谐波与对策-现代电力电子技术_338809314

第1页共12页吕颖[e-mail]电力电子装置带来的危害及对策摘要：随着电力电子装置在电力系统的广泛应用，电力电子装置产生了谐波污染，给电力系统和各类用电设备都带来危害，而且降低了系统功率因数。本文介绍了电力电子装置带来的危害及对策。关键词：电力电子装置谐波APFPWM整流功率因数补偿引言电力电子技术是近年迅速发展的一种高新技术，它是集电力技术、微电子技术和信息控制技术于一体的一门新学科。随着电力电子技术的发展，广泛应用于电力系统中，给电力系统带来了新的活力。电力电子装置中的相控整流和不可控二极管整流使输入电流波形发生严重畸变，不但大大降低了系统的功率因数，还引起了严重的谐波污染。另外，硬件电路中电压和电流的急剧变化，使得电力电子器件承受很大的电应力，并给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰(EMl)，而且情况日趋严重。随着节能技术和自动化技术的推广，电力电子装置如变流设备、变频设备等，容量日益扩大，数量日益增多，电力电子装置带来的危害愈来愈严重，给电力系统和各类用电设备都带来危害。轻则增加能耗，缩短寿命，重则造成用电事故，直接影响安全生产。因此，采取措施，抑制以及消除这些电力公害是电力电子技术领域中一项重要的研究课题。一、电力电子装置带来的危害1．谐波“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。后来，由于高压直流输电技术和电力电子技术的发展，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注，国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。国际电气电子工程师协会(IEEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。我国政府也分别于1984年和1993年制定了限制谐波的有关规定。在电力电子装置中，整流器、逆变器和斩波器等都是由电力电子开关元件构成的电能变换装置。这些装置对于电网来说都是非线性负载，它们派生出的有害高次谐波电流“注入”电网,就造成了对电网的“谐波污染”。以单相桥式全控整流电路为例，可以看到,它做为一个感性负载,其电压和电流波形如图1所示。图中,α为控制角,ｕｓ和ｉｓ分别为变压器副边的电压和电流波形ｉｓ的波形为方波,其中含有大量的谐波成分,与正弦波形相差甚远，这种现象称为网侧电流发生畸变。第2页共12页吕颖[e-mail]中的基波有效值与交流电流的有效值的比值定义为畸变因数,表示电流波形含有高次谐波的程度,它的理想值为1。单相桥式全控整流电路的畸变因数小于三相桥式整流电路的畸变因数，即相数增加，畸变因数变大,谐波成分减少。而多相其它接线方式的畸变因数近似为1,这是因为其电路中的电流波形呈二阶梯波(六脉波)或三阶梯波(十二脉波)形状接近正弦波。2．谐波的危害理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，使用电设备所处的环境恶化。电力谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压。使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和（2）的危害大大增加。甚至引起严重事故。（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。第3页共12页吕颖[e-mail]3．对功率因数的影响在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。根据网侧功率因数定义：11)(conIIPFSS可知，整流装置的网侧功率因数总是小于1，即使基波电流与网侧电压是同相的；随着相控角的增大，网侧功率因数还将随之减小。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。但其输入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。无功功率的损耗对电力系统的影响主要有以下几个方面：（1）无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。（2）无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。（3）使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。二、改善措施1谐波抑制为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波；另一条是对电力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波。1．1谐波补偿1．1．1无源电力滤波器传统的谐波补偿装置是采用LC调谐滤波器（无源电力滤波器），它既可补偿谐波，又第4页共12页吕颖[e-mail]可补偿无功功率。无源电力滤波器（PassiveFilter，缩写为PF）由于其结构简单、运行可靠、维护方便，因此被广泛地用来就近吸收谐波源所产生的谐波电流,降低供电点的谐波电压。