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1、0 前言近些年来，随着煤矿企业电气自动化水平的不断提高，大量的非线性用电设备在生产中得到了广泛应用，但是非线性用电设备直接带来了谐波污染。通过对内蒙古和河北一些煤矿进行调研和了解发现，很多煤矿采用直流电动机带动绞车的运行，需要通过三相整流柜将交流电转换成直流电供给电动机，供电装置在矿井绞车加速时产生的五次、七次、十一次、十三次谐波电流污染了附近的供电网。谐波电流不仅影响了生产设备的正常运行，比如电动机绕组烧毁，也对矿区电网的安全运行造成重大威胁。不仅如此，谐波电流使电网电流和电压畸变率超过有关规定时电业局要罚款。 不论从生产实际出发，提高设备工作的可靠性，或者从经济角度出发，少罚款不罚款甚至得
2、到奖励，研究设计煤矿供电网用谐波抑制有源滤波器都势在必行。目前煤矿变电所主要是采用LC串联谐振型无源滤波器（Passive Power Filter，PF）进行谐波抑制，但其滤波效果受到电力系统阻抗的影响较大，且只能消除特定次数的谐波，对于次数经常变化的负载滤波效果不好1。有源电力滤波器（Active Power Filter，APF）是目前抑制谐波和进行无功补偿的先进方法，是用户电力技术中的一个研究热点2。与无源滤波器相比，APF具有高度可控制和快速响应特性，并且能跟踪补偿各次谐波，其特性不受系统影响，无谐波放大威胁，相对体积、重量较小。但是在较高电压等级的电网上单独使用有源滤波器因成本太高
3、和开关耐压等因素的诸多限制，一直没有得到推广3。混合型有源滤波器将有源滤波器和无源滤波器相结合，取两者之长，补两者之短，使有源滤波器可以在较小的容量下应用到大功率场合，从而有效降低有源滤波器的成本，使其在工程中实践成为可能。随着国家对电网谐波污染治理的日益重视，“绿色电力电子”的呼声愈来愈高，有源滤波器必然会得到广泛的推广和应用。因此，研究设计谐波抑制有源滤波器对实际生产生活有着十分主要的意义。1 绪论1.1 煤矿供电网谐波产生的原因和危害国际电工（IEC，International Electrontechnical Commission）标准（IEC555-2，1982）定义谐波为：谐波分
4、量周期为周期量在傅里叶技术中大于一的n次分量。把谐波次数n定义为：以谐波频率和基波频率之比表示的整数。电气和电子工程师协会标准（IEEE标准519-1981）定义谐波为：谐波为一个周期波或量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。总结二者，目前国际普遍定义谐波为：谐波是一个周期电气量的正弦波分量，其频率为基波频率的整数倍。定义n次谐波电压含有率以HRUn（Harmonic Ratio）表示为：(1-1)式（1-1）中，为第n次谐波电压有效值（方均根值）；为基波电压有效值。谐波电压含量定义为：(1-2)定义电压谐波总畸变率THDU（Total Harmonic Distortion）为：(1-3
5、) 同理可以推广到电流谐波分量的定义。1.1.1 产生原因煤矿供电网谐波的产生主要是来自下列具有非线性特性的电气设备：(1)具有铁磁饱和特性的铁芯没备，如：变压器、电抗器等；(2)以具有强烈非线性特性的电弧为工作介质的设备，如：气体放电灯、交流弧焊机、炼钢电弧炉等；(3)以电力电子元件为基础的开关电源设备，如：各种电力变流设备(整流器、逆变器、变频器)、相控调速和调压装置，大容量的电力晶闸管可控开关设备等。以上这些非线性电气设备的显著的特点是它们从电网取用非正弦电流，即使电源给这些负荷供给的是正弦波形的电压，但由于它们具有电流不随着电压同步变化的非线性的电压、电流特性，使得流过电网的电流是非正
6、弦波形的。1.1.2 对煤矿供电网的危害煤矿供电网中谐波含量高，引起的各种故障和事故不断发生，对国民经济和生产、生活造成了不必要的损失。归纳起来，谐波对公用电网和其他系统的危害大致有一下几个方面：产生附加损耗，增加设备的温升,降低设备的效率和利用率；引起电动机的机械振动；无功补偿电容器组引起谐波电流的放大，甚至造成谐振；对继电保护、自动控制装置产生干扰和造成误动作；使测量和计量仪器的指示和计量不准确；干扰通信系统的工作。谐波对煤矿供电网的的危害除造成线路损耗外，更重要的是使电网波形受到污染，供电质量下降，危及各种用电设备的正常运行。当电网电压和电流的畸变率超过相关规定时，电业局要经济处罚，因此
7、应该予以足够的重视和有效的管理，将危害限制在尽可能小的范围内。1.2 煤矿供电网谐波的抑制措施煤矿供电网谐波含量高，对电气设备的正常工作造成了很大的影响，同时还要面临电业局的罚款，因此不管从安全高效生产出发，还是从经济利益出发，都必须采取合适的谐波抑制手段。1.2.1 传统的抑制方法煤矿供电网采用的传统谐波抑制手段是在科学技术水平不高，技术手段缺乏的条件下采用的。由于受到技术限制，谐波抑制的效果并不理想。传统的谐波抑制方法主要有以下几个：1）增加换流装置的相数2）增装动态无功补偿装置，提高供电系统承受谐波的能力3）加装交流滤波装置4）防止并联电容器组对谐波的放大1.2.2 新型的谐波抑制措施随
8、着科学技术的不断进步，谐波电流的检测方法不断改进，新型的电力电子器件不断出现，由此催生了一些新的谐波抑制措施。有源电力滤波器（APF），是一种新型谐波抑制和无功补偿装置，它不同于传统的LC无源滤波器（只吸收固定频率的谐波），它能对电流和频率都在变化的无功进行补偿，可以实现动态补偿。图1-1为基本的有源电力滤波器，图中负载为谐波源，它产生谐波并消耗无功。有源电力滤波器系统由两大部分构成，分别是谐波和无功电流检测电路以及补偿电流发生电路。其基本工作原理是，检测补偿对象的电流和电压，经谐波和无功电流检测电路计算得出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路放大，得出补偿电流，补偿电流与负载电流中要
