电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究

2022-03-17 来源：好走旅游网

分类号密级 U D C 单位代码 1

辽宁工业大学

硕士学位论文

电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究

工程领域: 电气工程研究生： +++ 校内指导教师: +++ 教授

校外指导教师: ++ 高级工程师

二〇一+年三月

电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究 +++ 辽宁工业大学硕士学位论文电气工程二〇一年+

辽宁工业大学

硕士学位论文

电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究

工程领域：电气工程研究生: +++

校内指导教师: +++ 教授校外指导教师： ++ 高级工程师

辽宁工业大学电气工程学院

二〇一+年三月

Masteral Dissertation

Study on Harmonic Suppression and Reactive Power

Compensation of Power System

Speciality： Electrical Engineering Candidate： +++ Supervisors: Professor +++

Engineer ++

Liaoning University of Technology

Jinzhou, 121001， China

+2014

摘要辽宁工业大学硕士学位论文

摘要

随着电力电子技术在电力系统的广泛应用，工业化进程得到飞速发展，由此引发的电能质量问题也备受关注，尤其是阻感性负载的运行过程给电网带来的无功供应和谐波污染问题。为了使电能质量达到安全可靠、优质经济的要求，深入研究无功补偿和谐波抑制技术具有深远的现实意义。

首先，针对电力系统的谐波和无功现状,本文论证了谐波抑制和无功综合装置的可行性，并分别对谐波的治理措施和无功补偿原理进行了深入研究，为谐波抑制和无功综合装置的研究提供了理论依据.

其次，对谐波和无功电流的综合检测方法的性能进行分析对比,重点研究了基于瞬时无功功率理论的ip—iq检测法，并在理论基础上对这种检测方法进行了仿真,验证了此方法的检测速度快、精准性高和实时性好等优势。

最后，设计了以有源电力滤波器（APF）为核心与静止无功发生器（SVC)联合运行的综合装置，该装置由结构相同的多组晶闸管投切电容器TSC和呈H桥型连接的APF并联在电网上，通过TSC和APF的互补互利实现综合治理的目的。同时,将此综合装置应用于锦州拓新电力电子有限公司的实验之中，通过对实验数据的处理和分析，验证了此装置在提高系统动态性能及稳定性方面具有更可靠、更速动、更灵敏的优势。

关键词：电能质量；动态无功补偿；谐波抑制；综合补偿控制策略；电流检测方法;

Abstract 辽宁工业大学硕士学位论文

Abstract

With the wide application of power electronic technology in power system， the indutr- —ialization process to get rapid development， but much attention has been paid to power quality problems especially the process of inductive load resistance to the power grid to supply reactive power and harmonic pollution problem。 In order to make the power quality reach the requirement of safe and reliable， high quality economic， so further study of reactive power compensation and harmonic suppression technology has far—reaching practical sign- —ificance。

Firstly， according to current situation of power system harmonic and reactive power, this paper demonstrated the feasibility of harmonic and reactive power integrated compensation device， and the control measures of harmonic and reactive power compensation principle were studied, except that，the paper provided a theoretical basis for the study of harmonic and reactive power compensation device and the comprehensive.

Secondly, an analysis comparison between the harmonic and reactive current detection method of performance has been done , and especially we mainly studied ip—iq tests based on the instantaneous reactive power theory, and made a simulation about the detection methods based on the theory, we verified the advantages， the detection precision of the method and the real time.

Finally, the design of active power filter (APF） as the core and the static reactive power generator （SVC) joint operation of comprehensive compensation device was made, the device by the structure of the same set of TSC,The thyristor for capacitor and the H bridge connection of APF was on the grid in parallel， achieving the goal of comprehensive compensation by TSC and APF's complementary and mutual benefit. At the same time， the comprehensive compensation device was applying to jinzhou new power electronics Company.This device was verified in improving system dynamic performance and stability is more reliable， more quick， more sensitive， based on the experimental data processing and analysis.

Key words： Power System； reactive power compensation; harmonic suppression comprehensive; compensation control strategy; the instruction current detection method

目录辽宁工业大学硕士学位论文

摘要 ......................................................................................................................................... I Abstract ..................................................................................................................................... II 1 绪论 ........................................................................................................................................ 1

1。1 课题研究的背景和意义 .......................................................................................... 1 1。2 影响电能质量的因素 .............................................................................................. 1 1.3 谐波抑制和无功补偿国内外研究现状 ..................................................................... 2

1.3。1 谐波抑制和无功补偿的国内外的研究现状 ................................................. 2 1。3。2 综合装置的国内外研究现状 ...................................................................... 3 1。4 本论文的主要研究工作 .......................................................................................... 4 2 电网谐波分析及其抑制 ........................................................................................................ 5

2.1 谐波产生的危害及谐波标准 ..................................................................................... 5 2.2 谐波治理的措施 ......................................................................................................... 7

2。2.1 电网谐波治理措施和抑制方法 ..................................................................... 7 2。2.2 有源电力滤波器的工作原理分析 ................................................................. 9 2.3 谐波电流的分析与检测方法 ................................................................................... 10

2.3.1 谐波电流的检测方法 ...................................................................................... 10 2.3.2 基于瞬时无功ip-iq算法的仿真 .................................................................... 15 2。4 谐波抑制系统的控制方法 .................................................................................... 16 2.5 本章小结 ................................................................................................................... 17 3 谐波抑制和无功补偿 .......................................................................................................... 19

3.1 无功功率及其影响 ................................................................................................... 19

3。1。1 无功功率及无功电流的危害 .................................................................... 19 3。1。2 无功补偿原理和补偿技术的发展 ............................................................ 20 3.1。3 SVC补偿的原理和特点 ............................................................................... 22 3.2 谐波和无功存在的主要问题 ................................................................................... 26 3.3 谐波无功综合装置分类 ........................................................................................... 27 3.4 本章小结 ................................................................................................................... 29 4 谐波无功综合系统设计 ...................................................................................................... 30

4。1 综合装置系统构成和工作原理 ............................................................................ 30 4。2 APF与TSC综合系统的稳定运行的控制策略 ................................................... 31 4。3 APF与TSC综合系统的无功和谐波电流检测方法 ........................................... 32 4.4 本章小结 ................................................................................................................... 33 5 谐波抑制和无功补偿综合装置的实验 .............................................................................. 34

III

目录辽宁工业大学硕士学位论文

5.1 系统主电路结构 ....................................................................................................... 34 5。2 计算APF的补偿容量和输出参数....................................................................... 34 5。3 APF与TSC综合装置的控制方法 ....................................................................... 37 5.4 APF与TSC综合装置的实验与结果分析 .............................................................. 38 6 结论与展望 .......................................................................................................................... 44 参考文献 .................................................................................................................................. 45 致谢 ...................................................................................................................................... 47

1 绪论辽宁工业大学硕士学位论文

1 绪论

1。1 课题研究的背景和意义

21世纪以来，全球工业化进程飞速发展,人们开始越来越关注保护环境和节约能源的课题，电力系统可以说也是一种“环境”，也同样面临着污染方面的问题[1].因此如何能令人类使用安全可靠、质量优良、经济实惠的电能成为近年来的研究重点。国家早在十一五规划纲要中就明确提出,要通过开发推广新技术，实现节能目标的战略决策。目前全球基本上将节能的重点领域放在工业、交通这两个与人们生活息息相关的方面,其中工业是侧重点.工业用电的特点是：不论是用电还是配电系统中均存在着大量的问题，这些问题均与无功和谐波息息相关.

现代电力系统中，电力电子技术的飞速发展，使得电力系统中电力电子器件的应用呈现越来越普遍的现象。很多电力电子设备工作时均会对电力系统造成谐波污染，功率因数降低等电能质量问题.再加上科技如此发达的现代社会中，人们在电网中大量使用各种具有不对称、冲击性、波动性和非线性的负载，长此以往电力系统中的谐波污染、电压波动及电压跌落等问题越发不可收拾，从而大大降低电能质量[2］。

电网电压与无功密切相关,大量谐波注入电网很大程度的影响电力系统正常运行。由于我国特殊的经济模式、辽阔的地理环境和资源分布不均等客观因素更加剧影响了电力系统的发展，形成了发电厂和负荷分布不均的结果，因此大范围的远距离输电更能符合我国对电网的需求.面对上述问题就需要我国电力系统具备良好的传输能力和暂态稳定性能，这些全是跟无功供应密切相关的，故无功装置必不可少。非线性负载的增加导致公用网络中的谐波源数量也随之增多,以至于电网电能质量问题日益严重。因此，对电网进行谐波抑制和无功补偿的研究完全符合科学发展观和可持续发展战略.

1。2 影响电能质量的因素

从字面上直译,电能质量就是系统中电能的质量,和发电、供电、配电、用电四大系统及电力系统设备正常工作时的电流、电压偏离规定的指标差值密切相关。电网中具体将其定义为导致用电系统无法再正常工作或发生故障时的电流、频率或电压与正常工作时的差值,通常用这三个差值、电压波动、闪变和三相不平衡等这些标准来衡量电能质量的高低［3]。目前工业上涉及最多的电能质量问题是电压问题和谐波问题，频率问题不太常见。

影响电能质量问题的因素有以下几个方面：

（1）电力系统出现的运行故障会造成电能质量问题,比如常见的雷击就会使发电励磁系统工作状态发生严重改变。

（2)非线性负载，现在人们无论在工业用电上，还是在生活用电过程中，都使用着大量的非线性负载。例如变流器，整流器等电力电子器件运行时吸收大量无功的同时会

1 绪论辽宁工业大学硕士学位论文

发出大量的谐波。

（3）电力系统的非线性,例如同步发电机在实际运行时，它的感应电动势会因为受谐波影响发生振荡，所以电动势波形就不再是理想的正弦波，从而影响系统稳定运行。

长期以来对于电力系统来说电能质量问题多源于系统侧,如当系统运行状态处于非正常运行状态时，往往采取的治理措施有投入电源，投入补偿电容器，启动大电动机等。另外就是像由于天气原因、人为操作或器件损坏等客观因素也会影响电能质量。近年来负载侧对电能质量的影响呈增长趋势，从一些低压小容量的家用电器到高压大容量的工业装置，都能引发电网电流和电压波形的畸变[4］.例如煤矿中的电机车,在运行时会发生谐波浪涌及无功冲击现象，还有许多电弧设备往往会产生大量谐波。针对这些问题,就要求各个生产单位在生产使用设备的同时也要努力对原来的设备进行升级改造，但是由于技术受限往往改进措施达不到治标的目的。近年来，电能质量问题日益明朗化，现在可以说电能质量问题的内涵就是谐波和无功问题。随着大功率可关断器件和PWM技术的发展,再加上数控技术(DSP）在电力系统中的广泛应用，电能质量的控制和管理得到了质的跨越，致使越来越多学者加入了对它的研究之中。

