是畸變的，因此旋轉(zhuǎn)電機也被認為是諧波源。在熒光燈中，每隔半個周波電壓被建立起來直到熒光燈被點亮，點亮狀態(tài)下熒光燈呈負電阻特性，其電流由感性的非線性鎮(zhèn)流器來限制，因此電流是畸變的。靜止無功補償裝置如TSC、TCR由于應用晶閘管來控制電容或是電感的導通時間，因此，它也會產(chǎn)生非正弦的斬波電流。三相變流器產(chǎn)生諧波則是由于直流電流在交流三相之間不斷換相引起的。在大多數(shù)情況下，電網(wǎng)中的諧波成分可能不會對電網(wǎng)

24、和電氣設備構(gòu)成嚴重的威脅，但在一定條件下，諧波成分會嚴重影響電氣裝置及聯(lián)到該裝置上的設備的正常運行，甚至會影響電力系統(tǒng)本身的安全穩(wěn)定運行。如：廣西蘋果鋁廠1996年6月因諧波超標，導致電容器爆炸，損壞高壓開關和主變壓器，造成大面積停電；湖南漣鋼1998年7月，因5次諧波超標，導致豹南山220KV變電站停電16小時；由于電氣化鐵路產(chǎn)生的負序電流和諧波電流的影響，鄭州電網(wǎng)繼電保護誤動，致使京廣線中斷數(shù)小時。 目前電力系統(tǒng)諧波已成為影響電能質(zhì)量的公害，其危害主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1、電力電容器引起的諧波放大。 2、增加旋轉(zhuǎn)電機的損耗。 3、增加輸電線的損耗，縮短輸電線壽命。 4、增加變壓器的損耗

25、。 5、造成繼電保護、自動裝置工作紊亂。 6、引起電力測量的誤差。 7、干擾通訊系統(tǒng)。 8、電弧熄滅。 發(fā)達國家的經(jīng)驗表明，隨著科學技術的發(fā)展，非線性負荷用電設備的種類、數(shù)量和用電量將會迅猛增加。很明顯，隨著我國改革開發(fā)和經(jīng)濟建設的發(fā)展，我國電網(wǎng)已開始遭遇并將迅速面臨發(fā)達國家當前的諧波局面，即隨著高新技術的發(fā)展，諧波污染源的使用數(shù)量猛增，電網(wǎng)電壓畸變率也將上升。另一方面，各類家用電器層出不窮，精密儀器設備發(fā)展迅猛，信息時代已經(jīng)到來，越來越多的電氣用戶對取用的電能形態(tài)和功率流動的控制與處理提出了新的要求。 綜上所述，對電能質(zhì)量已經(jīng)不能僅用頻率和電壓這兩個指標來評價了，諧波已成為電能質(zhì)量另一個重要

26、指標。為了避免諧波的危害，不少國家和國際組織制訂了限制用電設備諧波的標準，如被廣泛接受的IEEE5 1 9標準和I E C 555-2標準?？梢姡瑹o論是從保障電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行的角度，還是從用戶用電設備的安全、正常工作的角度，有效地治理諧波，將其限制在允許范圍之內(nèi)，還電網(wǎng)一個潔凈的電氣環(huán)境，營造“綠色電網(wǎng)”，已經(jīng)迫在眉睫。我國諧波治理的水平還比較低，對電力科技工作者來說，諧波治理問題的研究具有十分重大的理論和現(xiàn)實意義。 1.2諧波抑制的措施 諧波治理的措施主要有三種：一是受端治理，即從受到諧波影響的設備或系統(tǒng)出發(fā)，提高它們抗諧波干擾能力；二是主動治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源不

27、產(chǎn)生諧波或降低諧波源產(chǎn)生的諧波；三是被動治理，即外加濾波器，阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)，或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負載端。 受端治理的措施主要有以下幾種： 1、選擇合理的供電方式。 2、避免電容器對諧波的放大。 3、提高設備抗諧波干擾能力。 4、改善諧波保護性能。 主動治理諧波的措施主要有以下幾種： 1、增加變流裝置的相數(shù)或脈沖數(shù)。改造變流裝置或利用相互間有一定移相角的換流變壓器，可有效減小諧波含量，其中包括多脈整流和準多脈整流技術，但是裝置更加復雜。 2、改變諧波源的配置或工作方式。具有諧波互補性的裝置應集中，否則應適當分散或交替使用，適當限制會大量產(chǎn)生諧波的工作方式。 3、多重化技術。將

