电力系统谐波控制

电力系统谐波控制（精选7篇）

电力系统谐波控制 篇1

0 引言

电力系统的谐波主要是非线性负载引起的,特别是近年来得到广泛应用的电力电子装置在根据需要进行功率变换的同时,将流经它们的基波功率中的一部分转化为谐波功率,变成注入电网的谐波电流。而采用有源电力滤波器可以补偿非线性负荷所产生的谐波,防止其对电力系统的污染。

随着电力电子技术和计算机控制技术以及相关谐波理论的发展,人们将滤波研究方向也逐步转向了有源电力滤波器(Active Power Filter——APF)。其基本原理是:APF向电网注入与原有谐波和无功电流大小相等但方向相反的补偿电流,使电网的总谐波和无功电流为零,从而达到净化电网的目的。与无源电力滤波器相比,有源电力滤波器具有明显的优越性。它能对变化的各次谐波和无功电流同时进行跟踪补偿,补偿特性受电网阻抗和电网频率变化的影响较小,控制电路容易实施限流保护以提高系统的安全性,因而受到了极大的关注[1]。

控制策略和谐波电流的检测是有源电力滤波器的两大关键技术,文中就目前这两项关键技术的研究现状分别予以比较分析。

1 有源电力滤波器的控制策略

有源电力滤波器的控制策略已经有了大量的研究,可以概括分为两类:一类是传统的控制方法,如滞环电流控制、空间矢量控制、单周期控制、无差单拍控制等;二是新型控制方法,如自适应控制、神经控制、预测控制等。下面分别介绍它们控制APF的原理,并指出其各自的优缺点[2]。

1.1 滞环电流控制

滞环电流控制HCC(Hysteresis Current Control)是目前应用最广的一种非线性闭环电流控制方法[3,4],它利用滞环比较器形成一个以给定电流为中心的滞环[3],通过反馈电流与给定电流的滞环比较误差来控制逆变器的开关动作。

滞环电流控制是基于电流暂态的控制,具有动态速度响应快、鲁棒性好的特点,且对负载适应能力强,输出电压中不含特定频率的谐波分量。但开关频率、损耗及控制的精度受滞环宽度的影响,滞环宽度越小,控制精度就越高,同时开关频率和开关损耗也越大。

针对滞环电流控制的一些缺点,有关文献提出了一种基于优化电压矢量的有源电力滤波器定频滞环电流控制,该方法的特点:

(1)能快速正确判定参考电压矢量的区域,从而选择优化电压矢量去控制电流。

(2)可选择逆变器中的两个适当的开关去独立控制相应的两个相间电流,不需估计阻抗值即可实现开关的定频化。

在达到较高的控制精度,保证较高的输出电压的同时,还能实现开关的定频化,从而使有源电力滤波器的综合性能有明显提高。

1.2 空间矢量控制

空间矢量控制SVC(Space Vector Control)是建立在交流异步电动机磁场理论基础上的一种控制策略,开始时其使用范围仅局限于电机应用场合,但现在它已发展成一种能够普遍应用的PWM技术。它是将三相整流器作为整体来考虑,通过控制与参考量相邻的两个开关矢量及零矢量的作用时间,使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考量相等;其基本思想是在矢量空间中用有限的静止矢量去合成和跟踪调制波的空间旋转矢量,使合成的空间矢量含有调制波的信息。

空间矢量控制方法在电压的利用率、电流谐波和过调制等方面具有一定优势,而对零矢量的合理控制可以明显地降低逆变器的开关损耗。但是,传统空间电压矢量控制方法比较复杂,运算量大,占用了大量的系统控制时间。参考文献[5]介绍了一种自适应空间矢量控制法,该方法结合了空间矢量和滞环控制实时跟踪的优点,根据系统跟踪误差的大小,分为环内、环间和环外三部分,当误差范围在环内时,则认为系统瞬时跟踪性能良好,保持前一刻的控制状态。当误差已经控制在环间,应该做快速调整。如果误差已经控制在一定范围内时,开关管应该尽量少动作,以减少开关次数,从而减少有源电力滤波器造成的谐波。当误差值很大时,说明还没有控制好,给最大的控制信号,使得系统电流跟踪误差尽可能以最大程度减小,而不再考虑开关状态的切换多少。仿真证实了这种控制策略可有效地跟踪指令电流,抑制了负载谐波,显著减小了电源侧电流的电流畸变率,是一种有效的电流跟踪控制方案[5]。

1.3 单周期控制

单周期控制OCC(One Cycle Control)是一种非线性控制方法,最早由美国学者提出。其基本思想是:控制开关占空比,在每个周期内使逆变器开关变量的平均值与控制参考值相等或成比例,从而消除稳态和瞬态误差,它具有反应快、控制精度高、控制电路简单、控制性能对系统参数变化不敏感等优点。

1.4 无差拍控制

无差拍控制方法是一种全数字化的控制技术,它利用前一时刻的指令电流值和实际补偿电流值,根据空间矢量理论计算出逆变器下一时刻应满足的开关模式。无差拍控制的优点是动态响应快,易于计算机执行。其缺点是计算量大,且对系统依赖性大。随着数字信号处理器的不断发展,这是一种很有前途的控制方法。据有关文献反映用无差拍控制的串联有源电力滤波器(APF)变流器的输出可以很好地跟踪参考谐波电压信号,使负载端的电压波形接近于正弦波。无差拍控制的有源电力滤波器即使在开关频率较低的情况下也有着良好的动静态响应。

1.5 自适应控制

自适应控制(Adaptive Control System)可分为模型参考自适应控制系统和自校正控制系统[6]。

模型参考自适应控制系统中参考模型的输出反映了设计者对被控对象输出的要求,调节机构根据某种设计准则来调节控制器的参数,使参考模型的输出和对象的输出误差趋于零。

自校正控制系统的典型结构如图1所示。参数估计器利用对象的输入输出量的测量值所提供的信息,迭代地估计对象参数值,来估计控制器的参数,从而获得有效的控制作用。

参考文献[6]提出了一种基于自适应智能控制的混合有源电力滤波器复合控制方案。其中对谐波电流比例系数采用神经元自适应PD控制算法,根据电网参数的变化自动调节PD控制器的参数;对谐波电压比例系数则采用基于自适应神经网络的解耦控制,仿真和工程应用表明采用这种复合控制混合有源电力滤波器能达到较好的滤波效果。

1.6 神经网络控制

基于神经网络控制的有源电力滤波器如图2所示,其基本原理:采用进化算法来完成神经网络的训练数据,神经网络控制电路产生合适的开关信号,从而产生需要补偿的谐波电流[7]。计算机仿真证明可以达到理想的补偿效果。该控制方法避免了对于给定补偿电流的复杂计算,且具有广泛的实用性,可用于补偿单相、三相三线制和三相四线制非线性负载的APF系统。但大量神经网络用于控制APF的研究还仅限于仿真,没有真正出现应用的实例。

1.7 预测控制

预测控制(Predicted Control)作为一种新型的计算机控制算法,它的算法种类多,表现形式多种多样,但是具有三大本质特征:预测模型、滚动优化和反馈校正。其基本原理是:在当前时刻,基于过程的动态模型预测未来一定时域每个采样周期的过程输出,这些输出作为当前时刻和未来一定时域内控制量的函数。按照基于反馈校正的某个优化目标函数计算当前及未来一定时域的控制量大小。为了防止控制量激烈变化及超调,一般在优化目标函数中考虑使用未来输出以一定轨迹最优地跟踪期望设定值,计算出当前控制量后输出给过程实施控制,至下一时刻,根据新测量数据重新按上述步骤计算控制量[8]。

1.8 模糊控制

模糊控制(Fuzzy Control)是以模糊数学、模糊语言形式的知识表示和模糊逻辑的规则来推理作为理论基础,主要包括模糊化、模糊推理与模糊判决三部分。模糊控制最大的特点是将专家经验和知识表示成语言控制规则,然后用这些规则去控制系统。模糊控制理论只需要获得丰富的人工控制经验,应用模糊理论和计算机技术就可以对没有准确数学模型或数学模型极其复杂,一般控制理论不能进行有效控制的系统加以控制。参考文献[8]将模糊控制用于滞环电流控制的电力滤波器,提出模糊变环宽度的控制,滞环的宽度随电流误差和电流误差的变化率而变化,使得开关频率得到有效地控制。

有源电力滤波器控制策略的发展方向是:

(1)传统控制方法逐渐改进;

(2)智能控制方法进一步完善,且与传统控制方法逐渐结合;

(3)控制策略的数字化。

2 谐波电流检测方法

由于谐波电流检测是有源滤波器控制系统的首要环节,不同的谐波检测方法决定了不同的控制策略,所以下文就当前的各种检测方法予以分析和论述。

2.1 基于频率运算的检测方法

基于频率运算的检测方法是最早用于补偿电流检测的一类方法[1],其基本思想是用频率滤波器首先分离出负载电流中的基波分量和谐波分量,然后再用电路理论中的计算方法将基波电流分解为基波有功分量和基波无功分量。由于需采用锐截止的高阶带通滤波器,所以附加相移较大。另外,滤波器特性对电网频率波动和电路元件参数比较敏感,所以该方法现在已经很少采用,而转向以快速傅里叶变换为基础的全数字滤波方法。该法能自动跟踪电网频率的波动而自适应地提取基波分量,但仍存在较大的延迟、实时性差、补偿效果不好等问题。

2.2 瞬时空间矢量法

基于瞬时无功功率理论[9]的瞬时空间矢量法是目前APF中应用最为广泛的一种补偿电流检测方法。最早由日本学者H.Akagi于1984年提出,仅适用于对称三相电路,经过不断的改进,现在已经包括p-q法,ip-iq法以及d-q法等。其中p-q法最早应用,它仅适用于对称且无畸变的电网;而ip-iq法不仅对电源电压畸变有效,也适用于不对称三相电网;基于同步旋转park变换的d-q法不仅简化了对称无畸变下的指令电流运算,而且也适用于不对称有畸变的电网。

2.3 基于现代控制理论的检测方法

最早应用的有基于PI控制器的方法,因为PI控制器的特性不能适应负载及电网的变化,后来又有学者提出滑模控制及模糊控制理论等现代控制方法。它们都是直接根据逆变器直流侧的电压或电流,求出所需电网的基波有功分量幅值,从而求出所需补偿电流的值。

2.4 自适应检测法

该方法基于自适应滤波中的自适应干扰抵消原理,从而负载电流中消去基波有功分量,从而得到所需补偿电流值。该方法的优点是对电网电压畸变、频率及电网参数变化有较好的自适应能力,但其动态响应较慢。

