电力系统谐波治理与有源滤波器
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图 3 有源滤波器实验波形
3 基于有源滤波的应用探讨
在电力工业的生产过程中 ,有些特定的用户 , 由于其特有的生产工艺特点 , 会产生较大流量的 谐波注入电网 。谐波的污染给供配电网遗留了较 为严重的安全隐患 , 如变压器过热 、 中性线过载 、 设备异常跳闸等 。 为改善上述现象 , 用 1 台有源滤波器进行谐 [8] 波治理 ,试验结果表明 ,效果良好 (参见图 2 ) 。
Power system harm on ics con trol and active power f ilters
CHEN Ka i, WAN G R u 2 m ei
( School of Power and Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China ) Abstract: The har monic sources tend to threaten the normal operation of power grids . Based on the analysis of the harmonic sources and the methods of compensation, a new filtering measure, active power filter (APF) is p resented, including its working p rincip le and internal structure. W ith an excellent filtering perfor mance, the APF can be used to reduce harmonic pollution and i mp rove power quality . Key words: power system; har monic compensation; active power filter (APF )
由 DFT的圆周移位定理可推得 DFT计算公 式:
y (N ) = W N y (N - 1 ) + x (N ) - x ( 0 ) WN = e
1
π 2 - jN
-1
( 4)
陈 恺 ,等 电力系统谐波治理与有源滤波器
57 (总 93百度文库)
当需要计算出基波分量时 , 幅值为 1, 滤波器 实际输出为 : ( 5) y ′= y ( N ) /N 由式 ( 4 ) ,式 ( 5 )可知 ,每采样一次数据 ,只需 进行一些线性运算即可达到目的 , 从而大大简化 计算 。采用 DFT 方法也可以根据用户对特定次 谐波进行补偿的要求 , 只作相应次数的傅立叶变 换。 除了进行谐波补偿外 , 有源滤波器还可以有 效地提高功率因数 。根据正余弦项初始相位的不 同 ,可得到基波的无功和有功分量 : 当采样与输入 正弦信号同步时 , 则基波余弦的傅立叶变换项就 对应于无功补偿电流 。
N-1
y (N - 1 ) =
图 1 并联型有源滤波器结构框图
n =0
∑x ( n ) h (N
- 1 - n)
( 3)
式中 x ( n ) 为基波与谐波构成的序列 ; h ( n ) 为滤波器的单 位抽样响应 。
并联型有源电力滤波器的基本工作原理是 : 通过实时检测负载电流波形 , 滤除波形中的基波 ( 50 Hz工频 ) ,将剩余部分的波形反向 , 通过控制 绝缘栅双极型晶闸管 ( IGBT) 的触发 ,将反向电流 注入供电系统中 , 与负载电流中要补偿的谐波及
电力有源滤波器 ( Active Power Filter, 简称 APF )是抑制电网谐波和补偿无功功率 , 改善电网 供电质量最有希望的一种电力装置 。与无源电力 滤波器相比 , APF 具有高度可控制和快速响应的 特性 ,并能跟踪补偿各次谐波 ,自动产生所需要的 变化无功功率 ,其特性不受系统影响 ,无谐波放大 的危险 , 相对体积小 , 重量轻
[1]