28、多個變流器聯(lián)合起來使用，用多重化技術將多個方波疊加，以消除頻率較低的諧波，得到接近正弦波的階梯波，但裝置復雜，成本較高。 4、諧波疊加注入。利用三次倍數(shù)的諧波和外部的三次倍數(shù)的諧波源，把諧波電流加到產(chǎn)生的矩形波形上，可用于降低給定的運行點處的某些諧波。缺點是必須保證使三次倍數(shù)的諧波源與系統(tǒng)的同步，且諧波發(fā)生器的功率消耗常常高達整流器直流功率的10。 5、采用PWM技術。采用脈寬調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）技術，使得變流器產(chǎn)生的諧波頻率較高、幅值較小，波形接近正弦波，但只適用于自關斷器件構(gòu)成的變流器。 6、設計或采用高功率因數(shù)變流器。比如采用矩陣式變頻器、四象限變流

29、器等，可以使變流器產(chǎn)生的諧波非常少，且功率因數(shù)可控制為1。被動治理諧波的措施主要有以下幾種： 1、采用無源濾波器PF（Passive Filter）。在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點裝設單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時還可以進行無功功率補償，運行維護也簡單。 2、采用有源濾波器APF（Active Power Filter）。在諧波源附近和公用電網(wǎng)節(jié)點裝設并聯(lián)型或串聯(lián)型APF，可以有效地起到補償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型還可以進行無功功率補償，但裝置造價較高。 3、采用混合型有源濾波器HAPF（Hybrid Active Power Filter）。H A P F兼具P F成本低廉和A P

30、F性能優(yōu)越的優(yōu)點，屬于APF的分支和發(fā)展。HAPF的種類很多，大致可分為與P F的混合和與其它變流器的混合兩類。 在被動治理諧波的措施中，無源濾波器本質(zhì)上是頻域處理方法，也就是將非正弦周期電流分解成傅立葉級數(shù)，對某些諧波進行吸收以達到治理的目的。有源濾波器則是在時域中對非正弦周期電流進行分解后，再進行適當?shù)碾娏餮a償，從而改善系統(tǒng)的電流波形。 目前在治理諧波的措施中，廣泛采用無源濾波器PF。它利用電感、電容元件的諧振特性，在阻抗分流回路中形成低阻抗支路，從而減小流向電網(wǎng)的諧波電流但由于結(jié)構(gòu)原理上的原因，在應用中存在著一些難以克服的缺點： 1、有效材料消耗多、體積大； 2、抑制較低次諧波的單調(diào)諧濾

31、波器只對調(diào)諧點的諧波效果明顯，而對偏離調(diào)諧點的諧波無明顯效果，而實際工程設計時考慮設計投資又不可能靠增加濾波器的辦法解決； 3、當系統(tǒng)中諧波電流增大時，無源濾波器可能過載，甚至損壞設備； 4、濾波效果隨系統(tǒng)運行情況而變化，當系統(tǒng)阻抗和頻率波動時，濾波效果變差； 5、濾波器的諧振頻率會因電容、電感參數(shù)的偏差或變化而改變，電網(wǎng)頻率會有一定的波動，這將導致濾波器的失諧； 6、當系統(tǒng)阻抗和頻率變化時，可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，使裝置無法運行，甚至使整個濾波系統(tǒng)無法正常運行； 7、可能與電力系統(tǒng)發(fā)生串聯(lián)諧振，造成電壓波形畸變而產(chǎn)生附加的諧波電流流進無源濾波器，影響濾波效果； 國內(nèi)外的設計研究人員均注意到無

32、源濾波器設計和運行中存在的問題，研究出若干解決辦法，通過優(yōu)化設計在一定程度上提高了無源濾波器的使用效果，但無源濾波器由于原理上帶來的缺點是無法徹底克服的。因此，有必要采用其它濾波方式來抑制諧波。有源濾波器就是一種能夠彌補無源濾波器不足的一種新型諧波抑制設備。與傳統(tǒng)的PF一樣，有源電力濾波器APF也是給諧波電流或諧波電壓提供一個在諧振頻率處等效導納為無窮大的并聯(lián)網(wǎng)絡或等效阻抗為無窮大的串聯(lián)網(wǎng)絡，但是一臺APF理論上可以擁有無窮多個諧振頻率。 在今天的電力電子器件的制造水平下，單獨采用有源電力濾波器實現(xiàn)高壓大功率的諧波補償較為困難,而且成本也非常昂貴，因而采用混合型有源電力濾波器HAPF將無源濾波

