1、I硕士学位论文（20 届）并联型有源电力滤波器补偿混合型非线性负载谐波放大的研究姓 名学 科 、 专 业 电力系统及其自动化研 究 方 向 微电网的建模与仿真指 导 教 师论文提交日期II论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者（签名）：年 月 日III摘要随着电力电子技术的发展，越来越多的开关器件被应用到各种电器和设备中去，而包含这些设备的负载被称为
2、非线性负载，非线性负载又可以分为电压型非线性负载和电流型非线性负载。非线性负载在的运行会产生大量的谐波电流，这些谐波电流最终会注入电网中去，而并联型有源电力滤波器可以用来补偿电压型非线性负载，而串联型有源电力滤波器可以用来补偿电压型非线性负载。由于在实际中串联型有源电力滤波器结构复杂，造价较高，没有被普遍和大量的应用，主要应用的有源电力滤波器为并联型有源电力滤波器，而并联型有源电力滤波器补偿电压源型非线性负载时会使负载的谐波电流放大，并影响电网的电流波形的质量。本文介绍了不同的谐波电流检测方法，同时对不同的谐波电流控制策略进行了简述和对比，选取了 PR 控制作为并联型有源电力滤波器的控制方法。
3、对并联型有源电力滤波器的模型进行了对比和分析，主要分析了开关函数模型，动态相量模型以及输出阻抗模型。并选择输出阻抗模型对并联型有源电力滤波器进行分析。通过分析并联型有源电力滤波器的输出阻抗模型，得出影响并联型有源电力滤波器补偿混合型非线性负荷效果的参数为电压源型非线性负载的等效阻抗，并采用串联电感的办法提高其等效阻抗模值，以减小和抑制谐波电流在负载中的放大。通过分析容性负荷引起的谐波电流放大现象，采用虚拟并联阻抗的方法抑制系统的谐振。根据理论分析的结果，在 Matlab/Simulink 里搭建混合型非线性负荷模型，设置不同的相关仿真参数，分别进行仿真。通过观察电网电流和负载电流的波形和谐波含
4、量，来验证理论分析的正确性和抑制方法的有效性。仿真结果表明在负载交流侧串联适当大小的电感可以起到极大抑制电压源型非线性负载中谐波电流的放大，通过并联虚拟阻抗的方法可以抑制包含容性负荷的非线性负载的谐波电流放大现象，仿真的结果与理论分析基本一致,验证了分析的正确性和所提出方法的有效性。关键词：有源电力滤波器；电压型非线性负载；电流型非线性负载；谐波放大；IVAbstractWith the development of power electronics technology, more and more of the switching device is applied to a varie
5、ty of appliances and equipments,which are called non-linear loads, nonlinear load can be divided into voltage-source type nonlinear load and current-source type nonlinear load . The operation of non-linear load will generate a lot harmonic currents, these harmonic currents will eventually be injecte
6、d into the power grid, and shunt active power filter can be used to compensate for current source non-linear load , and series active power filters can be used to compensate for the voltage source type nonlinear load. Because of the complex structure,and high cost of the series active power filter i
7、t have not been widely used, the main application of the active power filter is shunt active power filter, and when voltage-source type nonlinear load is compensated by shunt active power filter,the load harmonic current will be amplified and eventually affect the quality of the grid current wavefor
