電力系統(tǒng)諧波檢測與治理的研究

密級：（請注明密級及保密期限）摘要現(xiàn)階段由于電力系統(tǒng)高速發(fā)展，電力市場也不斷開放，這就導致電力電子技術(shù)非線性負載的應用歡迎程度也進一步增強。這就造成日益嚴重的電網(wǎng)諧波污染，針對電能質(zhì)量存在問題的重視程度日益提高。因此針對諧波及抑制技術(shù)的研究就成為學術(shù)界最重要的研究課題。本文借助國內(nèi)外諧波問題的分析基礎(chǔ)上，介紹了電力系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的主要形式，并分析了抑制電網(wǎng)諧波的最佳方式，從而研究出該如何改進當前基于瞬時無功功率的諧波檢測手段，并最終提出基于有源電力濾波器三相三線并聯(lián)型的諧波檢測模式，也就是基于瞬時無功功率理論的改進手段。關(guān)鍵詞：電力系統(tǒng)、諧波、諧波抑制、有源濾波器目錄25245_WPSOffice_Level11緒論 414401_WPSOffice_Level21.1研究的目的和意義 424400_WPSOffice_Level21.2國內(nèi)外研究狀況和進展 530494_WPSOffice_Level31.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀 514837_WPSOffice_Level31.2.2國外研究現(xiàn)狀 61.3本文主要研究的內(nèi)容 632541_WPSOffice_Level12諧波及其有源濾波器的研究 716714_WPSOffice_Level22.1諧波的基本概念 72.1.1諧波的來源 721960_WPSOffice_Level32.1.2諧波的含義 75996_WPSOffice_Level32.1.3諧波的數(shù)學表達 725752_WPSOffice_Level22.2諧波的產(chǎn)生極其危害 822652_WPSOffice_Level32.2.1諧波產(chǎn)生的原因 830093_WPSOffice_Level32.2.2諧波的危害 921326_WPSOffice_Level22.3諧波的抑制方法 1232154_WPSOffice_Level32.3.1三相整流變壓器采用Y，d(Y/△)或D，y(△/Y)的接線方式 1319643_WPSOffice_Level32.3.2脈寬調(diào)制技術(shù) 1327450_WPSOffice_Level32.3.3采用多電平變流技術(shù) 138940_WPSOffice_Level32.3.4靜止無功補償法 131858_WPSOffice_Level32.3.5有源功率因數(shù)校正技術(shù) 1424690_WPSOffice_Level22.4有源濾波器 1411000_WPSOffice_Level22.5并聯(lián)有源電力濾波器補償特性的研究 155471_WPSOffice_Level32.5.1有源電力濾波器補償特性的基本要求 1515255_WPSOffice_Level32.5.2影響有源電力濾波器補償特性的因素 151238_WPSOffice_Level32.5.3并聯(lián)型有源電力濾波器補償特性 159068_WPSOffice_Level22.6電力系統(tǒng)諧波標準 1623410_WPSOffice_Level33基于瞬時無功功率理論的諧波電流檢測方法 1719866_WPSOffice_Level23.1諧波檢測方法研究現(xiàn)狀 1919570_WPSOffice_Level23.2三相電路瞬時無功功率理論 219217_WPSOffice_Level33.2.1瞬時有功功率和瞬時無功功率 218957_WPSOffice_Level33.2.2瞬時有功電流和瞬時無功電流 2220286_WPSOffice_Level23.3.3基于瞬時無功功率p、q檢測方法 233.3.4基于算法的諧波電流實時檢測 2423410_WPSOffice_Level34并聯(lián)有源電力濾波器的控制策略研究 2730568_WPSOffice_Level24.1有源電力濾波器工作原理及模型 2713438_WPSOffice_Level24.2并聯(lián)有源電力濾波器滯環(huán)比較控制方法 2724569_WPSOffice_Level34.2.1有源電力濾波器電流控制方法研究現(xiàn)狀 2810065_WPSOffice_Level34.2.2三角波控制原理 289901_WPSOffice_Level34.2.2PWM控制原理 2813397_WPSOffice_Level34.2.3滯環(huán)比較控制方式 2911293_WPSOffice_Level24.3有源電力濾波器系統(tǒng) 308369_WPSOffice_Level24.4直流側(cè)電壓的控制 3123410_WPSOffice_Level35有源三相濾波器的仿真 3226492_WPSOffice_Level25.1檢測模塊分析 32978_WPSOffice_Level25.2電流跟蹤控制模塊 3321370_WPSOffice_Level25.3有源濾波器逆變模塊 346低通濾波器的簡單設(shè)計 356.1檢測電路中低通濾波器 356.2低通濾波器設(shè)計和分析 356.3低通濾波器的選擇 367總結(jié)與發(fā)展 361緒論1.1研究的目的和意義眾所周知，當前世界上電力電子技術(shù)的發(fā)展極為迅猛，諸如電力機車、整流負載、電弧爐等大量的非線性負載連接到電源系統(tǒng)。