1。3 谐波抑制和无功补偿国内外研究现状

1。3。1 谐波抑制和无功补偿的国内外的研究现状

目前在国内无功补偿方面，工业上主要采用的无功补偿装置是静止无功发生器（SVC）。SVC是依靠电容器提供固定的容性无功，补偿电抗器补偿感性无功。晶闸管变流装置和控制系统可以使SVC既能够吸收感性无功功率也能够吸收容性无功功率。这几年电力电子技术飞速发展，科研工作者研制出了具有大容量的静止无功发生器，这个项目已经被国家列入电力部重点科研攻关项目.这项研究的原理是基于GTO、IGBT等大功率可控开关器件，采用逆变技术进行动态无功补偿。在补偿过程中，首先需要使用指令电流运算电路将补偿对象电流中的谐波和无功电流分量检测出来,然后用补偿电流发生电路根据检测出的补偿电流的指令信号选取适当的控制策略进行补偿。目前，研制出使电源电流等于负载电流的基波有功分量这样的装置是国内研究的最先进的也是最复杂动态无功补偿装置。在实际运用中，我们不可以盲目选取,认为补偿效果最好的就是最适合的，要根据实际需求来判断进而选择是用并联电抗器、并联电容器，静止无功发生器还是使用电力有源滤波器来进行无功补偿。

1961年我国着手研究谐波，到目前为止我国已经有上百家公司和科研单位从事有关谐波抑制这个方向的研究.简单的说，处理谐波可以选用尽可能减少谐波源的谐波分量的方式，也可以采用多环流和PWM技术来抑制谐波,还可以使用滤波器进行谐波治理.现在电网普遍选用控制整流器来分析谐波特性，再将交流整流成直流,这样就会导致交流波

形发生严重畸变,继而会产生大量谐波，也就是说有些谐波治理装置本身也会产生谐波。

1 绪论辽宁工业大学硕士学位论文

我国从研究谐波到如今谐波抑制的方式一般分为三种：一是只吸收固频谐波的传统LC无源电力滤波器，由于此类滤波器容易发生并联谐振，现今已经很少使用.二是现在普遍使用的是有源滤波器，但在工业应用方面仍处在试验与研究阶段，尤其是对无功和谐波能进行综合治理的HAPF的研制。有源滤波器必须以高水平技术作为依据，难设计，成本高。三是混合滤波装置，实践证明将无源滤波和有源滤波相结合进行混合滤波，能达到很好的滤波目的.

相对比的，国外第一批静补装置于二十世纪六十年代便在英国研制成功。八十年代美国研制出基于GTO的静止无功发生器,90年代日本、德国和美国也分别研制成功.随着FACTS装置的提出世界上许多国家都开始这领域研究。早在1998年，美国名为Inez的变电站便将UPFCt271安装在138kV电力系统上。许多发达国家早就将SVC补偿装置应用到改善电能质量上，近十年来这些国家也早已经将SVG产业化［10］。

谐波方面早在二十世纪九十年代德国便提出了有关电力谐波干扰对电网有影响的问题。70年代以来，随着谐波所造成的不良影响日益明显，世界各国均开始投入大量的人力与注意力对待谐波问题.为此国际上还曾多次组织学术研讨会。电力系统和用电设备产生谐波的有关规定和标准早就被大部分国家和许多国际学术组织纷纷设置了限制.H. SasakiT。 Machida早就对APF的基本原理进行了完整的描述,Gyugyi根据APF原理提出采用PWM控制变流器来完善装置，并研究出APF主电路的控制方法和基本拓扑结构。80年代，电力电子器件被广泛的应用以及PWM控制技术也相应的得到飞速发展，APF当时成了热点研究项目。目前，在设计使用APF时用的理论基础中三相电路瞬时无功功率理论占主导地位。控制技术、电力电子和数字信号处理技术，还有GTO、IGBT等开关器件技术及高性能DSP芯片的应用使有源电力滤波器不止从理论上取得突破,在实际应用中也取得快速进展。 1.3.2 综合装置的国内外研究现状

谐波是工频正弦波畸变，无功是相位改变的电流电压波形，谐波和无功在物理本质上都可以说是波形，因此能综合对谐波和无功进行治理。对电力系统进行无功补偿和谐波抑制不仅能提高电力系统的功率因数,减少功率损耗，调节电压，优化电能质量，还能提高设备的利用率，大大降低投资成本。故综合装置的研究将是今后重要的研究课题.

在综合治理方面，早期使用无源滤波器，这种滤波器不仅可以滤除谐波还可以补偿无功功率，能达到综合治理的目的.谐波抑制技术:国内外有一种新兴滤波装置能动态性进行谐波治理，这就是近年来普遍使用的有源电力滤波器。无功补偿技术：第一代为同步发电机、调相机补偿和并联电容器、并联电抗器补偿；第二代是基于自然关断晶闸管技术的SVC，第三代是目前研究热点，也就是基于IGBT、IGCT等大功率可控器件的补偿装置SVG（Static VAR Generator）。通过上述谐波和无功装置和技术的发展，学者们研究提出了好多类型的综合治理方案，如PP—SVC型综合补偿器、APF和PPF混合

1 绪论辽宁工业大学硕士学位论文

使用的HAPF、注入电路式的HAPF和SVC+APF型及SVG+APF无功谐波混合补偿器，但是从理论和技术上看，还有很多问题.有源滤波器和静止无功发生器组合构成综合装置中主要研究的是SVC与APF结合组成的综合装置，实现互补的同时降低成本[13］.

1。4 本论文的主要研究工作

综上所述，经过近年来对有源电力滤波器（APF）的研究表明，这个装置既可以滤波又可以补偿无功，成为了各大学者的重点研究对象。但是鉴于APF对于补偿无功的局限性，学者们开始关注综合补偿系统.

本论文主要研究与APF结合的综合装置,从而提高电力系统的功率因数，使系统稳定运行，解决电能质量不良等问题.本文主要研究工作如下：

(1）在分析影响电能的质量因素的基础上，重点分析了谐波的特点、危害以及无功电流对电力系统的负面影响.

(2）在研究谐波抑制和无功补偿原理和补偿特性基础上，分析了谐波电流检测方法、控制策略和无功电流检测方法、控制策略,设计了基于APF与TSC的谐波抑制和无功补偿综合装置。

（3）分析了无功补偿和谐波抑制综合装置的工作原理、拓扑结构以及谐波无功电流的检测方法，确定了无功电流检测方法以及谐波抑制和无功补偿综合装置的控制策略，确保APF和TSC稳定运行。

(4）将此综合装置应用于锦州拓新电力电子有限公司的实验之中，通过对实验数据的处理和分析，验证综合装置可以在补偿上互补,对维持电力系统稳定更有研究价值和现实意义。

2 电网谐波分析及其抑制辽宁工业大学硕士学位论文

2 电网谐波分析及其抑制

2.1 谐波产生的危害及谐波标准

本文所讨论的是电力系统中的谐波，当电流流经非线性负载时，电压施加在非线性电路上，电流会因为振荡等原因形成非正弦波，这时电路中就有谐波产生。谐波频率是指频率为基波的整数倍的电流中包含的电量，是用傅里叶级数分解周期性的非正弦波形后,得到的频率与工频相同的分量（基波）和一系列为基波倍数的正弦波分量［15]。

谐波基本概念为：

（2。1） u(t）a0（ancosntbncosnt）n1频率为

1的分量定义为基波，规定频率大于基波的分量称为谐波.例如我国频率T谐波频率的整数比.

基波频率50Hz,凡是超过这个范围的都可以说会产生谐波。谐波次数=

由定义可知谐波含有不同的频率,幅度和相角,可以区分为奇次和偶次，由于三相平衡系统中的对称关系会消除偶次谐波，所以电网中只有奇次谐波存在。各种电力电子装置,例如整流器、变频器、家用电器等等具有冲击性、波动性的非线性负载都会产生奇次谐波。大量奇次谐波注入电网，导致电压和电流发生畸变，畸变电压HRUn和电流HRIn为：

HRUn(Un/U1)*100% HRIn(In/I1)*100% （2.2）

电流和电压总谐波畸变率：

UHUn22n IH25In22n （2。3）

UhXk1kIk （2。4）

其中：Uh为谐波电压限值；

Xk为谐波频率是k次时的阻抗； Ik为k次谐波电流值。

电压电流发生畸变会导致电能质量严重下降,大大影响电网及电网设备的正常运行，造成电力系统的不稳定。具体危害包括以下几个方面:

（1）高频电流会使发、输、供和用电设备的功率损耗和电能损耗增加，设备过热，降低设备的利用率。例如电缆过热，绝缘老化现象,照明设备和显示器产生闪烁现象等；

（2)非线性电力电子设备产生的谐波可能与电感、电容发生谐振，形成谐波放大现象;

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(3)大量谐波会引起继电保护装置误动作,开关误跳闸，严重时损坏设备，威胁电力系统安全运行。

面对这些问题我国对谐波有关限制做了有关规定具体标准，即《公用电网谐波》（GB/T14549-1993）如表2.1所示[16］。

同样我国也对谐波电压与谐波电流的限值关系做了明确规定，并制定标准如表2.2所示：

表2。1 公用电网谐波标准 Tab. 2。1 Harmonics standard

电网标称电压

0.38 6 10 35 66 110

电压总畸变率

﹪

5。0 4。0

各次谐波电压含有率 ﹪ 奇次 4。0 3。2

偶次 2.0 1.6

3。0 2.0

2。4 1.6

1.2 0.8

表2.2 谐波电压与电流的限值关系 Tab. 2。2 Harmonic voltage limit value of the correlation value and harmonic current limits 标准标准