关、 电源 、 晶闸管控制设备等 。其中晶闸管控制设 备包括整流器 , 逆变器 , 静止无功补偿装置 , 变频 器 ,高压直流输电设备等
[2]
。
谐波对电力系统危害很大 , 不但会大大降低 供电质量 ,还会对电力系统的设备产生一定程度 的损坏 。首先 ,谐波可能使电网中的电容器产生 谐振 。电网主要是按基波频率设计的 ,在基频下 , 系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要 大得多 , 不会产生谐振 , 但谐波频率时 , 由于感抗 与频率成正比而容抗与频率成反比 , 这时就有可 能出现谐振 。谐振可能将谐波电流放大几倍甚至 数十倍 ,导致电容器及与之串联的电抗器等设备 被烧毁 。此外 ,谐波还会使电网中的供电线路及 电气设备产生额外的损耗 (谐波功率 ) 。由于集 肤效应和邻近效应 ,线路电阻随频率增加而提高 , 因此在线路中通过谐波时 , 有功损耗大于流过基 波电流时的有功损耗 ,造成电能的浪费 ,降低了输 电的效率
0
1
π 2
π 2
0
基本的傅立叶分析在计算系数时需要进行积 分计算 ,在需要快速运算的有源电力滤波器谐波 检测中难以实现 。目前 , 在有源滤波器中较多采 用离散傅立叶变换 (DFT)的方法 ,即 ,将某一次谐 波分量单独表示成为 :
N-1
X ( k) =
N-1
n =0
∑x ( n ) co s[ ( 2πN ) nk ]
∞
2 电力有源滤波器
根据接入电网的方式 , 电力有源滤波器可以 分为串联型 , 并联型和混合型三大类 。每一种类 型的有源滤波器结构不同 , 因而其工作原理和特 性也各不相同 。与并联型有源滤波器相比 , 串联 型有源滤波器中流过的是正常的负荷电流 , 因此 损耗较大 ; 此外 , 串联型有源滤波器的投切 , 故障 后的退出及各种保护也较并联型有源滤波器复 杂 。因此 ,本文着重讨论并联型电力有源滤波器 的结构及工作原理 。 2. 1 并联型有源滤波器 并联型电力有源滤波器的系统构成如图 1 所 示 。有源滤波器系统由两大部分组成 , 即谐波电 流检测电路和补偿电流发生电路 。其中 , 实时谐 波电流检测电路是核心部分 , 能检测出补偿对象 中的谐波和无功电流分量 ; 补偿电流发生电路根 据检测电路得出的补偿电流指令信号 , 产生实际 的补偿电流 , 由主电路和控制电路组成 。目前主 电路均采用 PWM 变流器 , 由于在产生补偿电流 时主要作为逆变器工作 , 因此也称其为 PWM 逆 [4] 变器 。
。其次 , 谐波 会影响 设备 的正 常工
作 ,如变压器局部严重过热 , 电容器 、 电缆等设备 过热 ,绝缘部分老化 、 变质 ,严重时甚至损坏设备 。
56 (总 932)
2008, 36 (8)
另外 ,谐波还可能使继电保护和自动装置出现误 动作 ,并使仪表和电能计量出现较大误差 。谐波 对其他系统及电力用户危害也很大 : 如对附近的 通信系统产生干扰 , 轻者出现噪声 , 降低通信质 量 ,重者丢失信息 ,使通信系统无法正常工作 。谐 波还会影响电子设备工作精度 , 使精密机械加工 的产品质量降低 ; 设备寿命缩短 ,家用电器工况变 坏等 。
无功电流相抵消 , 实现动态滤波 、 抑制谐振 、 提高 [5] 功率因数等功能 ,最终得到期望的电源电流 。 2. 2 基于傅立叶分析的谐波电流检测方法 有源滤波器的谐波电流检测电路是滤波得以 实现的重要环节 , 检测结果对有源滤波器的补偿 特性有着重要的影响 。快速检测电流波形中谐波 的方法可采用离散傅立叶变换法 (D iscrete Fourier [6] Transformation ) 。 对电压波形进行傅立叶分解 :
-
j
n =0
∑x ( n ) sin [ ( 2πN ) nk ]
( 2)
式中 , k — — — 频率系数 。
在有源滤波器中 ,利用 DFT法进行谐波补偿 时 ,只需计算出基波 ,然后从被检测电流中减去该 基波分量即得到全部的谐波分量 。当需要补偿少 数几次低频率谐波时 , 只需计算出所需要补偿的 [7] 谐波即可 。 例如 ,有源滤波器的输出为 :