基于系統(tǒng)電壓的各類型作用，非線性負載的電源在電流失真過程中就會包含著巨大的諧波分量。而將這一些非線性負載諧波電流納入綜合系統(tǒng)之后，系統(tǒng)阻抗就會進一步生成諧波電壓，這樣就會造成電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，嚴重時會導致電力系統(tǒng)諧波受到污染。通過資料可以得知，當前我國電力系統(tǒng)諧波存在日益加重的污染問題，這不但導致電能質(zhì)量進一步下降，對于電力系統(tǒng)的安全運行也受到很大程度的影響。故而計算及研究電力系統(tǒng)的諧波問題就成為目前學術(shù)界非常緊迫的重要任務之一，并采取相應的抑制措施。1.2國內(nèi)外研究狀況和進展1.2.1國內(nèi)研究現(xiàn)狀繼日本，美國，德國等國家后，有源電力濾波器在我國的廣泛應用及研究，受到了學術(shù)界以及工商界的特別關(guān)注，投入了大量的人力以及物力，但是總體來說與發(fā)達國家電子工業(yè)相比是有一定差距。自20世紀80年代以來，硅整流設(shè)備在中國得到了廣泛的應用，尤其是鐵路電氣化的迅猛發(fā)展，進一步使得硅整流技術(shù)的應用加快其發(fā)展速度。由于電氣化鐵路速度快、環(huán)境污染小、牽引重量大的一系列優(yōu)點，逐漸使其成為目前中國鐵路電力發(fā)展的主要轉(zhuǎn)型方向。當前，隨著我國非線性負荷的不斷增加，大部分地區(qū)電網(wǎng)諧波分量已經(jīng)遠遠高于國家規(guī)定的相關(guān)標準，這就導致存在很多危及電網(wǎng)安全的各類型問題。目前我國學術(shù)理論界針對這一課題相繼展開了研究，并借助學術(shù)會議，不斷豐富非線性負荷的研究成果。不過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，APF的研究在我國依然是起步階段，第一篇相關(guān)文獻一直到1989年才出現(xiàn)。針對APF的研究主要針對并聯(lián)、混合型兩種模式開展，相對而言并聯(lián)的理論及實驗研究已經(jīng)極為成熟。從理論分析，并聯(lián)內(nèi)容主要為功率理論，諧波電流監(jiān)測，有源電力濾波器穩(wěn)態(tài)研究等等。在我國清華大學、重慶大學等一些重點高等院校針對APF也展開了系統(tǒng)性的理論研究。雖然一定程度上，這一些理論研究具有一定的實效性，不過由于一系列條件限制，我國當前的有源濾波技術(shù)依舊屬于試驗性領(lǐng)域，僅僅一些少數(shù)類型在運行，比如有源華北電力實驗研究院、北京供電公等單位早在1992年就已經(jīng)聯(lián)合開發(fā)出高次諧波的抑制裝置。GTR主要用于針對低壓電網(wǎng)環(huán)節(jié)的單個諧波源諧波給予補償，但是僅僅能夠補償特定的幾個諧波（5，7，11，13），相對來說這一種調(diào)制載波的設(shè)置頻率相對較低，僅僅為3.3KHZ不高，該裝置采用20MVA靜止無功發(fā)生器，其主電路由18個直流儲能電容器、脈沖電壓源逆變器，以及9個繞組變壓器系統(tǒng)共同連接的變壓器一并組成，存在著相對復雜的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。一定程度上，當前我國有源電力濾波技術(shù)應用于工業(yè)領(lǐng)域中，還屬于試驗階段。特別是在HAPF系統(tǒng)中，不僅可以控制諧波而且還可以補償無功功率，而且大量的基礎(chǔ)理論及相關(guān)技術(shù)還需要深入研究。分析近年來APF的應用趨勢，主要為：1.借助多路復用技術(shù)、PWM調(diào)制技術(shù)等等的等效開關(guān)頻率進一步提升，從而更好的實現(xiàn)了大容量系統(tǒng)大與高次諧波的有效補償。2.考慮到了經(jīng)濟性，也能使用由APF以及PF組成的混合過濾系統(tǒng)來降低APF的容量，促進成本降低的同時，還進一步提高效益。3.隨著我國半導體器件制造業(yè)的持續(xù)發(fā)展，低成本混合濾波器這一系統(tǒng)所具備的優(yōu)勢領(lǐng)域?qū)⒅饾u慢慢消失。串并聯(lián)APF具有強大的功能和高性價比，是一款很有前途的有源濾波器。1.2.2國外研究現(xiàn)狀自從上世紀中期，國外展開了對電力諧波的系統(tǒng)性研究。當時，針對電力諧波的研究主要是集中在高壓直流輸電技術(shù)環(huán)節(jié)由于轉(zhuǎn)換器而導致的電力系統(tǒng)諧波。