主頁 > 技術(shù)文章 > 關(guān)于電力電子裝置諧波治理問題的綜述 2021-10-13

關(guān)于電力電子裝置諧波治理問題的綜述

摘要：電能是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的主要能源和動力，也是現(xiàn)代國民經(jīng)濟生活不可或缺的重要能源，工業(yè)用電在整個國民經(jīng)濟用電量中約占70%以上，電能質(zhì)量直接關(guān)系到國民經(jīng)濟的總體效益。改善電能質(zhì)量對于電網(wǎng)和電器設(shè)備的安全、經(jīng)濟運行，保障產(chǎn)品質(zhì)量以及人民生產(chǎn)生活的正常運行等均有重要意義。隨著非線性負(fù)載在電網(wǎng)中應(yīng)用的不斷增加，給電網(wǎng)造成的諧波污染日益嚴(yán)重，已成為影響電能質(zhì)量的重要因素之一。從電能質(zhì)量的角度考慮，深入研究治理諧波的途徑，使其在我國盡早滿足實際需要，已成為當(dāng)務(wù)之急。本文首先介紹了諧波污染情況及其嚴(yán)重的危害性，并對電力系統(tǒng)諧波污染問題、電能質(zhì)量現(xiàn)狀、諧波對電力系統(tǒng)的危害及治理諧波的途徑加以論述。有源濾波器與無源濾波器相比，具有濾波特性好，受電網(wǎng)阻抗影響小，可同時補償諧波和無功等優(yōu)點，將在治理電網(wǎng)諧波方面發(fā)揮重要作用。對我國諧波治理和發(fā)展有源濾波器技術(shù)提出幾點看法。
一、電力電子裝置諧波治理問題的綜述：
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的廣泛應(yīng)用給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染。各種電力電子設(shè)備在運輸、冶金、化工等諸多工業(yè)交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使電網(wǎng)中的諧波問題日益嚴(yán)重，許多低功率因數(shù)的電力電子裝置給電網(wǎng)帶來額外負(fù)擔(dān)并影響供電質(zhì)量，因此，電力電子裝置的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展重大障礙。故抑制諧波污染，提高功率因數(shù)的研究已成為電力電子技術(shù)中的一個重大課題。本文圍繞這一關(guān)鍵問題，通過對電力電子諧波源及其危害的認(rèn)識和分析，從污染和防治的關(guān)系考慮，探討了綜合治理的方法，最后對諧波綜合治理的發(fā)展趨勢進行了展望。
1、電力電子裝置——最主要的諧波源：
非線性負(fù)荷是個諧波源，它引起電網(wǎng)電壓畸變，使電壓中帶有整數(shù)倍基波頻率的分量。作為最主要的諧波源的電力電子裝置主要為各種交直流變流裝置(整流器、逆變器、斬波器、變頻器)以及雙向晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等，另外還有電力系統(tǒng)內(nèi)部的變流設(shè)備，如直流輸電的整流閥和逆變閥等。下面對其產(chǎn)生的諧波情況作一分析。
1.1 整流器 1.3 頻率變換器 4)會導(dǎo)致繼電保護和電力電子自動裝置誤動作，并使電氣測量儀表計量不準(zhǔn)確; ——多脈波變流技術(shù)大功率電力電子裝置常將原來6脈波的變流器設(shè)計成12脈波或24脈波變流器以減少交流側(cè)的諧波電流含量。理論上講，脈波越多，對諧波的抑制效果愈好，但是脈波數(shù)越多整流變壓器的結(jié)構(gòu)越復(fù)雜，體積越大，變流器的控制和保護變得困難，成本增加。串-并聯(lián)型APF又稱為電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)[3]，它具有串、并聯(lián)APF的功能，可解決配電系統(tǒng)發(fā)生的絕大多數(shù)電能質(zhì)量問題，性價比較高。雖然目前還處于試驗階段，但從長遠的角度看，它將是一種很有發(fā)展前途的有源濾波裝置。
作為直流電源裝置，整流器廣泛應(yīng)用于各種場合。在整流裝置中，交流電源的電流為矩形波，該矩形波為工頻基波電流和為工頻基波奇數(shù)倍的高次諧波電流的合成波形。由傅氏級數(shù)求得矩形波中的高次諧波分量In與基波分量I1之比最大為1/n，隨著觸發(fā)控制角α的減小和換相重疊角μ的增大，諧波分量有減小的趨勢。
此外，現(xiàn)有電力電子裝置研究結(jié)果表明：整流器的運行模式對諧波電流的大小也有直接的影響，因此在考慮調(diào)整整流電壓電流時，最好要進行重疊角、換相壓降以及諧波測算，以便確定安全、經(jīng)濟的運行方式;當(dāng)控制角α接近40°，重疊角μ在8°左右時的情況往往是諧波最嚴(yán)重的狀態(tài)，所以要經(jīng)過計算，盡量通過正確選擇調(diào)壓變壓器抽頭，避開諧波最嚴(yán)重點。
1.2 電力電子裝置中交流調(diào)壓器：