33、器PF和有源電力濾波器APF結(jié)合起來，取兩者之長，避免它們的短處，是當前中、高電壓大功率有源電力濾波器推廣應用的必然途徑。 1.3電能質(zhì)量 一個理想的電力系統(tǒng)應以恒定頻率(50Hz)和正弦波形，按規(guī)定的電壓水平(標稱電壓)對用戶供電。在三相交流電力系統(tǒng)中，各相的電壓應處于幅值相等，相位相差120o的對稱狀態(tài)。由于系統(tǒng)各元件(發(fā)電機、變壓器、線路等)參數(shù)并不是理想線性或?qū)ΨQ的，而且負荷性質(zhì)各異并可能隨機變化，加之調(diào)控手段的不完善以及運行操作、外來干擾和各種故障等原因，這種理想狀態(tài)在實際當中并不存在，而由此產(chǎn)生了電網(wǎng)運行、電氣設備使用中的各種各樣的問題，也就產(chǎn)生了電能質(zhì)量(Power Qualit

34、y)的概念。 電能質(zhì)量中包括電壓質(zhì)量和電流質(zhì)量。電壓質(zhì)量(Voltage Quality)指實際電壓與理想電壓間的偏差，包含幅值、波形、相位等，它反映供電企業(yè)向用戶供給的電力是否合格。電流質(zhì)量(Current Quality)指對用戶取用的電流提出恒定頻率、正弦波形的要求，并使電流波形與供電電壓同相位，以保證系統(tǒng)以高功率因數(shù)運行，這個定義不能概括因電壓原因造成的質(zhì)量問題。 為了提高勞動生產(chǎn)率和自動化水平，基于計算機、微處理器的測量、分析、管理、生產(chǎn)及控制設備大顯投入使用，信息的傳送及互聯(lián)網(wǎng)的應用日益普及。這些用戶對電能質(zhì)量非常敏感，一個計算中心失去電壓2s就可能破壞幾十個小時的數(shù)據(jù)處理結(jié)果或者

35、損失幾十萬元美元的產(chǎn)值。當今自動化設備和連續(xù)精加工生產(chǎn)，例如柔性制造系統(tǒng)(FMS)或計算機綜合制造系統(tǒng)(CIMS)，它們對配電系統(tǒng)中的干擾非常敏感，甚至幾分之一秒的不正常就可能在工廠內(nèi)部造成混亂，這些用戶對不合格電力的容許度可嚴格到12個周波?？梢?，一方面用戶對電力系統(tǒng)造成的干擾不容忽視，另一方面，用戶對電能質(zhì)量的要求也越來越高，而且這種矛盾隨著科技的進步越來越明顯。 電能質(zhì)量不完全取決于電力生產(chǎn)企業(yè)，有的質(zhì)量指標，例如諧波、電壓波動和閃變，三相電壓不平衡度，往往由用戶的干擾決定；還有一部分是由難以預測的事故和外力破壞(如雷擊)引起的。該特點說明：全面保障電能質(zhì)量既是電力企業(yè)的責任，也是用戶應

36、盡的義務。 改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)和電氣設備的安全、經(jīng)濟運行，保障產(chǎn)品質(zhì)量以及人民生活和生產(chǎn)的正常運轉(zhuǎn)均有重要意義，人們早期對電能質(zhì)量問題的認識比較簡單。主要局限在保持電網(wǎng)頻率和電壓水平 (即靜態(tài)或平均偏差不過大)。自20世紀80年代以來，隨著新型電力負荷迅速發(fā)展以及它們對電能質(zhì)量的要求不斷提高，電能質(zhì)量才逐漸成為電力企業(yè)和用戶共同關心的問題。目前電能質(zhì)量中某些問題己成為電工領域的前沿性課題，吸引了許多高等院校、科研院所和一大批電力科技工作者投入其中從事工作。 目前，改善電能質(zhì)量的手段有技術相當成熟的無源濾波器、靜止無功補償裝置(SVC)等，還有基于的電力電子技術的靈活交流輸電系統(tǒng)(FACTS-

