电网谐波污染的防治技术,主要内容,contents,一 谐波的定义及来源 二 谐波的危害 三 谐波的主要检测方法 四 谐波的防治技术 五 总结,1.1 谐波的定义,电力系统中，理想的电压电流波形应为纯净的正弦波，但在实际的配电系统中，电压电流波形通常呈现出非正弦波的形式，如下图所示。 这种波形可等效为一个频率与工频50Hz相等的波形（基波） ，以及一系列频率为工频整数倍的波形叠加起来，其中频率为工频整数倍的波形即为谐波。,基波,谐波,一 谐波的定义及来源,1.2 谐波主要来源：,主要谐波源如：节能灯具、LED屏幕、空调、电梯、AV设备；舞台灯光、调光设备；UPS、计算机、通讯设备、办公设备；医疗设备、实验仪器；变频器、中/高频炉、大功率整流设备、自动化生产线、充电机等。,二 谐波的危害,2 谐波的危害变压器,谐波电流将会使变压器铜损和磁滞损耗增加。 谐波电压将会使变压器铁损增加。 使变压器机械噪声提高且产生额外的温升。 谐波电压以正比于其峰值电压的形式增强了绝缘介质的电场强度降低设备使用寿命。 零序谐波电流会在三角形接法的变压器绕组内产生环流，使绕组电流过流。,2 谐波的危害电机,因谐波电压与谐波电流产生额外的铁损 与铜损 ，进而影响转动电机的机械效率；,产生脉动转矩致使电动机振动加剧，影响电机寿命和输出转矩的稳定性； 对于电机，谐波导致的转矩脉动会导致降低控制精度； 以正比于其峰值电压的形式增强了绝缘介质的电场强度，降低电机使用寿命。,2 谐波的危害电容谐振,引起系统谐振导致，电容器组、电抗器阻及相关用电设备，因过电流或过电压而损坏或无法投入运行。,2 谐波的危害通讯与网络,因电力线中的谐波电流或谐波电压会产生感应电磁场，将影响邻近信号线的传输品质； 干扰邻近的计算机系统的正常工作，导致重启或死机。,2 谐波的危害继电器及计量仪表,改变保护继电器的动作特性引起误动作、造成继电保护等自动装置工作紊乱； 谐波延缓电弧熄灭，影响断路器的分断容量； 使计量仪表特别是感应式电能表产生计量误差； 干扰邻近的电力电子设备、工业控制设备，影响设备正常运行。,谐波污染造成电网的功率损耗增加。 造成设备寿命缩短、接地保护功能失常。 造成遥控功能失常、线路和设备过热等。 可能引起电网发生谐振、使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂等。,2 谐波的危害对电网的污染,三 谐波的主要检测方法,目前主要的几种谐波检测方法包括: a、基于傅里叶变换的谐波检测法； b、基于Fryze传统功率定义的谐波检测法； c、基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法； d、自适应谐波电流检测法； e、基于小波变换的谐波检测法； f、基于神经网络的谐波检测法。,A、基于傅里叶变换的谐波检测法 基本思想：通过对采样的电流信号进行 FFT 分析，可以得到电流中各次谐波分量，然后通过带通滤波器去掉要抵消的那些谐波分量，此方法要求信号具有周期性，而且实时性不强。 在此方法上提出了很多改进的方法：加窗函数；修正理想采样频率法；双峰谱线修正算法。对于非整数次的谐波存在频谱泄露和栅栏现象，而通过构建窗函数就可以大大减小频谱泄露，插值算法则可以消除栅栏现象。,C、基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测法 基本思想：对输入信号进行变换把其中的基波分量转化为直流量，而其它的高频分量仍然为交流量，然后通过低通滤波器提取出包含基波分量的直流量，再进行反变换来得到基波分量（三相三线制电路都是运用的该方法。）。 瞬时无功功率理论有三种谐波检测的基本方法：p、q 法、ip、iq 法及 d、q 法。,abc-坐标系,CLARK变换公式：,PARK变换公式：,abc-dq坐标变换,ip-iq法谐波电流检测原理框图,F、基于神经网络的谐波检测法 基本思想：以数学模型模拟神经元活动，是基于模仿大脑神经网络结构和功能而建立的一种信息处理系统。