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1、谐波抑制和无功功率补偿第一节课1. 谐波分类（1） 奇偶谐波（2） 分数次波：频率不是整数倍基波频率的谐波。分数谐波分为间谐波和次谐波两类。间谐波往往由较大的电压波动或冲击性非线性负荷所引起，所有非线性的波动负荷，如电弧焊、电焊机、各种变频调速装置、同步串级调速装置及感应电动机等均为间谐波波源，电力载波信号也是一种间谐波。间谐波特点有放大电压闪变和音频干扰，影响电视机画面及增大收音机噪音，造成感应电动机振动及异常。对于由电容、电感和电阻构成的无源滤波器电路，间谐波可能会被放大2. 谐波基本概念与定义（1） 谐波电压含量：（2） 谐波电流含量：（3） 谐波电压含有率：（4） 谐波电流含有率：（5
2、） 电压谐波总畸变率：（6） 电流谐波总畸变率：但是到目前为止，谐波功率的计算还无标准。3. 谐波的分析方法a 傅里叶分析：傅里叶只能做稳态分析，且必须采集整一个周期的数据，容易产生窗口泄露，检测结果延迟很大。b 坐标变换法：电机学中的三相交换法将旋转坐标转换成静止坐标。这种方法实时，但三相对称性差，且本身用低通滤波器LPM本身检测（神经网络法，LMS算法的GCM）4. 谐波的抑制谐波由负载产生，但希望谐波不要流入电网或其他负载上，希望能在本地消除。谐波的抑制方法有： 无源滤波：加L或C，改变谐振频率、品质因数，使其形成带通/阻，高/低通滤波器。但是谐波抑制选择性很差，可能导致过载。 有源滤波
3、：产生一个大小相等，方向相反的谐波来对消。存在的问题是检测速度慢，检测精度要求高。损耗、成本压力、装置本身使用寿命以及安装施工是否便利都是存在的问题。5. 谐波的计量与标准、测量谐波具有很强的随机、实时、潜伏性出厂前产品检测的方法与工具还有缺陷。6. 谐波的危害波形乱，产生噪声，对各种电机、继电保护装置、谐振回路等产生危害，轻则使电力系统性能下降，重则破坏设备装置。谐波产生：l 非线性（例如过铁芯、磁滞损耗使波形烂）l 电力电子装置（例如PWM，触发角、整流装置引入谐波，破坏原正弦波形）l 电弧炉、继电开关等谐波源行业主要有化工、铁路、电力系统、有色冶金、家用电器、实验机构、机械制造加工业等。
4、第二节课 1. 谐波源l 稳定谐波源 电力电子装置 器件的非线性（例如变压器，磁滞，串入大L或C）l 不稳定谐波源：（雷电冲击、电弧炉、电焊机、电机的启停、等）常产用无源滤波方法，将各种谐波组合搭配能达到互补的效果。l 其他谐波源 大的短期负载的启停会产生动态谐波 点火装置：一瞬间的电磁脉冲且为脉冲序列，可通过电容耦合,干扰控制器件的灵敏度。 大型负载的投切，产生电弧，对控制器干扰大，采用PLC，软开关技术在开关附近加阻容吸收，有效防电弧。2. 整流电路的谐波分析l 单相桥式整流电路当为阻感负载时，在直流侧电流为直线，在交流侧电流为矩形波，则电流中仅含奇次谐波，即1、3、5、7、9.次谐波，各
5、次谐波的有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。三次谐波主要采用三角形/Y型结法等吸收。当为阻容负载时，直流侧电流为蓝色线所示，交流侧电流如图中红色线所示，此时谐波含量主要为5、7、9次谐波，3次谐波不占主要了。l 三相桥式整流电路对于阻感负载，在直流侧的电流为直线，对于交流侧的电流，三相差120度，并且电流波形为导通120度截止60度的矩形波。电流中仅含有6k+1次谐波，各次谐波有效值与谐波次数成反比，且与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。对于变压器一次侧三相电源的电流波形则随变压器的连结方式不同而有所不同。l 多种整流利用变压器连结不同引起的变化，可以构成多相整流电路