到了上世紀七八十年代，由于電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，這一技術(shù)獲得了在世界各行各業(yè)的高度應用，因此諧波問題進一步加劇，使得各國對其的重視程度也進一步提升。尤其是近年來針對電力諧波的研究已經(jīng)從傳統(tǒng)領(lǐng)域進一步轉(zhuǎn)型到目前的數(shù)字信號處理領(lǐng)域，一系列諸如系統(tǒng)仿真，控制理論與控制技術(shù)，電工理論，電力網(wǎng)絡理論等相關(guān)領(lǐng)域也展開了針對電力諧波的系統(tǒng)性分析，這就使得研究超過了電力系統(tǒng)領(lǐng)域，并進一步產(chǎn)生其獨特的理論體系、研究方法、治理技術(shù)，及相關(guān)的監(jiān)測手段等。尤其是近年來，關(guān)于限制性標準、技術(shù)管理體系的諧波研究仍舊極為活躍。諧波抑制能夠基于諧波源本身的基礎(chǔ)上，由于其不導致生出諧波，功率因數(shù)為1，單位功率因數(shù)轉(zhuǎn)換器是能夠確保這一項功能得以實現(xiàn)的電力電子設(shè)備。不過由于多樣性的諧波體系，一定要借助添加濾波器針對抑制電網(wǎng)中存在的高次諧波這一種有效方法，并確保該方法可以不斷落實。1.3研究內(nèi)容隨著目前我國電力系統(tǒng)電能質(zhì)量不斷惡化，再加上我國當前的電力用戶對電能質(zhì)量提出更為明確的需求，當前公用電網(wǎng)所存在的諧波污染已經(jīng)受到我國各個部門的高度關(guān)注，針對電力系統(tǒng)諧波的監(jiān)測、控制、抑制就屬于為目前電力系統(tǒng)研究最關(guān)鍵的課題。本篇文章主要工作如下：這篇文章詳細的介紹了諧波概念和諧波危害，介紹了諧波的產(chǎn)生來源以及諧波的危害，包括了對電網(wǎng)運行和用電設(shè)備的危害，也包括了對繼電保護和自動裝置的影響。為了有效補償負荷產(chǎn)生諧波電流，先是對諧波的成分必須精確認識，因次此時介紹了基于三相電路瞬時無功功率理論的諧波測量的理論與并聯(lián)有源電力濾波器控制策略研究以及相關(guān)的有源三相濾波器的仿真的理論。進而研究了電力系統(tǒng)諧波的抑制措施，消除或抑制諧波的對策，可以有效地減小諧波對電網(wǎng)的影響，以消除和防止諧波的影響。2諧波及其有源濾波器的研究2.1諧波的基本概念諧波，一定程度上全部工頻頻率成分都具備一定的不同性，這都屬于諧波，這種狀況下的“諧波”意義和原意已經(jīng)較為不符。故而正是由于廣義諧波，才會進一步產(chǎn)生一系列比如“分數(shù)諧波”、“間諧波”等相關(guān)概念。2.1.1諧波來源諧波這一概念來源于聲學，在電力系統(tǒng)中其所存在的諧波問題，早在上世紀初就已經(jīng)獲得廣泛關(guān)注。早期德國由于借助靜止汞弧變流器而使得電力系統(tǒng)環(huán)節(jié)電壓的、電流波形有著一定畸變可能。1945年，J。C。Read發(fā)表的論文針對變流器諧波問題的闡述便成為最早的研究文獻。而對諧波的數(shù)學分析也是在18、19世紀卻是具備較高的數(shù)學建模的基礎(chǔ)。傅里葉等等的專家門提出了諧波分析模式到現(xiàn)在在應用領(lǐng)域都極為廣泛。一定程度上，諧波屬于物理學問題，也屬于數(shù)學問題，指的是周期函數(shù)波形中可以借助一些一般常用的常數(shù)與原函數(shù)的最小正周期并存的一種一致性的正弦和余弦函數(shù)的線性組合開始陳述。2.1.2諧波定義諧波次數(shù)則為正整數(shù)，例如在我國電力系統(tǒng)中，諧波次數(shù)屬于50hz額定頻率，2次諧波卻是為100hz，與這個比例翻倍。而另外的一部分的國家電力系統(tǒng)被確定是60HZ額定頻率，60Hz基波，一樣是2次諧波為120Hz。而專業(yè)規(guī)定卻里，諧波次數(shù)一定不是非整數(shù)，最后也不會存在非整數(shù)諧波。2.1.3諧波的數(shù)學表達供用電系統(tǒng)的環(huán)節(jié)，電網(wǎng)穩(wěn)態(tài)交流電壓以及交流電流一般程度上會被看作是屬于正弦波形，然而在諧波分析展開的時候，正弦電壓數(shù)學式表現(xiàn)為：（2.1）式(2.1)中：表示電壓有效值，表示初相角，表示角頻率。正弦電壓施加到線性無源元件的電阻，電感和電容。當其電源、電壓存在一定積分和微分比例的關(guān)系，而且依舊屬于同等頻率的正弦波。因此這一情況下，正弦電壓被進一步落實到非正弦電路基礎(chǔ)上時，這一情況下電流就變成為一種非正弦波，而且非正弦電流就會在電網(wǎng)阻抗上進一步形成一定程度的電壓降，這就導致電壓波形會轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N非正弦波。理論分析過程中，一切的周期性波形都能夠進一步分解為傅立葉級數(shù)，被稱之為頻域分析，或諧波分析，這種分析相對指的是計算周期性失真波形基波以及諧波幅度以及相位角的一般模式。