它具有自学习、自组织、自适应以及很强的非线性函数逼近能力，拥有强大的容错性。它可以实现仿真、预测以及模糊控制等功能，是处理非线性系统的有力工具。 当自适应方法用于谐波检测时，将基波分量看作噪声，通过最小均方误差算法来调整权重，得到被测电流中的基波分量，从而检测出谐波。,四 谐波的防治技术,目前解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，具体方法的基本思路有两条： 1、预防性方法，即从谐波源本身出发来抑制谐波。如对电力电子设备采取如下措施：增加换流相数，改造变流装置或利用换流变压器，能够减小谐波含量，采取先进的控制技术和多重化接线技术，将多个变流器并一起使用。 2、治理性方法，即安装谐波补偿装置（滤波器、功率因数校正器）来抵消电力电子装置所产生的谐波。滤波器主要有无源滤波器PF（Passive Filter）、有源滤波器APF（Active Passive Filter）和混合型有源滤波器HAPF（Hybrid Active Power Filter）。,无源滤波器（ PF ） 是通过选择不同参数的电阻器、电容器和电抗器进行串并联连接而构成的滤波设备，因此又叫做 LC 滤波器，常见的无源滤波器有以下几种：,有源电力滤波器（APF）是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能够对不同大小和频率的谐波进行快速跟踪补偿，之所以称为有源，是相对于无源LC滤波器，只能被动吸收固定频率与大小的谐波而言，APF可以通过采样负载电流并进行各次谐波和无功的分离、控制，并主动输出电流的大小、频率和相位，并且快速响应，抵消负载中相应电流，实现了动态跟踪补偿。,APF,串联型,并联型,串联型有源电力滤波器通过变压器串联在电网和负载之间，相当于一个受控电压源，对电压型谐波源有很好的抑制作用。,并联型有源电力滤波器相当于一个受控电流源，对电流谐波源有很好的抑制作用，可以消除负载引起的谐波电流，同时也可以补偿无功和平衡三相电流。,目前主要的有源电力滤波器的控制方法: a、单周控制； b、滞环电流控制； c、空间矢量控制； d、无差拍控制； e、重复控制； f、预测控制； g、模糊控制等。,B、滞环控制方法 基本思想：利用滞环比较器形成一个以给定电流为中心的死区或滞环，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。 开关频率、损耗以及控制的精度受滞环宽度的影响，滞环宽度越小，控制的精度就越高，同时开关频率和开关损耗也加大了。,C、空间矢量控制方法 基本思想：将三相整流器件作为一个整体来考虑，通过控制与参考矢量最接近的三个开关矢量组合的作用时间，使一个控制周期内开关矢量输出的平均效果与参考矢量相等；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。 此方法在电压利用率、电流谐波和过调制等方面具有优势，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。,D、无差拍控制方法 基本思想：根据在第K个采样时刻所检测的负载电流和补偿电流，计算第K+1时刻的指令电流值及各种可能开关状态下补偿电流的预测值，然后计算某种特定的目标函数（一般为指令值和预测值的累计误差），选择目标函数最小的开关状态作为K+ 1时刻的开关依据。 其优点是动态响应很快,易于计算机执行。但缺点是对系统参数依赖性较大、鲁棒性较差、瞬态响应的超调量大、计算的实时性强、对硬件要求高。,E、重复控制方法 基本思想：重复控制是基于内模原理的一种控制思想。内模原理的本质是把系统外部信号的动力学模型植入控制器以构成高精度的反馈控制系统。 