电压电压

1 2 3 4 5 6 7 8 9

KV KV 0。38 6 10 35 66 110

10 100 100 250 500 750

78 43 26 15 16 12

62 34 20 12 13 9。6

39 21 13 7。7 8.1 6.0

62 34 20 12 13 9.6

26 14 8.5 5。1 5。4 4.0

44 24 15 8。8 9.3 6.8

19 11 6.4 3。8 4。1 3。0

21 11 6。4 3。8 4.1 3。0

16 11 6。8 4.1 4.3 3。2

由表2.1、2。2可见谐波电压限值与电流限值呈相互对应关系,因此可以根据谐波电

流值和电压值对谐波情况进行判断。设短路容量为a,基准短路容量为b，此时谐波电压限流值不变，谐波电流值为：acb,其中c为谐波电流限流值，由此可得，a越大，允许的谐波电流限流值也就越大。

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2.2 谐波治理的措施

2.2。1 电网谐波治理措施和抑制方法

抑制谐波的根本在于使电力系统谐波源产生的谐波减少甚至消除，具体方法一为受端治理,也就是采取措施从受谐波影响的设备和系统处选择将那些谐波吸收；二为主动治理,即减少谐波源的谐波含量；三为被动治理［18]，这也是现在研究的重点。具体措施是外加滤波器，目的是阻碍谐波源产生谐波的同时还要阻碍谐波流入负载，主要的方式如表2。3所示：

主动治理的具体实施措施具体原理如下：（1）多脉动调制技术

由表2.3可以看出多脉动调制这项技术是最常用的主动治理的方法之一,工作原理是首先按规律将多个换流器组合，再将电网电压利用移相变压器移相变换；然后根据换流桥电压的相位差获得电流间的相位差，电流相位差相互叠加从而达到谐波抑制的目的.这项技术会随着脉动数的增加，更好的抑制谐波，但这就会对设备有更高的要求，成本也会随之增加。

表2。3 谐波治理的主要措施

Tab. 2.3 The main measures of harmonic control 受端治理选择合理的供电避免电容对谐波放大

理方式

提高设备抗谐波干扰能力改善谐波保护性能

主动治理

增加变流装置的相数或脉冲数改变谐波源的配置或工作方式

采用多重化技术谐波叠加注入采用PWM技术

设计或采用高功率因数变流器

被动治理无源滤波器有源滤波器混合型有源滤波器

治

（2）脉宽调制技术

这项技术一般用在逆变电路中，具体做法利用信号波对三角载波进行调节，得到PWM波。采用基于PWM的调制技术，变流设备运行产生的谐波就能被优化，会使谐波变成具有高频、幅度小的优质波,更接近于正弦波。这种方法工作时损耗大,难于控制，成本高，还会导致高次谐波电流的增加。

(3)多重化技术

这项技术是对电力电子装置内部做出变革，主要针对大容量的电力电子装置。首先将多个变流器联合起来,为了消除次数较低的谐波，再运用多重化技术将多个方波叠加在

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一起,从而得到接近于正弦的阶梯波[19]。这是一种针对谐波十分有效的关键技术，而且重数越多，滤波效果越明显，但是这项技术成本高,实现难度大。

对于受端治理由表2.3可以看出是通过其他方法改善用电设备性能，从而连带影响谐波的产生，这种方式具有投机性.

主动治理虽然能抑制谐波产生，但是众所周知现今非线性负载推陈出新，样式繁多

[20]

.如果只依靠主动治理是不可能完全消除谐波电流的。由表2.3可知还可采用被动治

理，具体措施是通过外加设备达到谐波抑制目的，可以选择加设无源滤波器、有源滤波器或混合滤波器。根据研究表明滤波器可以有效地进行谐波抑制，故被动治理渐渐被广大学者与用户所青睐。

（1）无源滤波器（PPF）

无源滤波器一般安装在交流侧，与谐波源并联，采用分压原理滤除谐波电压,采用分流原理滤除谐波电流.由L、C、R元件适当组合成谐振回路，分为单调谐、双调谐、高通滤波器等。工作原理是利用元件的谐振特性,若谐振回路的频率与不符合要求的谐波电流频率相同，这时滤波器便会将该次谐波屏蔽到电网外。无源滤波器还可以补偿部分无功功率.无源滤波器优点是结构简单、花费低，但是滤波效果不显著，滤波易受系统参数和运行状态的影响，发生谐振。由此可以看出无源电力滤波器的滤波效果与电网运行方式有很大的关联,在实际应用中有所限制，所以人们把越来越多的目光转向了有源滤波器.

（2)有源滤波器(APF）

有源滤波器现在是人们研究的热点，APF在滤波时具有很多特点:功能丰富,动态治理等，其中最显著的是高度可控性和快速响应性。APF不仅可以滤波,还可以补偿无功；性价比很低；不与系统阻抗发生谐振，故系统阻抗的变化不会影响其滤波效率；能自动跟踪补偿快速变化的谐波。随着大功率快速自关断器件的不断研发，尤其是加入微控技术后，有源滤波技术得到了极大的发展，已经从针对用户自身的谐波抑制慢慢扩展到针对整个电力系统的电能质量.

（3)混合型滤波器

混合型滤波器采用换流装置，将谐波分量逆变成脉动电流实时对谐波起到抑制效果。例如将APF与PF相结合的混合型APF,弥补PF不足的同时还可以克服APF的容量要求大，设备制作成本很高的这些缺点[21]，最主要是是补偿效果明显得到提高.另外还能大幅度补偿无功功率,提高系统的功率因数。

（4)与无功补偿系统联合运行

随着电力负载的多样化，谐波源增加，以致电网功率因数降低。面对这些快速变化的无功和谐波电流，人们开始尝试在谐波源并联无功补偿装置，达到补偿无功的同时还能治理谐波的双重目标。这种综合装置易于实现,补偿效果明显，性价比高，是现代学者

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的新宠儿。

根据前面介绍的谐波治理的不同方法,得出目前最有效最常用的为电力滤波器，其中运用最广泛的是电力无源滤波器和电力有源滤波器,表2。4对比了无源和有源滤波器的优缺点。

从表2。4中可以明显的看出虽然电力无源滤波器优点是结构简单、花费低,但是滤波效果不显著，滤波易受系统参数和运行状态的影响,发生谐振.电力有源滤波器作为新兴的谐波抑制技术，不但克服了那些缺点，还具有动态治理的优势，再加上能补偿少量无功这些显著优点，但是造价太高。目前发展趋势是两者混合型，混合型成本低，效果好.鉴于本文研究的是以有源电力滤波器为核心的谐波和无功综合装置,所以在谐波抑制这个要求上，本文选用可控性高、响应速度快速及滤波效率高的电力有源电力滤波器（APF）。

表2。4 无源和有源滤波器性能对比 Tab. 2.4The passive filter and the active filter performance comparison 方式无源滤波器有源滤波器基于数字信号处理技术和电

低阻抗通道，使谐波电流向其力电子技术，能根据检测电路

工作原理

内流入，旁路谐波检测电流产生谐波电流,达到

补偿目的

每次谐波需单独设计一个单在一定范围内，主动响应，同

谐波处理能力

谐振滤波器时处理多次谐波

系统阻抗变化时，存在谐波放

系统或回路阻抗变化之影响不受影响

大、系统共振的危险

无损坏危险,可满足工作，仅

负载增加之影响可能超载而损坏

是滤波能力不足而已对负载变化响应速度提供无功补偿容量级差

体积、重量适用范围成本

较慢（接触器投切)

级差大大、重

谐波成分及大小相对稳定，且

谐波成分较简单

高

快，APF＜10ms

无级差小、轻

谐波成分和谐波大小动态变化，且谐波成分丰富

很低

2。2。2 有源电力滤波器的工作原理分析

APF用于有源滤波，是一种基于自换相的电力半导体桥式变流器,一般并联或串联于电网上，这种装置不仅能够对电网中产生的谐波进行治理，还能补偿一定量的无功。本文重点研究这种滤波装置的工作原理和补偿特性。有源电力滤波器工作的基本原理如下图2。1所示:

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Ih系统-IhAPF谐波源

图2。1 APF基本原理图 Fig. 2.1 The APF basic principle diagram

表示，U表示，电网电压用相量UAPF输出的交流电压UILs可表示电抗电压，UL以控制电抗的电流。这个电流就是APF从电网吸收的电流I.在不计电抗器和变流器损

和U同相时，只需改变U幅值大耗的情况下,APF单相等效电路如图2。2所示，当 UISI小，这样能控制APF的电流的大小,命令APF从电网流出的电流超前还是滞后90°［22］。

X=ωL+ . .+-+ . . .UII UI .UL=j X I .UL .UsUs- 单相等效电路- .电流超前UsUL=j X I . . . .I UI电流滞后

图2.2 APF的单相等效电路图

Fig。 2。2 The single phase equivalent circuit of APF

从图2.2可以看出，如果APF要想实现既补偿无功的同时还要进行谐波抑制的要求，需要APF输出与达到要求相应的谐波电流。通过上述内容可以得出的结论是:APF能够同时补偿无功电流和谐波电流。

2。3 谐波电流的分析与检测方法

2。3.1 谐波电流的检测方法

谐波电流检测方法可分为三类：一是直接从负荷电流中提取基波或谐波分量，二是根据系统电压的频率和相位获取补偿量,三是根据系统电压和负荷电流信息来获取无功和谐波分量的方法。下面对基于这三种方式的具体检测方法进行分析对比.

