混合型有源滤波器的研究及其在韶冶供电系统中的应用

中南大学硕士学位论文混合型有源滤波器的研究及其在韶冶供电系统中的应用姓名：蒋少华申请学位级别：硕士专业：控制理论与控制工程指导教师：罗安;陈瑞诺20040101中南大学硕士学位论文摘鹱摘要本文结合韶关冶炼厂２００２年技改项目——韶冶工业电谐波治理工程，针对韶关冶炼厂供电系统的现状，利用原有的谐波监测、分析装置的分析结果，对我厂电网谐波进行综合治理。

论文首先介绍了谐波的基本概念、谐波的产生及其危害，阐述了谐波问题研究的必要性，并扼要介绍谐波抑制的方法；然后介绍了谐波分析法的基本原理，并对各种方法进行了比较；此外还介绍了谐波滤波的几种方法及其工作原理，并着重介绍了具有良好性能和应用前景的混合型有源滤波器的工作原理。

在此基础上，论文介绍了韶冶工业电谐波治理工程系统的硬件、软件设计，以及研制过程中的关键技术。

利用该系统，对韶关冶炼厂电网的谐波进行了治理，通过实际投运结果表明：该系统滤波效果明显，具有良好的经济效益。

关键词：谐波分析：谐波滤波；ＰｗＭ调制；混合型有源滤波器中南大学硕士学位论文摘要ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｐ印ｅｒｉｓｃｏｎｃｅｒｎｅｄｗｉｔｌｌｔｌｌｅｉｍｐｏｒｔａｍｐｒｏｊｅｃｔｏｆＳｈａｏｇｕａｎｈ咖ｏｎｉｃｓｅＩｉｍｉｎａｔｉｏｎｉｎｓｍｅｌｔｉｒ培ｆｈｃｔｏｒｙｉｎ２００２一ｍｅｐｏｗｅｒｎｅｔＳｈａｏｇｕａｎｓｍｅｌｔｉｎｇｆ．ａｃｔｏｒｙ．ＡｃｃｏｒｄｉＩ玛ｔｏｍｅｒｅｓｕｌｔＳｏｂｔａｉｎｅｄｂｙｔｈｅｈａＨｎｏｎｉｃｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｄｅＶｉｃｅａｎｄｔｈｅａｃｔｕａＩｉｔｙａｎａｌｙｓｉｓｏｆｍｅｐｏｗｅｒｎｅｔｉｎｏｕｒｆａｃｔｏｒｙ，ｗｅｈａＶｅｔａｋｅｎａｐｐｒｏｐｒｉａｔｅｍｅａｓｕｒｅｓｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｔ１１ｅｈａⅡｎｏｎｉｃｓ．ｈａｍＦｉｒｓｔＩｙ，ｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓｔｈｅｃｏｎｃｅｐｔｏｆｈａｎｒｌｏｎｉｃｓａｎｄｉｔｓｔｏｐｏｗｅｒｇｒｉｄ．Ａｎｄｉｔａｌｓｏｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｓｔ量ｌｅｎｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆｅｌｉｍｉｎａｔｅｈａ咖ｏｎｉｃｓ，ａＩｌｄｂｒｉｅｎｙｉｎ仃Ｉ）ｄｕｃｅｓｓｅｖｅｒａｌｍｅｍｏｄｓｔｏｅｌｉｍｉｎａｔｅｈａ玎ｎｏｎｉｃｓ．ｍｅ如ｎ妇ｅｎｔａｌｔｈｅｏｒｉｅ８ｏｆｈａｍｏｎｉｃＳｅｃｏｎｄｌ弘ｉｔｒｅｃｏⅡｌｍｅｎｄｓｄｉ髓ｒｅｎｃｅｂｅ铆ｅｅｎｔｈｏｓｅｍｅｔｌｌｏｄｓ．Ａｎｄｍｅｎｉ１１ｔｒｏｄｕｃｅｓａＩｌａｌｙｓｉｓａｎｄｔｌｌｅｓｅｖｅｒａｌｍｅｔｈＤｄｓｏｆｅｌｉｍｉｎａｔｉｒ培ｈ｛ｍｍｏｎｉｃｓ，ａｎｄｅ埘【ｐｈａｔｉｃａｌｌｙｉｎ订ｏｄｕｃｅｓｔｈｅ、ｖｏｒｋｉｎｇｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆＨＡＰＦ（ＨｙｂｒｉｄＡｃｔｉＶｅＰｏｗｅｒＦｉｌｔｅｒ）ｗｈｉｃｈｈａｖｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｐｅｒｆｏｎｎａｎｃｅａＪｌｄｇｏｏｄ印ｐｌｉｃａｔｉｏｎｆｏｒｅ鲈ｏｕｎｄ．ＦｉｎａｌｌｙｔｈｉｓｐａｐｅｒｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｓｔｈｅｋｅｙｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｕｓｅｄｉｎｔｈｅｄｅＶｅＩｏｐｍｅｎｔｏｆｔｈｅｓｙＳｔｅｍａｎｄｍｅａｐｐＩｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｏｆ廿ｌｅｐｒｏｊｅｃｔ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇｗｉｔｈ吐ｌｅｄｅＶｅｌ叩ｍｅｎｔｏｆ｝认ＰＦ．Ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｕｓｅｄｉｎｍｅｐｏｗｅｒｎｅｔｓｈｏｗｓｍａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｉｓｖｅｒｙｅｆｆ．ｅｃｔｉＶｅｉｎｅｌｉｍｉｎａｔｉｎｇｈａ肿Ｄｎｉｃｓａｎｄｈａｓａｃｈｉｅｖｅｄｇｏｏｄｅｃｏｎｏｍｉｃａｌｒｅｓｕｎｓ．ｗｏｒｄｓ：ｈａｍｏｎｉｃａＩｌａｌｙｓｉｓＩｈａｎＴｌｏｎｉｃｅＩｉｍｉｎａｔｉｏｎ；ＰＷＭ；ＨＡＰＦＫｅｙｎ原创性声明本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。