37、Flexible AC Transmission System)和作為FACTS技術延伸的DFACTS技術(又稱Custom Power技術)。其中，目前主要的FACTS裝置有：靜態(tài)無功補償器(STATCOM)、晶閘管控制的串聯(lián)投切電容器(TSSC)、可控串聯(lián)補償電容器(TCSC)、統(tǒng)一潮流控制器(UPFC)等。目前主要的DFACTS裝置有：有源濾波器(APF)、動態(tài)電壓恢復器(DVR)、配電系統(tǒng)用靜止無功補償器(D-STATCOM）、固態(tài)切換開關(SSTS)等。 而電能質(zhì)量的四個方面(電壓波動和閃變、諧波和電壓三相不平衡、電壓降低和供電中斷)都可歸結(jié)為波形的畸變。APF可以有效地補償?shù)诙N和

38、第三種畸變，而第一種和第四種畸變可以通過DVR本身的儲能單元向系統(tǒng)注入正常電壓與故障電壓之差來補償。因此，有源電力濾波器在電能質(zhì)量的改善中起到重要的作用。 另外，電能質(zhì)量綜合治理可以綜合上述各項功能。目前也得到了廣泛的重視，典型裝置為統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)，UPQC是并聯(lián)型有源電力濾波器和串聯(lián)型有源電力濾波器的組合，既能吸收負荷側(cè)的諧波，又能快速補償供電電壓中的電壓跌落、波動和閃變、各相電壓的不平衡以及故障時的短時電壓中斷，具有對電能質(zhì)量綜合調(diào)控的功能。1.4本文主要研究內(nèi)容 由于無源濾波器的固有缺陷，使其在有些系統(tǒng)中無法正常工作，而有源濾波器能夠克服這些缺點。隨著工業(yè)的發(fā)展，諧波污染

39、會變得越來越嚴重，同時對電能質(zhì)量的要求也會越來越高。從長遠來看，有源濾波器終將成為電力系統(tǒng)諧波抑制和無功補償?shù)闹饕b置。隨著研究的進展，有源濾波器的諧波檢測及控制部分的電路可以集成化，這樣不同的負載只需選擇不同的交流側(cè)耦合電感、直流側(cè)電容及逆變器功率器件即可，可以做到通用性，且體積小，易于實現(xiàn)，價格便宜?！熬G色電源”（即無諧波污染的電源）口號的提出，要求每個用電用戶不能對供電系統(tǒng)電源產(chǎn)生諧波污染，而有源濾波器能夠解決這個問題，它可以就地進行補償，使諧波不會影響到整個電力網(wǎng)。 本文研究的主要內(nèi)容如下： 1、研究并聯(lián)型有源電力濾波器的工作原理、控制策略，介紹常見的幾種并聯(lián)有源電力濾波器拓撲結(jié)構(gòu)。

40、2、分析諧波電流的檢測方法，利用SIMULINK構(gòu)建仿真模型并驗證。 3、采用雙閉環(huán)控制策略實現(xiàn)有源電力濾波器的諧波抑制作用。 2常用濾波器的性能比較分析 電力系統(tǒng)中產(chǎn)生諧波的設備日益增多，對電力系統(tǒng)諧波的治理受到越來越高的重視。如何減少諧波成為治理諧波的關鍵一步，其主要措施有以下幾點： 1、增加換流裝置的相數(shù)或脈動數(shù)：改造換流裝置或利用相互間有一定移相角的換流變壓器?？捎行У販p少諧波量；換流裝置容量應相等，此方法使裝置復雜化； 2、加裝交流濾波裝置：在諧波源附近裝若干單調(diào)諧及高通濾波支路，以吸收諧波電流?？捎行У販p少諧波量；同時應考慮功率因數(shù)補償和電壓調(diào)整效應；裝置運行維護簡單，但需專門設計

41、； 3、改變諧波源的配置或工作方式：具有諧波互補性的裝置應集中，否則應適當分散或交替使用，適當限制諧波量大的工作方式?？梢詼p少諧波的影響；對裝置的配置和工作方式有一定的要求； 4、加裝靜止無功補償裝置(或稱動態(tài)無功補償裝置)：采用TCR或SR型靜止補償裝置時其容性部分設計成濾波器，可有效地減少諧波源的諧波量，有抑制電壓波動、閃變、三相不平衡和補償功率因數(shù)的功能，具有綜合的技術經(jīng)濟效益，但一次投資較大，需專門設計； 5、增加系統(tǒng)承受諧波能力：將諧波源改由較大容量的供電點或由一級電壓的電網(wǎng)供電?？梢詼p少諧波的影響；此方法應在規(guī)劃和設計階段考慮； 6、避免電容器對諧波的放大：改變電容器的串聯(lián)電抗器，