對于周期為的非正弦電壓時，只要電壓能確保狄力赫利條件可以滿足，也可以進一步分解為一下列形式為傅立葉級數(shù)：（2.2）式中：（2.3）（2.4）（2.5）在傅立葉級數(shù)中。頻率分量可以稱其為稱其為諧波，借助非正弦電壓展開分析，頻率為的分量屬于基波，因此超出諧波次數(shù)就可以稱之為基波頻率與基波頻率的整數(shù)比。而本文定義中都屬于以非正弦電壓展開的界定，一定程度上定義及公式全部的適合于非正弦的電流，可以將式中轉(zhuǎn)成就可以。2.2諧波的產(chǎn)生極其危害2.2.1諧波產(chǎn)生的原因2.2.1.1電源本身的諧波發(fā)電機的構(gòu)成內(nèi)容主要為三相繞組。理論上該三相繞組在發(fā)電機內(nèi)部一定要完全對稱，磁芯一定要全部均勻，這樣才可以避免產(chǎn)生諧波。但是，由于技術(shù)制約，電樞表面分布的磁感應強度一定程度上屬于偏離正弦波之外，因此這也會使得電樞表面所存在的感應電動勢也偏離正弦電動勢，這就導致當存在幾個如此這般的電源與電網(wǎng)連接系統(tǒng)并存時候，總電源電流將會偏離正弦波。2.2.1.2非線性負載所致這就會導致幅度極大的諧波電流產(chǎn)生，當這一種諧波電流更為嚴重，一定情況下三次諧波電流就占據(jù)全部額定電流的5％。而大功率整流逆變器則主要被應用于交直流電機調(diào)速。在這兩個體系中，電路所具備的二極管被認為是最理想型，僅允許電流流動屬于同一個方向。從整流器輸出端口流出電流，而該電流波形不是正弦波，屬于矩形波。應該說變頻器的電機調(diào)速可以達到很高的水平，并且還可以節(jié)省大量的電力（接近30％）。然而，借助前文的一系列分析，可以得知電流經(jīng)過各類型的變頻及調(diào)速，就能夠產(chǎn)生更為高次的諧波，這一種諧波此時就屬于高次諧波污染，這一種污染會造成工廠中的電視及音頻系統(tǒng)工作難以正?；粔毫?、流量、智能控制器、可編程控制器等一系列二次儀表也會遭遇各類型的干擾；除此之外，諧波也會造成該企業(yè)的變壓器、電動機、電抗器等系統(tǒng)過熱，導致工作不能正常進行。電弧爐在運行過程中也會產(chǎn)生電壓波動。由于冶煉行業(yè)的不斷發(fā)展，社會上需要大量電弧爐，這一個電弧爐是極為重要的負荷。在系統(tǒng)操作的過程中，電極、金屬顆粒之間會存在極為頻繁的斷路。而且于熔化過程中，也會存在一定程度的兩相電源短路。這就會造成一旦存在熔融金屬從電極落下，就會熄滅電弧，再次打開電源。故而一定程度上熔煉過程也就屬于一種極為頻繁的短路-開路-短路過程，這一種過程會造成電壓波動。2.2.2諧波的危害2.2.2.1對電氣一次設(shè)備的影響與危害1）對旋轉(zhuǎn)電機影響和危害可以導致生產(chǎn)還產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，因此當磁場展開旋轉(zhuǎn)時，轉(zhuǎn)子磁芯與繞組之間也會進一步感應生產(chǎn)出電流，這就導致存在額外的有功功率損耗。而且額外損耗會導致電動機定子、轉(zhuǎn)子的溫度不斷升高。除此之外，由諧波電流及基波磁場之間存在的一系列相互作用也會只是轉(zhuǎn)子升溫，激發(fā)渦輪發(fā)電機存在一定的周期性振動。當諧波電流頻率和定子部件所存在的固有振動頻率相同的時候，就會造成發(fā)電機產(chǎn)生強烈振動，嚴重時就會損壞渦輪軸及葉片。2）對變壓器的影響與危害由于這一種諧波頻率的不斷提高，諧波損耗會造成變壓器局部太過于發(fā)熱，使得變壓器的絕緣體壽命減少。當額外損耗最終達到一定的界定值時，就要一定程度上將輸出操作相應地降低。故而一旦變壓器繞組與電容器組電抗這兩者之間存在一定的串聯(lián)諧振，就會很容易導致諧波形成超過電壓，這就會促使不斷提高其局部放電量，使得加速變壓器絕緣不斷發(fā)生老化，最終形成絕緣擊穿事故。3）對電力電容器的影響和危害電力系統(tǒng)中存在的諧波會導致電容器的介電損耗進一步提升，導致電容器壽命縮短，諧波造成的損耗一定程度上和諧波數(shù)屬于正比。這就導致當高次諧波的含量增大的時候，就會導致?lián)p耗進一步提升。電容器結(jié)構(gòu)對于散熱不利，因此也會由于電容器溫升及不斷提高的損耗導致惡性循環(huán)，形成為熱擊穿。2.2.2.2對二次設(shè)備的影響和危害1）對測量設(shè)備的影響和危害電路中出現(xiàn)諧波時，傳統(tǒng)功率難以針對諧波電路的功率現(xiàn)象給予系統(tǒng)性的解釋及描述，因此直到目前，還不存在解決問題的有效方法。故而儀器能夠測量相同電量，并且能夠基于不同定義，存在不同的結(jié)果。因此，在諧波存在的情況會進一步針對功率分類及定義產(chǎn)生影響，從而對于功率的測量及充電等問題形成影響。2）繼電保護和自動裝置的影響及危險正常情況下，變壓器在空載合閘時所存在的浪涌電流可以存在大規(guī)模的諧波分量，而且嚴重時，會導致變壓器存在嚴重的扭曲，并形成二次電流波形，使電流幅值遠遠大于過流繼電器的設(shè)定值。從而導致骨故障存在，因此一定要借助系統(tǒng)的基波阻抗進一步設(shè)置科學的阻抗繼電器。