（l）带组滤波法

这种方法具体做法为：一可以将负载电流通过滤波器，这样便能将电流中的基波分量分离出去,从而得到谐波分量；二可以将负载电流通过带通滤波器得出电流中的基波分

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量，负载电流和基波分量的差值就是所求的谐波分量。带阻滤波法原理简单，花费少，控制容易，电路拓扑结构易于实现[18]。但是这种方法只对特定次数的谐波有抑制效果，再加上模拟滤波器存在延时效应，致使补偿时连最基本的准确性和敏感度都无法达到要求.故目前已经很少有人再使用这种方法。

(2）基于FFT的检测方法

此类方法是以傅里叶级数为基础推衍而来的，相较傅里叶级数更快速，算法更简单。具体做法是先利用采样电路的到值，然后将得到这个模拟量值进行FFT分解计算，再将计算所得的相位系数、基波和各次谐波的幅值转成所需信号，再将此信号进行傅里叶反变换,具体实现方法如图2。3所示。实践表明此类方法准确快速，但是由于延时这个问题一直没有得到有效解决，所以一直无法满足补偿所需的实时性的要求。

（3)自适应检测法

这种检测方法是基于自适应干扰的信号处理技术,是一种可以从原始信号中分离噪音信号的方法［20]，具体实现手段如图2.4所示，负载电流作为原始输入，从负载电流中消去与电压波形相同的有功分量，得到需要补偿的谐波与无功分量[23]。自适应检测法是以非常精确的电网电压相位作为参考信息的，要求精度高，但是这种方法受环境因素影响较大。

iFFT变换an bn,n=1,3,5...anbnHPFanbnFFT反变换ic an bn,n=3,5,7... u同步信号发生器图2。3 基于FFT的检测方法 Fig. 2.3 Detection method based on FFT

基本信号参考信号

u自适应滤波器y+ _de图2.4 自适应检测法基本原理图

Fig。 2。4 Schematic diagram of detection method of adaptive

（4)基于小波变换的检测法

这种检测方法是由傅里叶算法推演来的，利用变换域分析电力系统谐波,能把高次谐波变化投影到不同的尺度上，得到谐波分析。这类方法克服了傅里叶的无局域性缺点，

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适合突变谐波的检测。但是高低频段的分析结果有可能会被混淆，影响分析结果［24]。

(5)基于瞬时无功理论的检测法

自三相瞬时无功功率理论被提出后，有源电力滤波器在性能等方面得到了巨大的发展。由于此种对谐波无功电流的检测补偿效果非常明显,所以是现今很普遍的一种检测方法。这种算法的检测原理是：首先将三相坐标中的电压和电流矢量变换到α、β坐标系下，在新建立的坐标下求出有功功率和无功功率,最后通过逆变换重新计算得出三星电路中的谐波和无功电流。ip—iq运算方式和p—q运算方式是这种方法的两种不同的运算方式［25]，已经得到广泛应用.ip-iq法实时性能好，是目前应用最广泛的算法,也是本文所选用的检测算法。下面详细介绍此类检测算法的原理、实现过程和检测结果等方面的情况。

设被检测交流侧三相瞬时电压为ea、eb、ec，则相应的三相瞬时电流为ia、ib、ic，将电压变换到两相正交的α-β坐标系，进而可以得到：

eaeC32eb eec1其中C32=230 （2。5)

-122。 -3322-1如图2.5所示的坐标系中，将两相瞬时电压e、e和瞬时电流i、i合成电压矢量

e和电流矢量i.

βeβpiβpiβeiβφφeiαpeαφiiiαqiαα

图2。5 α—β坐标系中的电压、电流矢量关系图

Fig。 2.5 Alpha beta coordinates in the voltage and current vector

iβqiq

根据图2。5可得:

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eeeee (2.6) iiiei其中e、i分别是e、i的幅值，e、i是矢量e、i的相位角。可以将i在e法线的投影可以定义为无功电流iq，i在e的投影称之为三相瞬时有功电流

ip，得到：

ipicos(ei)icos （2.7) iisin()isineiq继而得到p、q：

peipeicoseiei （2.8) qeieisineieiq再将其变换成矩阵形式:

peqeeiiCpq （2.9)

eiie其中Cpqee. e将式（2.7）、（2.8）带入式（2。9）推导得p、q相对于三相电压和电流的关系式：

peaiaebibecic (2。10）

1q[eb-eaiaec-eaibea-ebic]ea-ebia (2。11）

3从上面式子可以推理得出，三相电路的瞬时功率大小跟瞬时有功功率相当.以下详细研究的p-q检测法和ip-iq检测法都是根据上述原理推理得来的。p—q检测法的基本实现原理图如图2。6所示:

eaebeciaibiciαC32 iβCpqC32eβpqLPFLPFeαpqCpqiαfiβfC23iafibficfiαhibhich图2.6 p—q检测法原理图

Fig。 2.6 Schematia digram of p-q detection method

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由图2。6可以看出p-q方法是根据定义算出的瞬时p和瞬时q，再经低通滤波器得到p、q的直流分量p、q。这样就可以得出α-β坐标下的直流电流分量if、if，经过坐标变换求出被测电流ia、ib、ic的基波分量iaf、ibf、icf。将iaf、ibf、icf与

__ia、ib、ic相减就是需要检测的谐波分量iah、ibh、ich。

iaf_11p （2.12) iCCCCbf32pq23pq_2eiqcf

1其中,C32=230-1e2C,pqe32-322-1e。 e再将iaf、ibf、icf与ia、ib、ic相减就能得到iah、ibh、ich。

iahiaiafibhiaibfichiaicf12-123-120e32e-32e (2.13） e在实际情况下，由于种种因素电网电压波形总是会发生畸变。在检测过程中,e、用含有谐波的ea、eb、ec应用到p-q算法中进行计算时是存在误差的。 e均会产生谐波，

ip-iq的方法原理图如图2。7所示:

eaPLLiαC32 iβsin-cosipC1iqLPFLPFiaibicipiqC1iαfiβfC23iafibficfiαhibhich图2.7 ip—iq检测法原理图

Fig. 2.7 Schematic diagram of ip-iq detection method

sintC图2。7中1costcostsint 。

由图2。7可以看出是单相交流侧电压通过锁相环（PLL）和正余弦信号得到一个与

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交流侧相电压e同相的sint和cost信号。三相三线制系统中，三相电流任意时刻的瞬时值之和都为零，故只需检测两相电流，然后计算出ip、iq：

iaipisintCC132bcostiqiciacostC32ib (2。14） sintic__经过上式计算可得经低通滤波器的ip、iq的直流分量ip、iq，该直流分量对应于三相电流的基波正序分量。ip、iq由iaf、ibf、icf产生，所以可以计算的iah、ibh、ich:

iaf_ipibfC23C1_iiqcf__sintcost_costip_ （2.15） sintiq将iaf、ibf、icf与ia、ib、ic相减就是需要检测的谐波分量iah、ibh、ich。这种方法没有直接使用三相电压，所以检测结果不受系统电压的影响，因而可以提高准确度。采用ip-iq法检测，可以应用于电压畸变电路，当三相电压不对称时，p—q检测会有较大的误差，相对而言，ip-iq就比较准确。 2.3.2 基于瞬时无功ip—iq算法的仿真

上一节研究了基于ip—iq瞬时无功理论的谐波电流检测方法原理,根据此方法的工作原理本文在MATLAB里搭建仿真模型如图2。8所示：

图2。8 基于ip-iq瞬时无功理论的检测方法

Fig. 2.8 Ip-iq based on the theory of instantaneous wattless detection method

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选取三相对称电源,电压幅值为380V，频率为50HZ，单相电流谐波分量波形如图2.9所示：

图2。9 单相电流谐波分量

Fig。 2。9 Current harmonic component

由图2。9可以看出每相电流中都含有一定量的谐波分量。根据此次实验所得的结论为：基于ip—iq的瞬时无功理论的谐波电流检测方法速度快,精准度高，实时性能非常好.所以本论文选用这个方法检测无功谐波电流.

2。4 谐波抑制系统的控制方法

由于有源电力滤波器(APF）具有实时性能高，补偿效果明显，不受阻抗影响等优点，因此APF是现今谐波的重要治理措施，应用范围非常广泛。当然针对APF的各种控制策略也就成了重点攻坚项目。

对有源电力滤波器来说,在控制方法的研究领域目前已有达到了一定的水平，主要包括电流跟踪控制和电压跟踪控制两大方面。电流跟踪控制包括线性电流控制,滞环控制，三角载波控制等。电压跟踪控制主要包含电压空间矢量控制。

对于并联APF来说，电流跟踪控制方法与其他方法进行比较，具有简单易懂，实现容易且对参数和结构的依赖性非常小的绝对性优势。下面介绍一下这几种常用的控制策略：

（1)单周控制

这种控制方法是依据电网中电流的周期、幅值、方向等有关信息，计算得出控制电流的占空比。占空比指的是正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。实际操作时，占空比越大，电路导通时间越长，这个比值作用于每个周期内开关变量的平均值和控制信号两者之间,使得他们二者相等或成一定比例，这样便可以控制逆变器是否处于开关模式。但是由于单周控制精度很低，所以不适合对精准度要求很高的综合装置的研究。

(2）三角载波控制

这种控制方法又称线性电流控制，是一种较简单的控制方法。它将电网电流的参考值和实际值作比较，求出偏差电流，将其通过积分PI调节器矫正后与三角波进行调制，生成PWM控制脉冲。三角载波控制方法的优点在于物理意义比较清晰,控制过程中具有

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固定的开关频率，这就有利于限制开关损耗,使输出的电流含较少的谐波。其缺点是实现这种方法的硬件设计相对复杂、运算量比较大、延时也大、输出中还会含有与三角载波同频的谐波。

（3）滞环电流控制

这种控制方法是目前实际应用最广泛的闭环控制方法。实现此方法的基本原理是选取一定范围的参考信号为基准,将这个范围内的电流的参考值和电网电流的实际值进行比较，根据比较得出的结论可以得到一个滞环带的范围。以这个范围作为参考值使实际补偿电流值在这个范围内浮动。这种控制方法的优点是电路拓扑结构简单，不需要载波，输出电压中不含特定频率的谐波分量，属于实时控制方式，响应速度快，但是存在稳态误差，开关频率也不固定，会影响补偿效率。

具体控制原理如图2。10所示：

滞环比较器指令信号ic*⊿ic+补偿信号ic PWM信号_

图2。10 滞环电流控制原理图

Fig. 2.10 Schematic diagram of hysteresis current control

电压空间矢量控制是电压跟踪控制的一种方法。这种方法的本质是化散为一,即将三相电压状态转成两相电压矢量,使空间旋转矢量由有限的静止矢量来合成和跟踪。对并联型APF来说，此法的优点为：开关频率可以固定，采用合理的矢量控制顺序可以降低开关损耗，能够提高直流电压的使用率,具有较好的实时性，易于实现数字化控制。

通过分析对比上述这几种控制方法,得出每种方法都有自己的优缺点,在实际应用时要根据实际情况做出适当的选择.鉴于本文所研究装置对谐波抑制有速度和精准度的要求，所以在谐波抑制控制策略方面本文选用应用范围最广，实现简单，控制效率好的滞环控制。