2.5 基于神经网络的检测法

该方法是随着神经网络理论在系统中的应用而发展起来的一种新型智能控制检测手段。人工神经网络以自学习功能性强、进化算法和反向传播用于神经网络的训练,不但避免了对于给定补偿电流的复杂计算,而且有广泛的适应性。可以用于单相、三相三线或三相四线制非线性负载的有源电力滤波器系统。

从以上检测方法看,基于瞬时无功功率理论的瞬时空间矢量法简单可行,性能良好,并已经趋于完善和成熟,目前占主导地位。自适应检测和基于神经网络控制方法等新型检测法是否能应用于工程实际,还有待进一步的研究验证。

3 有源电力滤波器的发展动向

有源电力滤波器作为改善电能质量的一项关键技术,在日本、美国、德国等发达国家已经得到了高度重视和日益广泛的应用。然而,有源电力滤波器技术目前还不十分完善,在实际应用中还有许多问题需进一步研究解决,如提高装置容量,解决控制系统的延时,降低设备损耗,提高补偿效果及性能,提高性价比等。基于解决这些问题的要求,APF技术近期的研究主要集中在谐波理论的进一步研究、控制系统的简化和数字化及补偿装置的多功能化。

4 结语

对有源电力滤波器的控制策略和谐波电流检测方法进行了归纳分析,指出了各种方法的优缺点,最后展望了这一领域的发展方向。可以看出,目前APF控制策略和谐波检测方法是这一领域研究的热点。

摘要：有源电力滤波器(APF)是补偿电力系统谐波的重要装置,其控制策略与谐波检测方法对其性能有很大影响。介绍了滞环电流控制、空间矢量控制等多种有源电力滤波器的控制策略;分析了基于频率运算的谐波检测及瞬时空间检测等各种检测方法,指出了各种技术的优缺点。展望了有源电力滤波器的发展方向,近期主要集中在对谐波理论、控制系统的简化和数字化及补偿装置的多功能化等方面的研究。

关键词：有源电力滤波器,控制策略,谐波检测

参考文献

[1]姜齐荣,赵东元,陈建业.有源电力滤波器[M].北京:科学出版社,2005.

[2]张桂斌,王广柱,魏殿杰.有源电力滤波器综述[J].山东电力技术,1998(1):13-20.

[3]李建林,张仲超.有源电力滤波器控制策略综述[J].电力建设,2003(6):44-49.

[4]王伟,周林,徐明.有源电力滤波器控制方法综述[J].继电器,2006(20):81-86.

[5]田大强,蒋平,唐国庆.空间矢量控制在有源滤波器中的应用研究[J].电力电子技术,2003,37(4):1-3.

[6]付青,罗安,王莉娜.基于自适应智能控制的混合有源电力滤波器复合控制[J].中国电机工程学报,2005,25(14):46-51.

[7]童梅,童杰,蒋静坪.有源滤波器的神经网络控制[J].电工技术学报,2000,15(1):57-60.

[8]FAN Shao-sheng,WANG Yao-nan.Fuzzy Model Predictive Control for Active Power Filter[C]//IEEE International Conference on Electric Utility Deregulation,2004:296-300.

[9]顾建军,刘汉奎,公茂忠,等.基于电源电压瞬时相位检测的并联型有源滤波器研究[J].电气传动,2003.

电力系统谐波控制 篇2

准确有效的数学模型是电力系统故障分析和谐波计算的基础。高压直流输电 (HVDC) 系统主要包括换流器、直流线路和直流控制系统[1]。目前, 直流线路已有适合不同精度研究需要的数学模型[2]。然而, 由于换流器的离散开关特性, 以及直流控制系统复杂的控制模式切换特性和快速响应特性, 对于大规模交直流混联电网, 在进行故障分析和谐波计算等稳态分析时, 受计算规模以及时间的限制, 难以建立包含换流器和直流控制系统详细动态过程的电磁暂态仿真模型。而采用忽略其动态过程的直流准稳态模型又会使得分析缺乏准确性[3]。因此, 有必要寻找一种既能有效解决仿真时间和规模的问题, 又能兼顾稳态研究精度需要的直流系统等值模型。

基于调制理论的换流器开关函数建模方法, 以其物理概念清晰, 计算过程简单兼有较高的精度而被广泛应用[4,5,6,7,8,9,10,11], 成为介于准稳态模型和详细电磁暂态模型之间的一种换流器建模方法。文献[6]建立了对称稳态运行情况下换流器开关函数模型。然而, 当交流系统发生不对称故障时, 三相换相电压不对称使得换流器三相换相角不相等且换流阀的触发导通时刻也有可能发生偏移。为此, 文献[7]以统一的触发角扰动量表示触发角的扰动, 但是交流系统不对称运行工况下, 各阀的导通特性并不相同。文献[8-9]分别考虑换流阀导通时刻的变化和三相换相角不相等对换流器开关函数进行了改进, 然而均未考虑上述两个因素同时作用的影响。文献[10]同时考虑上述两个因素, 建立适用于交流不对称故障情况下的换流器开关函数模型。但其并没有给出故障后考虑直流控制系统动作时换流器开关函数模型的具体参数计算方法, 因此无法直接利用该模型与交流系统接口进行故障分析和谐波计算。

为此, 本文在换流器开关函数模型基础上, 结合直流控制系统的故障响应特性, 建立了交直流系统故障分析和谐波计算中可与交流系统直接接口的直流系统等值模型。该模型反映了各种运行工况下由直流系统决定的直流系统注入交流系统电流的工频及各次谐波分量与换流母线电压的工频及各次谐波分量之间的关系。基于该直流系统等值模型, 结合交流系统的等值谐波网络, 提出一种交流电网故障时的HVDC系统谐波分析计算方法。利用贵广Ⅱ回HVDC系统详细模型和国际大电网会议高压直流输电 (CIGRE HVDC) 标准测试系统, 对交流电网不对称故障时的交直流谐波进行计算, 并与PSCAD/EMTDC软件所得数字仿真结果相比较, 表明本文模型和方法准确、有效。

1 基于调制理论的换流器开关函数模型

文献[10]对交流对称稳态情况下的换流器开关函数模型进行改进, 建立了能准确反映交流系统非对称运行情况下换流器动态特性的换流器序分量开关函数模型, 其中电压、电流开关函数的序分量为:

求取的关键是获得换流阀延迟导通角θxy、实际触发角αxy和实际换相角μxy, 其计算公式如下:

式中:αo为触发角;φxy为xy相线电压U·xy1的相位, 下标中的“1”表示工频分量;Id0为直流电流的直流分量;Xr为换相电抗;Δφxy为xy相与同步电压相位φsyn的偏移, xy=ab, bc, ca。

φsyn为等间隔触发控制提供触发基准:

由于在实际系统中, 为了减轻交流换相电压畸变对阀触发的影响, 通常应用门极触发单元 (GFU) 产生作用于换流器阀的等间隔触发脉冲序列, 该触发脉冲序列以锁相环 (PLL) 输出的同步电压相位为参考。而GFU的核心则是基于αβ变化的PLL技术, 因此需对换相电压进行αβ变换:

根据式 (1) 、式 (2) 及调制理论, 交直流两侧的谐波关系可表示如下:

式中:分别为直流侧电压和电流的m次相量;分别为换流器换相电压的n次正、负序相量;为换流器注入交流系统电流的n次正序或负序相量。

由式 (1) —式 (7) 可知, 的确定取决于, Id0及αo。而αo以及Id0 (决定于直流系统的运行点) 均由直流控制系统决定, 因此要建立可以与交流系统直接接口的直流系统等值模型还必须计及直流控制特性。

2 直流控制系统的稳态响应模型

直流控制系统采用分层控制, 一般按等级从低到高可分为阀组控制级、极控制级和主控制级。对直流系统而言, 故障所引发的控制系统自动响应包括阀控和极控。而在等间隔控制方式下阀控的关键在于根据换流母线电压获得同步电压相位, 已由式 (6) 和式 (7) 给出。因此, 这里只须对极控的故障响应特性进行分析。

实际上交直流系统运行状态的改变导致直流控制系统控制模式的切换十分迅速, 即使在交直流故障未切除的较短时间内, 直流控制系统亦可按预先设定的控制策略切换到新的控制模式[12]。因此, 对于本文所涉及的稳态研究, 在对极控建模时, 可忽略极控的动态过程, 假定直流控制是瞬时完成的, 利用控制功能的总效果而不是它们硬件的实际响应特性来表示控制系统[13]。

直流输电极控通常采用定电流控制、定电压控制、定最小触发角αmin控制、定关断角γ0控制、电流偏差控制以及依电压限电流控制等。以CIGRE HVDC的控制系统为例, 其稳态运行特性曲线如图1所示[14]。

图1中的红实线A-Z是整流器运行于最小触发角αmin控制时逆变侧控制器的稳态运行特性曲线, 蓝实线A-I是逆变器运行于定关断角γ0控制时整流侧控制器的稳态运行特性曲线。Ud和Id分别为换流器出口处的直流电压和电流。实际计算时分别用直流侧电压电流的直流分量Ud0和Id0代替。根据图1, 逆变侧和整流侧Ud0和Id0的关系可分别用分段函数fi和fr表示如下:

式中:下标“i”和“r”分别表示逆变侧和整流侧。

对整流侧交流系统的轻微故障, 整流侧通过减小触发角来实现定电流控制, 维持直流系统的运行点仍在A点 (额定稳态运行点) , 此时采用直流系统准稳态模型与交流系统接口并不会影响分析结果。本文主要考虑整流侧交流系统有较大扰动时直流系统建模, 此时整流侧的控制方式为最小触发角αmin控制。

而对于逆变侧, 通常采用定关断角γ0控制。根据第1节的分析可知, 建立换流器开关函数模型需要的参数是U·xy1, Id0和αo, 而受端电网不对称故障时, 虽然逆变侧已知定关断角γ0, 但在换流器建模时不能用γ0直接替换αo, 而需要利用γ0导出αo。

对于逆变器, γxy满足[13]:

联立式 (5) 及式 (12) 可得:

定关断角的控制原理可用如图2所示的控制框图表示 (以12脉动换流器为例) 。

图中的γY和γD分别表示Y桥和D桥换流阀的关断角测量值。根据定关断角控制的原理, 当受端电网发生故障并且不引起换相失败的情况下, 各换流阀的关断角不再相等, 但所有换流阀中最小的关断角将等于关断角的整定值γ0。假设交流不对称故障时ca两相的关断角最小, 即有γca=γ0, 则根据式 (13) 可得αca, 然后利用式 (4) 即可得到αo。