6、来使某几次谐波相互抵消，从而减少谐波量。第三、四节课 学长学姐仿真第五节课 无源滤波无源滤波主要产用L或C使用固有特性达到降低畸变作用，主要用于5次和7次。1、一阶无源滤波 串大电感（平波电抗器） 并联电容（滤波电容）电解电容1-10uF，主要滤除低频干扰 瓷片/云母0.01/0.001uF，高频滤波力强，消除尖峰 磁环/柱：具有很强的磁化能力，当交流谐波流过时，在其上发热消耗。在电网上，接地时串入一个磁柱。 以上三个主要用于小容量的直流电路。而大容量时有阻容吸收回路，主要用于行程开关的接触器防止电弧。另外还可以采用非线性器件，依靠其他大容量电源来平波，例如钳位电路、稳压电路、基准电压。另外超
7、大容量时可采用浪涌电路。2、二阶无源滤波 L、C相串后与负载并联：则谐振频率为,是带通滤波器，设,使，则电阻侧产生的5次谐波就通过LC回路流走，就流不到电源侧。若电容稍大，电感稍小，则LC串成容性，即可以补偿无功，又可以吸收谐波。 L、C、R相串后与负载并联：串联R的缺点是会消耗电能，但是优点是谐振频率没变，品质因数变低，电阻变大，特性曲线变矮，频带变宽。在设计电路中的R时，应考虑电感中的R。若设在250HZ上，谐波过多猛灌烧坏电容与电感。在工程上，常采用偏调谐，即设在250HZ附近，则此时可让一部分谐波流过又不超过它的容量。 双调谐滤波器：有两个阻抗低的点，可以吸收两个频率的谐波，等效为两路
8、谐振电路。 上述三种方式，只能针对特殊的频率，另有高通滤波器、低通滤波器等，在工程上往往组合使用，例如双调谐带高通滤波器。 软件滤波：平均值滤波、中位值滤波、消除竞争冒险方法 其他滤波：三态门锁存器、单稳态触发器、斯密特电路等第六节课 有源滤波 有源滤波主要是利用电力电子装置产生与负载谐波相反的谐波，从而与电网中得谐波相抵消。主要用于补偿无源滤波器实现高次滤波。 有源滤波器主要分为检测、控制、电源三部分。 并联型：常与无源滤波一起并联，各有其职，无源滤波主要消除5次和7次谐波，而并联有源滤波器主要用于高次滤波。 串联型：在电网中串联APF，即相当于一个可调阻抗。第七节课 在传统的谐波治理的过程
9、中，从检测到控制到产生谐波来与电网相抵消过程中存在延时，这就得出了旋转坐标法，旋转坐标法：带谐波的不规则正弦波乘以同频正弦波，得出直流分量与余弦分量，两者正交。用直流分量乘以一个标准正弦波得I，用原来的电流波形减去I得到的便是谐波。谐波补偿的方式有就地补偿和集中补偿。要能得到较好的补偿，补偿装置要装在负载边，但是这样需要配置较多的补偿装置。若装在线路中间，既能得到较好的补偿，又能节省设备。将检测回路装在电网边可达到反馈的作用。第八节课 有源抑制谐波电路 半控型晶闸管不能构成逆变主电路，必须用全控型器件构成。在每个全控型器件上都反并联一个二极管，起到续流的作用。 当全控型器件不导通时，二极管导通
10、，相当于一个整流电路，在直流侧，并不是电源，而是一个大电容，此时，交流侧向直流侧储能。当全控型器件在控制回路的控制下导通时，该电路又相当于一个逆变电路，在PWM脉宽调制下，控制导通角的大小，从而控制输出地谐波波形。PWM控制方法有滞环比较方式和三角波比较方式。三角波比较方式的载波有三角波、锯齿波。根据信号波的不同又有SPWM和SVPWM。第九节课为了达到实时的效果，要求采样频率达到十几kHZ,假设是10kHZ，则间隔时间为0.1ms，即100us,单片机的时钟频率为12MHZ，在采样周期内只能执行100条指令，几乎不能实现功能。因此不论是ADC还是控制器、处理器都需要高频率。在此提出矩阵交换，