42、或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，或限定電容器組的投入容量。可以有效地減少電容器對諧波的放大并保證電容器組的安全運行；需專門設計； 7、提高設備抗諧波干擾能力，改善諧波保護性能：改進設備性能，對諧波敏感設備采用靈敏的諧波保護裝置，適用于諧波(特別是暫態(tài)過程中諧波)較敏感的設備；需專門研究； 8、采用有源濾波器等新型抑制諧波的措施：此方法正在研制和逐步推廣應用。目前還只用于低壓小容量諧波源的補償上，造價較高。 在諧波抑制技術方面，有了許多成果，由交流電抗器和電容器組成的無源濾波器國內(nèi)外均己大量應用到工程實際中，而有源濾波器的初步應用，經(jīng)實踐表明了這一新型的諧波抑制裝置有著更為廣闊的發(fā)展及應用前景

43、。下面就目前較常用的有源濾波器和無源濾波器的性能做一下分析、比較。2.1有源濾波器 有源濾波器作為改善供電質(zhì)量的一項關鍵技術，在日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家已得到了高度重視和日益廣泛的應用。目前，世界上有源濾波器的主要生產(chǎn)廠家有日本的三菱電機公司、美國的西屋電氣公司、德國的西門子公司等。有源濾波器具有以下幾點特性： 1、有源濾波器的雙向補償特性，當負載電流含有較大的諧波時，為了使負載的諧波不流入系統(tǒng)電源，在負載端通過有源濾波器就地給予抑制，從而使系統(tǒng)電源不受污染，保持正弦波； 2、對各次諧波均能有效地抑制，且可提高功率因數(shù)； 3、系統(tǒng)阻抗和頻率發(fā)生波動時，不會影響補償效果； 4、不會產(chǎn)生諧振

44、現(xiàn)象，并能抑制由于外電路諧振產(chǎn)生的諧波電流的放大； 5、不存在過載問題，即當系統(tǒng)中諧波較大時，裝置仍可運行，無需斷開。 有源濾波器之所以具有這些特性是因為它實質(zhì)上可看作是一個電流源，對于不同的負載，根據(jù)補償指令電流的大小來輸出所需的電流，可用于大的負載，也可以用于小的負載。 目前有源濾波器的發(fā)展面臨以下問題： 1、由于電流檢測的延時與逆變輸出電路工作的滯后等因素的影響，有源濾波器很難對諧波電流、無功電流和負序電流做到實時補償。在實際應用中，很難確定有源濾波器延時特性對補償效果的影響； 2、從畸變電流的檢測上，面對目前檢測存在的問題，如何從非線性負載電流中準確、實時地分離出諧波電流、無功電流和負

45、序電流，使有源濾波器的性能得到充分地發(fā)揮； 3、從電流控制方法上，如何更好地根據(jù)畸變電流的檢測結(jié)果，通過合理的控制手段產(chǎn)生需要的補償電流； 4、從主電路結(jié)構(gòu)上，如何將大容量電力電子器件及其外圍電路進行合理配置，以使有源濾波器能夠安全可靠地長期運行，并使其在我國早日步入工業(yè)化應用階段。 本文從目前有源濾波器面臨的主要問題入手，尋求解決問題的最佳方案。 2.1.1有源電力濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀 有源濾波的思想最早是在1971年由H.Sasaki和T.Machida提出的，當時是采用線性放大的方法產(chǎn)生補償電流，損耗大、成本高，因而僅在實驗室研究，未能在工業(yè)中實用。1976年，L.Gyugyi等人提出用四象

46、限PWM變流器構(gòu)成有源電力濾波器，正式確立了有源濾波的概念，并提出了相應的主電路基本拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法。其基本原理是通過向電網(wǎng)注入與原有諧波和無功電流大小相等方向相反的補償電流，使電網(wǎng)的總諧波和無功電流為零，從而達到凈化電網(wǎng)的目的。但是由于當時電力電子技術的發(fā)展水平還不高，全控型器件功率小、頻率低，加上限于當時控制策略和控制芯片的水平，因而有源濾波器仍局限于實驗研究，70年代后半期沒有得到大的進展。直到進入80年代以來，隨著新型電力半導體器件的不斷發(fā)展、脈寬調(diào)制技術的不斷進步以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，使APF得到迅速完善和發(fā)展。2.1.2有源濾波器的工作原理 有源濾