与我共同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。

作者签名：蕴望鐾日期：三：！丝年上月兰日关于学位论文使用授权说明本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其他手段保存学位论文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。

导师签名趑日期：．型竺年旦月旦日作者签名：蓝互坐中南大学顾十学位论文第一章绪论第一章绪论近年来，随着全球工业化进程的不断加快，对地球环境的污染和破坏也空前加剧。

为此，在全世界范围内掀起了环境保护的热潮。

电力系统也是一种“环境”，也面临污染，公用电网中的谐波电流和谐波电压就是对电网环境最为严重的一种污染。

谐波作为评价电能质量的一个重要因素，引起人们越来越多的关注。

韶关冶炼厂是全国５００强大中型骨干企业之一，拥有每年生产铅、锌２０万吨的能力。

随着现代工业生产规模的扩大，其非线性工业负荷的数量和容量正迅速增加，包括变频装置、可控硅整流装置、大功率工业电炉和家用电器在内的其它各种谐波源也在增多、增大，这些电气设备产生大量的谐波电流注入电网，致使电网的电流、电压发生畸变，给生产安全用电造成了严重的隐患，对用电设备使用寿命产生了严重影晌，同时，使用电设备能耗增多，电能损耗增大。

因此，生产和技术的发展都要求对供电系统的谐波现状进行分析和治理，以确保电网的绿色要求。

本论文就韶关冶炼厂电网谐波现状，系统地分析了混合型有源电力滤波器的原理和关键技术方法，及其在实际中的应用情况。

本章首先介绍谐波的基本概念，谐波的危害及谐波问题的研究现状。

１．１谐波的基本概念在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形【”。

正弦电压可表示为：”（ｆ）＝√２ｕｓｉｎ（耐＋口）式中Ｕ——电压有效值；口——初相角：国——角频率；ｏ＝２∥＝２石／７＿；，＇——频率；ｒ——周期。

正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。

但当『Ｆ弦电压施加在非线中南人学硕士学位论文第一章绪论性电路上时，电流就变为非正弦波，非『Ｆ弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。