第 36 卷 第 8期 2008 年 8 月
Vol . 36 No. 8 Aug . 2008
电力系统谐波治理与有源滤波器
陈 恺 ,王如玫
(上海电力学院 电力与自动化工程学院 ,上海 200090 )
摘 要 : 电力系统中的谐波源危及电网的正常运行 。从谐波源及谐波补偿方法的分析出发 ,着重介绍了一种 目前新兴的滤波措施 — — — 电力有源滤波器的工作原理和内部结构 。有源滤波器滤波性能卓越 ,能起到减少电 网谐波污染 ,提高电能质量的作用 。 关键词 : 电力系统 ; 谐波补偿 ; 有源滤波器 基金项目 : 上海市重点学科建设项目 ( P1301) 作者简介 : 陈 恺 ( 1987 2) ,女 ,从事电力系统谐波研究 。 中图分类号 : T M71 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 2 9529 (2008) 08 2 0055 2 04
参考文献 :
[1 ]
图 2 有源滤波器应用拓扑图
观察图 3 ( a )实验所得波形可知 ,在进行谐波 补偿前 ,测得的电压波形尚可 ,而电流波形却因含 有谐波分量而发生畸变 , 呈方波状 ; 由图 3 ( b ) 波 形可知 ,在使用有源滤波器进行滤波后 ,电流的波 形得到明显改善 , 几乎恢复了正弦波 。观察图 3 ( c )和图 3 ( d ) 的电流幅频特性 , 比较滤波前和滤 波后电流所含的各个频率谐波 , 可知基波电流在 滤波前后几乎没有衰减 ; 而其余各次谐波在滤波 后均有了明显衰减 。因此采用有源滤波器能很好 地达到滤波效果 ,使电流电压波形恢复正弦波 。 波形分析可知 ,通过有源滤波器的谐波补偿 ,
负载谐波电流已经大大减小 , 电流波形得到有效 改善 ,达到预期滤波的效果 。 另外 ,该电力有源滤波器除可以补偿非线性 负荷的谐波之外 , 通过改变控制方法还可以用于 [9] 负载功率因数的补偿 。 事实证明 ,在变压器二次侧和谐波源之间安 装了有源滤波器后 , 电能质量改善方面产生了较 为明显的效果 : 变压器和电力电缆由于谐波的存 在而导致的温升 、 噪音 、 电子设备的故障率 、 开关 和继电保护的非正常跳闸都得到了一定的改善 。
4 结语
综上所述 ,电力有源滤波器是治理谐波的有 效工具 ,也是解决目前我国电能质量污染日益严 重状况的有力措施 。目前 , 电力有源滤波器在欧 美等工业发达国家已得到了高度的重视和广泛应 用 ,但是在我国有源滤波技术还处于研究试验阶 段 ,由于目前在我国应用有源滤波器的成本很高 , 因而极大地限制了在国内的广泛应用 。随着大功 率电力电子技术 、 控制技术的不断发展 , APF 的成 本将不断降低 ,其卓越的滤波性能 ,必将有广阔的 发展前景 。在电力系统中消除谐波污染 , 除在配 电网中大力发展高效的滤波措施外 , 还必须依靠 全社会的努力 , 在设计 、 制造和使用非线性负载 时 ,采取有力的抑制谐波的措施 ,减少谐波侵入电 网 ,从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济 [ 11 ] 损失 。
u (ω t) = a0 +
n =1
∑( a
n
ω t + bn sin n ω t) co sn
( 1)
其中 ,基波分量为 : π 1 2 a0 = u (ω t) d (ω t) π0 2
∫
谐波分量为 :
an = bn
ω td (ω t) u (ω t) co sn ∫ 1 ω td (ω t) = u (ω t) sin n π ∫ π
[3]
。电力有源滤波
器的技术理论在 1967 年被提出 , 20 世纪 80 年代 后 ,由于电力电子技术和控制技术的发展 , APF技 术逐渐走向成熟 。我国在这方面起步较晚 , 除少 数几台 APF已投入工业试运行外 ,目前大部分技 术尚处于研究阶段 。
1 谐波源及其危害分析
电力系统的谐波由谐波源传入电网中 。 现代化电力系统中 ,非线性设备作为谐波源 , 包括传统非线性设备和现代电力电子设备两大 类 。传统非性设备 : 包括变压器 ,旋转电机以及荧 光灯等 ; 现代电力电子非线性设备 : 有在工业界和 现代办公设备中广泛使用的电子控制装置和开