47、波器的總體構(gòu)成如圖2.1所示。圖中檢測及控制電路部分對負載電流進行檢測，分離出諧波電流部分，用以控制主電路輸出相應的補償電流。對主電路輸出的電流進行檢測是為了使主電路輸出的電流更好地跟蹤由于負載電流的變化而引起的諧波電流大小的變化。 負載電流il按傅里葉級數(shù)展開為：有源濾波器產(chǎn)生一個與負載諧波電流幅值相等，相位相反的諧波電流注入諧波源，即可將諧波抵消掉，使之不會流入系統(tǒng)電源。有源濾波器可同時進行無功補償，這時只需使，則，即系統(tǒng)電源中就只需供給負載電流中的基波有功電流，這樣圖2.1中的is，就是補償了諧波和基波無功電流后系統(tǒng)電源供給的電流。 2.1.3衡量APF補償性能的指標 從理論上講，APF

48、可使非線性負載電流中的諧波、無功和負序電流得到完全補償，但實際中很難做到。從電流檢測到主電路產(chǎn)生實際需要的補償電流的過程中，都不可避免地要帶來誤差。因此需要一個衡量有源電力濾波器補償性能的指標。 負載（諧波源）主電路檢測及控制電路 系統(tǒng)電源 圖2.1 有源濾波器總體構(gòu)成框圖有源電力濾波器對高次諧波電流補償?shù)男Ч梢杂醚a償前后電源電流的總諧波畸變率THD來衡量。當補償后電源電流總的諧波畸變率小于補償前的諧波畸變率時，可以認為有源濾波器對諧波電流進行了有效補償。補償后電源電流總的諧波畸變率越小，補償效果越好。當補償后電源電流總的諧波畸變率為零時，諧波電流得到了徹底補償。實際運行中的APF的補償率一

49、般為80-85%。 有源電力濾波器對基波無功和負序電流的補償效果可以用電源電流中無功電流和負序電流的殘留情況來衡量。若補償后電源電流中的無功電流和負序電流的有效值和幅值明顯減小，即可認為有源電力濾波器對無功電流和負序電流進行了有效補償。補償后電源電流的無功電流和負序電流越小，補償效果越好。當補償后電源電流的無功電流和負序電流為零時，無功電流和負序電流得到了徹底補償。 2.1.4有源濾波器的主電路結(jié)構(gòu) 有源濾波器主電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。輸出電源可控原件開關儲能元件圖2.2 有源濾波器主電路結(jié)構(gòu)圖 圖中儲能元件(電感或電容)的作用是充當直流電源(電流源或電壓源)，為可控開關電路進行逆變提供

50、保證，可控開關電路實為一個PWM逆變器。在圖2.1中檢測電路從系統(tǒng)中檢測并分離出諧波電流，使控制電路產(chǎn)生通斷控制信號去控制可控開關電路的通斷?？煽亻_關電路的作用是根據(jù)控制信號把儲能元件儲存的電能以適當?shù)男问浇?jīng)輸出電路接入系統(tǒng)中，產(chǎn)生需要的補償電流。 根據(jù)儲能元件(電容或電感)的不同，將有源濾波器分為電壓型和電流型兩種，圖2.3所示為電壓型有源濾波器的主電路圖，其儲能元件為電容，可控開關電路通常由GTO或IGBT等大功率電力電子元件構(gòu)成，輸出部分為電感。電壓型有源濾波器的工作原理是根據(jù)檢測信號產(chǎn)生PWM輸出電壓，再經(jīng)交流側(cè)電抗器轉(zhuǎn)換成所需的補償電流。 電流型有源濾波器，其儲能元件是電感，具有運行

51、中損耗較大，輸出部分需增加解調(diào)濾波器等缺點，因此實際中較少采用。由于電壓型有源濾波器有能量損耗小和易于控制等優(yōu)點，目前有源濾波器的研究方向主要是電壓型有源濾波器。 2.1.5有源濾波器的分類比較 按照不同的劃分標準，有源濾波器有多種分類的方法，分別介紹如下。圖2.4為有源濾波器的分類框圖。 1、根據(jù)接入電網(wǎng)的方式不同，分為兩大類：并聯(lián)型有源濾波器和串聯(lián)型有源濾波器；并聯(lián)型有源濾波器與負載并聯(lián)接入電網(wǎng)，它主要適用于電流型負載的諧波、無功和負序電流的補償。串聯(lián)型有源濾波器與負載串聯(lián)接入電網(wǎng)，主要消除電壓型諧波源對系統(tǒng)的影響。 圖2.3 電壓型有源濾波器主電路圖 2、根據(jù)主電路的儲能元件不同，分為電