该原理指出：若要求一个反馈控制系统具有良好的跟踪指令以及抵消扰动影响的能力（即稳态时误差趋于零），并且这种对误差的调节过程是结构稳定的，则在反馈控制环路内部必须包含一个描述外部输入信号（含指令信号和扰动信号）动力学特性的数学模型。 重复控制要求扰动信号是时间的周期函数，但系统的实际运行是周期波动的，直接应用重复控制的效果并不理想。,有源电力滤波器不定频滞环SVPWM电流控制方法 卢锋 兰州交大 电力电子技术 201401,提出了一种基于不定频滞环的电压空间矢量脉宽调制(SVPWM)电流控制方法。该方法将滞环控制与SVPWM控制相结合，利用电流误差矢量与参考电压矢量的空间分布给出最佳的电压矢量切换，将电流限制在一个给定滞环宽度内；采用电压空间矢量消除相间影响，并且实现简单，无需复杂的矢量变换。在取得快速电流响应的同时，降低了开关频率，提高了系统运行效率。仿真和实验结果均证明了该控制策略的正确性和可行性。,1. 基于不定频滞环SVPWM的电流控制,三相电路瞬时值方程为：,三相电路指令电流方程为：,由上两式相减，可得,定义单极性开关函数,经分析，网侧电压表达式为：,由上式可知，APF各相输出电压和其他两相的开关状态有关，即相间影响。,不定频滞环SVPWM电流控制原理图,对于给定的具有零误差电流响应的参考电压矢量 ，可选择合适的 ，以控制电流误差矢量的变化率 ，从而控制 。 将 与 通过三组滞环比较单元，输出相应的比较状态值 ，并通过对 的区域判别，最终由电压空间矢量选择逻辑，输出一个合适的 ，从而使APF输出电流跟踪指令电流。,8种开关模式所对应的 (k=0，7)，将空间矢量划分为6个三角形区域。故可将 所在区域划分为6个三角形区域，即为I，如图a所示。为方便 的正负极性判别，将 的空间坐标系顺时针旋转/6得 空间区域如图b所示，滞环环宽为 。,电流控制方法的控制规则为: 1、当 时，选择 ，使其对应的Ldi/dt具有与i方向相反的最小分量，确保电流矢量 在跟踪指令电流矢量 的同时，限制电流变化率，来抑制电流谐波； 2、当 时，原有 不进行切换，从而在限制平均开关频率的同时，增加了控制的稳定性。,通过 在a，b，c 3个坐标轴 上分量 的正负极性判别，容易确定 所在区域。当 在 i 区域时， ；当 不在i区域时， 。同理，可检测出参考电压 的区域和判断 的值。,根据 和 所处区域的逻辑变量，可以得到 选择的逻辑运算关系为：,三电平逆变器及SVPWM调制算法,1. 拓扑结构,D1D4:反并联二极管 S1S4:功率器件IGBT DZ1，DZ2:箝位二极管,逆变器直流侧的两个电容给出了中点Z，S2和S3导通时，A点通过一个箝位二极管连接到中点，每个直流电容上的电压E，通常为总直流电压Vd的一半。,中点箝位式（NPC）逆变器 : 通过箝位二极管和串联直流电容器产生多电平交流电压，这种逆变器就是二极管箝位式多电平逆变器。这种逆变器的拓扑结构通常有三、五、七三种电平。 三电平逆变器特点: 输出电压比两电平逆变器具有更小的du/dt和THD 。 无需采用器件串联，就可以应用于一定电压等级的中压传动系统。,开关状态的定义:,1. 静止空间矢量,三相桥臂，每相桥臂有三个开关状态，所以一共有27种可能的开关状态组合。,零矢量(V0)，幅值为零，表示PPP，OOO和NNN三种开关状态； 小矢量幅值为 每个小矢量包括两种开关状态，一种为开关状态P，另外一种为N，因此可以进一步分为P型和N型小矢量； 中矢量幅值为： 大矢量幅值为：,2. 作用时间计算,将空间矢量图分为六个三角形扇区（） 每个扇区再分为四个三角形区域（14）,三电平NPC逆变器的SVM算法基于伏秒平衡原理：,当Vref落入扇区的2区时，最近的三个 静态矢量为V1、V2和V7则有：,式中，Ta、Tb、Tc分别为静态矢量V1、V7 和V2的作用时间。,作用时间推导：,由,得,又因为：,所以有：,式中 的取值范围 为：,为调制因数,3. 开关顺序设计原则：,从一种开关状态切换到另一种开关状态的过程中，仅影响同一桥臂上的两个开关器件：一个导通，另一个关断： Vref从一个扇区（