3 计及直流控制特性的直流系统等值模型

3.1 直流侧等值谐波阻抗

图3为计算直流侧等值谐波阻抗的等值电路。

图3中:ZL (m) , Zfdc (m) , ZS (m) 分别为直流线路、直流滤波器和平波电抗器的等值m次谐波阻抗;ZE (m) 为对侧换流器的直流侧等值m次谐波阻抗;Zd (m) 为本侧换流器直流侧向对侧系统看进去的等值m次谐波阻抗 (m≠0) 。

设对侧交流系统三相对称, 则对于12脉动换流器, 换流器直流侧m次谐波电流为:

式中:Zd (m) =[ (ZE (m) +ZS (m) ) //Zfdc (m) +ZL (m) ]//Zfdc (m) +ZS (m) , 其中ZE (m) 可由近似求得[15]。

3.2 计及直流控制特性的直流系统等值模型

对式 (8) 和式 (9) 进一步整理可得:

式 (15) 给出了各种运行工况下由直流系统决定的换流器注入交流系统电流的工频及各次谐波分量与换流母线电压的工频及各次谐波分量之间的关系。根据式 (15) , 结合换流器开关函数模型和直流控制系统稳态响应模型, 可建立计及控制系统特性的直流系统等值模型, 其模型框图如图4和图5的虚线框所示。

4 基于直流系统等值模型的HVDC系统交流不对称故障时的谐波计算

4.1 直流系统约束方程

根据图4、图5及上述分析可知, 当直流系统的控制策略和控制参数已知时, 直流系统可等值为一非线性压控电流源, 即式 (15) 可简记为:

式中:hdc为各种运行工况下由直流系统决定的U· (n) 和I· (n) 的约束函数, 记式 (16) 为直流约束方程。

由图4和图5可知, 该直流系统等值模型计及了直流控制系统特性的影响, 同时计及了交流系统不对称故障时换流阀非等间隔导通、三相换相角不相等等因素对换流器开关函数模型的影响, 适用于交流电网故障时交直流系统接口。

4.2 交流系统约束方程

由式 (16) 可知, 直流系统的等值模型给出了各种运行工况下由直流系统所决定的的直流约束方程, 此时, 再根据交流系统的网络结构及故障边界条件建立由交流系统决定的的交流约束方程, 最后联立交直流约束方程求解, 即可得到交流电网故障时HVDC系统谐波计算结果。

通过戴维南等值方法[16], 直流系统经等值后的HVDC输电系统简化模型如图6所示。

根据受端电网的拓扑结构和交流不对称故障的边界条件可得关系式, 当n=1时:

式中:Z+I1, Z-I1, Z+s1为交流故障时根据交流系统网络结构和故障边界条件得到的工频序阻抗。

当n≠1时, 有

式中:Z+I (n) 和Z-I (n) 为交流故障时根据交流系统网络结构和故障边界条件得到的n次谐波序阻抗。

由于交流零序电压对直流电压没有影响[15], 可不予考虑。

4.3 HVDC系统交流不对称故障时的谐波计算

根据直流控制系统的控制策略、控制参数以及交直流系统网络结构和故障边界条件建立式 (16) —式 (18) , 然后联立求解即可得到相应运行工况下HVDC系统谐波计算结果。而实际上, 因式 (16) 涉及三角函数等非线性函数, 十分复杂, 本文给出了一种迭代计算方法, 其计算流程如图7所示 (k为迭代次数) 。

5 仿真验证

将上述计算方法应用于CIGRE HVDC标准系统和南方电网贵广Ⅱ回HVDC输电系统的谐波计算, 并与基于PSCAD/EMTDC所得的数字仿真结果相比较。对上述两个系统利用MATLAB编程实现本文算法, 迭代收敛标准ε=1×10-3, 所有算例均迭代计算4次后收敛。计算中, 逆变侧仅考虑不引起换相失败的交流故障情况。

表1给出了换流母线处经不同过渡电阻单相接地故障情况下换流母线工频电压U·xy1、直流电流Id0和触发角αo的计算值与仿真值;表2给出了其相应的谐波分析计算值与仿真值。由表1可见, 利用本文计算方法得到的换流母线电压工频正序分量的计算误差不超过2%;换流母线电压工频负序分量和直流侧直流电流的计算误差均不超过5%;母线工频电压正负序分量相角和换流器触发角计算绝对误差均小于1°, 可较准确地得到交流系统故障时, 直流控制系统动作后的触发脉冲同步相位 (换流母线工频线电压相位) 、实际触发控制指令角以及直流系统运行点, 表明本文所建直流系统模型既能准确计及各种运行工况下换流器的动态开关特性, 又能计及直流控制特性的影响。表2给出了幅值较大的低次谐波的仿真值和计算值, 其中谐波电流的仿真值和计算值均为abc三相中谐波幅值最大相的值。由表2可见, 交流侧3次谐波电流及直流侧2次谐波电压的计算误差均低于5%;交流侧5次谐波电流及直流侧4次谐波电压的计算误差均低于10%, 可知, 本文所提出的谐波计算方法具有较高的计算精度。

6 结语

1) 建立了适用于交直流系统故障分析和谐波计算的直流系统等值模型。该模型既能准确计及各种运行工况下换流器的动态开关特性, 又能计及直流控制特性的影响。并且该模型参数无需通过仿真得到, 可在各种运行工况下与交流系统直接接口。

2) 基于所建立的直流系统等值模型, 提出了一种适用于交流不对称故障时的HVDC系统谐波分析计算方法。该方法计算简单, 收敛速度快, 精度较高, 为直流输电系统的谐波抑制、滤波装置的配置和交直流两侧继电保护的整定配合等提供了定量的分析依据。

摘要：准确的直流系统模型是交直流系统故障分析和谐波计算的基础。文中在换流器开关函数模型的基础上, 结合直流控制系统的故障响应特性, 建立了可与交流系统直接接口的适用于交直流系统故障分析和谐波计算的直流系统等值模型;结合交流系统等值谐波网络, 提出了一种交流电网故障时的高压直流输电系统谐波分析计算方法。将所提方法应用于国际大电网会议高压直流输电 (CIGRE HVDC) 系统标准模型和贵广Ⅱ回高压直流输电系统详细模型的谐波计算, 并与PSCAD/EMTDC软件所得数字仿真结果进行比较, 表明所提模型和方法准确、有效, 为交直流输电系统的谐波抑制、滤波装置的配置和继电保护的整定配合等提供了定量分析依据。

电力系统谐波控制 篇3

1 谐波产生的背景和研究意义

1.1 谐波产生的背景

电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意, 而当时是由于德国在使用静止汞弧变流器而造成了电压、电流波形的畸变造成了严重的谐波污染, 是其电器设备严重损坏。

目前, 电能已成为人们生活中的一部分, 是人类社会中重要的能源之一。但是, 由于经济的节奏的加快, 工业用电、农业用电的需求也不断增加, 谐波问题也频繁的产生。

1.2 研究目的与意义

以前由于接入供电系统的非线性设备较小, 系统中引起的谐波电流也很小, 所以当时谐波对电力质量的影响不大。但是, 现在电子技术的不断发展, 各种大功率电器的广泛运用, 谐波对人们的生产和生活也产生了严重的影响。目前, 随着用电需求量的增大, 对谐波的防治工作已成为工作人员的必须关注的话题。因此, 有效的防止谐波的污染, 提高用电质量成为了我们研究谐波问题的主要目的。

2 谐波污染和治理研究现状

对于谐波的治理, 不同的国家有着不同的方案。就目前国内而言, 我国的工业、农业已成为谐波污染问题的“重灾区”, 就此问题我国曾多次召开学术研讨会议进行研究。在工业、农业的生产中, 由于用电设备的大量投入, 使本来每台向电网注入的谐波电流不大的设备, 造成的谐波电流变得巨大, 从而使谐波污染过为严重, 使得电动机、电压器的电力设备的电能消耗增大、使用寿命缩短。

2.1 谐波污染现状

现在社会中, 人们对电能的需求日益剧增。而谐波的出现导致电力质量下降, 电能无故损失, 许多大功率用电设施寿命缩短, 使电力的供应是否能达到人们的生活、生产标准已成为电力工作者们必须考虑的问题。在现代智能化建筑建设中, 谐波的产生容易导致电气设备运行不畅, 使得电动机在运行的过程中发生巨大的损耗, 还对电动机的运转产生相关的振动和噪音;在工业生产中, 谐波的产生不但时刻影响着生产线的运转、经济的发展, 还存在这严重的安全隐患。由于近年来科技的不断进步, 大量的先进设备的引入, 使得我国的经济水平不断地发展, 但是谐波的污染也变得极为严重。例如:计算机系统, 开关电源、电子式荧光整流器等先进设备在应用时容易产生供电系统的电压和电流发生不确定的畸变, 而出现大量谐波, 使其电能的消耗变得巨大。

由于谐波问题的严重危害, 不但使接入电网的设备无法正常运转, 还让供电系统中性线承受的电能过大, 影响着供电系统的电力输送能力, 是人们的用电质量不高。因此, 谐波问题得到有关部门的高度重视。谐波危害主要表现在以下几个方面:

2.1.1 由于谐波电流的频率为基波频率的整数倍, 高频电流流过导体

时, 因集肤效应的作用, 使导体对谐波电流的有效电阻增加, 从而增加了设备的功率损耗、电能损耗, 使导体的发热严重, 严重影响了用电设备和电力系统的性能和寿命。

2.1.2 影响继电保护和自动装置的工作和可靠性。

2.2 治理措施

想要有效的减少谐波的污染, 我们必须从谐波的检测方面入手, 通过对电网谐波的检测来找到谐波的产生根源———谐波的污染和具体分布情况, 然后从中找寻具体的治理措施。

3 谐波检测研究的主要作用和基本要求

3.1 电力系统谐波检测的主要作用

电力系统中的谐波检测, 是解决谐波问题的出发点。只有的分布情况了解详细, 才能让谐波在社会中的污染得到高效、合理的防止。谐波检测的主要作用有以下几个方面:

3.1.1 鉴定时间电力系统及谐波源的谐波水平是否符合标准规定包括对所有谐波源设备投运时的检测。

3.1.2 电气设备调试投运时谐波检测以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运行。

3.1.3 谐波故障或异常原因的检测。

3.1.4 谐波专题测试如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。

3.2 电力系统谐波检测的基本要求。

电力系统谐波检测的基本要求主要有以下几个内容:

3.2.1 谐波测量方法和数据处理都必须遵照1993年国家颁布的标准进行实施。

3.2.2 精度要求。为了达到减少误差和精确测量的目的须制定一些测量精度以表示抗御噪音、杂波等非特征信号分量的能力。

3.2.3 速度要求。要求具有较快的动态跟踪能力。

3.2.4 鲁棒性好。在电力系统的正常、异常运行情况下都能测出谐波。

3.2.5 实践代价小。此想要求往往与上述要求相冲突在实践中应酌情考虑在达到应有要求的前提下应力求获得较高的性能价格比。

4 检测方法

4.1 硬件检测

实际的谐波检测装置因应用的时期、场合和要求不同而形式各异。按照测量功能分类可分为频谱分析仪和谐波分析仪。按测量原理分类可分为模式式和数字式测量仪器。按测量功用分类可分为谐波分析仪和谐波检测仪。

4.2 滤波装置

目前, 我国采用的滤波器主要有无源滤波装置和有源滤波器。无源滤波装置主要采用LC回路, 并联于系统中, LC回路的设定, 只能针对于某一次谐波, 即针对于某一个频率为低阻抗, 使得该频率流经为其设定的LC回路, 达到消除 (滤除) 某一频率的谐波的目的。LC回路在滤除谐波的同时, 在基波对系统进行无功补偿。这种滤波装置简单, 成本低, 但不能滤除干净。其主要元件为投切开关、电容器、电抗器以及保护和控制回路。而有源滤波器是用电力电子元件产生一个大小相等, 但方向相反的谐波电流, 用以抵销网络中的谐波电流, 这种装置的主要元件是大功率电力元件, 成本高, 在其额定功率范围内, 原则上能全部滤除干净。

4.3 人工神经网络技术

人工神经网络技术自从面世后发展非常迅速, 并且随着神经网络的发展, 在电力系统中的应用也日益深入, 如负荷预测、优化调度、谐波检测与预测等, 并在工程应用上取得一些较好成效。基于神经网络的检测方法主要涉及模型的构建、样本的确定和算法的选择, 利用神经网络实现谐波和无功电流的检测对周期性及非周期性电流都具有良好的快速跟踪能力, 对高频随机干扰也有较好的识别能力。

结束语

电力系统谐波控制 篇4

1 谐波产生背景及研究意义

1.1 产生背景

电力是现代人类社会生产与生活不可缺少的一种能源形式, 是国际能源消费的主要模式。电能作为一种新型的能源产品, 一旦被生产出来, 那它就会被消耗掉。随着用电器的不断增多, 用电的需求量在不断的增长, 要确保供电量可以源源不断的被提供, 只有不断的增强电力系统的管理, 以及电力系统的运输才可以较好的完成工业生产以及家庭用户对电能的需求量。

1.2 研究目的与意义

随着国民经济的发展与人民生活水平的提高, 电力电子产品广泛的应用在人们生活和生产的各领域, 但是电力电子装置所带来的谐波问题严重影响着电力系统的稳定、安全、经济运行, 使电力系统中运行中存在着潜在威胁。对谐波问题进行检测已成为电力工作人员的工作重点。电谐波的检测技术在不断的发展, 使得其广泛的应用在各种电网电能运输中, 由传统的直接电能输出, 电网谐波不检测到现代化电网谐波的多样化监测, 使得电网监测在电网中的位置与作用与日俱增。

2 谐波污染与治理研究现状

关于电网谐波的污染及其治理问题, 已越来越引起世界各国的高度关注和重视。国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议, 不少国家及国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准规定。

2.1 谐波污染现状

谐波是指电流中所含有的频率为基波倍数的电量, 通常在工作中对周期性的非正弦电量进行技术分解, 其他大于基波频率的电流。在智能建筑建设中谐波的产生容易造成电气设备的运行不畅, 使得电动机在运行的过程中发生巨大的损耗, 还对电动机的运转产生了相关的振动和噪音, 更有甚至是容易引发火灾险情。随着近年来科学技术的飞速发展, 大量的先进设备逐步采用, 但是由此所产生的谐波现象也在日益增多。如计算机系统、开关电源、电子式荧光整流器等先进设备在应用中容易造纸供电系统的电压和电流发生不确定的畸变, 这就造成了大量的谐波。其次是在公用电网的应用中本身存在着一定的谐波含量和配电变压器作为产生谐波的主要因素, 通常这些谐波都是有公用电网传输给配电系统, 造成配电系统在运行中的缺陷和问题。

2.2 治理措施

所以必须在电网进行有效的谐波的控制, 要首先对电网的谐波进行真实有效的监测普查, 以便更好的掌握到电网的谐波的污染情况, 进而对不同种类的情况进行采取适宜的技术措施。

2.2.1 使用SVC的静止的无功补偿装置。

像这样的柔性的调节装置可以进行广泛适用于抑制像电弧炉以及电气化的铁路等快速发生变化的负荷对于电网的电能质量的多种不利影响。该方法可以有效的抑制电弧炉等无功的冲击而引发的电压的波动还有闪变以及负序的电流还有提高的功率因数, 它还可以进一步的实现各个无功的功率并且快速的进行补偿调节并且实现三相的无功功率的平衡等等。像这样的柔性调节的装置可以装设在地区性的枢纽中心变电站会带来比较明显经济效益。2.2.2使用MCR的磁控电抗的综合的电力滤波的装置。像MCR的磁控电抗器它的主电路的结构是采用无源的滤波器以及有源的滤波器二者进行组合而成的。无源的滤波器可以起到主要的滤波功能, 并且可以补偿到一定数量的无功;而有源滤波器起到提高和改善无源滤波器性能的作用。

3 谐波检测研究的主要作用与基本要求

3.1 电力系统谐波检测的作用

谐波检测是谐波问题的一个重要组成部分也是研究和分析谐波问题的主要依据和出发点。谐波检测的主要作用有以下几方面:

3.1.1 鉴定实际电力系统及谐波源的谐波水平是否符合标准规定包括对所有谐波源设备投运时的检测。

3.1.2电气设备调试投运时谐波检测以确保设备投运后电力系统和设备的安全及经济运行。3.1.3谐波故障或异常原因的测量。3.1.4谐波专题测试如谐波阻抗、谐波潮流、谐波谐振和放大等。

3.2 电力系统谐波检测的基本要求

电力系统谐波检测的基本要求电力系统谐波检测的基本要求

3.2.1 谐波测量方法和数据处理必须遵照1993年国家颁布的标准GB/T 14549-93即《电能质量公用电网谐波》。

3.2.2精度要求。为达到减少误差和精确测量的目的须制定一些测量精度以表示抗御噪声、杂波等非特征信号分量的能力。3.2.3速度要求。要求具有较快的动态跟踪能力测量时滞性小。3.2.4鲁棒性好。在电力系统的正常、异常运行情况下都能测出谐波。3.2.5实践代价小。此项要求往往与上述要求相冲突在实践中应酌情考虑在达到应用要求的前提下应力求获得较高的性能价格比。

4 检测方法

4.1 硬件测试

实际的谐波测量装置因应用的时期、场合和要求的不同而形式各异。按测量功能分类可分为频谱分析仪和谐波分析仪。按测量原理分类可分为模拟式和数字式测量仪器。按测量功用分类可分为谐波分析仪和谐波监测仪。频谱分析仪提供谐波的频谱分布特性谐波监测仪提供谐波成分的变化情况谐波分析仪提供电压谐波、电流谐波畸变率及每次谐波含量等。

4.2 模拟滤波器

可以看到的是, 模拟的滤波器的工作原理是:如果信号不包括低于基频的次谐波时使用低通的滤波器, 如果信号里有次谐波那么使用带有通滤波器进行获取到基波的分量, 要是用减法, 那么则从信号里面减去基波的分量那也就得到了分量。这种方法在实际应用起来可以非常的简单快速, 可是像这样的检测方式存有很多不足:它对环境的非常依赖, 如果电网的频率发生波动或者是滤波器的元件的参数发生变化时那么它的效果会变得很差:根本就无法分离出基波里面有功或者是无功的分量;要是谐波频率的和基波相近时, 那么滤波器的归一化的截止频率就会很小, 它的波动特性就会变得很差;如果是当基波的频率不固定但是却在较大的范围进行波动, 那么滤波器的设计会变得很困难。

4.3 Fryze的有功电流的检测

Fryze的有功电流的检测它的工作原理是把负载的电流分解成与电压的波形相一致的分量, 而把其余的分量称之为广义的无功的电流 (这其中包括了谐波的电流) 。它所具有的缺点为:由于Fryze的功率定义是构建在平均功率的基础上, 它是需要一个周期的积分的, 如果有至少一个周期的发生延期时, 那么它就不适合负载变化频繁的地方。要是只可以同时的检测出谐波还有无功的电流, 而不可以只是检测谐波的电流或者只检测无功的电流, 它是具有较大的局限性。

结束语

本文根据电力电网谐波的自身特点, 研究适用于一系列电网谐波的检测需求方法, 并在原有的检测基础之上设计更好的电网谐波检测手段, 把电网谐波检测方法应用到实际当中去, 从而有效的减少电网谐波的污染。

摘要：随着工业生产自动化和人民生活水平的不断提高, 人们对供电质量也有了更高层次的要求。谐波作为电能质量的主要影响因素, 受到人们的广泛关注。所谓谐波, 是理想的电力系统传输中由于受到各方面原因的影响而使的这种状态无法达到, 因此对电力系统周期性电压和电流进行分解, 所得出频率为基波整数倍分量的含有量, 即为谐波。谐波的畸变次数及振幅值的大小, 直接护额顶着电网的污染、破坏程度以及电力系统中各方面设备的危害影响。

电力系统谐波及其抑制技术 篇5

但在我们日常建设的工程中, 改善电网质量的方式采用较多的是进行无功功率电容集中补偿, 很少注意到谐波对用电设备和电网带来的危害, 大量谐波频率的产生很大地影响了电器设备的使用及电网的质量, 严重时还可能危及到电网中的其他各类电气设备的损毁及破坏电网的正常使用。在此, 我们主要探讨谐波产生的原因及其危害分析, 并提出抑制供电系统中谐波的对策。

1 谐波定义

供电系统谐波的定义是:对周期性非正弦电量进行傅立叶级数分解, 除了得到与电网基波频率相同的分量, 还得到一系列大于电网基波频率的分量, 这部分电量称为谐波。谐波频率与基波频率的比值 (n=fn/f1) 称为谐波次数。电网中有时也存在非整数倍谐波, 称为非谐波 (Non-harmonics) 或分数谐波。谐波实际上是一种干扰量, 使电网受到一定程度的“污染”, 其谐波次数范围一般为2≤n≤40。