2.5 本章小结

本章首先系统的分析了谐波产生的原理及谐波对电网的不良影响，验证了谐波抑制的必要性，并深入分析了各种谐波抑制方法的特点和效果。具体通过对受端治理、主动治理、被动治理三种谐波抑制措施的对比研究，阐明了谐波抑制的可行性及有效性。其次在研究谐波电流检测方法方面，通过对比带组滤波法、基于FFT的检测方法、自适应检测法、基于小波变换的检测法和基于瞬时无功理论的检测法这几种常用的方法,考虑对

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谐波电流检测的精准度和实时性的要求，本论文重点研究基于瞬时无功ip—iq检测法。在基于ip-iq无功检测方法理论研究基础上，在MATLAB中创建模型，对这种检测方法进行仿真，验证这种方法的可行性.最后本章对比分析谐波治理所运用的单周控制、三角载波控制、滞环电流控制和电压空间矢量控制在对有源电力滤波器的控制时的准确与灵敏性,在对谐波抑制控制方式上本论文运用多种控制方式结合，以达到控制目的。

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3 谐波抑制和无功补偿

3.1 无功功率及其影响

3.1。1 无功功率及无功电流的危害

正弦电路电压u：

u2Usint （3。1)

功率因数：

cos （3.2）

电路的有功功率P：

1P22uid(t)UIcos0 （3.3）

电路的无功功率Q：

QUIsin （3.4)

视在功率定义为S:

SUIP2Q2 （3。5）

在非正弦电路中，P、S与的定义均和正弦电路相同.设电压仍为正弦信号，其有效值为U，电流发生畸变,其总的有效值为I，基波电流有效值为I1，基波电流与电压的相位差为1，n次谐波电流有效值为In。这种情况下P、S和的定义：

PUI1cos1

QfUI1sin1

22P2QfU2I1 （3.6）

SUIUIU2222

222212ｎ＝２ＩI２ｎ

n2

其中Qf是电流发生畸变时基波电流所产生的无功功率,功率因数用下面式子表示：

DSPQfU222nPUI1cos1cos1 （3。7） SUI其中I1/I表示基波电流有效值和总电流有效值之比。所以得出结论：总电流可以看作是基波有功电流、基波无功电流和谐波电流的三个分量之和。

一般情况下，电网给电设备提供的同时有功和还会发无功。有功功率转化为能直接使用的能量，无功功率不做功，但并不表示它是无用功率.用电设备在无功功率供应不足

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的情况下无法建立正常的电磁场，会对电力系统正常运行造成影响，甚者严重损坏电力器件，导致电能质量降低。主要表现在：

（1)电网的功率因数低，电压降低，增加电网损耗，使电气设备容量得不到充分发挥,加大生产成本，降低生产率；

（2）无功不足会降低发电机有功功率的输出； (3）输、变电设备的供电能力会变弱; （4）增加线路电压损失电能损耗的。 3。1。2 无功补偿原理和补偿技术的发展

无功补偿的作用和原理可由下图3。1来解释：

QcSQS1φφ1P Q1图3.1无功补偿基本原理图

Fig。 3。1The basic principle of reactive power compensation planswithout

设电感性负荷需要从电源吸收的无功功率为Q，装设无功补偿装置后，补偿无功功率为Qc，使电源输出的无功功率减少为Ql—Q—Qc，功率因数由cosφ提高到cosφ1，视在功率S减少到了S1。可用关系式3.7表示。例如变压器的容量和供电线路的截面是依据视在功率的变化而变化的，并且是成正比例变化。

P2(QQc)2 (3.8） SPjQ(RjX)2U由此可见，采用无功补偿措施后，如果减少电源输送的无功功率,那么会使电力网和变压器中的功率损耗下降，从而提高了供电效率。

无功补偿技术总共经历了以下五个发展阶段：

第一阶段：传统无功功率的动态补偿装置。如图3.2所示是最简单的无功补偿.M代表用电设备，K2和C无功补偿装置。当K1闭合使M运行时，M从电网吸取有功功率和无功功率.闭合K2，用C中的超前电流M中的滞后电流，完成无功补偿任务。但此装置具有维护困难，噪声大，响应速度慢，高损耗等缺点。

第二阶段:并联电容器取代了同步调相机。电容器分为集中补偿方式、分散补偿方式及就地补偿方式三种。集中补偿方式可以改善变电所的电压质量、提高电网功率因数；分散补偿方式是将电容器装设在工厂或变电所，用于较小容量的补偿；就地补偿方式主

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要适用于中小容量补偿。

第三阶段:随着研究的进一步加深出现了一种静止无功补偿技术（初期静止无功补偿装置)主要为饱和不可控和可控型.这类装置具有静止型的特点，但是由于是初期许多理论不成熟，导致装置具有调整时间长，饱和损耗大，造价高，应用较少等缺点，也就限制此类装置只用于一些超高压输电线路。

K1K2CM

图3.2 最简单的无功补偿装置

Fig. 3。2 The simplest wattless compensation device

第四阶段：近年来最为广泛应用的静止无功补偿装置,这种装置是以关断晶闸管为核心的，通过晶闸管的不同分为晶闸管控制电抗器(TCR）,晶闸管投切电容器（TSC），晶闸管解决了上一个阶段电容器频繁投切的问题。这类静止无功补偿装置无论是与调相机比还是与初期装置相比,调节速度和运行的经济性等方面都取得显著成效，鉴于这些优点，本文重点研究静止无功补偿发生器.

第五阶段：电力电子技术的快速发展，近年来以瞬时无功功率理论和全控型器件为理论基础研制出动态静止无功补偿发生器，此项装置的基本原理是将自换相桥式，采用直接与电网相连或者通过连接电抗器再并联在电网上的连接方式,通过直接控制其交流侧电流，或通过改变电压的相位和幅度最终达到动态无功补偿的目的[46]，相当于一个可变的无功电流源,其无功电流可以灵活控制，自动补偿系统所需的无功功率。SVG的工作原理是根据逆变器输出电压幅值与系统电压幅值的关系来确定输出功率的性质与容量，幅值大于系统侧电压幅值时输出容性无功，小于时输出感性无功。现阶段SVG主要应用于风力发电和太阳能发电、压机、港口等功率因数低的工业领域。图3。3给出了无功发生器的结构图。

综上所述，无功补偿随着近年来的科学的进步和电力电子技术的进步也是飞速发展，在这五个阶段中无功补偿技术的补偿特性，例如补偿范围、补偿连续性、响应速度、控制难度等方面都得到了优化，表3。1对无功补偿的这五个阶段的补偿特性进行了具体的对比说明。

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系统装置投切控制系统通讯系统图 3。3 SVG动态无功补偿发生器基本结构图

Fig。 3。3 SVG dynamic reactive power compensation generator without basic structure diagram

桥式逆变器电路

表3.2 无功补偿技术特性对比

Tab. 3.2 Comparison of no technical characteristics of reactive power compensation 补偿范围补偿连续性响应速度分相控制力谐波产生过负荷能力有功损坏控制难度成本补偿容量技术

固定电容容性阶梯快有限无无小简单低大高

同步调相机容性/感性连续慢有限无较高较小复杂高较小高

饱和电抗器容性/感性连续快有限较少较高较大复杂较高较大高

静态补偿补偿容性/感性连续快好较多高大简单中大高

静态无功发生容性/感性连续快好较少高较小复杂较高较小低

3。1。3 SVC补偿的原理和特点

静止无功补偿装置中SVC是一种基于饱和电抗器的原理设计的补偿系统，根据晶闸管的连接方式不同分为晶闸管相控电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器(TSC）,以及这两者的混合装置（TCR+TSC）,或者TCR与固定电容器（FC）或机械投切电容器（MSC)混合使用的装置（TCR+FC、TCR+MSC)。下面具体对这几种补偿装置的特点进行分析.

（1）具有饱和电抗器的无功补偿装置

这类装置分为自饱和电抗器补偿和饱和电抗器补偿两种不同的方式。自饱和电抗器

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补偿装置是依靠电抗器自身铁芯的饱和特性来进行无功补偿。饱和电抗器补偿装置是依靠控制电流的大小来控制饱和程度，从而控制自身绕组的感抗来实现无功补偿的。电抗器成本很高，是其他普通低电抗器的三倍，再加上速度慢,所以没有被广泛被使用。

（2）晶闸管投切电容器的无功补偿装置

晶闸管投切电抗器(TSC)是现今被广泛应用于配电系统的动态无功补偿装置，是一个可以对波动无功进行动态补偿的相对独立系统。晶闸管取代了传统的机械投切,由于晶闸管的开关属于无触点的可控型,故它在操作时可以避免电弧现象,与触电开关相比，晶闸管寿命是几乎无限的，并且可以准确控制。

控制方式按不同的功能和要求，分为三种基本结构，即为开环控制、闭环控制和复合控制.由于开环结构，所以能够快速跟踪电流并进行补偿，但是这种控制方法不能够较好的维持电压或功率因数的稳定性.闭环时要应用PI积分调节,这种方式会造成延时，导致响应速度慢的结果。复合控制能将这两种方式的优点相结合，不仅可以快速跟踪，还能维持功率因数和电压的稳定。

按控制物理量可以分为功率因数控制、无功功率控制和多参量综合控制。控制功率因数就是一种通过加设无功补偿装置来控制功率因数的控制方法，具体通过投入和切除电容器来实现。但是上述方式有时会出现无法充分补偿和反复震荡的情况，无功功率型是由所测得电压、电流、功率因数等参数,计算得到应投入的电容电量.经过比较判断投入量。最大无功对电网危害不大时，可以选用无功功率控制型。综合控制是以功率因数控制为基础，无功功率控制为辅，以电网电压上限值和负载电流下限值作为投切约束条件来实现智能综合控制.

晶闸管的连接方式有两种：如图3。4所示TSC结构一种是二极管与晶闸管反并联，另一种是两个晶闸管反并联。采用二极管与晶闸管这种方式补偿时成本低,断开后仍能保持电容电压值，晶闸管在电流过零时会自动切断，电压达到峰值时会无电压差投入。这种连接时电容器无需放电，但是晶闸管所受的反向电压过大易损坏。图中反并联的两个晶闸管只是选择是否将电容器并入电网，起导通作用.这种连接方式成本高，控制复杂，但是可靠性高，响应速度比前一种快.为了提高运行可靠性和设备利用率，晶闸管投入时要有过零检测.