3 基于有源滤波的应用探讨
在电力工业的生产过程中 ,有些特定的用户 , 由于其特有的生产工艺特点 , 会产生较大流量的 谐波注入电网 。谐波的污染给供配电网遗留了较 为严重的安全隐患 , 如变压器过热 、 中性线过载 、 设备异常跳闸等 。 为改善上述现象 , 用 1 台有源滤波器进行谐 [8] 波治理 ,试验结果表明 ,效果良好 (参见图 2 ) 。
Power system harm on ics con trol and active power f ilters
CHEN Ka i, WAN G R u 2 m ei
( School of Power and Automation Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai 200090, China ) Abstract: The har monic sources tend to threaten the normal operation of power grids . Based on the analysis of the harmonic sources and the methods of compensation, a new filtering measure, active power filter (APF) is p resented, including its working p rincip le and internal structure. W ith an excellent filtering perfor mance, the APF can be used to reduce harmonic pollution and i mp rove power quality . Key words: power system; har monic compensation; active power filter (APF )
由 DFT的圆周移位定理可推得 DFT计算公 式:
y (N ) = W N y (N - 1 ) + x (N ) - x ( 0 ) WN = e
1
π 2 - jN
-1
( 4)
陈 恺 ,等 电力系统谐波治理与有源滤波器
57 (总 93百度文库)
当需要计算出基波分量时 , 幅值为 1, 滤波器 实际输出为 : ( 5) y ′= y ( N ) /N 由式 ( 4 ) ,式 ( 5 )可知 ,每采样一次数据 ,只需 进行一些线性运算即可达到目的 , 从而大大简化 计算 。采用 DFT 方法也可以根据用户对特定次 谐波进行补偿的要求 , 只作相应次数的傅立叶变 换。 除了进行谐波补偿外 , 有源滤波器还可以有 效地提高功率因数 。根据正余弦项初始相位的不 同 ,可得到基波的无功和有功分量 : 当采样与输入 正弦信号同步时 , 则基波余弦的傅立叶变换项就 对应于无功补偿电流 。
N-1
y (N - 1 ) =
图 1 并联型有源滤波器结构框图
n =0
∑x ( n ) h (N
- 1 - n)
( 3)
式中 x ( n ) 为基波与谐波构成的序列 ; h ( n ) 为滤波器的单 位抽样响应 。
并联型有源电力滤波器的基本工作原理是 : 通过实时检测负载电流波形 , 滤除波形中的基波 ( 50 Hz工频 ) ,将剩余部分的波形反向 , 通过控制 绝缘栅双极型晶闸管 ( IGBT) 的触发 ,将反向电流 注入供电系统中 , 与负载电流中要补偿的谐波及
电力有源滤波器 ( Active Power Filter, 简称 APF )是抑制电网谐波和补偿无功功率 , 改善电网 供电质量最有希望的一种电力装置 。与无源电力 滤波器相比 , APF 具有高度可控制和快速响应的 特性 ,并能跟踪补偿各次谐波 ,自动产生所需要的 变化无功功率 ,其特性不受系统影响 ,无谐波放大 的危险 , 相对体积小 , 重量轻
[1]
