電力電子裝置的諧波危害及抑制方法

隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，電力電子裝置越來(lái)越多地應(yīng)用于冶金、化工、煤炭和運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域，已成為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)設(shè)備。然而，隨著這些電力電子裝置的廣泛應(yīng)用，將大量的諧波和無(wú)功功率注入電網(wǎng)，使電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降，引起“電網(wǎng)污染”問(wèn)題，這已成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙之一。因此，認(rèn)識(shí)和分析電力電子裝置諧波產(chǎn)生的原因及其危害，探討綜合治理的方法，抑制諧波污染，提高電網(wǎng)功率因數(shù)已成為電力電子技術(shù)中的一個(gè)重大研究課題。

諧波的危害

電網(wǎng)中日益嚴(yán)重的諧波污染常常對(duì)設(shè)備的工作產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，其危害一般表現(xiàn)為：

1)諧波電流使輸電電纜損耗增大，輸電能力降低，絕緣加速老化，泄漏電流增大，嚴(yán)重的甚至引起放電擊穿。

2)使電動(dòng)機(jī)損耗增大，發(fā)熱增加，過(guò)載能力、壽命和效率降低，甚至造成設(shè)備損壞。

3)容易使電網(wǎng)與用作補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生諧振，造成過(guò)電壓或過(guò)電流，使電容器絕緣老化甚至燒壞。

4)諧波電流流過(guò)變壓器繞組，增大附加損耗，使繞組發(fā)熱，加速絕緣老化，并發(fā)出噪聲。

5)使大功率電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)受到干擾而影響正常工作。

6)影響電子設(shè)備的正常工作，如：使某些電氣測(cè)量?jī)x表受諧波的影響而造成誤差，導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，非整數(shù)和超低頻諧波會(huì)使一些視聽(tīng)設(shè)備受到影響，使計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制設(shè)備受到干擾而造成程序運(yùn)行不正常等。

電力電子裝置中的諧波產(chǎn)生

電網(wǎng)中的諧波主要是由各種大容量功率變換器以及其他非線性負(fù)載產(chǎn)生的，其中主要的諧波源是各種電力電子裝置，如整流裝置、交流調(diào)壓裝置等，這其中，整流裝置所占的比例最大，它幾乎都是采用帶電容濾波的二極管不控整流或晶閘管相控整流，它們產(chǎn)生的諧波污染和消耗的無(wú)功功率是眾所周知的;除整流裝置外，斬波和逆變裝置的應(yīng)用也很多，而其輸入直流電源也來(lái)自整流裝置，因此其諧波問(wèn)題也很?chē)?yán)重，尤其是由直流電壓源供電的斬波和逆變裝置，其直流電壓源大多是由二極管不控整流后經(jīng)電容濾波得到的，這類(lèi)裝置對(duì)電網(wǎng)的諧波污染日益突出。

諧波的抑制

為了抑制電網(wǎng)中的諧波，減小諧波的危害，在加強(qiáng)科學(xué)化、法制化管理的同時(shí)，要采取積極有效的技術(shù)措施，盡量減少電力電子設(shè)備的諧波含量，安裝有效的濾波裝置。

1.采取主動(dòng)措施，減少電力電子設(shè)備的諧波含量

減少諧波含量主要是從變流裝置本身出發(fā)，通過(guò)變流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和增加輔助控制策略來(lái)減少或消除諧波，目前采用的技術(shù)主要有：

1)多脈波變流技術(shù) 對(duì)于大功率電力電子裝置，常將原來(lái)6脈波的變流器設(shè)計(jì)成12脈波或24脈波變流器，以減少交流側(cè)的諧波電流含量。

2)脈寬調(diào)制技術(shù) 其基本思想是控制PWM輸出波形的各個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)刻，保證四分之一波形的對(duì)稱性。使需要消除的諧波幅值為零，基波幅值為給定量，達(dá)到消除指定諧波和控制基波幅值的目的。

3)多電平變流技術(shù) 針對(duì)各種電力電子變流器采用移相多重法、順序控制和非對(duì)稱控制多重化等方法，將方波電流或電壓疊加，使得變流器在交流電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的電流或電壓為接近正弦的階梯波，且與電源電壓保持一定的相位關(guān)系。