VT1VT1C

图3。4 TSC中晶闸管的基本方式

Fig。 3.4 TSC Microtek connected thyristo

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（3）晶闸管控制电抗器的无功补偿装置

晶闸管控制电抗器（TCR）是通过改变TCR的触发延迟角a的大小来调节电感，以实现感性无功动态补偿。连接方式如图3.5所示。

TCR的补偿原理，系统中FC支路提供固定的容性无功Qc，负荷无功为Qz，QL为补偿感性无功,则系统的无功QN=QL+Qz-Qc。通过动态控制电抗器电流或无级调节无功QL来控制系统无功，以便达到提高系统功率因数的要求。TCR回路中电压和电流的波形图如图3.6所示。晶闸管一般按三角形连接并联或串联于系统中，具体连接图如图3。7所示，图中晶闸管阀组与电抗器串联连接，并且连接于两个线圈的中间,这样的连接方式可以限制因可能的匝间短路引起的过电流。

V1V2

图3。5 TCR的结构图

Fig. 3.5 The structure of single phase TCR

36090180270180270360U090180360

图3.6 TCR回路电压和电流的波形

Fig. 3。6 The TCR loop voltage and current waveform

分析上述内容可得静止无功补偿发生器（SVC）是由晶闸管为基础原件组成的，可以由单独的晶闸管控制电抗器组成，也可以由单独的晶闸管投切电抗器组成，还可以由他们混合在一起进行无功补偿，这些系统结构可以并联在电网上,也可以串联在电网上，具体的几种连接方式如图3.8所示:

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SVC的补偿特性与它的拓扑结构图密切相关，表3。给出了上述几种不同结构的静止无功补偿装置的补偿特性.

综上所述，大容量的静态无功发生器(SVG)无论是性能,速度还是时效性方面都有着压倒性优势，响应速度极短，对系统的耗损特别低，还能降低谐波含量，提高瞬变电压限值，在节约能源方面能减少占地面积。但是,受现今技术成熟度不够高、全控型电力器件的耐压和功率因数较低等因素限制，SVG目前只能广泛应用于低压小功率场合，在高压动态补偿方面仍需更复杂的技术支持和研究[52］。相对比而言静止无功补偿发生器（SVC)作为一种技术成熟度高、成本低廉的无功补偿技术，尤其是基于晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电抗的静止无功补偿发生器，目前在电网中是应用最为广泛的，同样也是本论文研究的重点.

图3。7 TCR接线图

Fig。 3.7 TCR wiring diagram

图3。8 SVC的类型 Fig. 3。8 The types of SVC

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表3.1 不同SVC无功补偿装置的特性对比

Tab。 3.1 Characteristics compared to non power compensation device 补偿范围响应速度控制难度分相调节有功损耗谐波产生噪声成本

TCR 容型/感性

快简单有限中较多小低

TSC 容性快简单无小较少小低

TSC+TCR 容性/感性

快简单好小较少小高

TCR+FC 容性/感性

快简单有限中较多小低

3.2 谐波和无功存在的主要问题

无功和谐波虽然独立存在,但是系统中的无功本身及负载因数会受系统的谐波影响,电力电子器件运行过程中产生谐波的同时还会消耗无功。鉴于这种发展趋势，越来越多的学者提出了各种类型的谐波与无功综合补偿方案，但是在理论研究与实际生产应用过程中遇到了许多问题，主要问题如下：

（1）在实时检测方面，检测时选取的实现方法或检测原理很大程度上限制了检测速度,加上电网运行时复杂多变，会有很多意想不到的突发状况影响检测速度与检测精度,例如电压波形发生畸变时会对检测精度造成很大的影响.

（2）在控制技术方面，尤其是微控技术上,必须能够达到实时性的要求，能够快速准确的进行补偿。因此需要不断的对原有的补偿控制策略进行创新。

(3）主回路拓扑结构会严重影响检测时的电流值，因为主回路的结构决定它的补偿特性，继而决定了尤其是在高压、大容量的补偿装置中补偿的效率。所以对不同的需求只有选用相应的拓扑电路图，才能提高性能，保证可靠性.

（4）实现补偿装置大容量的方法的研究是现今一个很热门的的研究方向，功率器件的串联、模块化技术、均流技术、并联的均压等方面有待于更深入的研究。

综合以上信息可看出随着电网的谐波和无功危害电力系统的问题日益加剧,是整个供配电系统安全运行的隐患。为了降低成本和提高补偿效率,世界各国电力系统近年来纷纷采用了研制动态无功补偿装置和谐波抑制装置的综合装置来提高电网的电能质量。

3 谐波抑制和无功补偿辽宁工业大学硕士学位论文

3.3 谐波无功综合装置分类

目前,我国无功补偿方面应用最广泛的是基于晶闸管的SVC，大容量的动态静止无功发生器（SVG）是一种补偿性能更具优势补偿手段，基于三相桥式变换的结构，这种装置可以发出和吸收连续可调的无功功率。谐波抑制方面采用传统的无源滤波器，因为这种装置可以在抑制谐波的同时补偿一定量的无功,相比无源滤波器近年来有源滤波器更受到学者的青睐，因为这种装置不只动态性能优良，还不会受到电网阻抗的影响.针对谐波和无功的综合治理问题，目前国内外的谐波无功综合装置分为以下几种类型:

（1）PPF-SVC型无功谐波补偿器

晶闸管控制电抗器(TCR）、晶闸管投切电抗器(TSC）或它们的混合装置均能构成静止无功发生器,工作原理是根据负载特性实现连续或有级的无功补偿。无源滤波器（PPF是）由电抗器、电容器和电阻器按照适当参数组合而成的滤波装置，PPF与负载并联不仅能滤波,还能补偿部分无功。考虑实际问题时,设计滤波器时，不仅要考虑负荷侧产生的非特征次谐波,还需要考虑装置本身产生的谐波，如图3。9所示：

(2)混合型有源电力滤波器（APF）

早期的混合型APF指的是PF和APF相结合的混合装置，此装置的优点在前文已经提过。现今的混合型有源电力滤波器（HAPF）是PPF和APF相结合构成的，兼有PPF和APF的优点，在综合补偿方面,这项装置研究较早，所以现在应用非常广泛。HAPF一般在无功补偿领域里只能补偿具有固定容量的无功功率，不像SVC具有连续调节无功的能力。以APF和LC等无源器件结合方式将HAPF分为APF和PPF混合使用以及注入电路式HAPF两大类。

PPFSVC

图3.9 PPF—SVC型无功谐波综合装置

Fig。 3。9 PPF—SVC no power harmonic compensation device

①APF和PPF混合使用的HAPF

HAPF可分为串联型和并联型，如图3。10所示，串联型中的APF工作在受控谐波电压源或受控基波电流源模式，APF一方面用来补偿网侧的谐波电压，另一方面可抑制

3 谐波抑制和无功补偿辽宁工业大学硕士学位论文

PPF与电网阻抗发生谐振。但是在接入点会产生谐波电压，同时负载电流的基波分量流过APF。

LsAPFUsPPF负载UsHAPF负载

(a）串联型混合型有源电力滤波器（b)并联型混合型有源电力滤波器

图3.10 HAPF的两种连接方式 Fig. 3。10 Two connections of HAPF

并联型运用更广泛，一般为两种形式，一是APF和PPF均与负载并联，二是APF先与PPF串联后再与负载并联，分别如图3.11所示.

APF和PPF的工作原理分别用来补偿不同频段的谐波电流，通常APF用来补偿低频部分，PPF则补偿高频部分，在图3。11中，还可将APF控制为电流源,需要同时对基波和谐波进行控制。通过控制流过HAPF通道的基波电流，使PPF承受全部的电网基波电压，以降低APF的容量；另一方面通过控制HAPF通道的谐波电流来滤除负载谐波电流，与APF作为受控电压源相比,这种方法的滤波特性优于前者，缺点是控制算法比较复杂。

②注入电路式的HAPF

这种方式是进一步降低APF的容量,根据LC谐振方式的不同,又可分LC并联谐振注入式和LC串联谐振注入式两种，目前应用较多的是LC串联谐振注入式,如图3.12。

LsAPFPPF负载UsAPFLsPPF Us负载

(a）APF和PPF并联形式的 HAP （b)APF和PPF串联形式的HAPF

图3.11 HAPF的两种连接形式 Fig。 3。11 Two connections of HAPF

（3）SVC+APF型无功谐波补偿器

SVC与APF联合运行系统,如图3。13所示这种系统中的SVC由TCR和FC组成，在FC上串联小的调谐电抗器组成单调谐PPF。将小容量的APF通过PPF串联于SVC

3 谐波抑制和无功补偿辽宁工业大学硕士学位论文

LSPPFCFUsLFAPF负载

图3。12 LC 串联谐振注入式HAPF Fig。 3。12 LC series resonant HAPF

系统中,具体原理为APF与基波谐振支路并联后再与SVC结构中的无源部分相串联接入电网[54].