当然，非正弦电压施加在线形电路上时，电流也是非『Ｆ弦波。

对于周期ｒ＝２万，珊的非正弦电压“（耐），一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅立叶级数：式中或“（耐）＝口。

＋∑（口。

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ｃｏｓ吼在式（１．１）或式（１．２）的傅立叶级数中，频率为１／，的分量称为基波，频率为大于ｌ的整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。

以上公式及定义均以非正弦电压为例，对于非正弦电流的情况也完全适用，把式中“（耐）转成ｆ（耐）即可。

ｎ次谐波电压含有率以舰Ｕ。

（ＨａｎｎｏｎｉｃＲａｔｉｏＵ）表示。

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＝鲁×１００％中南大学硕士学位论文第一章绪论式中Ｕ——第ｎ次谐波电压有效值（方均根值）；ｕ，——基波电压有效值。

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（ＨａｍｏｎｊｃＲａｔｉｏ，。

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谐波电压含量ｕ。

和谐波电流含量，。

分别定义为【■一‰。

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』１以上介绍了谐波及与谐波有关的基本概念。

可以看出，谐波是一个周期电气量中频率大于１整数倍基波频率的正弦波分量。

由于谐波频率高于基波频率，有人把谐波也称为高次谐波。

实际上，“谐波”这一术语已经包含了频率高于基波频率的意思。

谐波次数ｎ必须是大于ｌ的正整数。

ｎ为非整数时的正弦波分量不能称为谐波。

暂态现象和谐波是不同的。

在进行傅立叶级数变换时，要求被变换的波形必须是不变的周期性波形。

实际供用电系统的负载总是变化的，因此其电压、电流波形也是不断变化的。

进行分析时，只要被分析波形能持续一段时间，就可以应用傅立叶级数变换。

暂态现象在供用电系统中总是不断发生的，有时也会对供电系统和用户带来不利影响。

采用现代谐波抑制装置，对暂态现象的不利影响可以起到一定的抑制作用。

３中南大学硕士学位论文第一章绪论１．２产生谐波的主要谐波源公用电网中的谐波源主要有各种电力电子装置、变压器、发电机、电弧炉、荧光灯等。

在电力电子装置大量应用之前，最主要的谐波源是电力变压嚣的励磁电流，其次是发电机。

在电力电子装黄大量应用之后，它成为最主要谐波源。

近３０年来，电力电子装置的应用日益广泛，也使得电力电子装置成为最大的谐波源。

在各种电力电子装置中，整流装置所占比例最大。

目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路最多。

带阻感负载的整流电路所产生的谐波已为人们所熟悉。

直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波源。

另外，采用相控方式的交流电力调整电路及周波变流器等电力电子装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。

变压器的谐波电流是由其励磁回路所引起的。

加在变压器上的电压通常是正弦电压，该电压和铁心是微分关系，因此铁心磁通也是按正弦变化，只是其相位比电压相位滞后。

励磁电流和磁通的关系是由铁心的磁化曲线决定的。

由于磁化曲线是非线性的，所以产生正弦磁通的励磁电流是非正弦的。

变压器励磁电流的谐波含量和铁心的饱和程度有关，即和所加的电压有关。

正常情况下，所加的电压是额定电压，铁心基本工作在线性范围内，谐波电流含量不大。

但在轻载时电压升高，铁心工作饱和区，谐波电流含量就会大大增加。

另外，在变压器投入运行过程、暂态扰动、负载剧烈变化及非正常状态运行时，都会产生大量的谐波。

电弧炉的谐波主要由起弧的时延和电弧的严重非线性引起的。

电弧长度的不定性和随机性，使得其电流频谱十分复杂，其谐波频率主要分布在０．１～３００Ｈｚ。

电弧炉工作在熔炼期间谐波电流很大，当工作在精炼期间时，由于电弧特性较稳定，谐波电流较小。

较多文献都指出，上述各种谐波源是谐波电流源，其所产生的谐波电流取决于谐波源本身的特性，基本上与供电网的参数无关。

如大量应用的直流侧为阻感负载的整流电路，其谐波电流是由直流电流和半导体器件切换方式决定的，几乎和交流电压无关。

但是，直流侧为电容滤波的二极管整流电路就不能看成谐波电流源。