2.安裝電力濾波器，提高濾波性能

(1)無(wú)源電力濾波器

無(wú)源電力濾波器(PPF)即利用電容和電抗器組成LC調(diào)諧電路，在系統(tǒng)中能夠?yàn)橹C波提供并聯(lián)低阻通路，起到濾波作用;同時(shí)，利用電容還能補(bǔ)償無(wú)功功率，改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造價(jià)低，運(yùn)行損耗小以及技術(shù)要求不高等特點(diǎn)，PPF成為改善電能質(zhì)量的最常見(jiàn)設(shè)備。但由于結(jié)構(gòu)和原理上的原因，使用無(wú)源濾波裝置來(lái)解決諧波問(wèn)題也存在一些難以克服的缺點(diǎn)，如：只能濾除特定次諧波，諧波補(bǔ)償頻帶較窄，過(guò)載能力小，對(duì)系統(tǒng)阻抗和頻率變化的適應(yīng)性較差，穩(wěn)定性較差，體積大，損耗大等。

(2)有源電力濾波器

圖l為有源濾波器(APF)的原理框圖。它通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)中的諧波電流，然后控制逆變電路產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流分量并注入電網(wǎng)，以達(dá)到消除諧波的目的。APF按與系統(tǒng)的連接方式不同可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串—并聯(lián)混合型。并聯(lián)型APF主要適用于感性電流源負(fù)載的諧波補(bǔ)償，串聯(lián)型APF主要用于消除帶電容的二極管整流電路等電壓型諧波源負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，串—并聯(lián)型APF兼有串、并聯(lián)APF的功能。

APF濾波特性不受系統(tǒng)阻抗影響，不會(huì)與電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生串聯(lián)和并聯(lián)諧振的現(xiàn)象，且對(duì)外電路的諧振具有阻尼的作用。此外，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性，不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制電壓閃變，補(bǔ)償無(wú)功電流，性價(jià)比較為合理。另外，APF具有自適應(yīng)功能，能對(duì)幅值和頻率變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行自動(dòng)跟蹤，實(shí)時(shí)補(bǔ)償。

(3)混合型電力濾波器

混合型電力濾波器將無(wú)源濾波器與有源濾波器組合起來(lái)，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中有源濾波器不直接承受電網(wǎng)電壓和負(fù)載的基波電流，僅起負(fù)載電流和電網(wǎng)電壓的高次諧波隔離器的作用，因而有源濾波器的容量可以設(shè)計(jì)得較小，利用串聯(lián)的有源濾波器增加高次諧波阻抗而對(duì)基波無(wú)影響的特性，可以改善無(wú)源濾波器的濾波效果，防止與電網(wǎng)之間發(fā)生諧振，但其缺陷是有源濾波器的性能很大程度上決定于電流互感器的特性。因此，又有人提出一種新型混合有源電力濾波器方案，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。它采用開(kāi)關(guān)頻率較低的IGBT構(gòu)成的逆變器來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償，由開(kāi)關(guān)頻率高，耐壓較低的MOSFET構(gòu)成的逆變器進(jìn)行諧波電流補(bǔ)償，高頻逆變器的輸出側(cè)采用變壓器隔離，可消除大部分干擾。

日益嚴(yán)重的諧波污染已引起各方面的高度重視。隨著對(duì)諧波現(xiàn)象的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，將會(huì)找到更加有效的方法抑制和消除諧波，同時(shí)也有助于制定更加合理的諧波管理標(biāo)準(zhǔn)。為了更好地達(dá)到抑制諧波的效果，對(duì)不同的諧波源負(fù)載應(yīng)該采用相應(yīng)結(jié)構(gòu)的濾波裝置，如級(jí)聯(lián)型大功率APF、基于DSP的智能型APF等的研究都標(biāo)志著低損耗、大功率、高頻率、智能化的APF是其發(fā)展方向。

隨著諧波污染綜合治理工作的逐步深入，電力電子技術(shù)的推廣和應(yīng)用必將有更加廣闊的前景。