毕业论文
课题名称:PWM整流器在电网谐波抑制中的应用研究
学生姓名与学号: 郭壮 ********* 所专
在业
院年
系: 电气信息工程学院 级: 电气工程及其自动化2012级专升本
指导教师及职称: 王化冰 副教授
平顶山学院教务处制
第1章绪论
1．1背景和意义
电能的使用是衡量一个国家科学技术与经济发展水平的重要标志之一，随着电力
电子技术的发展，电力网络负荷的急剧加大，非线性负荷容量的不断增长，电网中出现了电压电流波形畸变、电压波动与闪变，以及三相不平衡等电能质量问题。
理想状态的公用电网是以恒定的频率，标准的电压和正弦波形对用户供电，但因为非线性电力负荷的大量应用，产生了大量的谐波电流、谐波电压和无功，引发了各种问题，如损耗增加、效率降低、噪声和过压过热等，严重恶化了电力生产环境。于是各国的电力科技人员对谐波抑制和无功补偿这方面的课题研究产生了浓厚的兴趣。并且随着电力电子技术的飞速发展，在这方面取得了一些突破性发展，其中美日两国的科研人员取得了巨大的成就，而国内目前多处在起步阶段；另外从维护绿色环境的角度来看，无谐波就是电力系统环境“绿色”的主要标志之一，所以该研究是很有实际意义的。
1．2国内外研究与发展现状
传统的谐波抑制方法是使用LC滤波器，但其损耗大，参数易变，不能动态补偿等缺点已不能满足电能质量的要求。动态抑制谐波，补偿无功的新型电力电子装置有源电力滤波器(APF)成为近些年来研究的热点。APF是在1971年由Sasaki．H最早提出。1982年世界上第一台并联型有源滤波器投入工业应用；1987年Takeda等提出串联APF加并联无源滤波器的混合有源电力滤波器(HAPF)；1988年，F．Z．Peng等提出串联APF加并联无源滤波器的HAPF；1990年，H．Fujit等提出APF与无源滤波器相串联的HAPF；1994年，H．Akagi等提出串联APF和并联APF的HAPF等等。最近又有人提出统一电能质量调节器(UPQC)，结合并联有源电力滤波器和串联有源电力滤波器的优点，综合改善电能质量。现阶段有源电力滤波器的研究方向是如何减少开关损耗，增加系统容量，其中基于SPWM的多电平级联变流器是研究的热点。90年代后期，并联APF在日本、美国等国开始广泛应用。在国内，西安交大、浙大、清华、哈工大等高校正在积极研究，取得了阶段性成果，其中拓扑结构和控制方法方面取得了一定的成果，但离产业化目标甚远，有很多关键技术如APF大容量化，模块化，标准化有待解决，还未见到有应用性成果报道。
1．3电能质量
电能质量(Power Quality)描述的内容是，通过公用电网供给用户端的交流电能的
品质。理想状态的公用电网应以恒定的频率、正弦波形和标准电压对用户供电。在三相交流系统中，则要求各相电压和电流的幅值应大小相等、相位相差120°。
电能质量引起的事故也是屡见不鲜。如甘肃白银供电局所属110kV变电站供电的电气化铁道在运行中产生谐波，引起llOkV母线电压畸变4％左右，谐波含量达2．2％，所以对电能质量一定要高度重视，避免重大事故的产生。
1．4电网谐波及其产生
众所周知，在世界各国电力工业中几乎都是采用正弦供电方式。电源以单一恒定频率(50Hz／60Hz)的正弦变化规律向电网供电，系统中各点的电流、电压都是以单一恒定的供电频率随时间按正弦规律变化的量。但随着技术的发展，电力系统中的非线性负载的比重不断增加，直接造成了电网中电流和电压波形的畸变。从频域的观点，在这些电流和电压的波形中，不仅包含与供电电源同频率的正弦量(称为基波分量)，而且出现一系列频率为基波频率整倍数的正弦波分量(称为高次谐波分量)，这一系列正弦分量统称为电力谐波。
随着非线性和时变性的电力电子装置在电力系统中的广泛应用，电网中谐波的含量越来越高。
1．5谐波标准
我国的谐波标准GB／T14549．93《电能质量公用电网谐波》是在总结执行SDl26．84《电力系统谐波管理暂行规定》的经验，标准的相关问题在吸取国外谐波标准研究成果的基础上，结合国情进行了系统的研究。如表1．1所示为标准中规定的谐波电压在公用电网的限值。