8、m.This paper analyzes and compares the different harmonic current detection method and the different harmonic current control strategy. PR controlling strategy is selected as the control method for shunt active power filter.Different shunt active power filter models were compared and analyzed, mainl
9、y analyzes the switching function model, dynamic phasor model and the output impedance model. And the output impedance model is selected for active power filter analysis. By analyzing the output impedance model parameters of shunt active power filter, draw a concolusion that what influences shunt ac
10、tive power filter compensating effect for the hybrid non-linear load is voltage-source type nonlinear load equivalent impedance and grid equivalent impedance, and by serising inductance to increase the equivalent impedance to reduce and suppress harmonic current amplification in the load. According
11、to the results of theoretical analysis, mixed nonlinear load model that contains voltage-source type nonlinear load and current-source type nonlinear load exist simultaneously is builded in Matlab/Simulink,simulation respectively by setting different parameters that is related,by observing the grid
12、current and waveform and harmonic content of the load current ,so as to verify the theoretical analysis result of the validity and effectiveness of the suppression method. Simulation results show that the series inductance of appropriate size of the load on the AC side can play a significant inhibit
13、ion of the voltage-source type nonlinear load harmonic current amplification, the theoretical analysis and simulation results are basically the same which verify the correctness of the analysis and validity of the proposed method.VKeywords: APF;voltage-source type nonlinear load;current-source type
14、nonlinear load;harmonic current amplificationVI目录摘要 .IAbstract .III1 绪论 .11.1 谐波的产生及其危害 .11.2 电力系统的谐波抑制及有源电力滤波器概述 .31.2.1 电力系统谐波抑制 .31.2.2 并联型有源电力滤波器概述 .41.3 APF 补偿非线性负载谐振现象综述 .61.3.1 谐振的定义和分类 .61.3.2 电力系统非线性谐波源负荷分类 .61.3.3 APF 补偿非线性负载谐振现象综述 .71.4 本文的选题依据和主要研究内容 .82 并联型 APF 的控制策略及数学模型 .92.1 三相并联型 AP