9、补偿的谐波及无功等电流抵消，最总得到期望的电源电流，达到了抑制谐波的目的。图1-1 基本有源电力滤波器结构图Fig1-1 Structure diagram of basic APF1.3 限制电网谐波的国家标准为了保证电力系统的安全经济运行，世界上很多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或由权威机构制定的限制谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波源注入电网的谐波电流，把谐波电压控制在允许范围内，使在电网中的电气设备免受谐波的干扰而能正常工作。各国制定的谐波限制标准是比较接近的。我国原水利部于1984年根据原国家经济委员会批准的全国供用电规则的规定，制定并发布了SD126-84电力
10、系统谐波管理暂行规定。国家技术监督局于1993年又发布了中华人民共和国国家标准GB/T14549-1993电能质量公用电网谐波，该标准从1994年3月1日起开始实施。随后相继颁布的电能质量国家标准还有电能质量三相电压允许不平衡度（GB/T15543-1995）、电能质量电力系统允许偏差（GB/T15945-1995）、电能质量电压波动和闪变（GB/T12326-2000）和电能质量暂时过电压和瞬时过电压（GB/T18481-2001）等。这些标准的出台，一方面表明我国在电能质量要求上更加严格、更加规范化，另一方面在谐波治理的效果上有了行业标准。表1-1 公用电网谐波电压（相电压）限值Fig1-
11、1 Harmonic voltage(phase voltage) limit value of public utility grid电网标称电压/kV电压总谐波畸变率/各次谐波电压含有率/%奇次偶次0.385.04.02.064.03.21.610353.02.41.2661102.01.60.8表1-2 注入公共连接点的谐波电流允许值Fig1-2 Hamonic current limit value of injecting into point of common coupling标准电压/kV基准短路容量()谐波次数及谐波电流允许值/A234567891011121314150.3
12、8107862396226441921162813241112610043342134142411118.5167.1136.16.810100262013208.5156.46.85.19.34.37.93.74.13525015127.7125.18.83.84.13.15.62.64.72.22.56650016138.1135.49.34.14.33.35.92.75.02.32.6110750129.66.09.64.06.83.03.02.44.32.03.71.71.91.4 国内外研究现状早在70年代初，日本学着就提出了有源滤波器的概念。1976年，美国西屋电气公司的L.Gyu
13、gi提出了用大功率晶闸管组成PWM逆变器构成“有源电力滤波器（APF）”来消除电网谐波。其基本原理和电路拓扑结构已经确定，但由于受到当时功率半导体器件水平和控制策略的限制，有源滤波器的研制一直处于试验阶段。直到进入八十年代后，随着新型电力半导体器件的不断发展、脉宽调制技术的不断进步以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流检测方法的提出，为有源滤波器的实用化提高了必要的条件，使之在工业上得到了广泛的应用。1982年，世界上第一台APF在日本研制成功投入使用以来，经过二十多年的研究和探索，APF技术得到了长足的发展，越来越多的APF投入运行，不论从功能实现还是运行容量上都有明显改善。世界上有源电力滤波器
14、的主要生产厂家有日本三菱电机公司、美国西屋电气公司、德国西门子公司等。在我国，有源滤波器的研究起步较晚，研究始于八十年代末期，兴于九十年代中期，1989年才见到这方面研究的文章，基本上仍处于实验研究阶段。从九十年代中期起，我国对APF的研究全面展开，包括谐波检测、拓扑研究、系统建模、控制方法等。我国实际应用并经过鉴定的是北京电力科学研究院和冶金科学院共同制成的，用于380V三相系统的50KVA有源滤波器。从2003年起，我国的APF市场逐渐热了起来，出现了一些系列化的产品。国内许多大专院校，如西安交通大学、华北电力大学、哈尔滨工业大学、中南大学、湖南大学等对APF进行了广泛的研究目前有源滤波器
15、研究工作的关键所在是进一步提高有源滤波器在生产实践中的实际应用水平，促进科研成果向工业化成型产品的快速转化4。1.5 国内先进产品简介及缺点分析1.5.1 西安赛博电气公司SPA系列产品西安赛博电气公司生产的SPA系列有源滤波器产品是与西安交通大学联合研制开发的，型号齐全，品种繁多。以高性能的数字处理器（DSP）为核心，采用高频电力电子变换技术，进行谐波抑制和动态无功补偿，主要应用在石化、电解铝、水泥制造、机械制造、电气化铁路等领域。图1-1 西安赛博电气公司APF产品Fig1-1 APF product of Xian Saibo electric companySPA系列治理谐波电流值有45A、75A、100A、150A几种，最大只能到200A，工作环境温度为-10+45，相对湿度要求90%