向该点注入谐波的电流分量(方均根值)的位于电网的公共连接点上全部的用户都在不应该超过上表中所规定的值。当最小的短路容量位于公共连接点处与基准的短路容量不相同时(见表1．2)。
其谐波电流允许值应该按下式换算求出
I=S(k1)I(hp)/S(k2) (1-1)
式中，S(k1)——公共连接点的最小短路容量(MVA)；
S(k2)基准短路容量(MVA)；
I(hp)一第h次谐波电流允许值(A)
表1-l谐波电压(相电压)在公共电网的限值
电网标称电压 kV 0.38 6 10 35 66 110 电压总谐波畸变率 (％) 5.0 4.0 4.0 3.0 3.0 2.0 各次谐波电压含有率(％) 奇次 4.0 3.2 2.4 1.6 偶次 2.0 1.6 1.2 0.8 表1．2注入公共连接点的谐波电流允许值
标准电压 kV 0.38 6 10 35 66 110 标准电压 kV 0.38 6 10 35 66 110 基准短路容量 MVA 10 100 100 250 500 750 基准短路容量 MVA 10 100 100 250 500 750 14 11 2 78 43 26 15 16 12 3 4 5 6 7 谐波次数及谐波电流允许值 A 8 9 10 11 12 13 62 39 62 26 44 19 21 16 28 13 24 34 21 34 14 24 11 11 8.5 16 7.1 13 20 13 20 8.5 15 6.4 6.8 5.1 9.3 4.3 7.9 12 7.7 12 5.1 8.8 3.8 4.1 3.1 5.6 2.6 4.7 13 8.1 13 5.4 9.3 4.1 4.3 3.3 5.9 2.7 5.0 9.6 6.0 9.6 4.0 6.8 3.0 3.2 2.4 4.3 2.0 3.7 谐波次数及谐波电流允许值 A 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 12 9.7 18 8.6 16 7.8 8.9 7.1 14 6.5 12 6.1 6.8 5.3 10 4.7 9.0 4.3 4.9 3.9 7.4 3.6 6.8 3.7 4.1 3.2 6.0 2.8 5.4 2.6 2.9 2.3 4.5 2.1 4.1 2.2 2.5 1.9 3.6 1.7 3.2 1.5 18 1.4 2.7 1.3 2.5 2.3 2.6 2.0 3.8 1.8 3.4 1.6 1.9 1.5 2.8 1.4 2.6 1.7 1.9 1.5 2.8 1.3 2.5 1.2 1.4 1.1 2.1 1.0 1.9
注：220kV基准短路容量取2000MVA
1．6主要研究内容
阅大量的参考文献后，很多专家学者对电网谐波抑制都有很深的见解，本文主要针对电网出现谐波问题时进行分析，并得出抑制和补偿方法，主要内容如下：
1．介绍了PWM整流器的工作原理；
2．对PWM整流器电网中的特性分析，同时也对PWM整流器的谐波性能进行了频谱分析；
3．利用PWM整流器将谐波进行了仿真分析。首先建立了在高功率整流模式、整流+谐波抑制模式下的仿真模型，然后针对各个模式进行分析；
4．针对上述建立的PWM整流器仿真模型，对某电网进行谐波治理分析。
第2章 谐波抑制的原理及分析
谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，交流电网的有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波。电力电子中的谐波主要是由非线性负载产生，当正弦波基波电压施加到非线性负载上时，负载吸收的电流与其上施加的电压波形不一致，其电流发生了畸变，由于负载与整个网络相连接，这样畸变电流就可以流人到电网中，这样的负载就 成了电力系统中的谐波源。