52、壓型有源濾波器和電流型有源濾波器兩 種。在上節(jié)已有詳細介紹。 3、根據(jù)主電路所使用的PWM變流器數(shù)量，可以分為單個主電路有源濾波器和多重化主電路的有源濾波器。后者可以提高有源濾波器的容量，降低單個器件的工作頻率。 4、根據(jù)接入系統(tǒng)的不同，可以分為單相有源濾波器和三相有源濾波器。后者又可以分為三相三線制有源濾波器和三相四線制有源濾波器。 本文介紹的有源濾波器主要根據(jù)接入電網(wǎng)方式的不同進行分類。 1、并聯(lián)型有源濾波器 (1) 單獨使用的并聯(lián)型有源濾波器 單獨使用的并聯(lián)型有源濾波器系統(tǒng)構(gòu)成的原理如圖2.5所示。圖中負載為產(chǎn)生諧波的諧波源，變流器和與其相連的電感、直流側(cè)儲能元件(圖中為電容)共同組成有

53、源濾波器的主電路。與有源濾波器并聯(lián)的小容量的一階高通濾波器(或采用二階高通濾波器)用于濾去有源濾波器所產(chǎn)生的補償電流中開關頻率附近的諧波，它們均可用于單相或三相系統(tǒng)。由于有源濾波器的主電路與負載并聯(lián)接入電網(wǎng)，故稱為并聯(lián)型。又由于其補償電流基本上由有源濾波器提供，與其它方式相區(qū)別，稱之為單獨使用方式。這是有源濾波器中最基本方式，也是目前應用最多的方式，本文也主要是討論這種類型的濾波器。 有源濾波器并聯(lián)型串聯(lián)型單獨使用方式與LC濾波器混合使用方式單獨使用方式與LC濾波器并聯(lián)與LC濾波器混合使用方式與LC濾波器串聯(lián)注入電路方式LC串聯(lián)諧振方式LC并聯(lián)諧振方式圖2.4 有源濾波器的分類 圖2.5 單獨

54、使用的并聯(lián)型有源濾波器 (2) 與LC濾波器混合使用方式。 這種方式正是為了克服上一種方式要求容量較大的這一缺點而提出的。其基本思想是利用LC濾波器來分擔有源濾波器的部分補償任務。由于LC濾波器與有源濾波器相比，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)且成本低，而有源濾波器的優(yōu)點是補償性能好。兩者結(jié)合同時使用，即可克服有源濾波器容量大、成本高的缺點，又可使整個系統(tǒng)獲得較好的性能。 并聯(lián)型有源濾波器與LC濾波器混合使用的方式又可以分為兩種：一種是有源濾波器與LC濾波器并聯(lián)，另一種是有源濾波器與LC濾波器的串聯(lián)。圖2.6(a)是有源濾波器與LC濾波器并聯(lián)方式的一種。 有源濾波器和LC濾波器均與諧波源并聯(lián)接入電

55、網(wǎng)，兩者共同承擔諧波補償?shù)娜蝿?，LC濾波器主要補償較高次的諧波，是一個高通濾波器。這里，高通濾波器一方面用于消除補償電流中因主電路中器件通斷而引起的諧波，另一方面它可濾除補償對象中次數(shù)較高的諧波，從而使得對有源濾波器主電路的器件開關頻率的要求有所降低。這種方式中，由于LC濾波器只分擔了少部分補償諧波任務，故對降低有源濾波器的容量起不到明顯的作用。但因?qū)τ性礊V波器的主電路中器件的開關頻率要求不高，所以實現(xiàn)大容量相對容易一些。 圖2.6(b)是有源濾波器與LC濾波器并聯(lián)方式的另一種方式。在這種方式中，LC濾波器包括多組單調(diào)諧濾波器，承擔了絕大部分補償諧波和無功的任務。 (a) (b)圖2.6 并聯(lián)

56、型有源濾波器與LC濾波器并聯(lián)方式圖2.7 并聯(lián)型有源濾波器與LC濾波器串聯(lián)方式 有源濾波器的作用是改善整個系統(tǒng)的性能，所需容量與單獨使用方式比可大幅度降低。圖2.7所示為并聯(lián)型有源濾波器與LC濾波器串聯(lián)方式的原理圖。該方式中，諧波和無功功率主要由LC濾波器補償，而有源濾波器的作用是改善LC濾波器的濾波特性，克服LC濾波器的易受電網(wǎng)阻抗的影響、易與電網(wǎng)阻抗發(fā)生諧振的缺點。這種方式中，有源濾波器不承受交流電源的基波電壓，因此裝置容量小。由于有源濾波器與LC濾波器仍是與諧波源并聯(lián)入電網(wǎng)，故仍將其歸入并聯(lián)型。 2、串聯(lián)型有源濾波器 串聯(lián)型有源濾波器包括單獨使用方式和與LC濾波器混合使用方式兩種。 (1