由于三次諧波的測量上會存在一定程度的測量誤差，而且情況嚴重時就可以發(fā)生極為嚴重的故障。而對于這一些高阻接地故障來說，這一種故障的電流里存在著含量極大的諧波，一旦沒有濾波裝置，使得存在操作誤差。三次諧波電流也會進一步導致接地保護裝置存在的誤動作。晶體管繼電保護裝置中所具備的一系列元件都會對諧波存在一定程度的阻抗，這就會造成比較器上的諧波含量高于主系統(tǒng)諧波含量。故而諧波容易提升電壓幅度，導致差分脈沖數(shù)的不斷增加，從而造成晶體管繼電保護的錯誤動作。2.3諧波的抑制方法隨著電力電子等相關(guān)技術(shù)的進展，被接入電網(wǎng)的各類型換流、整流設(shè)備逐漸增多，這一些電氣設(shè)備就會導致諧波電流大規(guī)模生產(chǎn)，從而被一并代入電網(wǎng)，會使得電力設(shè)備及整個電力系統(tǒng)的安全運行受到威脅。因此一定要抓緊治理，總體來說，電力系統(tǒng)諧波抑制是會促進電能質(zhì)量不斷來改善，并且促進電網(wǎng)獲得凈化，因此必須得嚴格貫徹執(zhí)行相關(guān)電力諧波國家的標準，加強各項管理。2.3.1三相整流變壓器采用Y，d(Y/△)或D，y(△/Y)的接線方式在這一種模式情況下，由于三者相位一致，僅僅可以在三角形繞組中形成一種環(huán)流，能夠隔離3N次諧波電流與配電系統(tǒng)，從而將3的整數(shù)倍次的諧波予以自熱而然地消除。2.3.2脈寬調(diào)制技術(shù)PWM技術(shù)，指的就是在所需頻率期間中，獲得抑制諧波的有效目的。如果要進一步將某次特定諧波予以消除。綜合而言，PwM技術(shù)其主要的優(yōu)點是就是當處于高頻率的載波時，在這一些高頻率載波輸出的諧波層次低、分量小，調(diào)查發(fā)現(xiàn)目前我國該技術(shù)所采用為最優(yōu)脈寬調(diào)制(OPWM)、跟蹤型PWM、△調(diào)制等相關(guān)技術(shù)。2.3.3采用多電平變流技術(shù)指的就是多個方波基于疊加基礎(chǔ)上，進一步將一些次數(shù)低的諧波給予消除，從而最終獲得最靠近正弦波的階梯波。相對而言，存在越大量的重數(shù)，其波形就會越接近正弦波，不過這一種情況下，其電路也愈加復雜，故而這一種模式只能夠被利用于一些大容量場合。該模式可以被利用于橋式整流電路當中，這一種模式除了可以有效降低交流輸入電流的諧波之外，還可以進一步將直流輸出電壓中的諧波幅值有效降低。并且將這一技術(shù)與PWM技術(shù)結(jié)合使用，就可以促進諧波抑制效果獲得最優(yōu)化。2.3.4靜止無功補償法放入網(wǎng)絡側(cè)的無功補償裝置主要是用來促進諧波引發(fā)的無功功率獲得補償，從而最終提升功率因數(shù)。除此之外，無功補償裝置，合理侯建電感、電容能夠促進一定頻率下產(chǎn)生諧振，從而將頻率諧波進一步過濾。隨著目前發(fā)展趨勢逐漸轉(zhuǎn)型為由GTO組成的換向變換器，這一種模式被稱作為是靜止無功發(fā)生器（SVG），能夠提供滯后、高級等模式的無功功率。對此這一模式如果僅用來補償無功功率，就可以借助相移多重連接的手段促進補償電流里的諧波進一步降低。不過補償無功功率的基礎(chǔ)上，不能同一時間段將諧波電流予以補償。2.3.5有源功率因數(shù)校正技術(shù)在諧波源處加裝有源濾波器。隨著電力電子技術(shù)發(fā)展，現(xiàn)階段研究中開始將針對濾波的研究理念轉(zhuǎn)型為一種有源濾波器?；谶@一模式下，向電網(wǎng)注入的有源電力濾波器的主電路PWM變流器在等同于原有的諧波電流，會實現(xiàn)一定的動態(tài)補償，這樣就可以有效發(fā)現(xiàn)諧波頻率及大小都實現(xiàn)一定的變化，而且可以給予無功功率所存在的變化予以一定補償，調(diào)查發(fā)現(xiàn)其最終補償大小能夠做到一定的連續(xù)性，從而促進補償對象響應的快速性；除此之外，在補償無功功率的時候貯能元件不需要補償，而且補償諧波這一階段中貯能元件的所需容量并不大；這就造成了當存在電流過大的補償對象時，有源濾波器的過載現(xiàn)象就不會發(fā)生，而且可以進一步發(fā)揮其正常的補償作用；這一階段等候電網(wǎng)阻抗也并沒有太大的影響，和電網(wǎng)阻抗并不會存在一定的諧振；除此之外，還可以有效跟蹤電網(wǎng)頻率發(fā)生的各類型變化，并且這一種補償性能并不會被電網(wǎng)頻率所存在的變化受到影響。調(diào)查可知，目前有源濾波器屬于供電系統(tǒng)展開無功補償及諧波抑制的一個研究熱點，并且該熱點在國外并沒有進入一定的實用階段，這一期間我國一直是屬于低壓有源濾波技術(shù)的持續(xù)應用。不過，隨著容量的不斷提升，技術(shù)改善的同時，其應用范圍也會隨著電力系統(tǒng)電能質(zhì)量不斷獲得有效的提升。2.4有源濾波器圖2.1電力濾波器系統(tǒng)的構(gòu)成以及分類1.根據(jù)不同的應用場合，APF會被看做為兩類：DCAPF和ACAPF：DCAPF主要是用在高壓直流換流站直流側(cè)諧波的消除環(huán)節(jié)，這一應用的理論和實踐都相對較少，而ACAPF一般情況下大部分被用于交流電力系統(tǒng)。