2．1 PWM整流器基本结构和工作原理
PWM整流器是将交流变成直流的变流装置，通过适当的控制，可以使输出直流电压稳定在一定范围内，同时使电网侧电流正弦化且与电压同相位。由于非线性和感性／容性负载的大量使用，电网中谐波对电能质量造成了严重不良影响，不仅干扰了相邻的其他用电设备，而且还影响电网的稳定运行。如果让数量众多的整流装置除了实现原先的整流功能外，也能够起到抑制谐波的作用，这对提高电网的电能质量是非常有意义的。事实上，只要通过适当的控制，PWM整流器完全能够起到这些作用：从电网吸入有功电流，变为直流传送给负载，同时还可以向电网送出反向的谐波电流，以抑制谐波，使该接点从电网吸入的总电流不再含有谐波电流(或者得到抑制)。
2．1．1基本结构
三相电压型PWM整流器的主电路如图2．1所示。图中e(a)、e(b)、e(c)为电网电压，i(sa)、i(sb)、i(sc)。为电网输入电流，u(ra)、u(rb)而和u(rc)为整流桥交流侧电压，u(dc)为整流桥直流侧电压，R为交流测电阻，Ls为交流侧电感，C为直流侧滤波电容，i(L)为负载电流。
PWM整流器可以实现能量的双向传输，当PWM整流器从电网吸收电能时，其处于整流状态；当PWM整流器向电网输出电能时，其处于逆变状态。PWM整流器实际上是一个交、直流测可控的四象限变流装置。
参照PWM逆变电路的工作原理，按照正弦信号调制波和三角载波相比较的方法对桥臂上下开关管进行PWM调制，就可以在桥臂的交流侧产生正弦调制的电压波形，波形中除了含有与正弦信号波同频率切幅值成比例的基波分量外，还含有与三角载波有关的频率很高的谐波。由于电感的滤波作用，这些高次谐波只会是交流电流产生很小的脉动。如果忽略这种脉动，当正弦信号的频率和电源频率相同时，交流电流为频率
与电网频率相同的正弦波。
图2—1三相电压型PWM整流器主电路原理图
2．1．2工作原理
若只考虑基波分量，忽略PWM谐波分量，则下面的矢量方程式成立。
E=V+(jωL+R)I (2-1)
式中：电网电动势是E、电网电流矢量是I；在交流侧的整流桥的PWM波基波分量是ν。
由此可知，当把电网电动势作为参考时，通过控制交流电压矢量ν即可实现PWM整流器的四象限运行。图2-2中的向量图说明了PWM整流器的4种典型的运行状态。
如图2—2(a)所示，I和E同相位，δ是E超前ν的相角，电路工作在整流状态，切功率因数为l，这是非常基本的PWM整流器工作状态。图2-2(b)中I和E相位正好相反，δ是E滞后ν的相角，电路工作在逆变状态，为负阻性运行，实现了能量的反馈。图2-2(c)中ν滞后的相角为δ，I超前E相位90°，电路在向交流电源输送无功功率，纯容性运行。图2-2(d)中ν超前的相位为δ，I滞后E相位90°，纯感性运行。
这四种情况只是PWM整流器运行的四个特殊的工作状态。通过控制交流电压矢量ν，可以调节电网电动势和电流之间的相位差以及电网电流幅值的大小，同时，既可以控制交直流侧有功功率的传递，又可以控制整流器从电网吸收或发出的无功功率，即实现四象限运行。
图2-2四象限运行的PWM整流器矢量图
假定系统电压三相对称，如图2．3所示，即如下所示：
e(a)=E(m)cos(ωt) e(b)=E(m)cos(ωt-π2/3) e(c)=E(m)cos(ωt+π2/3)
式中：瓦与co分别为相电压幅值与频率。则由图2-3可得如下方程，
e=Ri(s)+Li(s)+u(r) (2-2) Cu(dc)=i(dc)-i(L) (2-3)
式中：
若选择由旋转坐标系中的d轴
与电压矢量重合，则进行Park变换可得到如下旋转坐标下的电流方程
通常忽略交流测电阻损耗以及开关损耗，因此有如下的交、直流功率平衡式
代入式(2．3)可得
对于dq轴电流，有功功率只与isd有关，称为有功电流；无功功率只与isq有关称为无功电流。直流电压可由有功电流控制，而功率因数可由无功电流控制。因此，PWM整流器通常采用同步旋转坐标系下的电压电流双闭环控制，如图2-3所示。