无源电力滤波器一般由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成,运行中它和谐波源并联，除起滤波作用外还兼顾无功补偿的需要。如图2所示。其缺点是，补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，效果也不够理想。但这种补偿装置结构简单，目前仍被广泛应用。1．1．2有源电力滤波器电力电子器件普及应用之后，运用有源电力滤波器(ActivePowerFilter,缩写为APF)进行谐波补偿成为重要方向。第5页共12页吕颖[e-mail]这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。它已得到人们的重视，并将逐步推广应用。有源电力滤波器的基本原理是实时检测电网谐波,利用可控电力电子器件产生与之大小相等、相位相反的电流,注入电网,从而达到实时补偿谐波电流的目的。因此有源电力滤波器从理论上讲可以产生任意波形的电流。如图3所示。与传统的无源滤波器一样,有源电力滤波器也是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无究大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络。根据APF与系统的连接方式可将APF分为并联型APF、串联型APF、混合型APF。并联型APF如图4所示。APF通过检测负荷电流,产生与负荷谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流注入电网,从而抵消负荷谐波电流,使电源侧电流接近正弦波。因此,并联型APF可以看成是一个谐波电流发生器,相当于一个受控电流源与负荷并联。所以，并联型APF适合补偿电流型谐波源。串联型APF如图5所示。串联APF通过一个耦合变压器连接到配电网中,检测电源电压,产生与电源谐波电压大小相等、相位相反的谐波电压,从而使负荷端电压接近正弦波。串联型APF相当于受控电压源,以电压源的方式补偿电网中存在的暂态或稳态电压畸变。因此,串联型APF适合于补偿电压型谐波源。在某些情况下,并联、串联有源电力滤波器以及无源滤波器的组合方案可以满足多种补第6页共12页吕颖[e-mail]偿要求。1．2另一种方法是改革变流器的工作机理，抑制谐波。1．2．1多重化技术大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术，将多个方波叠加以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦，但电路结构越复杂。其中，整流器的多重化是将几个桥式整流电路多重联结以减少输入电流谐波，并采用自换相整流电路以提高位移因数。多重化也可用于二极管整流电路，如电容滤波二极管整流电路。从电压的角度，可以利用双绕组变压器通过移相叠加，形成多阶梯的输出电压波形；也可以采用双绕组变压器和三绕组变压器相结合的办法，通过“曲折连接”来达到增大容量消除谐波的目的。图6为基于多重化逆变器的直流侧电路的变压器曲折连接图。1．2．2PWM整流技术几千瓦到几百千瓦的高功率因数变流器主要采用PWM整流技术。它直接对整流桥上各电力电子器件进行正弦PWM控制，使得输入电流接近正弦波，其相位与电源相电压相位相同。这样，输入电流中就只含与开关频率有关的高次谐波，这些谐波次数高，容易滤除，同时也使功率因数接近1。如图7，为了便于分析整流器，我们将其逆变器等效为一个电阻Z0和一个电动势EL相串联。第7页共12页吕颖[e-mail]得到PWM整流器的通用数学模型：BEAXXZ.TLEEEEVVVE),,,(321TdVIIIX),,,(321第8页共12页吕颖[e-mail]公式中没有对开关函数d加任何限制，可以普遍的应用于各种PWM开关方案。采用PWM整流器作为AC／DC变换的PWM逆变器，就是所谓的双PWM变频器。它具有输入电压、电流频率固定，波形均为正弦，功率因数接近1，输出电压、电流频率可变，电流波形也为正弦的特点。这种变频器可实现四象限运行，从而达到能量的双向传送。1．2．3PWM斩波小容量变流器为了实现低谐波和高功率因数，一般采用二极管整流加PWM斩波，常称之为功率因数校正(PEC)。典型的电路有升压型、降压型、升降压型等。采用IGBT的交流斩波器如图8所示，其输入和输出均为正弦交流电压，且输出电压还可通过改变栅极控制脉冲的占空比来调节。2．功率因数补偿2．1同步调相机功率因数补偿早期的方法是采用同步调相机，它是专门用来产生无功功率的同步电机，利用过励磁和欠励磁分别发出不同大小的容性或感性无功功率。然而，由于它是旋转电机，噪声和损耗都较大，运行维护也复杂，响应速度慢，因此，在很多情况下已无法适应快速无功功率补偿的要求。2．2静止无功补偿器另一种方法是采用饱和电抗器的静止无功补偿装置。它具有静止型和响应速度快的优第9页共12页吕颖[e-mail]点，但由于其铁心需磁化到饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负载的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。2．3静止无功发生器随着电力电子技术的不断发展，使用SCR、GTO和IGBT等的静止无功补偿装置得到了长足发展，其中以静止无功发生器最为优越。它具有调节速度快、运行范围宽的优点，而且在采取