2.根據(jù)主電路模式，能夠進一步分單主電路為兩方面，分別是：有源、多電路有源兩類型電力濾波器。多電路這一類型能夠促進APF的容量不斷增加，促進等效開關(guān)，頻率在不斷的增加，并且促進補償電流和跟蹤特性不斷的改善。2.5并聯(lián)有源電力濾波器補償特性的研究對高次諧波的補償效果表明，有源電力濾波器一般的作用可以用兩指標來進一步的展開衡量。1.諧波的含有率hr主要用諧波均方根值和基波均方根值之間百分比來表示。h次諧波電流含有率為h次諧波電壓含有為率2.總諧波畸變率THD（2.13）（2.14）提高電能質(zhì)量，綜合利用諧波和組織諧波危害，就一定要將總諧波失真率及諧波含量控制在允許規(guī)定范疇中，在這一范疇中，補償電源電流的總諧波失真存在越小的THD值，其相對而言就具備越好的補償效果。2.5.2影響有源電力濾波器補償特性因素實踐中這一類補償不能實現(xiàn)。而且再加上指令電流所存在的運算電路及控制系統(tǒng)兩者之間的誤差會促進補償電流誤差進一步增強，導致有源電力濾波器的補償特性進一步發(fā)生損傷，最終難以獲得完全性的補償。2.5.3并聯(lián)型有源電力濾波器補償特性圖2.2并聯(lián)補償諧波電流等效電路圖如果電源向其它的一些負荷展開供電，由于電源只包含基波，這一種情況下，對其它的一系列設(shè)備并不會產(chǎn)生具體的干擾。2.6電力系統(tǒng)諧波標準由于電網(wǎng)中的諧波電壓和電流會一定程度上危害電氣設(shè)備及電網(wǎng)本身，故而對于電網(wǎng)諧波電流一定要展開限制，確保這一種諧波電壓可以在允許范圍中，這樣就能夠有效保障電源質(zhì)量。目前大部分地區(qū)都針對限制電網(wǎng)諧波頒發(fā)了一定程度的國家標準或者法律條例。在實際中，不同級別的電網(wǎng)諧波水平基本上是由諧波失真率予以有效反映。CIGRE、IEC等國際部門也成立針對性的工作組，為世界上電氣產(chǎn)品及電力系統(tǒng)制定有效的諧波標準。除此之外，很多國家基于此基礎(chǔ)進一步制定符合本國的諧波國家標準。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，一部分國家電壓總諧波失真率基本上主要屬于以下范圍內(nèi)：第一、低壓電網(wǎng)(<1KV)，基本上屬于5%，少量為3%、7%；第二、中壓電網(wǎng)(24~77kV)，基本上屬于2%~5%，少量為6%；第三、高壓電網(wǎng)(84kV及以上)，基本上屬于1%~1.5%，少量為2%~5%。電網(wǎng)標準電壓（KV）電流總諧波畸變率（%）奇次諧波電壓總含有率（%）偶次諧波電壓總含有率（%）0.387.05.02.04.03.21.63.02.40.21102.01.61.8表2.3公用電網(wǎng)諧波電流的限值3基于瞬時無功功率理論諧波的電流檢測模式3.1諧波檢測手段的研究與現(xiàn)狀所有人都知道，人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)自面試起就存在著極為迅猛的發(fā)展速度，并且借助神經(jīng)網(wǎng)絡發(fā)展，這一技術(shù)應用領(lǐng)域也不斷擴大，比如在優(yōu)化調(diào)度、負荷預測等環(huán)節(jié)的應用上，并且獲得一定程度的成效。除此之外，借助神經(jīng)網(wǎng)絡的檢測模式的基礎(chǔ)上，主要針對涉及模型構(gòu)建、算法選擇，以及樣本確定的基礎(chǔ)上，借助神經(jīng)網(wǎng)絡進一步確保諧波得以實現(xiàn)，以及針對無功電流在檢測環(huán)節(jié)，對于周期性電流和非周期性電流在檢測上的跟蹤能力都極為優(yōu)質(zhì)，而且可以針對高頻隨機干擾具備更好更高的識別能力。建立在神經(jīng)網(wǎng)絡基礎(chǔ)上的這一種檢測模式對于數(shù)據(jù)流長度存在相對較低的敏感性較低，不過這一種檢測精度卻相對較高，可以針對不同諧波在檢測精度的比較上，都可以獲得相對比較滿意的結(jié)果。除此之外，基于神經(jīng)網(wǎng)絡檢測，這一種檢測模式的實時性最強，而且能夠?qū)崟r檢測任何次數(shù)的整數(shù)次諧波；除此之外，利用隨機模型的處理模式能夠針對信號源中所存在的一系列非有效成分被視作為一種噪聲處理，從而促進抗干擾性效果獲得不斷提升。頻率法主要針對“采樣修正理想”修正步驟而言，通過收集每個樣點進行修正，得出最終的理想采樣數(shù)值，修正的計算公式為：x(n)=n+n/N{X(n)一(n+N)}，其中，n=0、1、2、3、4……N的值可以根據(jù)計算量的大小選擇合適的值計算，這種計算方法比較靈活，而且計算量也相對少一些，計算過程任何的硬件設(shè)備都不需要加入，只要借助在線計算就能夠?qū)⒏叨染珳实臄?shù)值予以精準測量，使得泄漏量減少為50%。3.2三相電路瞬時無功功率理論理論構(gòu)建已經(jīng)獲得了較為廣泛的研究及改進。而且一定程度上，這一種理論實現(xiàn)了傳統(tǒng)基于平均值功率的突破，并且針對瞬時無功功率給予界定。