图2-3 PWM整流器控制框图
第3章 PWM整流器的仿真分析
上一章分析了PWM整流器以及静止无功补偿器(SVC)的基本结构和工作原理，本章利用matlab／simulink将其进行仿真，主要分析PWM整流器的具体特性，重点研究了其分析谐波的特性。
3．1采用Simulink建立PWM整流器仿真模型的建立 3．1．1 PWM整流器集体模型的搭建
根据上一章所阐述的理论，对一个采用三电平电压型变流器的PWM整流器进行matlab／simulink仿真。图3-1为仿真模型。
该模型上面部分为主电路部分，由左至右依次为交流电源、交流负载、电压电流测量模块、变压器、电阻电感、三电平变流器、直流电容和负载电阻。交流电源的线电压为600V，60Hz，短路容量为30MVA，外接500kVar和1MW的负载，变压器变比为600／240。在0．05s之前，直流负载为200kW的电阻(直流电压500V)，0．05s之后通过断路器并联一个相同大小的电阻，因此功率变为400kW。“B1”模块为‘‘Thl'ee．Phase V-IMeasurements”模块，可以测量三相电路的电压和电流。
图3-1中有两个主要模块，左边为测量模块；右边为控制模块，采用的就是上一章中所说的同步坐标系下的双环控制，其内部结构如图3-2所示。左边的模块为滤波器模块，采用二阶低通滤波器对测量的交流电压、交流电流和直流电压信号进行滤波，截止频率为750Hz。右边的为离散PWM发生器模块。中间的“Controller'’模块完成的就是如图2．3所示的控制框图，其内部结构如图3-3所示。图3-1中的“Step”模块在O．1s时，其输出由1变为0，目的是O．1s后关断所有PWM脉冲，PWM整流器作不控整流运行。
图3-1 PWM整流器仿真模型
图3．2PWM整流器控制模块内部结构图
图3-3“Controller'’模块内部结构图
3．1．2 PWM整流器及谐波特性分析
经过对仿真模型的研究，运行程序后可得如下仿真结果。图3．4为直流电压波形，在0．1s前，PWM整流器能够实现直流电压稳定在500V的控制目标，即使0．05s时突加一倍负载，直流电压也能迅速恢复。在O．1s之后，转为二极管整流桥运行，直流电压下降，这反映了PWM整流器升压整流的特性。
图34直流电压波形
图3．5为交流电压电流波形，在PWM整流器运行时，电流波形近似正弦波，较二极管整流时有明显改善。且交流电流与电网电压同相位，实现了功率因数为1的控制目标。图3-6所示为PWM整流器交流侧的电压波形。
图3-5 交流电压和电流波形
图3-6 PWM整流器交流侧电压波形
图3—7为调制度、由轴电流的实际波形及指令值，只显示了PWM整流器运行时的部分波形。在功率变化时，调制度只有较小的变化，主要是电网电压与PWM整流器交流测电压间的相位会有较大变化。可以看到，有功电流当有功变化时也随之发生变化，而无功电流基本不受影响，实现了较好的解耦控制。
图3-7调制度、d轴电流、g轴电流波形
图3—8和图3-9分别为PWM整流器运行时和二极管整流器运行时的交流电流的谐波频谱图。THD(总谐波失真)是指用信号源输入时，输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。谐波失真是由于系统不是完全显性造成的，它通常用百分数来表示。所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。一般来说，1000Hz频率处的总谐波失真最小，因此不少产品均以该频率的失真作为它的指标。但总谐波失真与频率有关，必须在20--20000Hz的全音频范围内测出。THD的数值越小，说明品质越高。
图3-8 PWM整流器运行时交流电流谐波分析
图3-9二极管整流器运行时交流电流谐波分析
其中图3—8中PWM整流器运行时THD值为10．45％；而图3-9中二极管整流器运行时THD值为36．67％。可见，PWM整流器的谐波性能有了明显提高。