2 电力谐波的特征

在理想的电力系统中, 三相交流发电机发出的电压波形基本是正弦波形。即在只含线性元件 (电阻、电感及电容) 的简单电路里, 电流与电压成正比, 流过的电流是正弦波。而在实际的供电系统中, 由于有非线性负荷的存在, 当电流流过与所加电压不呈线性关系的负荷时, 就形成非正弦电流, 其负荷图形 (电流或电压波形) 几乎全是非对称的、磁滞形的以及转折形的, 并且斜率也是随负荷而变的, 任何周期性波形均可分解为一个基频正弦加上许多谐波频率的正弦。谐波频率是基频的整倍数, 例如基频为50Hz, 2次谐波为100Hz, 3次谐波则为150Hz。畸变的电流波形可能有2次谐波、3次谐波……可能直到第30次谐波组成。谐波电流的量取决于谐波源设备本身的特性及其工作状况, 而与电网参数无关, 故可视为恒流源。各种晶闸管电路产生的谐波次数与其电路形式有关, 称为该电路的特征谐波。除特征谐波外, 在三相电压不平衡, 触发脉冲不对称或非稳定工作状态下, 各种晶闸管电路还会产生非特征谐波。进行谐波分析和计算最有意义的是特征谐波如5、7、11、13次等。

3 国内外研究状况和进展

3.1 国外研究现状

国外对电力谐波问题的研究大约开始于20世纪五六十年代, 当时的研究主要是针对高压直流输电技术中变流器引起的电力系统谐波问题。20世纪七八十年代随着电力电子技术的发展及其在工业、交通及家庭中的广泛应用, 谐波问题日趋严重, 从而引起各国的高度重视。近几十年间电力谐波的研究, 渗透到了数字信号处理、计算技术、系统仿真、电工理论、控制理论与控制技术、电网络理论、电力电子学等其它学术领域, 已经越过了电力系统的范畴, 并且形成了自己特有的理论体系、分析研究方法、控制与治理技术、监测方法与技术、限制标准与管理制度等。目前, 谐波研究仍是一个非常活跃的领域。抑制谐波可以从治理谐波源本身入手, 使其不产生谐波, 且功率因数为l, 单位功率因数变流器就是可以实现这种功能的电力电子装置。但由于谐波源的多样性, 在电网中一般还是加装滤波器的方法来抑制高次谐波, 这些装置一般可分类为无源滤波器和有源滤波器两种。

3.1.1 无源滤波装置

在电力系统中, 装设无源电力滤波器 (PF-Passive Filter) -直是传统补偿谐波的主要手段, 其突出的优点是结构简单、运行可靠性高、运行费用低旧。但是设计出滤波性能理想的无源滤波器也不是一件简单的事。无源滤波器的滤波原理是使负载谐波电流在电网支路和滤波器支路分流, 因此其滤波性能受系统阻抗的影响较大。为了减小电网支路中的谐波, 滤波器支路的阻抗须远远低于电网支路阻抗。由于电网阻抗原本就不是很大, 若要使滤波器支路阻抗在主要谐波频率处远小于电网谐波支路阻抗, 需加装多个无源滤波器, 它们的调谐频率设计在电网的主要谐波频率处, 且所有调谐滤波器必须拥有较高的品质因数, 否则, 加装无源滤波器就起不到明显的谐波抑制作用。然而, 这样设计的无源滤波器对电网频率的变化是极其敏感的, 电网频率稍微偏离额定频率点, 无源滤波器的滤波性能将大幅度下降。此外, 电网阻抗的变化、滤波器元件的生产容差、老化或其它原因引起的参数偏离理想设计值, 也将导致无源滤波器滤波性能的下降。为了使无源滤波器在这些情况下也具有一定的滤波效果, 往往以牺牲在电网主要谐波频率处的滤波效果为代价来适当地降低品质因数。

并且, 安装LC无源滤波器很有可能在系统中形成串并联谐振回路, 导致电网谐波电流的传播和放大, 造成电网电压波形的畸变。为了避免在主要谐波频率处发生串并联谐振, 无源滤波器的调谐频率往往设计成稍偏离主要的谐波频率, 而这又将影响无源滤波器的滤波性能。

即使可以成功地解决以上问题, 因电网电压谐波和其它负载产生的谐波电流流人无源滤波器而造成的无源滤波器过载, 也是比较棘手的问题。因此, 采用无源滤波器技术是很难将电网谐波限制在国际或国家标准以内的。此外, 由于无源滤波器由大容量的电抗器和电容器组成, 整机体积庞大, 造价高, 虽然在某些大型炼钢厂仍有使用, 但必将被效率高、动态补偿特性好的新型有源滤波器所取代。

3.1.2 有源滤波装置

目前谐波抑制的趋势是采用有源电力滤波器 (APF-Active Power Filter) , 它是一种电力电子装置, 能对频率和大小都变化的谐波进行动态补偿, 补偿特性不受电网阻抗和频率变化的影响, 可获得比无源滤波器更好的补偿效果, 是一种理想的谐波补偿装置。而且, 通过改变控制算法可以实现多种功能, 如抑制谐波、补偿无功、抑制闪变、补偿相间不平衡等, 因而引起了人们极大的关注。

随着20世纪60年代以来新型电力半导体器件的出现, 脉宽调制 (PWM) 技术的发展, 以及基于瞬时无功功率理论的提出, 针对无源滤波器的缺陷, 在1969年Bird和Marsh等人提出了向电网中注入三次谐波电流以减少电源系统中电流的谐波成分, 这是 (Active Power Filter) APF思想的萌芽嘲。之后, 1971年, H.Sasaki和T.Machida首次完整地描述了有源电力滤波器的基本原理, 但是由于当时是采用线性放大的方法产生补偿电流, 其损耗大, 成本高, 因而仅在实验室研究, 未能在工业中实用。1976年Gyugyi等人提出了用大功率晶体管PWM变换器构成有源滤波器, 并正式提出了有源滤波的概念, 提出了有源滤波嚣的主电路的基本拓扑结构和控制方法, 从原理上阐明了有源电力滤波器是一种理想的谐波电流发生器, 并讨论了实现方法和控制原理, 奠定了有源电力滤波器的基础。从原理上看, PWM变流器是一种理想的补偿电流发生电路, 但是由于当时电力电子的发展水平不高, 全控型器件功率小, 频率低, 因而有源滤波器仅限于实验研究。在20世纪80年代由于大功率全控型功率器件的成熟, 大功率晶体管 (GTR) 、大功率可关断晶闸管 (GTO) 、静电感应晶闸管 (STH) 、功率场效应管 (MOSFET) 及绝缘栅型双极性晶体管 (IGBT) 等新型快速大容量功率开关器件相继何世, 脉宽调制 (PWM) 控制技术的发展, 尤其是1983年日本的H.Akagj等人提出了“三相电路瞬时无功理论113l (Iristntarieoris Reactive Power Theory) ”又称“p-q理论”、“Akagi-Nabae理论一, 以该理论为基础的谐波电流瞬时检测方法的在三相电力滤波器中得到了成功的应用, 在高性能DSP芯片也得到了应用, 使有源电力滤波器APF得以迅速发展。APF通过向电网注入谐波及无功或改变电网的综合阻抗频率特性, 以改善波形, 除了具有相应速度快, 具有很好的动态实时补偿功能等优点外, 还具有可进行无功补偿, 抑制电压闪变等多种功能。因此APF逐渐成为了一种具有很大潜在应用价值的谐波补偿装置, 并开始得到迅速的发展。但由于全控型功率器件的成本及性钝, 制约了APF的实际应用, 目前只有在日本得到比较广泛的推广。

APF-般分为并联型、串联型和混合型三种。从补偿的角度来看, APF可以分为无功补偿、谐波补偿、平衡三种系统电压或电流以及多种补偿。常规的并联型APF可以同时补偿谐波电流和无功, 属于多重补偿。混合APF只能补偿谐波电流, 属于谐波补偿。

随着科学技术的发展, 非线性负荷用电设备的种类、数量和用电量迅速增加。针对谐波的大量出现, 目前国外已经研制成功各种谐波测量分析仪, 如德国产的NOWA-1谐波分析仪、美国产F40/41手持式谐波分析仪和英国产PA系列高精度电力谐波分析仪等。

3.2 国内研究现状

我国在有源电力滤波器的应用研究方面, 继日本、美国、德国等之后, 得到学术界和企业界的充分重视, 并投入了大量的人力和物力, 但和电子工业发达的国家相比有一定的差距。我国从20世纪80年代开始大量采用硅整流设备, 尤其是铁路电气化的迅速发展, 推动了硅整流技术的发展和应用。电气化铁道具有牵引重量大、速度高、节约能源、对环境污染小等优点, 电力牵引己成为我国铁路动力改造的主要方向。目前, 非线性负荷的大量增加, 使我国不少电网的谐波成分以大大超过了有关标准, 并出现了一些危及电网安全、经济运行的问题。于此同时, 我国许多科研和生产单位, 一些高等院校相继开展了谐波研究工作, 在多次学术会议上交流了这一方面的成果。

但是, 我国在APF方面的研究仍处于起步阶段, 到1989年才有这方面文章。研究APF主要集中在并联型、混合型, 也开始研究串联型。研究最成熟的是并联型, 而且主要以理论眼界和实验研究为主。理论上涉及到了功率理论的定义、谐波电流的监测方法、有源电力滤波器的稳态和动态特性研究等。1991年北方交通大学王良博士研制出3KVA的无功及谐波的动态补偿装置;同年, 华北电力科学院和冶金自动化研究院联合研制了用于380V三相系统的33KVA双极面结型电压型滤波器;采用多重化技术201, 西安交通大学研制出120KVA并联型有源滤波器的实验样机。此外, 清华大学、华北电力大学、重庆大学等高等院校也对APF展开了深入的理论研究。我国虽在理论上取得一定的进展, 由于多方面的条件的限制, 我国的有源滤波技术还处于实验阶段, 工业应用上只有少数几台样机投入运行, 如华北电力实验研究所、冶金部自动化研究院和北京供电公司联合开发研究的有源高次谐波抑制装置于1992年在北京木材厂中心变电站投入工业运行, 该装置采用了三个单相全控桥逆变器 (功率开关为GTR) , 用于低压电网单个谐波源的谐波补偿, 且只能补偿几个特定次数的谐波 (5、7、11、13次) , 调制载波的频率 (3.3KHZ) 不高;河南电力局与清华大学联合开发的20MVA静止无功发生器 (包含有源谐波器) 在郑州孟若变电站进行300KVA中间工业样机试运行, 该样机主电路由18脉冲电压型逆变器、直流储能电容器、9台曲折绕组变压器及系统的连接变压器组成, 脉冲逆变器分为3相6脉冲电压型逆变器 (功率开关为GTO) , 系统结构较复杂。