关、 电源 、 晶闸管控制设备等 。其中晶闸管控制设 备包括整流器 , 逆变器 , 静止无功补偿装置 , 变频 器 ,高压直流输电设备等
[2]
。
谐波对电力系统危害很大 , 不但会大大降低 供电质量 ,还会对电力系统的设备产生一定程度 的损坏 。首先 ,谐波可能使电网中的电容器产生 谐振 。电网主要是按基波频率设计的 ,在基频下 , 系统装设的各种用途的电容器比系统中的感抗要 大得多 , 不会产生谐振 , 但谐波频率时 , 由于感抗 与频率成正比而容抗与频率成反比 , 这时就有可 能出现谐振 。谐振可能将谐波电流放大几倍甚至 数十倍 ,导致电容器及与之串联的电抗器等设备 被烧毁 。此外 ,谐波还会使电网中的供电线路及 电气设备产生额外的损耗 (谐波功率 ) 。由于集 肤效应和邻近效应 ,线路电阻随频率增加而提高 , 因此在线路中通过谐波时 , 有功损耗大于流过基 波电流时的有功损耗 ,造成电能的浪费 ,降低了输 电的效率
0
1
π 2
π 2
0
基本的傅立叶分析在计算系数时需要进行积 分计算 ,在需要快速运算的有源电力滤波器谐波 检测中难以实现 。目前 , 在有源滤波器中较多采 用离散傅立叶变换 (DFT)的方法 ,即 ,将某一次谐 波分量单独表示成为 :
N-1
X ( k) =
N-1
n =0
∑x ( n ) co s[ ( 2πN ) nk ]
∞
2 电力有源滤波器
根据接入电网的方式 , 电力有源滤波器可以 分为串联型 , 并联型和混合型三大类 。每一种类 型的有源滤波器结构不同 , 因而其工作原理和特 性也各不相同 。与并联型有源滤波器相比 , 串联 型有源滤波器中流过的是正常的负荷电流 , 因此 损耗较大 ; 此外 , 串联型有源滤波器的投切 , 故障 后的退出及各种保护也较并联型有源滤波器复 杂 。因此 ,本文着重讨论并联型电力有源滤波器 的结构及工作原理 。 2. 1 并联型有源滤波器 并联型电力有源滤波器的系统构成如图 1 所 示 。有源滤波器系统由两大部分组成 , 即谐波电 流检测电路和补偿电流发生电路 。其中 , 实时谐 波电流检测电路是核心部分 , 能检测出补偿对象 中的谐波和无功电流分量 ; 补偿电流发生电路根 据检测电路得出的补偿电流指令信号 , 产生实际 的补偿电流 , 由主电路和控制电路组成 。目前主 电路均采用 PWM 变流器 , 由于在产生补偿电流 时主要作为逆变器工作 , 因此也称其为 PWM 逆 [4] 变器 。
。其次 , 谐波 会影响 设备 的正 常工
作 ,如变压器局部严重过热 , 电容器 、 电缆等设备 过热 ,绝缘部分老化 、 变质 ,严重时甚至损坏设备 。
56 (总 932)
2008, 36 (8)
另外 ,谐波还可能使继电保护和自动装置出现误 动作 ,并使仪表和电能计量出现较大误差 。谐波 对其他系统及电力用户危害也很大 : 如对附近的 通信系统产生干扰 , 轻者出现噪声 , 降低通信质 量 ,重者丢失信息 ,使通信系统无法正常工作 。谐 波还会影响电子设备工作精度 , 使精密机械加工 的产品质量降低 ; 设备寿命缩短 ,家用电器工况变 坏等 。
无功电流相抵消 , 实现动态滤波 、 抑制谐振 、 提高 [5] 功率因数等功能 ,最终得到期望的电源电流 。 2. 2 基于傅立叶分析的谐波电流检测方法 有源滤波器的谐波电流检测电路是滤波得以 实现的重要环节 , 检测结果对有源滤波器的补偿 特性有着重要的影响 。快速检测电流波形中谐波 的方法可采用离散傅立叶变换法 (D iscrete Fourier [6] Transformation ) 。 对电压波形进行傅立叶分解 :
-
j
n =0
∑x ( n ) sin [ ( 2πN ) nk ]
( 2)
式中 , k — — — 频率系数 。
在有源滤波器中 ,利用 DFT法进行谐波补偿 时 ,只需计算出基波 ,然后从被检测电流中减去该 基波分量即得到全部的谐波分量 。当需要补偿少 数几次低频率谐波时 , 只需计算出所需要补偿的 [7] 谐波即可 。 例如 ,有源滤波器的输出为 :
第 36 卷 第 8期 2008 年 8 月