15、F 的整体结构 .92.2 谐波电流检测及其控制算法 .112.2.1 谐波电流检测算法 .112.2.2 谐波电流控制算法 .152.3 含有源电力滤波器数学模型的谐振分析方法 .192.3.1 开关函数模型 .202.3.2 动态相量模型 .232.3.3 输出阻抗模型 .253 并联型 APF 补偿非线性负载谐振放大分析 .293.1 并联型 APF 补偿电压源型非线性负载谐振分析 .303.2 含容性负荷时谐振放大分析 .343.2.1 谐振机理分析 .343.2.2 谐振仿真分析 .353.3 等效电路分析 .363.3.1 含电压源非线性负载等效电路分析 .363.3.2 含容性负
16、载的谐波电流源等效电路分析 .374 并联型 APF 补偿混合型非线性负载实验及仿真分析 .414.1 并联型 APF 补偿单一非线性负载 .414.1.1 并联型 APF 补偿电压源型非线性负载 .414.1.2 并联型 APF 补偿电流源型非线性负载 .48VII4.2 并联型 APF 补偿混合型非线性负载 .514.2.1 补偿含电压源和电流源非线性负载的混合型非线性负载 .514.2.2 补偿含容性负载和电流源非线性负载的混合型非线性负载 .584.3 本章小节 .605 总结与展望 .635.1 本文研究工作的总结 .635.2 未来工作展望 .63参考文献 .65攻读硕士学位期间发
17、表的科研成果 .69致谢 .7111 绪论随着法拉第电磁感应定律等的发现，经过一个多世纪的发展，电能的应用已经深深地嵌入了社会各个行业与领域之中，对电能的应用程度可以作为衡量不同国家和地区发展水平高低的重要指标。最近几十年来，随着我国经济水平的提高，各行各业迅速的发展，极大程度的促进了我国电力工业快速发展，同时由于电力工业的高速发展，也对我国各行各业，特别是工业的高效有序生产提供了不可替代的保障。随着我国电网建设的逐步完善，和各大发电集团对新能源及可再生能源积极探索和开发，我国电能紧缺的状况基本得到解决。随着电能紧缺问题的解决，与此同时到来的是广大用户对电能质量各方面的提高。但是不同的行业、不
18、同的设备对供电电能质量的要求不尽相同，衡量电能质量的标准一般是电流或者电压的各项参数满足符合要求的规定。在上个世纪九十年代以前，应用在电力系统中的大多数设备对供电质量的要求并不是特别高，大多都能在额定的电压电流值上下偏差在一定范围内仍然可以保持持续正常的工作。但是在二十世纪最后十年中，随着计算机的普遍应用，特别是随着信息处理技术的不断进步和发展，各种基于微处理器控制的用电设备大量投入使用，这些设备对电能质量的波动比较敏感，电压或电流的波形、幅值及频率的波动可能影响这些设备的正常运行，导致设备发生故障停运，导致直接经济损失，甚至导致严重的间接经济损失，带来的破坏难以估计。随着电机大量应用和电力电
19、子器件的发展，工业领域、农业领域、轨道交通、IT 及通信领域甚至家庭中都已广泛使用由电力电子器件作为主要元件的用电设备，如近一两年成为热点的居民光伏并网发电、国家对电动汽车的大力推广等等。这些新型电气设备虽然在改善居民日常生活质量，提高各行业的生产效率和生产良品率，节约电能以及净化工作、学习、生产环境等许多方面都有着极其重要的作用和意义，但是因为这些新型负载所具有的非线性的特点，它们会在不同程度上产生一定的谐波，这些谐波最终会注入到电力系统中。电力系统中的谐波相关问题带来的影响已经逐渐引起了许多学者的研究兴趣。特别是最近几年来，被大量的应用非线性负荷和含电力电子接口的装置设备，谐波问题已经成为
20、城市公用电网主要的问题之一。一方面，随着大量谐波电流注入电网，会引起电网电压的闪变和电压波形的畸变，同时也会引起三相电压的不平衡问题，造成电能质量严重降低。另一方面，电力系统中的谐波还会对各种工业、商业、公共及居民电力设备的正常运行有较大影响，与此同时，电力系统自身的安全运行也会受到不可忽视的影响 1。1.1 谐波的产生及其危害在接入电力系统的不同类型的负载中，根据运行的电气量特性可将其分为线性和2非线性。其中具有非线性电气特点的负载在运行时会产生大量的谐波电流，根据特性的不同可以成为电压源型谐波源和电流源型谐波源2。非线性负载在吸收基波能量的同时会产生谐波能量，并将谐波注入到电网中去，当谐波