11、将三相交流转换成正交旋转坐标再进行分析，将分析后的处理信号再进行反变换成三相交流输出。第十节课 电能质量电能质量包括电压/电流/频率、骤降和骤升、谐波、功率和电能、闪变、不平衡、瞬变和浪涌电流。在进行电能质量分析时常将电网看成无穷大系统，一般电压波形不易畸变，即电流畸变时对U影响不大。则通常不对U，而是对电流I进行分析。有源滤波的容量非常有限，而电网中的低次谐波的含量大，故先用无源滤波器滤去低次谐波，用有源滤波器滤去高次谐波。从而减轻了有源滤波器容量。在高压系统上，普通的有源滤波器器件不能耐高压，故采用注入式有源滤波器，在注入过程中加入无源通道，即将高压类似电阻分压方式分到无源上。第十一节课
12、微电网中的电能质量微电网是一种新型的网络结构,是一组微电源、负荷、储能系统和控制装置构成的系统单元。微电网中的电源多为容量较小的分布式电源。1.无功与有功微电网中负载是各种不同的设备，都是潜在谐波源，电机带来无功损耗也带来负序、零序等。对发电设备来说，如何控制发出电能的功率因数？功率因数并不是越高越好，而是当电网中的电能功率因数和负载的需求等价为好。2.谐波谐波源头有非线性负载、电弧炉等，具有多样性，并且谐波具有不可知以及危害性。若所有谐波都流入无功补偿负载中，则容量太大会使其烧毁，也使微信、控制以及监控网络得到干扰。3.谐波抑制 谐波在检测、治理中受到成本的约束，并且安装地点等因素都是约束。
13、为了解决这些问题，我们可采用柔性DG，该分布式电源不仅能发电，还能进行谐波治理电能。微网中包含很多分布式DG，有光伏、风电、燃料电机、储能装置等。如何控制这些分布式DG使其达到发电与用电的平衡是一个问题。这里的控制策略主要有PQ（按有功无功控制）、VF（按输出的电压、频率控制）。第十一节课 混合滤波有源滤波的缺点是容量有限，并且有源滤波的电力电子器件的耐压能力低，只能用于低压电网中。在此提出混合滤波。混合滤波是集合有源滤波与无缘滤波的优点，利用无源滤波器滤除某几次频率特定并且容量大的谐波，而用有源滤波器滤除容量小的高次谐波。混合滤波分为并联型和串联型两类。并联型主要补偿谐波电流，而串联型主要补
14、偿谐波电压。在这里主要介绍并联型。在电网中，电压频率并不是一成不变的，而是随着有功而变化：频率高，有功多，频率低，有功少。而电压与有功有关，无功增多导致电压升高。如此，我们应采集电网中的电压幅值以及频率作为锁相环的输入锁住sin-cos分量。在混合滤波器中有源滤波器的检测部分，经采测的电流值为三相电流，经过三相两相变换后得到、，包含了与基波相关的直流分量和与谐波相关的波动量，经过低通滤波器滤波之后只剩与基波相关的直流分量，将直流分量经二相三相反变换后得到电网中的基频的正弦波，经电网中的波形与该基频正弦波相减后得到的便是谐波。将得到的谐波与补偿装置输出地补偿谐波相比之后再经过滞环调制或三角波调制
15、得出PWM脉冲用于控制补偿谐波的波形。用三角波调制时，频率与载波周期一致，而用滞环调制时，电子器件的开关频率随着滞环宽度的不同而不同，滞环宽度窄则开关频率高。第十二节、APF的未来发展趋势1. APF为何不能与整流逆变电路合并虽然二者电路结构基本类似，但是APF从器件、电源、结构都往分布式电源上靠，且其谐波补偿需要的开关频率为十几K。而一般器件按照工频算的话，开关频率太低，达不到去谐效果。2. 提高开关频率的相关技术在开关频率高时，虽然滤波更好，但是开关损耗大，效率低。为了保证在有较高的滤波效果的同时有较好的效率，采用软开关技术、三电平与高频开关技术。3. APF的未来发展趋势 高质量发电：电源、器件、控制与原来的相同，只有参数、开关频率提高了。发展出既能发出有功、无功也能产生谐波的。 高质量取电：由于很多用电负荷带来谐波，所以要考虑能否在取电时提高品质因数。例如：将三相整流发展成六相、十二相因此未来将APF的思想用入取电时，在技术方向上不难实现具体举例来说就是加入发电电路为正方向，则取电