3.2.1瞬時有功功率與瞬時無功功率變換:體現(xiàn)出了三相瞬時電壓，基于這個模式，電流一般由靜態(tài)轉(zhuǎn)換為一種動態(tài)旋轉(zhuǎn)。正交坐標變量是該公式的分析基礎(chǔ)，將三相電路各相電壓、電流一般具備為瞬時值界定為：、、和、、把他們變換到聲兩相正交的坐標系上進行研究。圖3.1坐標系電壓矢量、電流矢量（3.1）（3.2)3.3基于瞬時無功功率p、q的檢測方法S.Fryze，W。Quade和Akagi進一步提出三相電路中瞬時無功功率理論，而且針對這一理論展開廣泛研究。圖3.2p、q檢測方法原理圖3.4基于算法的諧波電流實時檢測根據(jù)瞬時無功功率理論可推導出瞬時有功電流和瞬時無功電流的表達式為：=（3.19）其中由上式可得出電流檢測法原理如圖3.3所示：圖3.3-檢測法的原理在這種模式李，需要和A相電網(wǎng)電壓同相位的正弦信號sinωt和對應的余弦信號cosωt，它們是由一個鎖相環(huán)（PLL）和一個正、余弦信號發(fā)生電路得到。其中PLL主要起同步作用，當檢測到過零上升的時啟動正、余弦表（包括-cosωt的值），使其形成一個矩陣C。根據(jù)（4.11）式計算出、，在經(jīng)過LPF濾波可得出、的直流分量、。這里，、是由、、產(chǎn)生的，因此由、反變換計算出、、為：(3.19)圖3.3只是檢測諧波電流時的情況，當檢測諧波和無功電流之和時，只需斷開圖3.3中的通道即可，由即可計算出被檢測電流、、的基波有功分量為、、為：（4.13）將、、與、、相減，即可得出、、的基波分量和基波無功分量。與p-q檢測法相，-檢測法不僅適用于三相不對稱公用電網(wǎng)，而且對電網(wǎng)電壓畸變也有效。4并聯(lián)有源電力濾波器的控制策略與研究4.1有源電力濾波器工作原理和模型有源電力濾波器一般借助電壓型當成該濾波器主要的電路。這篇文章借助三相三線并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)視當做其主電路，如下圖所示。圖4.1并聯(lián)有源電力濾波器結(jié)構(gòu)主電路的操作由六組開關(guān)裝置進一步明確其開關(guān)組合。一般情況下，處于逆變器環(huán)節(jié)同等相位中所具備的兩組開關(guān)裝置由其中一組展開切換。其功能為：(4.1)假如三相電源電壓的和為，因為，最后得出描述主電路工作情況時微分方程：(4.2)方式中為、、一主電路各橋臂中點與電源中點之間的電壓表示為、、一開關(guān)系數(shù)表示為4.2并聯(lián)有源電力濾波器滯環(huán)比較控制方法為了進一步促進電流信號變化獲得命令，為了使得補償特性更為理想化，因此在選擇APF電流控制具體模式上，其方法的選擇是最為重要的一步。4.2.1有源電力濾波器電流控制方式以及現(xiàn)狀有源電力濾波器，使得能夠獲得轉(zhuǎn)換器所需的一系列補償電流。放大器在使用時，基本上借助比例放大器。4.2.2三角波控制原理圖4.2三角波比較控制原理圖三角波比較模式這一種模式存在著較為固定的元件開關(guān)頻率，故而一定程度上PWM信號與三角載波頻率屬于一致性的對等存在；輸出補償電流中由于存在著相對較少的諧波，不過這一種諧波與三角載波所具備的諧波頻率相同；但是動態(tài)響應的特征不是快速滯后，有限的放大器增益以及三角載波頻率對元件的影響。4.2.2PWM控制原理一般會出現(xiàn)深遠的影響。PWM控制技術(shù)理論基礎(chǔ)是采樣控制理論面積的等效原理。假如調(diào)制信號波形屬于為基于電網(wǎng)中獲得的諧波電流，那么這一種三角波就可以用來調(diào)制有源電力濾波器中一般會有的PWM逆變器的PWM信號，這樣就會促進主電路進一步生成補償電流。4.2.3滯環(huán)比較控制方式當補償對象與濾波器輸出這兩者之間存在的差距遠高于容許誤差時，滯環(huán)電流比較控制一般程度上就指的是實際、指令這兩類電流中所具備的上、下限比較，基于這一種比較可以組合形成一種環(huán)帶，并且借助此交點被視作為一種開關(guān)點。滯環(huán)比較控制模式基本模式過程就是將補償電流中所存在的指令信號，以及有源電力濾波器主電路在運行過程中的實際輸出補償電流信號，這兩者之間存在的差距視當成是滯環(huán)比較器輸入，然后借助比較器的輸出就能夠促進電力電子器件控制通斷程序，這樣就可以促進實際補償電流的變化得到最終控制。圖4.3滯環(huán)電流控制原理圖這一種模式并不需載波輸出電壓，故而這一種模式控制沒有特定的頻率諧波分量。在這一種控制模式環(huán)節(jié)，滯后寬度可以很大程度上對于補償電流跟蹤性造成影響。當滯后存在過大的寬度時，主電路中所絕壁的開關(guān)元件其開關(guān)頻率就相對較低，而且對元件所具備的要求并不高，僅僅是誤差跟隨相對大。不過相反，當滯后存在過小的寬度時，跟隨誤差也就會進一步小，不過主電路中所具備的開關(guān)元件存在相對較高的開關(guān)頻率。因此，滯環(huán)比較控制模式在選擇環(huán)路寬度這一角度上存在著非常重要的重要性。