Vol . 36 No. 8 Aug . 2008
电力系统谐波治理与有源滤波器
陈 恺 ,王如玫
(上海电力学院 电力与自动化工程学院 ,上海 200090 )
摘 要 : 电力系统中的谐波源危及电网的正常运行 。从谐波源及谐波补偿方法的分析出发 ,着重介绍了一种 目前新兴的滤波措施 — — — 电力有源滤波器的工作原理和内部结构 。有源滤波器滤波性能卓越 ,能起到减少电 网谐波污染 ,提高电能质量的作用 。 关键词 : 电力系统 ; 谐波补偿 ; 有源滤波器 基金项目 : 上海市重点学科建设项目 ( P1301) 作者简介 : 陈 恺 ( 1987 2) ,女 ,从事电力系统谐波研究 。 中图分类号 : T M71 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 2 9529 (2008) 08 2 0055 2 04
参考文献 :
[1 ]
图 2 有源滤波器应用拓扑图
观察图 3 ( a )实验所得波形可知 ,在进行谐波 补偿前 ,测得的电压波形尚可 ,而电流波形却因含 有谐波分量而发生畸变 , 呈方波状 ; 由图 3 ( b ) 波 形可知 ,在使用有源滤波器进行滤波后 ,电流的波 形得到明显改善 , 几乎恢复了正弦波 。观察图 3 ( c )和图 3 ( d ) 的电流幅频特性 , 比较滤波前和滤 波后电流所含的各个频率谐波 , 可知基波电流在 滤波前后几乎没有衰减 ; 而其余各次谐波在滤波 后均有了明显衰减 。因此采用有源滤波器能很好 地达到滤波效果 ,使电流电压波形恢复正弦波 。 波形分析可知 ,通过有源滤波器的谐波补偿 ,
负载谐波电流已经大大减小 , 电流波形得到有效 改善 ,达到预期滤波的效果 。 另外 ,该电力有源滤波器除可以补偿非线性 负荷的谐波之外 , 通过改变控制方法还可以用于 [9] 负载功率因数的补偿 。 事实证明 ,在变压器二次侧和谐波源之间安 装了有源滤波器后 , 电能质量改善方面产生了较 为明显的效果 : 变压器和电力电缆由于谐波的存 在而导致的温升 、 噪音 、 电子设备的故障率 、 开关 和继电保护的非正常跳闸都得到了一定的改善 。
4 结语
综上所述 ,电力有源滤波器是治理谐波的有 效工具 ,也是解决目前我国电能质量污染日益严 重状况的有力措施 。目前 , 电力有源滤波器在欧 美等工业发达国家已得到了高度的重视和广泛应 用 ,但是在我国有源滤波技术还处于研究试验阶 段 ,由于目前在我国应用有源滤波器的成本很高 , 因而极大地限制了在国内的广泛应用 。随着大功 率电力电子技术 、 控制技术的不断发展 , APF 的成 本将不断降低 ,其卓越的滤波性能 ,必将有广阔的 发展前景 。在电力系统中消除谐波污染 , 除在配 电网中大力发展高效的滤波措施外 , 还必须依靠 全社会的努力 , 在设计 、 制造和使用非线性负载 时 ,采取有力的抑制谐波的措施 ,减少谐波侵入电 网 ,从而真正减少由于谐波污染带来的巨大经济 [ 11 ] 损失 。
u (ω t) = a0 +
n =1
∑( a
n
ω t + bn sin n ω t) co sn
( 1)
其中 ,基波分量为 : π 1 2 a0 = u (ω t) d (ω t) π0 2
∫
谐波分量为 :
an = bn
ω td (ω t) u (ω t) co sn ∫ 1 ω td (ω t) = u (ω t) sin n π ∫ π
[3]
。电力有源滤波
器的技术理论在 1967 年被提出 , 20 世纪 80 年代 后 ,由于电力电子技术和控制技术的发展 , APF技 术逐渐走向成熟 。我国在这方面起步较晚 , 除少 数几台 APF已投入工业试运行外 ,目前大部分技 术尚处于研究阶段 。
1 谐波源及其危害分析
电力系统的谐波由谐波源传入电网中 。 现代化电力系统中 ,非线性设备作为谐波源 , 包括传统非线性设备和现代电力电子设备两大 类 。传统非性设备 : 包括变压器 ,旋转电机以及荧 光灯等 ; 现代电力电子非线性设备 : 有在工业界和 现代办公设备中广泛使用的电子控制装置和开