USLSPPFTCR非线性负载 APF图3.13 SVC—APF型无功谐波补偿器

Fig。 3。13 SVC-APF non-reactive power compensator

3。4 本章小结

本章首先分析了无功电流产生的原因及对电网的不良影响，然后深入研究了无功补偿装置在不同发展阶段的补偿原理，重点研究了现在最为广泛应用的基于晶闸管的静止无功补偿发生器的补偿原理，并分析了晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电抗器的补偿特性。最后结合上一章谐波对电力系统产生的不良影响和谐波抑制装置的研究现状的分析联系谐波和无功的本质特性及无功补偿和谐波抑制原理的相通之处,研究无功和谐波进行综合治理的必要性和可行性，并对谐波和无功综合装置的技术发展进行对比研究。通过近年来谐波和无功综合治理的发展趋势可以看出，面对不同阶段对补偿需求标准的提升，研究谐波和无功综合装置具有非常深远的现实意义。

4谐波无功综合补偿系统设计辽宁工业大学硕士学位论文

4 谐波无功综合系统设计

4。1 综合装置系统构成和工作原理

大容量的静止无功补偿发生器（SVG)可以提供从感性到容性的连续、平滑、动态、快速的无功功率，在响应速度、稳定电网电压、降低系统损耗、增加传输能力、提高瞬变电压极限、等稳态性能和动态性能方面均优于静止无功发生器（SVC）,但目前存在成本较高的问题。SVC的基本类型是晶闸管控制电抗器（TCR）和晶闸管投切电容器（TSC)，上文已经对这两种装置进行了简单的比较，下面具体分析比较一下两种方式的性能的优缺点，如表4。1所示：

表4.1 TCR和TSC两种方式性能比较 Tab. 4。1 TCR and TSC two kinds of performance comparison 比较标准

晶闸管控制电抗器（TCR）晶闸管投切电容器（TSC）

响应需要时间

很短很短

吸收无功连续连续

控制较简单较简单

谐波产生大无

损耗中小

由表4.1得,TSC与TCR对比,TSC采用分级补偿方式,虽然不能实现连续补偿，且只能输出容性无功，但由于成本低,零谐波，耗能少，同样受到很多学者的青睐。再加上晶闸管寿命是无限的，而且晶闸管的投切时刻能精确控制，快速动作，故面对越来越备受关注的谐波污染和无功供应问题，本论文从经济性和补偿性多方面综合考虑设计了一种APF与TSC相结合的谐波无功综合装置,此装置系统结构如图4。1所示：

uaisaiLaub负载ucisciFaiFciLcAPF指令电流运算电路L电流跟踪控制电路PWM 驱动电路TSC 图4.1 APF与TSC无功谐波综合装置系统结构图

Fig. 4。1 APF and TSC structure power system harmonic synthesis device

4谐波无功综合补偿系统设计辽宁工业大学硕士学位论文

由图4。1所得，此装置的无源部分是由多组结构相同的晶闸管投切电容器(TSC）通过接触器并联在电网上。每组TSC都是由补偿电容器和晶闸管两部分组成，为了保护晶闸管不被损坏，故选用三角形连接方式来降低晶闸管阀的电流容量，选择三相平衡的实验环境。三角形连接还能够保证电源电压稳定，避免中线电流，并且还能确保对负载的无功进行有级补偿.TSC中两个反向并联的晶闸管负责判断是否将电容器并入电网，一般还会在TSC与电网间串联一个小电感,这个电感是为了抑制电容器投入过程中对装置造成电流冲击。TSC的结构特征决定了它工作时是根据实际需求来投切的，并且发出的是连续可调的动态无功功率。此装置的有源部分(APF）则是以三相全桥逆变器作为主电路，输出经连接电感与电网相连。

当综合装置工作时，由无源部分TSC自动分级地补偿无功，剩余的少量无功可以由有源部分APF进行补偿，APF除了可以快速有效的滤除负载上的谐波电流外，还能使电网电流仅含有与电网电压同相位的基波正序分量，使得在减少谐波的同时还可以在电网电压谐波含量不高的情况下有效降低TSC中串联电抗的电抗率和经济成本，减小装置体积。

4。2 APF与TSC综合系统的稳定运行的控制策略

本文中采用的是基于晶闸管投切电容器（TSC)的SVC，TSC的控制策略可分为三种：开环控制、闭环控制和负荷控制。开环控制的优点是能够快速跟踪负荷变化并准确的进行控制，缺点是维持电压或功率因数等参数的功能没有达到要求,这种控制方法主要用于负荷附近或者是对响应速度要求很高的地方；闭环控制的缺点是响应速度比较慢，其中主要的原因就是采用了积分环节，但控制很精确。所谓复合控制系统将开环控制和闭环控制相结合，这样也将两者的优点相结合，既可以使补偿器快速地跟踪负荷电流的变化，也可使负荷的功率因数维持在给定值。

APF与TSC综合补偿系统中,TSC对无功进行大容量的分级补偿，APF用来对负载和TSC的无功级差进行补偿，并且改善系统的动态和稳态性能。两种系统同时工作时为了避免产生稳定性的问题，TSC选取开环控制方式是比较适合的.

APF的控制方法，如三角载波控制和滞环电流控制，理论和结构相对简单,应用已较为广泛和成熟的传统的控制方法,这些方法在实际中得到大量应用，当然也存在不少的缺点。随着现代控制理论、模糊理论、专家系统的发展而不断涌现的滑膜变结构控制、模糊控制、神经网络控制属于智能控制方法，多与其他方法结合使用，是未来APF控制的一个趋势,这些控制理论较为先进但仍有许多缺陷.鉴于这种情况，本论文选用结多种控制方法相结合的复合控制理论。

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4.3 APF与TSC综合系统的无功和谐波电流检测方法

指令电流计算电路主要功能是从电网或负载电流中计算出需要补偿的谐波和无功电流。TSC指令信号需要计算所需补偿无功的有效值或功率因数，目前主要的方法有：

（1)相位差检测原理

这是一直以来常用的测量方法。测量简单，根据测得的电网电压和电流的过零时间差，便能求得功率因数角和相应的功率因数值.注意这种检测方法是与计算机相结合的。

（2）无功电流的检测

这种检测方法的优点是简单、快速.正由于这样，得到了普遍应用.这种方法是基于瞬时无功来实现实时监测电流含量的.原理是在相电压由正到负过零瞬间，相电流的瞬时值恰好就是该相无功电流的最大值。

（3）无功功率计算方法

任取两时刻的电压、电流作为一组数据，就能把无功功率检测出来，这样取若干组数据，即可计算得到无功功率值,加上数字滤波技术可以把无功功率检测出来.

通过对比三种方法，得出前两种比较复杂，先要准确获取电压、电流信号的过零点，如果在测试处附近存在某些干扰的话，这样会对计算精准度造成非常大的偏差.

APF补偿电流是补偿谐波和无功电流的瞬时值，主要检测方法在前面第二章做了详细的分析研究，主要有基于频域傅里叶分析的方法、瞬时无功功率理论的方法、自适应噪声对消原理的方法、基于人工神经网络的方法、小波变换的方法。

通过分析对比谐波和无功电流检测方法,本文研究的APF与TSC综合装置采用基于瞬时无功功率理论的ip-iq检测法，同时计算得到APF和TSC的电流信号，算法简单快速。当负载不含有谐波，只需对无功进行补偿时，可以省去ip—iq算法中的低通滤波器，这样可以消除延时。在本文第二章中已经详细叙述了谐波电流检测方法与过程，下面使用ip-iq检测法对TSC的电流进行计算.

TSC是以负载电流的有效值IL作为指令信号，工作原理是将ip—iq检测法中得到

ip、iq：

3Icos[(n1)t]3Icos[(n1)t]nnnnipn1n1 (4。1） iq3Isin[(n1)t]3Isin[(n1)t]nnnnn1n1经过滤波器后得到的直流分量为：

ip3I1cos1 (4。2） 3I1cos1iq上式中I1为基波正序分量的有效值部分，1为电压电流相位差,所以可得：

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ILI1sin1iq （4。3） 34.4 本章小结

本章首先以前面几章分析对比的多种综合装置的补偿特性和它们的优缺点作为理论根据，通过具体分析对比TSC和TCR的性能和补偿特性,设计了一种基于APF与TSC的谐波和无功综合装置。并介绍了此装置的拓扑结构及工作原理，根据原理推测运行时APF和TSC之间是相互有影响的,TSC可以补偿APF消耗的无功，APF可以滤除TSC产生的无功。

其次根据系统结构图和工作原理对APF和TSC综合装置的稳定运行的控制策略进行分析,再结合前面介绍的控制方法,提出了本论文对TSC选用开环控制,对APF采用综合控制策略.

最后对APF和TSC综合装置的指令电流检测方法进行了研究，分析了检测TSC的无功电流的相位差检测原理、无功功率计算方法、无功功率计算方法，再结合前一章中对谐波电流的检测方法的研究,提出了本论文对APF和TSC综合装置所用的检测方法为基于瞬时无功ip-iq检测法。

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5 谐波抑制和无功补偿综合装置的实验

5。1 系统主电路结构

如图5。1所示，SVC采用的是固定电容和晶闸管投切的组合形式，有源滤波器(APF)采用桥式连接：

SVCeaebec非线性负载TSCAPF 图5.1 系统主电路结构图 Fig. 5。1 System main circuit diagram

5。2 计算APF的补偿容量和输出参数

APF容量S为： S3EI （5.1) 其中E为电网相电压有效值，I为电流有效值。

由公式可知补偿容量与补偿电流I有关，若I值补偿谐波Ih时，补偿对象为三相桥式全控整流器时，Ih大约为补偿量的25％。若同时对无功进行补偿，则:

2II2hIq (5。2）

其中Ih为负载电流谐波分量有效值，Iq为负载电流基波分量有效值。

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有上式可得有源电力滤波器的电流有效值为：

ISA (5。3） 3E当调制度M1时，逆变器输出相电压幅值为Udc的一半，补偿线电流有效值Ic与Udc关系为：

UdcEI22 （5。4）

L输出参数要求:

(1）APF串联的电感取值必须能够满足补偿电流对指令电流的跟踪要求。 (2）开关频率计整数倍频处的分量不要太大，以便能够使补偿流不受任何影响的通过滤波器。

具体操作包括以下几个方法：

①要想对指令电流快速进行跟踪，就需要对电感参数进行设定.例如单独补偿n次谐波时，当谐波电流过零的同时电流本身变化率达到最大，这就要求电感要足够小到能够快速跟踪：当谐波电流达到峰值时，补偿电流的脉动最严重，这就要求电感能保证抑制开关频率处的谐波.