4.3有源電力濾波器系統(tǒng)圖4.4并聯(lián)型有源電力濾波器的系統(tǒng)總構(gòu)成圖補償電流所表現(xiàn)出的電路功能一般就是基于諧波電流檢測補償電流信號所生成的實際補償電流作為本質(zhì)進一步予以分析。補償電流控制電路的本質(zhì)功能在于針對所檢測的電流電壓，借助一定控制計算模式將補償電流的指令信號予以有效計算出來，從而可以永于補償電流的實際產(chǎn)生值。在此之前，借助PWM轉(zhuǎn)換器。交流電源電勢表示為，交流電源電流魏，諧波源表示為負載，一定程度上其可以促進系統(tǒng)功率因數(shù)有效降低，從而便生成為諧波，負載電流是。補償電流為，補償電流指令信號表示為，高通濾波器hpf?；诨鶢柣舴螂娏鞯亩?，表現(xiàn)出的公式為：(4.3)(4.4)非線性負荷電流中基波無功電流分量表示為，非線性負荷電流中諧波電流分量非線性負荷電流中基波有功分量。為避免諧波流進入該系統(tǒng)，一定要控制，然后就僅僅剩下基波分量，這就意味著諧波全部被補償。將控制，指的是有源濾波器在補償諧波的同時，還要補償無功電流，故而要利用有源濾波器能夠?qū)⒎蔷€性負荷所存在的動態(tài)諧波電流，以及動態(tài)無功電流等一系列問題予以有效解決。4.4直流側(cè)電壓的控制由于APF的能量損失會導致APF的直流電容電壓降低，一般在可以保證PWM逆變器可以整成使用的情況下，Uc應該保持恒定?？刂浦绷鱾?cè)電壓所借助的傳統(tǒng)手段給直流側(cè)電容器備出一個單獨直流的電源，正常情況下要由二極管整流電路安置的模式得以有效實現(xiàn)。雖然該手段可以控制直流側(cè)電容器電壓，但是實際過程中還要設(shè)計另外一種電路，這就會導致整個系統(tǒng)復雜性不斷提升，這也會進一步導致系統(tǒng)其成本與損耗不斷增加。實際研究表明，只有通過適當控制主電路才能實現(xiàn)對直流側(cè)電容器電壓的控制。當然，如果需要補償短期有功功率（沖擊），則必須采用傳統(tǒng)方法。通常，DC側(cè)電容器電壓和給定參考電壓之間的差值通過PI轉(zhuǎn)換的輸出疊加在APF參考電流的有效電流分量上，以控制電容器電壓。用于維持電容電壓的控制回路如下圖所示：PI控制PI控制udc+-ip圖4.5維持直流側(cè)電容電壓的控制環(huán)5有源三相濾波器的仿真5.1檢測模塊分析圖5.1中，模塊住要功能是就是促進坐標發(fā)展變換，從而使得瞬時無功功率其有功電流分量得以計算；低通濾波器的功能主要在于將中的高次諧波予以濾除，這也就可以獲得有功、無功等電流其分別的基波分量為：，模塊主要是計算出對應的、；進行-坐標反變換。最后，有功電流基波和各相電源電流分量相減，相對可以得出各相諧波和無功電流，所指的便為補償電流具備的一定程度的指令信號。其和的模塊其表現(xiàn)圖為5.2和圖5.3。圖5.1-諧波檢測系統(tǒng)的仿真圖圖5.2模塊仿真模型圖5.3模塊仿真模型5.2電流跟蹤控制模塊的分析電流跟蹤控制模塊主要是借助具備開關(guān)頻率約束機制中最大的電流滯環(huán)控制模式將PWM逆變器的輸出予以有效控制，這一種模式可以充分比較實際補償電流信號與補償電流的指令信號。然后可以將兩個信號之間存在的偏差借助滯后比較器予以有效輸入?；贒觸發(fā)器借助特定頻率展開采樣，就可以進一步得到三相PWM控制信號。圖5.4電流滯環(huán)控制方法的仿真模型圖5.5電流跟蹤控制模塊仿真模型圖5.3有源濾波器的逆變模塊分析并聯(lián)型有源電力濾波器的主電路由二極管Dl-D6，電容C，功率開關(guān)Sl-S6、濾波電感L。對于這一電路，在實際建模中，我們可以借助OUTCAD的模型展開分析，從而進一步構(gòu)成仿真結(jié)構(gòu)。圖5.6三相橋式逆變器在這一個電路模型中，IGBT直流電壓、以及二極管的反并聯(lián)單元共同組成開關(guān)元件，窄波信號源指的是、、，這三個信號源相位差為，屬于正弦調(diào)制信號。6低通濾波器簡單設(shè)計6.1檢測電路中低通濾波器設(shè)計濾波器在計算諧波過程中的作用極為關(guān)鍵，可以一定程度上影響諧波的提取精度，使得有源濾波系統(tǒng)主要的性能指標受到影響。故而諧波提取手段一定要具備如下特點：1、過渡帶快；2、截止頻率低，<50Hz；3、對于系統(tǒng)精度存在的要求，截止帶與濾波器通帶之間一定要存在相對較小的誤差，如<3%；4、可以有效滿足以上三點的基礎(chǔ)上，截止頻率要做到盡可能高，如>10Hz。對此，由于高階模擬濾波器在實現(xiàn)過程中存在一定困難的穩(wěn)定性，故而階數(shù)不可以設(shè)置太高。并且由于理論及誤差對其造成的影響，濾波效果提高就相對較難。6.2低通濾波器設(shè)計和分析在設(shè)計濾波器的過程中，基于不同頻域，或者不同時域特征的基本要求，可進一步分為巴特沃斯型（Butterworth）、貝塞爾型（Bessel）等一系列標準型，或者是仿真及試驗相結(jié)合的基礎(chǔ)上所獲得的非標準型。一定程度上，電路相同的時候，其可以在R、C參數(shù)選擇上借助不同參數(shù)實現(xiàn)不同類型。巴特沃斯型這一種濾波器的特性在于，具有最平坦的通帶幅頻特性。因此在這一種