21、含量超出一定范围会产生谐波污染，对电力系统本身的可靠、高效、经济运行产生严重的危害 3。在材料科学不断进步的今天，开关器件性能也日趋完善。电力电子装置也被大量地应用到日常生产和居民生活中 4，然而随之而来的是其产生的谐波问题，已成为电网谐波的主要来源。含电力电子接口的设备可以有效地将能量的应用效率提升到较高的水平，但也会带来不容忽视的谐波问题 5。电力系统谐波会对电网的正常运行造成影响，并会对其他用户和设备产生影响，其危害可以概括叙述为以下几个方面 6：（1）污染城市公用电网：当电力系统中的用电设备产生的谐波电流含量较高时，会对公用电网产生严重污染，当公用电网中含有大量谐波电流时，接入该电网的
22、各种公用和家用用电设备无法正常工作例如各种服务器，交通信号电源，电视机，空调，计算机等，严重时会造成设备故障，甚至损害用电设备，进而造成之间和间接的经济损失。（2）危害输电线路安全：电流流过输电线路具有集肤效应，电力系统的输电线路的线路阻抗也会随着输电频率的升高而升高，当流过输电线路的电流含有谐波时，会使输电线路的电能损耗增大，从而增大电网的网络损耗；谐波电流还会引起输电线路过流和过热，不仅会增大损耗，也会对线路的电能输送能力造成下降，浪费了电网的电能输送容量，使电网中的电能传输不能经济有效的进行。（3）形成谐振放大：由于输电线路存在分布电容和电感，电容和电感会与设备之间形成串联或并联回路，当
23、流入系统的的电流频率在这个回路的固有谐振频率附近时，会产生谐振放大，使得电流或电压突然增大数倍，谐振放大的现象一旦发生，其过程一般很难加以控制，这无疑会导致设备和电力系统的继电保护等设备误动作甚至损坏。（4）影响旋转电机运行：由于谐波电流的频率高于电流的工频基波频率，磁滞损耗、涡流损耗等随着频率的升高而增大，即这样会使电机的铜耗和铁耗大大增加，使得设备温度过高，进而影响设备的绝缘水平，谐波的存在还会引起电机的振动，产生大量的噪声，长时间的振动与噪声，对机械、金属及居民生活工作环境造成极大影响。（5）增加变压器工作损耗：在以三角形作为连接方式的变压器中，三次谐波电流及其频率倍数的电流会在变压器绕
24、组中形成电流环流，不仅会增加变压器铜耗，还会使变压器发热增多，影响工作寿命和其稳定性。（6）使电力电容器加速老化：谐波电压会使电力电容器介质的老化加快，使其故障增多，并使其工作寿命大大减小；且由于电容器会与电网分布参数形成谐振回路，谐波的存在可能使谐波电压和电流放大，这样会对电力电容器的稳定运行带来影响。3（7）影响继电保护设备和电力系统自动装置的稳定性：继保设备和自控设备能够可靠工作依据是工频的电压电流和标准的正弦波形，谐波使设备偏离了正常的工作点。（8）影响计量与测量精确性：电力系统的各种电能测量仪器是以 50Hz 的工频正弦波作为基准波形的，谐波叠加后的波形一般为非正弦，而这会对计量装置
25、的精确度带来较大影响，导致电能计量的不准确。另一方面，随着信息处理技术的快速发展，随着互联网思维在各行各业的尝试与运用，现代重工业和轻工业的生产、现代商业的运营、农业的生产及普通居民用户的日常生活都已经或者即将要步入数字化的信息时代。在这种情况下，对供电质量的要求以后会越来越高，正因如此，电力系统谐波和无功补偿问题已经成为我国电气工程领域面临的又一个巨大挑战。如何治理电力系统中的谐波电流，提高供电质量，会使电网的建设与发展面临新的机遇，成为输配电及供配电技术中急需解决的重要问题之一。1.2 电力系统的谐波抑制及有源电力滤波器概述1.2.1 电力系统谐波抑制在二十世纪六十年代，已有学者发现了谐波
26、电流污染给电网带来的供电质量问题，特别是随着电力电子相关技术的急速发展，近几十年来，其带来的谐波污染问题也变得严重起来。世界各国和众多国际学术组织都对谐波相关问题投入了极大的关注。制定了很多限制电网电压和电流谐波及用户负载谐波的各项标准，并根据最新的研究成果，对电能质量的标准不断进行改进和完善。国际电工委员会在两千年前后发布了电能质量的 IEC-61000 系列标准，该标准对电网电压总畸变率，各次谐波电压含量，以及谐波电流含量做了限值规定 7。美国电气与电子工程师协会颁布了 IEEE Std 519-1992电力系统中谐波控制的要求和应用实施导则 8，在此次颁布的标准中规定了对不同电压等级的用户谐波电流的限制要求用来防止非线性负载产生的谐波电流大量注入电力系统，对接入电网的其他设备造成危害 9。IEEE 1159-2009电能质量检测推荐执行导则对电力系统谐波的相关规定进行了更新 10。我国对于电能质量相关标准的建立也紧随其后，其中最新电能质量国家标准是 GB/T24337-2009，该标准提出了对电网中谐波电压和谐波电流含量进行限定的强制性要求。对电网谐波的治理一般可以从两个方向着手：一是对产生谐波的设备进行改造，减少电力电子装置向电网输送的谐波，如增加整流装置的相数、应用新型脉宽调制技术和增加功率因数校正电路等 11；二是在有高电能质量需求的地方接入滤波装置来抑