57、) 單獨使用的串聯(lián)型有源濾波器 圖2.8是這種方式的原理圖。這種方式的特點是有源濾波器作為電壓源串聯(lián)在電源和諧波源之間。主要用于補償可看作電壓源的諧波源，這種諧波源的一個典型例子是電容濾波型整流電路，這種整流電路從交流側(cè)可被看作電壓源，串聯(lián)型有源濾波器輸出補償電壓，抵消由負載產(chǎn)生的諧波電壓，使供電點電壓波形成為正弦波。 (2) 與LC濾波器混合使用方式 圖2.9是這種方式的原理圖。這種方式在并聯(lián)的負載和LC濾波器與電源之間串入有源濾波器。其特點與圖2.7所示的方式類似，諧波基本由LC濾波器補償，而有源濾波器的作用是改善LC濾波器的濾波特性?？蓪⒂性礊V波器看作一個可變阻抗，它對基波阻抗為零，對諧

58、波卻表現(xiàn)為高阻抗，阻止諧波電流流入電網(wǎng)。從另一個角度說，有源濾波器起到了諧波隔離的作用。這樣還可抑制電網(wǎng)阻抗對LC濾波器的影響，以及抑制電網(wǎng)與LC濾波器之間可能發(fā)生的諧振，從而極大的改善LC濾波器的性能。 圖2.8 單獨使用的串聯(lián)型有源濾波器 圖2.9 與LC濾波器混合使用的有源濾波器 從上面可總結(jié)出串聯(lián)型有源濾波器的優(yōu)點是：裝置容量小、運行效率高；對諧波電壓源類型的負荷有較好的補充特性。其缺點是：損耗較大、絕緣強度高、難以適應線路故障條件以及不能進行無功功率動態(tài)補償，其工程實用性受到限制；串聯(lián)型有源濾波器的投切、故障后的退出及各種保護也較并聯(lián)型有源濾波器復雜。 通過上述各種濾波器的性能比較和

59、分析，權衡各種濾波器的利弊，本文研究具有高適用性，高性價比及將具有高普及性的并聯(lián)型有源濾波器。并在設計中加入了高通濾波器組，用以消除開關頻率附近的高次諧波。 2.2無源濾波器 無源濾波器是利用電路的諧振原理，即當發(fā)生某次諧波的諧振時，裝置對該次諧波形成低阻通路，從而達到濾除諧波的目的。在結(jié)構(gòu)上它是由電力電容器、電抗器和電阻經(jīng)適當組合而成，運行中與諧波源并聯(lián)，除了起濾波外還兼顧無功補償?shù)淖饔?。無源濾波器具有投資少、造價低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便，在吸收高次諧波方面效果明顯等優(yōu)點。 2.3有源濾波器和無源濾波器的比較 PF成本低、技術成熟，還可補償無功功率，但存在以下不足： 1、只能

60、對特定諧波進行濾波。諧振頻率依賴于元件參數(shù)，因此單調(diào)諧濾波器只能消除特定次數(shù)的諧波，高通濾波器只能消除截止頻率以上的諧波。 2、濾波器參數(shù)影響濾波性能。由于調(diào)諧偏移和殘余電阻的存在，調(diào)諧濾波器的阻 抗等于零的理想條件是不可能出現(xiàn)的，阻抗的變化大大妨礙了濾波效果。LC參數(shù)的漂移將導致濾波特性改變，使濾波性能不穩(wěn)定。 3、對于諧波次數(shù)經(jīng)常變化的負載濾波效果不好。當濾波器投入運行之后，如果諧波的次數(shù)和大小發(fā)生了變化，便會影響濾波效果。并且需要根據(jù)諧波次數(shù)的多少，設置多個LC濾波電路。 4、濾波特性依賴于電網(wǎng)參數(shù)。電網(wǎng)的阻抗和諧波頻率隨著電力系統(tǒng)的運行工況隨時改變，對諧波電流的濾除效果受電力系統(tǒng)阻抗的