谐波过零点附近的补偿电流变化如图5.2所示：

ia*(ia+△)*a-△)(iS1TupTdown△down△upii*iatt

图5.2 n次谐波过零点补偿电流附近的变化

Fig. 5.2 N harmonic change near zero compensation current

满足跟踪要求的关系式：

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iupidownTInmsin(nT)nInm (5。5） T又由Ldiu得: dtiupUdcuaL2Tup （5.6) iULdowndcuaTdown2再加上关系式iupidowniupidown得：

LUdc2ua （5.7)

2nInm②满足抑制开关频率的谐波电感：

谐波达到峰值时补偿电流的变化如图5。3所示：

ia*(ia+△)*ia*a-△)(itS1TupTdownt

图5.3 n次谐波峰值时补偿电流附近的变化

Fig. 5。3 Change the compensation current near the N harmonic peak

此时有iupidown，当iup+idown=0时求得idown。

单相电路上组开关导通，补偿电流iF上升，下组开关管导通时,iF下降。iF满足:

UdcuadiF2 （5.8) LdtUdcua2由上式可以看出,主电路开关频率较高，远远大于电网相电压，看成一个开关周期内电压与指令电流基本保持不变，则有：

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idown22Udc4uaT (5。9) 4UdcL设imax为允许的最大的开关频率处电流波动，则由idownimax得电感取值范围：

22Udc4uaLT (5. 10） 4Udcimax5.3 APF与TSC综合装置的控制方法

APF检测网侧电流时的控制方法如图5。4所示,其中Z1和Z2分别为电网和TSC等效阻抗,Z1=LsS,Z2=RT+LTS+1/CTS。检测网侧电流时系统工作在闭环控制下。

iLh+-iGH(s)ZTZT+ZSiShGC(s)D(s)

图5。4 检测电网电流时综合系统控制框图

Fig 5。4 Detection grid current integrated system control block diagram

APF检测负载电流时，系统的控制框图如图5.5所示，此时Gc（s)=1，理论上可以实现对无功和谐波的完全补偿。系统此时工作在开环模式下会稳定运行。但是实际上会有延时问题这时选用电流控制比较好。

iLhiD(s)APFGC(s)GH(s)-+ZTZT+ZSiSh图5.5 检测负载侧电流时综合系统的控制框图

Fig 5.5Detecting a load-side current control block diagram of the integrated system

由上一节APF的主电路采用多组开关管成H桥型连接，工作原理是要求同相的开关组中保持一个是连通的。交流侧电网电压与主电路直流侧电容电压的差值传输给电感.这时电流从逆变器流出的方向是与补偿电流方向完全相反的，且要求交流侧电压峰值小于直流侧电容的电压值。每一相尚需导通时，电感电流会增大，反之下组导通时会减小。

根据这个工作原理可以看出在一段时间内,如果一组开关管导通补偿电流成线性上

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升的趋势，直到升到正常值,开关管自动关断,这样一个完整的工作周期结束。

对于整个系统在考虑APF和TSC单独正常工作的同时,还要考虑联合运行过程中会出现的各种稳定性问题。有源滤波器是用来对负载和TSC进行无级差补偿的，所以采用滞环控制控制。TSC采用三角形接法，无功电流检测方法详见［31］对无功进行大容量的分级补偿,采用开环控制,得这样能保证TSC和APF在不会影响稳定性的前提下能够同时工作,再加上由文献[54]提出的TSC电抗率相同且电抗率足够大时,检测网侧电流闭环控制的补偿特性优于检测负载电流开环控制，反之也就是TSC电抗率很小时检测网侧电流闭环会不稳定。综合这些因素，我们此次实验设计的电抗率为零,故TSC选用开环控制。

综合装置控制策略原理图如图5.6所示：

QLQlmax负载所需无功感性QF 0Qlmax APF容性TSC与APFTSCQLmax

图5.6 APF与TSC综合补偿原理图

Fig。 5。6 APF and TSC comprehensive compensation schematics

由上图可以看出TSC会自动分级对变化的无功进行补偿，各级间完不成的部分由APF进行再次补偿；APF会在快速准确的对谐波电流进行抑制。

5.4 APF与TSC综合装置的实验与结果分析

为了验证APF和TSC综合装置的可行性，在拓新电力电子研制了一台综合装置进行实验.此装置有源电力滤波器（APF）是由连接电抗器、充电装置、逆变功率模块、断路器等部件组成，静止无功发生器（TSC）是由SVC主控制单元、投切电容器主体部分，智能式过零分闸断路器、电抗器微机保护等部件组成.装置参数如表5.1、表5.2、表5。3所示。

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选取电网交流侧电压380V，有功负载20KW,依次投入感性负载L3、L2、L1，再逆向进行切除，TSC会进行自动动态投切。这时在电能质量分析仪上能电网交流侧得到功率曲线图如图5.7所示：

表5.1 感性负载参数

Tab。 5.1 Parameters of inductance loads

额定电压V 电感量mH 无功容量kvar

220 220 220 -

50 100 200 —

9.2 4.6 2.3 16.1

电感负载kw 电抗器L1 电抗器L2 电抗器L3 总和

每相无功电流A

14 7 3.5 24。5

电感负载kw 电容器C1 电容器C2 电容器C3 总和

表5。2 TSC补偿器参数

Tab。 5.2 Parameters of TSC compensator 额定电压v 补偿容量kvar

430 430 430 —

4.7 9。2 18 31.9

电抗率%

6 6 6 -

输入电压v

380

表5。3 整流桥负载参数

Tab. 5.3 Parameters of rectifier load

电感量mh 电阻Ω 无功容量mh 200

谐波频率次 6k±1，k=1，2，3…

从上述图5.7中看到，负载侧功率因数随着电感负载依次的增加,从1逐渐降到0.7左右，当TSC开始自动分级投切补偿无功后，功率因数开始由0。7逐渐恢复1；交流侧的功率因数变化大体趋势和负载侧一致，从1逐渐降到0.9左右，TSC进行自动投切后功率因数逐渐提高到1，由此可以得出结论，TSC运行后整个系统的功率因数得到明显的提高。

选取电网电压380V，有功负载20KW，依次投入感性负载L1、L2、L3,再逆向进行切除,同上次试验一样，TSC分级自动进行投切。此时在电能质量分析仪中得到功率因数曲线图如图5.8所示：

从曲线图可以得出,单独运行TSC后负载侧功率因数变化幅度很大，这样有可能使系统发生震荡现象，影响电能质量.联合运行后，APF和TSC共同补偿感性无功的同时，APF还吸收谐波，从图5。8中可以看出联合运行后网侧功率因数稳定在一定的正常范

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围内，负载侧功率因数变化幅度相对稳定。

（a）负载功率因数曲线图

(b）交流侧功率因数曲线图

图5。7 单独运行TSC时的功率因数曲线图 Fig.5.5 Run the power factor of the TSC curve separately

选取电网电压380V，有功负载20KW，投入感性负载L3,令TSC电抗率为零，由APF与TSC稳定运行的控制策略一节可知，以免投入APF后系统发生震荡,影响补偿效率，APF检测电流控制方法要选择开环控制.这时用MATLAB仿真联合运行时网侧电流和负载侧电流的仿真波形如图5。9所示。

从仿真图结果可以看到电网电流，APF电流，TSC电流和负载电流曲线图均接近于

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正弦波，这就表明APF和TSC综合补偿系统不仅可以补偿系统无功并且解决了谐波污染问题,当系统联合运行时系统可以稳定工作。

（a)联合运行时负载侧功率因数曲线图

（b）联合运行时网侧功率因数曲线图图5。8 APF与TSC联合运行时的功率曲线图 Fig. 5。8 APF power curve combined with TSC runtime

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（a)网侧电流曲线图

（b）负载侧电流曲线图

图 5.9网侧和负载侧联合运行仿真电流曲线图

Fig。 5。9 Before and after compensation network side and

the load side of the current graph

结论,通过实验可得,APF和TSC综合装置针对复杂多变的电力系统无功和谐波问题,TSC可以有级的进行大容量的无功补偿，APF可以实现无功的连续双向补偿，无功补偿容量等于无缘无功补偿部分中的单位补偿容量,还可以抑制现在最越来越严重的谐

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波，有效降低TSC中串联电抗的电抗率.两种装置联合运行，APF的引入使综合系统具有更高的稳态精度和动态响应速度,系统之间互相融合，提高电力系统稳定性，优化电能质量，也证明了这次研究与实验有着深远的现实意义。

6 结论与展望辽宁工业大学硕士学位论文

6 结论与展望

本文针对近年来非线性负载的增加带来的无功负荷问题和谐波污染的情况,研究设计了一套无论是从提高无功补偿性能还是谐波治理方面都具有实用性的综合装置。

文中先对目前谐波和无功对电能质量的危害及发展的情况做了简要介绍，然后分析了SVC和APF的工作原理及关键技术，最后设计研究了以APF为核心的无功谐波综合装置.论文主要工作总结如下:

（1）研究分析了谐波和无功综合装置的发展现状，对目前采用的几种综合装置的原理、性能进行对比，重点研究APF谐波抑制原理和TSC动态无功补偿原理。

（2）分析了无功补偿和谐波抑制综合装置的工作原理、拓扑结构以及谐波无功电流的检测方法，完成了谐波无功电流基于无功ip—iq的瞬时无功算法的推导和仿真。

（3）设计了APF与TSC综合装置，实现了对无功谐波的快速连续补偿。将APF与PPF、TCR、TSC等补偿装置相结合，根据实际情况选用最简单准确的检测指令电流检测方法,用合适的控制方法进行综合控制，提高系统运行时的稳定性.

本文设计的APF与TSC综合装置能够实现补偿无功和谐波抑制时优势互补的功能，这种实验装置在实际运用中会给国家带来很大的经济效益，具有非常重要的现实意义。

参考文献辽宁工业大学硕士学位论文

参考文献

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致谢辽宁工业大学硕士学位论文

致谢

时光荏苒，光阴似箭，转眼间这将近三年的硕士研究生学习生活马上就画上句号了,在本论文完成之际，向所有支持、鼓励和帮助过我的老师和同学们表示衷心的感谢。回望这将近三年的硕士研究生学习生活我受益颇多，尤其是在完成硕士学位论文的过程中，从刚开始查文献、开题答辩、中期答辩最后到论文的完稿，这中间经历了反复的思考与修改，在这里我要对那些无私帮助过我的老师同学表示我最诚挚的感谢。

首先我要深深地感谢我的导师陈晓英老师，她在我学术上迷茫没有方向的时候给了我启迪性的指导,陈老师对待学术态度严谨，在论文修改过程中，逐句逐字都经过她审核;对待工作兢兢业业，在学生学习上有问题时，不愠不燥反复讲解;对待学生和蔼可亲，在学生生活上有困难时，都是把学生放在第一位。陈老师无论是在学术上还是在生活中都是值得我学习一生的楷模。

其次我要感谢辽宁工业大学的电力系统及其自动化课题组的各位老师,他们在学习上和生活中无微不致的关怀,使我在辽宁工业大学的这三年中无论是在学习上还生活中都获益良多.还有参与我的论文评审和答辩的老师，他们使我对自己论文有了新的认识，让我明确了以后努力的方向。

最后要感谢那些在我论文完成过程中帮助过我的同学们。再次向帮助和指导我的各位老师和同学们表示最诚挚的感谢。

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电力系统谐波抑制及无功补偿方法的研究