总的来讲, 目前我国有源电力滤波技术的工业应用, 仍处于试验和攻坚阶段。

4 谐波的产生

自从使用交流电起, 电力系统中就已存在谐波了。国际上公认的谐波定义为:“谐波是正弦波分量并且是一个周期电气量的, 其频率为基波的整数倍”。在电力系统中, 我们通常所说的谐波, 也是我们常称的高次谐波, 主要是指频率是基波频率整数倍的l F弦波。

4.1 电输配电系统产生的谐波

输配电系统中的谐波主要是电力变压器, “生的, 这是由于设计变压器时考虑经济性, 磁化曲线的非线性, 变压器铁心的饱和, 加上其工作磁密选择在磁化曲线的近饱和段上, 这样就使得磁化电流呈尖顶波形, 因而含有奇次谐波。它的大小与铁心的饱和程度、磁路的结构形式有关。谐波电流越大, 变压器工作点偏离线性就越远, 铁心的饱和程度就越高, 其中3次谐波电流可达额定电流的0.5%。输配电系统和电源虽然产生谐波, 但这2方面产生的谐波所占的比例是很小的。

4.2 电源质量不高产生的谐波

由于铁心也很难做到绝对均匀一致, 和三相绕组在制作上很难做到绝对对称, 加上发电机是产生电能的装置, 致使电源多少也会产生一些谐波。

4.3 用电设备产生的谐波

电网主要的谐波源就是用电设备产生的谐波, 且这方面的谐波占比很大。

5 电力谐波造成的危害

电力谐波作为一种污染, 对电网造成的危害十分严重。它能使电能的生产、传输和利用的效率降低, 使电器设备过热、产生振动和噪声, 并使绝缘老化、使用寿命缩短, 甚至发生故障或烧毁;它可引起电力系统局部谐振, 使谐波含量放大, 造成电容器等设备损坏;它能引起继电保护和自动装置误动作, 使电能计量出现混乱。另外, 还对通讯设备和电子设备产生严重干扰等等。电力谐波的危害主要表现有以下几方面:

5.1 增加输、供和用电设备的额外附加损耗产生的影响

5.1.1 电力谐波对输电线路的影响

谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时, 对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。

5.1.2 电力谐波对变压器的影响

谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度, 谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言, 则会大大增加励磁电流的谐波分量。

5.1.3 电力谐波对电力电容器的影响

含有电力谐波的电压加在电容器两端时, 由于电容器对电力谐波阻抗很小, 谐波电流叠加在电容器的基波上, 使电容器电流变大、温度升高、寿命缩短, 引起电容器过负荷甚至爆炸, 同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振, 使故障加剧。

5.2 影响继电保护和自动装置的工作可靠性

对于电磁式继电器来说, 电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动, 使其动作失去选择性, 导致可靠性降低容易造成系统事故, 严重威胁电力系统的安全运行。

5.3 对通信系统工作产生干扰

电力线路上流过幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时, 会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压, 干扰通信系统的工作, 影响通信线路通话的清晰度, 甚至在极端的情况下, 还会威胁着通信设备和人员的安全。

5.4 对用电设备的影响

电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变, 画面亮度发生波动变化, 并使机内的元件温度出现过热;使计算机及数据处理系统出现错误, 甚至损害机器。另外电力谐波还会对测量和计量仪器的指示及整流装置等产生不良影响。

6 谐波检测的几种方法比较

6.1 模拟滤波器检测法

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。

6.2 基于Fryze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Fryze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。

6.3 神经网络 (Neural Network, NN) 谐波检测法

目前, 此检测法的相关研究文献迅速增加, 并取得了~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NN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Adaline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NN检测方法优点:

(1) 计算量小

(2) 检测精度高

(3) 对数据流长度的敏感性低于FT和WT

(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, NN用于工程实际还有很多问题:没有规范的NN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, NN的精度对样本有很大依赖性等。另外, NN和WT-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。

6.4 基于傅里叶变换的谐波检测法方法

这种检测方法检测精度高、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:

(1) FFT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, FFT不一定适用。

(3) 由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, FFI自身并没有这个特性, 目前谐波FFT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FFT这一局限, 1946年Gabor提出的短时傅里叶变换。又称加窗FI或Gabor变换, 对弥补FT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医域频率的频谱。

(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。

6.5 小波变换检测法

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 (Multiscale Analysis) , 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FT在频域完全局部化而在时域完全无局部化的缺点。但是WT稳态谐波检测方面并不具备理论优势;另一方面WT的理论和应用时间相对较短, WT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。

7 电力谐波的抑制措施

7.1 严格贯彻执行有关电力谐波的国家标准, 有效杜绝谐波源入网

《中华人民共和国电力法》指出:“用户用电不得危害供电、用电安全和扰乱供电、用电秩序”, 《供电营业规则》中规定“用户的非线性阻抗特性的用电设备接入电网运行所注入电网的谐波电流和引起公共连接点至正弦波畸变超过标准时用户必须采取措施予以消除。”

(1) 对于电力用户来说, 要求所购置的用电设备必须符合GBl7625.1《低压电气及电子设备发出的谐波电流限值 (设备每相输入电流≤16A) 》标准, 方可允许接入到配电系统中。

(2) 根据国家技术监督局1993年颁发的GB/T14549《电能质量公用电网谐波》, 规定注入公共连接点的谐波电流允许值的用户, 必须安装电力谐波滤波器, 以限制注入公用电网的谐波。

(3) 严格业扩报装审批手续, 对新上用户设备的负荷特性严格审查, 对大容量的谐波源, 其相关的谐波抑制设备不配套谐波注入量不达标, 不予验收送电。

(4) 对于新建、再建、扩建工程的用户, 监督其选用不产生谐波的电气设备。

7.2 贯彻“谁污染, 谁治理”的原则, 实施绿色电网工程

治理谐波污染的核心内容是有效控制污染源, 堵住客户向电网注入超标的谐波电流。供电公司应该制定相应的考核措施, 坚定不移地贯彻“谁污染, 谁治理”的原则, 实施绿色电网工程, 牢牢掌握治理谐波污染的主动权。

7.3 加强对与大用户谐波污染的监测和管理

由于电弧炉冶炼技术经济的优越性, 电弧炉的市场用量日益增多, 已成为电网中的主要谐波源。对于容量在100k VA及以上整流装置和非线性设备的用户, 必须增设分流滤波装置, 就近吸收电力谐波。强制性要求装设谐波检测设备和谐波计量仪表, 定期对谐波污染严重用户的谐波污染状况进行定量检查, 为实施谐波计量和收费提供准确的依据。对于超过国家标准的设备拥有者, 必须给予适当的经济处罚。

7.4 大力普及谐波管理知识, 宣传谐波对电网的危害

使供电企业职工与电力用户都能够充分认识到, 谐波治理不仅是供电企业的责任, 而且也是供电企业和电力用户的共同责任, 减少电网谐波污染, 提高电能质量, 对双方都有裨益。

7.5 充分认识谐波对电网的危害

在供电企业内部把谐波管理指标与经济责任制考核挂钩, 建立健全谐波管理体系, 组织专业管理队伍, 对谐波进行专业管理, 开展谐波专业分析与治理。

7.6 对高压直流 (HVDC) 谐波的抑制

高压直流 (HVDC) 输电方式在远距离、大容量方面独具优势, 然而环流变压器却是一个大功率、非线性电子元器件, 在电力系统内会产生大量非特征和特征谐波, 不但会使周围通讯系统受到干扰, 而且会使输电系统电气设备因发热而损坏严重时在电力系统可能产生并联或串联谐振。通常采用的抑制谐波的方法有两种:一种, 是增加换流器的相数或脉冲数另一种, 是装设交流滤波器和直流滤波器。

7.7 三相整流变压器采用正确接线方式

对于三相整流变压器, 尽量采用Y/△或△/Y的接线形式这样可以消除3的整数倍次的电力谐波, 从而使注入电网的谐波电流只有5、7、11……等次谐波。

7.8 增设限流装置或串联电抗器

电力电容器具备一定的抗谐波能力但是当谐波含量过大时又会对电容器的寿命产生不良影响, 加之由于电容器对谐波具有放大作用, 因而会使系统的谐波干扰更加严重。所以对于大容量的电力设备 (特别是大容量的电容器组) 而言在其回路内可考虑增设限流装置或串联电抗器, 添加滤波装置。

7.9 注重选择非线性负荷接入电网的接入点

由于高压电网的短路容量大, 承受谐波侵扰的能力强, 可以考虑将谐波产生容量大的谐波源接入到高一级电网的母线上, 并且在变电站母线上加装电感、电容式滤波器。

7.1 0 推广使用有源电力滤波器 (Active Power Filter———APF)

有源电力滤波器 (APF) , 也称为静止无功发生器 (SVG) , 是一种能对电力系统中幅值和频率都变化的谐波和无功分量进行实施动态补偿的新型电子电路装置, 主电路一般由脉冲宽度调制 (Pulse Width Modulation———PWM) 逆变器构成。其基本原理是先从补偿对象中检测出谐波电流, 再利用补偿装置向电网注入与该谐波源谐波分量 (电流或电压) 大小相等而极性相反的补偿分量 (电流或电压) , 使电源的总谐波为零, 电网电流只含基波分量, 从而达到实时补偿谐波的目的。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿, 且补偿特性不受电网阻抗的影响。对于大型电弧炉及晶闸管控制的轧钢机等非线性设备, 由于其负荷具有冲击性和随机性, 因此宜装设能吸收动态谐波电流的静止无功补偿装置, 以提高供电系统承受谐波的能力。实践证明, 有源电力滤波器是抑制谐波和补偿无功的理想和灵活的可行方案。

8 结语

(1) 可以预测到, 随着社会经济的不断发展, 今后的用电需求量, 属于产生电力谐波污染的负荷 (谐波源) 将占绝大部分。现代化工、冶金、炼钢、机械加工;现代交通运输;现代信息传媒等的发展几乎都是谐波源。毫无疑问, 这一发展趋势将会随着新技术的开发和运用愈来愈严重。相应的, 谐波作为反映电能质量的一个重要标志, 将会日益受到广泛关注。

电力系统谐波检测与治理 篇6

1 谐波危害

1.1 谐波对供配电线路产生的危害

电力系统中存在的谐波能使电网的电流与电压发生变化。例如:引起荧光灯、计算机和调光灯等相关设备的负载。民用配电系统中的中性线会产生大量的奇次谐波,其中,3次谐波的含量高达40 %。在三相配电线路中,相线上3的整数倍谐波在中性线上会产生叠加,导致中性线上的电流值存在超过相线上电流的可能[1]。此外,相同频率的谐波电流与谐波电压也会产生同次谐波的有功功率以及无功功率,从而导致电网电压降低,浪费电网容量。

1.2 谐波对电力设备的危害

(1)电容器的谐波危害。

当谐波作用于电网时,电容器两端电压增加,此时电容中的电流随之增强,造成电容器的功率损耗增加[2]。例如,膜纸介质电容的谐波损耗功率为0,而谐波损耗为其功率的1.5倍。当谐波量较大并超过电容的最大允许量时,电流所造成的损耗则高于功率的1.5倍,电容温度也会增高,而电容的绝缘介质将加速老化。特别将电容器放进原本就已产生形变的电网中时,还会造成谐波的扩大。此外,因谐波的存在,电压也会产生较大波动,时而产生尖顶波形,这种波形通常会导致局部放电,进而使温度升高造成绝缘介质加速老化,电容寿命大幅下降。

(2)对电缆的危害。

电缆的电阻、系统母线以及线路感抗与系统是串联的,提高功率因数所使用的线路容抗与电容器和系统并联,在一定数值的电容与电感皆有发生谐振的可能。另外,由于谐波次数上升的频率较高,同时电缆导体的截面面积越大,趋肤效应则越明显,进而使得导体的交流电阻增大,导致电缆允许通过的电流变小。

(3)对低压开关设备的危害。

对于配电用断路器而言,热磁型的断路器由于导体的铁耗增加引起发热,会使脱扣电流与额定电流降低。全电磁型的断路器易受谐波电流的影响使铁耗增加而导致发热,同时会使脱扣困难,主要原因是由于涡流与对电磁铁的影响,而且谐波的次数越高,影响越大。电子型的断路器,谐波的出现也将使其额定电流降低,尤其是检测峰值的电子断路器,其额定电流降低的更多。因此,对于上述3种配电断路器均可能由于谐波的存在而产生误动作。

2 检测谐波的方法

2.1 造价相对高昂的模拟电路检测法

该检测方法在国内被广泛地应用,但缺点是造价较高,且对频率及温度的反应较为敏感,容易造成较大误差,其误差将对质量产生影响。近年来正在进行研究的人工神经网络相对于模拟电路虽有较大优势,但其硬件实现仍存在困难。

2.2 比较常用的傅里叶变换

根据国内电力系统谐波现状的分析比较,现阶段主要采用傅里叶转换方法进行检测,该方法主要适用于数字领域。缺点是进行采样的信号长度具有一定限制,会导致对无限长度的信号无法进行采样。

2.3 广泛应用的小波变换检测

小波变换法相对于以上两种方法应用的更为广泛,其是在语音识别与合成、信号分析、图像处理与分析以及自动控制等领域均得到了应用。该方法根据谐波的特点,制定了多种检测的方式,小波变换弥补了上述提到的傅里叶变化无法检测小波变换的不足,该方法可通过对谐波进行离散采样,然后利用小波变换的特点对采集到的数字信号进行处理,以确保实验检测的精准度。小波变换的优势明显,可实现自动调焦的功能,同时也可避免微小波动所带来的影响,还可追踪一些较为复杂的信号。因此,小波变换检测在应用领域得到了广泛认可。

3 电力系统中谐波的治理方法

供电企业对电力系统谐波的处理刻不容缓。治理好谐波不仅能抑制和治理谐波污染,还可提高企业的供电质量[3]。通常电网谐波来自3个方面:(1)输送电力的系统产生谐波。(2)发电源质量低产生谐波。(3)用电设备产生的谐波。在这3者中,用电设备产生的谐波较多。谐波需要一个综合的治理过程,首先需要在源头抓起,注重加强设备管理,以防谐波的出现;其次需要各方提高对谐波危害的认识,要积极进行谐波的治理,以防止产生灾害。

3.1 谐波的治理需从提高电能质量抓起

一方面要完善对现阶段已有谐波源用户设备了解,加强谐波治理的宣传工作,使用户主动进行整治。对于不合格者,应限期整治,对于未按时完成整治的则停止供电。对于新建或扩容的非线性用户在申请用电以及进行规划设计时,要求其相关设备必须按照用电管理部门的相关规定进行配备,务必达到相关设备的参数要求和运行特点。在用户接电使用前,需保证消谐波装置达到使用标准,并经检测后才可进行供电。另外要选择合理的变压器、电动机和电抗器等相关设备,保证其接近满负荷运行,尽可能使感应电动机同步运行、限制用电设备空载运行,使得电动机软启动而非直接启动,且要使电抗器不饱和运行,在源头上防止谐波的产生并进行及时处理。

3.2 加装设备有效抑制和治理谐波污染

(1)采用无源、有源滤波装置,充分抑制非线性负载产生的谐波,消除由此而产生的谐波污染。无源滤波器是利用电感、电容谐振的相关原理进行“吸收”及“阻止”谐波,限制谐波进入公用电网,以确保低水平的电压畸变率。按照接线的方式无源滤波器可分为并联滤波、串联滤波以及低通滤波。并联滤波既能滤除多次谐波,又可对系统进行无功补偿。串联接入的滤波器主要是滤除3 N次谐波,又称为零序性质的谐波。低通滤波器主要是治理高次谐波。在电源接入端测量出存在谐波污染时,可安装阻波线圈拒绝其产生,在有限制的情况下可使用并联电容器的方法将谐波揽入“怀中”,防止其扩散产生威胁。有源滤波器的本质是一个功率较大的谐波产生器,会通过谐波采样装置将其源头发出的谐波进行采集,随后完整地将其进行复制,再将相关谐波反方向接入到谐波源头的入网点,用以产生与原谐波方向相反、大小相等的谐波,起到与原谐波相互抵消的作用。该大功率谐波器产生的谐波会跟随污染源的变化而相应变化,其接入方式也有串联有源滤波器和并联有源滤波器之分,是一种新型的滤波装置,功耗、费用较高,但效果较好。

(2)利用无功补偿进行谐波的治理,主要有集中和就地无功补偿两种。并联电容器组虽能有效的调节波动电压以及提高功率因数,但在某些情况下,当参数不符合条件时,会产生谐波放大作用,必须进行避免。改变与电容器串联的阻流电抗器参数、减少补偿电容器投入数量或增加补偿网络以及将电容器组的某一支路改变成滤波器等等,均可有效消除并联电容器对谐波的放大现象。

(3)采用静止调相机、动态电压恢复器、固态电子转换开关和不间断稳压电源等相关装置,用以调节电压和系统功率因数、补偿电源电压闪变和波动、克服传统机械开关反应慢等弊端,保证对重要客户的可靠供电,消除对电网造成的谐波污染[4]。

4 结束语

合理应用电能质量测试仪能够大幅提高电能质量的检测及治理水平。同时还可建立先进可靠的电能质量检测网络,及时反映和分析电网的电能质量水平,找出电网中造成电能质量低下的谐波相关源头和故障原因。采取相应的治理措施,保证电网稳定、安全并经济的运行,促进整个电力系统的稳步发展。

摘要：随着电力应用技术的不断提高,电力谐波问题也受到了业内用户的广泛关注,尤其是谐波所产生的危害。如何加强谐波电流的检测、消除和管理工作就成为了全面提高电网服务质量的重点。文中从谐波所产生的危害入手,阐述了谐波检测的方法,并提出了消除和治理电力谐波危害的方法,效果理想。

关键词：电力系统,谐波电流,电网检测

参考文献

[1]吕润馀.电力系统高次谐波[M].北京:中国电力出版社,1998.

[2]陈伟华.电磁兼容实用手册[M].北京:机械工业出版社,1998.

[3]赵军军.一种新的电网谐波检测系统[J].电子科技,1998(2):53-55.

电力系统谐波控制 篇7

高能耗企业中的大功率电力电子负荷由于工况变换频繁且谐波含量较高,为了保证供电质量,防止谐波的各种危害,往往在进行大容量无功功率补偿的同时还需采取有效措施抑制各次谐波[1,2]。目前,主要采用的方法是使用LC无源滤波器PF(Passive Filter)[3,4],但其通常只能滤除固定频率的谐波电流,不但性能受电网参数变化的影响比较大,而且在谐波情况复杂的电网中也易与系统发生谐振[5],因而并非理想的选择。

近年来,结合有源电力滤波器APF(Active Power Filter)和PF优点的并联混合型有源电力滤波器HAPF(Hybrid Active Power Filter)作为大容量谐波抑制和无功补偿的理想装置成为研究的热点,但在相关实用技术的研究上尚不十分充分,尤其在控制方面基本上是借鉴单独使用的APF的控制方法,但由于结构差异此类方法并不一定适合于实际应用中的混合型装置,而在基本控制策略的选择上更是少有涉及。

针对以上问题,以江西某铜箔厂设计的串联谐振注入式有源滤波器为基础,结合并联型无源滤波器的谐波和无功综合补偿装置为例,从结构分析出发,提出一套从基本控制策略选择到具体控制方法实现的综合补偿装置控制系统设计与实施的完整方案,并在实际装置中进行了应用,其设计思路和应用经验可为类似装置的推广应用提供一定的指导和借鉴作用。

1 综合补偿装置的结构分析

在广大工矿企业的配电系统中,经常出现需要进行大容量无功补偿的同时又需要对谐波进行有效治理的情况。以江西某铜箔厂为例,在其电网中除普遍存在的电力电子装置之外,主要负载是挂在10 k V进线上反星形连接的整流装置,其工况复杂且负荷变化频繁,同时背景谐波含量也较高,若单纯使用无源滤波器进行谐波抑制和无功补偿将很难获得比较理想的效果。

针对铜箔厂的实际情况,考虑到混合型有源滤波器的优点,将单独的串联谐振注入式滤波器与并联型无源滤波器相结合构成如图1所示的谐波和无功综合补偿装置。

从图1可以看出,该装置只由无源部分补偿无功功率,有源部分和无源部分共同抑制谐波,这使得其兼具较大容量的无功补偿和谐波抑制能力以及较小的逆变器容量的特点,同时实现对电网谐波先由无源滤波器进行“初滤”,再由有源滤波器进行“精滤”的谐波治理思路。其结构特点决定了它比较适合应用于中高压系统进行大容量的谐波抑制和无功补偿,既可提高滤波效果,又能确保投入的无功补偿容量具有一定的灵活性,从而满足铜箔厂在不同工况下对电能质量的要求。

若设电源谐波电压为US,电网阻抗为ZS,将负载看成谐波电流源Ih,无源滤波器组滤除的谐波电流为Ix,将电压型逆变器看成电压源UF,同时假设隔离变压器为理想变压器[6,7],其电压变比为n:1(网侧电压∶阀侧电压),则由图1可得如图2所示的单相等效电路,其中Z2和ZLO分别表示注入电容CC和输出滤波电感LO的谐波阻抗,Z1为输出滤波电容与基波谐振电路并联后的等效谐波阻抗,IC为流经Z1的电流。

由图2,根据基尔霍夫电流和电压定理,有

化简方程组(1)并消去变量UL、ILO、IF、IC得:

由式(2)可知,对于综合补偿装置,通过合理控制电压型逆变器输出谐波电压UF的大小可有效降低电网谐波电流IS的含量。

2 综合补偿装置的基本控制策略选择

对综合补偿装置的基本控制策略选择,由式(2)可知实际上是相当于讨论用一个什么样的量来对UF进行控制的问题。一般而言,对电流谐波进行治理主要有2种基本控制策略,分别是对有效输出谐波电压UF采取根据负载谐波电流IL来进行控制的策略和根据电源谐波电流IS来进行控制的策略[8,9],以下分别进行讨论。

首先,分析采用根据负载谐波电流IL来进行控制的策略,即控制UF=KIL。由图2和式(2)可得:

化简为

运用电源叠加原理,由式(4)可反推出综合补偿装置的单相等效电路,如图3所示。

由图3可知,在这种控制策略下,可通过控制有源电力滤波器在改善无源滤波器的谐波阻抗特性的同时又增大电网谐波阻抗,从而可极大提高滤波效果。但由于电网中的n KK1和滤波支路中的-n KK1可相互抵消,即电网阻抗ZS与滤波装置回路等效阻抗Z2+K2存在产生谐振的可能,因此这种控制策略下对滤波装置的参数设计要求比较高,并且不太适合于电网情况复杂、谐波阻抗变化频繁的场合。

对于采用根据电源谐波电流IS来进行控制的策略,即控制UF=KIS。同样由图2和式(2)可得:

化简为

同于以上分析,由式(6)可反推出此时综合补偿装置的单相等效电路,如图4所示。

由图4可知,在这种控制方式下综合补偿装置相当于在电网上增加了一个可调的谐波阻抗n KK1,可通过控制有源部分来增大电网谐波阻抗,从而使大部分负载的谐波电流进入滤波支路而不是注入电网造成谐波污染。另一方面,正是由于综合补偿装置有源部分带来的可调阻抗n KK1的存在,使所有无源滤波支路与电网产生谐振的可能性大为降低,从而极大提高了整个系统在复杂电网环境中的安全稳定性。

由以上分析可以看出,在工况复杂、负荷变化频繁的场合,从提高装置的安全稳定性能出发,相对而言采用根据电源谐波电流IS来进行控制的策略更具有优势。

3 综合补偿装置的分频控制方法研究

在基本控制策略选定之后,为取得较好的补偿效果,具体控制方法的研究与应用也是非常重要的。单独使用的APF控制一般是通过检测出电网中的谐波含量,根据一定的控制算法将其转化为逆变器的开关量,从而使得逆变器发出与电网谐波大小相等方向相反的谐波达到补偿目的,在此基础上一系列的新型控制方法被提出,如滞环电流控制、单周控制、变结构控制等[10,11],虽然它们都具有各自的优势,然而对于综合补偿装置却由于其结构特点,上述先进算法并不一定很适用。

参考图1可知,除有源部分之外,主网络中还并联有其他无源支路以改善滤波效果并兼作无功补偿,因此,当有源部分发出与PF谐振次数相同的谐波时,可能抵消PF的滤波效果,还可能导致PF过流而造成事故,就综合补偿装置而言,对某些次数的谐波进行控制是没有必要的,也容易造成补偿容量的浪费,甚至降低无源支路的滤波效果,因此根据网络的实际情况对特定频率的谐波进行分频控制是有必要的。另一方面,综合补偿装置不同于单独使用的APF,其有源部分的输出必须经过不同阻值的容性和感性元件才能注入电网,对于不同频率的谐波,其角度偏转是不一致的,此相位偏移既与综合补偿装置的主电路设计参数相关又与具体的谐波补偿次数有关,是一个具有个体特性的数据,因此为保证补偿装置的效果同样有必要对具体的补偿量进行有效的分频处理。

在具体的分频控制方法选择上,可采用基于直流分量的PI分频控制方法或基于广义积分的PI分频控制方法,以下分别进行介绍。

要使得被控对象在控制器的作用下,其输出能够无差地跟踪给定信号,控制器必须要包含积分环节。通常当参考信号为直流信号或者是常量时,控制器只要包含一个常规的积分器就能保证系统无稳态误差。然而,综合补偿装置有源部分的参考信号为交流周期信号,常规的积分器无法起到很好的效果。为解决此问题,同时实现分频控制,可以通过坐标变换将正弦信号化为一个直流信号,然后在新的坐标内采用常规积分器对直流信号进行PI控制,同时实现不同次数谐波的相位偏移的补偿,如图5所示(图中虚线箭头是指2~n次中间各次谐波直流分频PI控制)。

图5中C12和C1n分别为基波和n次谐波的单位正弦和余弦分量,按根据电源谐波电流IS来进行控制的策略的要求,与低通滤波器一起完成对母线电流谐波的分频检测,获得所需要进行补偿控制的谐波的直流分量和相位参数,对直流分量应用PI进行幅值控制,同时结合各次输出谐波相位偏移的分析,调整输出谐波相位,确保输出谐波和补偿谐波的相位相反,而后综合幅值和相位2方面因素,将反变换后的补偿谐波叠加,从而获得进行PWM调制的电压量。

由于有源部分的参考信号实际上是由多个频率的正弦波叠加而成的,因此基于直流分量的分频PI控制首先需要进行分频检测,即必须实现多个频率的旋转坐标变换和低通滤波,然后对变换后的多个直流信号分别进行常规PI控制,经过相位补偿并反变换后再叠加起来,故而这种方法坐标变换多,计算相对复杂,但若系统只要求对几个主要次数的谐波进行治理,那么这种方法还是非常有效的。

针对基于直流分量的分频PI控制方法中存在的问题,结合广义积分可实施对周期量的分频积分的特点[12,13],可采用基于广义积分的模糊自整定PI分频控制方法,从而有效避免分频检测的环节,极大降低计算量,其控制框图如图6所示。

控制系统的目的是为了将电网谐波控制为最小,因此控制框图中给定r为零,采用根据电源谐波电流来控制的基本控制策略,通过检测实际电网谐波电流ISh,由基于广义积分的模糊PI控制算法计算出逆变器期望输出电压,然后经过PWM调制,触发逆变器,控制其谐波输出,最终达到滤除电网谐波电流的目的。使用模糊参数调节器主要是为实现PI控制器的参数在线整定[14,15],即根据系统的采样信息,将得到的偏差e和计算出的偏差变化率ec输入控制器,通过模糊参数调节器,在PI参数预整定的基础上实时在线整定PI参数,以达到最佳控制效果。

广义积分的最大特点是能够实现对周期量的分频控制,具有分频积分功能的广义积分器传递函数可表示为

为减少计算量提高实时性,将式(7)离散化,可得广义积分输出的表达式为

于是可得广义积分PI控制器的算式如下:

式中k表示当前时刻采样值,k-1为上周期采样

值;KP、KI分别为PI控制器的比例系数和积分系数;H为需要控制滤除的谐波次数的集合。为有效消除干扰,式中的离散微分ec(k)采用下式获得:

对于PI参数的模糊自整定,目的是为了提高整个系统的动态性能,在具体结构和方法的选择上,模糊参数调节器采用简单而实用的二维结构,预整定值采用Ziegler-Nichols方法求解,解模糊采用重心法。考虑到模糊算法方面选用的都是比较成熟的方法,因此在文中就此部分不再赘述。

4 仿真实验与现场应用

采用PSIM软件搭建仿真平台,负载为三相整流桥,运用文中所提出的控制策略与方法主要治理5、7次谐波,对如图1所示的综合补偿装置的效果进行验证,其中以上所述2种方法的控制仿真模块及其仿真结果如图7所示,IS为母线电流。

由图7可知,2种控制方法对谐波的治理都是较为有效的。为作进一步验证,采用IPM模块PM300C LV120在实验室中搭建了综合补偿装置的有源部分,控制部分以DSP2407A为核心,采用根据电网谐波电流进行控制的模糊广义积分PI算法。谐波负载采用三相全控整流模块MJYS-QKZL-200,电流数据由FLUKE43B电能质量分析仪进行采集,图8所示为实验中获得的补偿前后电流波形。

目前采用以上控制策略与方法的综合补偿装置已在江西某铜箔厂的谐波抑制和无功补偿项目中成功应用,将系统平均功率因数由0.7提高到约为0.94,同时谐波含量也有效降低。

5 结论

以串联谐振注入式有源滤波器为基础结合并联型无源滤波器的综合补偿装置兼具谐波抑制和大容量无功补偿的功能,是现场工程应用中的理想结构。但由于其结构上的特点,在基本控制策略和具体控制方法的选择上也有其特殊之处。比较分析表明,采用根据电源谐波电流IS来进行控制的基本策略相对具有优势,更适合于在工况复杂、负荷变化频繁的场合中应用。在具体控制算法上,进行有效的分频控制对综合补偿装置而言是有必要的。

文中提出的基于直流分量的PI分频控制方法和基于广义积分的PI分频控制方法都能满足综合补偿装置的特殊要求,仿真实验和实际应用表明其对谐波的治理是有效的,由此形成的一套从基本控制策略选择到具体控制方法实现的综合补偿装置控制系统设计与实施的完整方案将可对先进并联补偿装置的推广应用起到一定的指导和借鉴作用。

摘要：针对高压大容量负荷谐波抑制和无功补偿的要求,以串联谐振注入式有源电力滤波器为基础结合并联型无源滤波器的谐波和无功综合补偿装置为例,通过结构分析,对常用基本控制策略进行比较。基于此,针对结构特点和应用需求进行有效的分频控制方法的研究,形成一套从基本控制策略选择到具体控制方法实现的综合补偿装置控制系统设计与实施的完整方案。为适应负荷变化频繁的复杂工况,提出采用根据电源谐波电流进行控制的基本策略以提高装置的安全稳定性能,同时利用基于直流分量的PI控制和基于广义积分的模糊自整定PI控制2种方法分别实现谐波电流的有效分频控制,后者不但避免了分频检测的环节,降低了计算量,而且很好地保证了控制效果。