交流調(diào)壓器多用于照明調(diào)光和感應(yīng)電動機調(diào)速等場合。分別為其單相和三相的典型電路。交流調(diào)壓器產(chǎn)生的諧波次數(shù)與整流器基本相同。頻率變換器是AC/AC變換器的代表設(shè)備，當(dāng)用作電動機的調(diào)速裝置時，它含有隨輸出頻率變化的邊頻帶，由于頻率連續(xù)變化，出現(xiàn)的諧波含量比較復(fù)雜。
1.4 電力電子裝置中通用變頻器：
通用變頻器的輸入電路通常由二極管全橋整流電路和直流側(cè)電容器所組成，這種電路的輸入電流波形隨阻抗的不同相差很大。在電源阻抗比較小的情況下，其波形為窄而高的瘦長型波形，反之，當(dāng)電源阻抗比較大時，其波形為矮而寬的扁平型波形，除了上述典型變流裝置會產(chǎn)生大量的諧波以外，家用電器也是不可忽視的諧波源。例如電視機、電池充電器等。雖然它們單個的容量不大,但由于數(shù)量很多,因此它們給供電系統(tǒng)注入的諧波分量也不容忽視。
二、電力電子裝置諧波的危害：
諧波對公用電網(wǎng)的危害主要包括：
1)使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸變電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線時，會引起線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi);
2)影響各種電氣設(shè)備的正常工作，除了引起附加損耗外，還可使電機產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞;
3)會引起公用電網(wǎng)中局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使前述的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故;
5)會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。
三、諧波的綜合治理：
目前，我國電力系統(tǒng)對諧波的管理呈現(xiàn)“先污染，后治理”的被動局面，所以如何綜合治理已經(jīng)成為一個迫在眉睫的研究課題。關(guān)于“綜合”的內(nèi)涵，有人認(rèn)為用范圍廣泛、普遍推廣來描述;也有人認(rèn)為用集合的、一體化的來表述更實際;筆者認(rèn)為綜合治理的工作應(yīng)包含以下兩方面:
——加強科學(xué)化、法制化管理，——采取有效技術(shù)措施防范和抑制諧波。
3.1 加強科學(xué)化、法制化管理，主要從兩個方面加強管理：
——普遍采用具有法律約束和經(jīng)濟約束的手段，改變先污染后治理的被動局面，即應(yīng)該嚴(yán)格按照各類電力設(shè)備、電力電子設(shè)備的技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的諧波含量指標(biāo)，對其進行評定，如果超過國家規(guī)定的指標(biāo)，不得出廠和投入電力系統(tǒng)使用;
——供電部門應(yīng)從全局出發(fā)，全面規(guī)劃，采取有力措施加強技術(shù)監(jiān)督與管理，一方面審核尚待投入負(fù)荷的諧波水平，另一方面對已投運的諧波源負(fù)載，要求用戶加裝濾波裝置。
3.2 采取有效的技術(shù)措施
目前解決電力電子設(shè)備諧波污染的主要技術(shù)途徑有兩條：
——主動型諧波抑制方案即對電力電子裝置本身進行改進,使其不產(chǎn)生諧波,或根據(jù)需要對其功率因數(shù)進行控制;
——被動型諧波抑制方案即諧波負(fù)載本身不加改變，而是在電力系統(tǒng)或諧波負(fù)載的交流側(cè)加裝無源濾波器(PF)、有源濾波器(APF)或者混合濾波器(HAPF)等裝置，通過外加設(shè)備對電網(wǎng)實施諧波補償。
3.2.1 主動型諧波抑制方案
主要是從變流裝置本身出發(fā)，通過變流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和增加輔助控制策略來減少或消除諧波，目前采用的技術(shù)主要有一下幾個方面。
——脈寬調(diào)制技術(shù)脈寬調(diào)制技術(shù)的基本思想是控制PWM輸出波形的各個轉(zhuǎn)換時刻，保證四分之一波形的對稱性。根據(jù)輸出波形的傅立葉級數(shù)展開式，使需要消除的諧波幅值為零、基波幅值為給定量，達到消除指定諧波和控制基波幅值的目的，目前采用的PWM技術(shù)有最優(yōu)脈寬調(diào)制、改進正弦脈寬調(diào)制、Δ調(diào)制、跟蹤型PWM調(diào)制和自適應(yīng)PWM控制等。
——多電平變流技術(shù)針對各種電力電子變流器(對于電壓型的變流器必須用聯(lián)接電感與交流電源相連)，采用移相多重法、順序控制和非對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。
——功率因數(shù)預(yù)調(diào)整器在電力電子裝置中加入高功率因數(shù)預(yù)調(diào)整器，在預(yù)調(diào)整器的直流側(cè)通過DC/DC變換控制入端電流，保證電力電子裝置從電網(wǎng)中獲取的電流為正弦電流并與電網(wǎng)電壓同相。此方法控制簡單，可同時消除高次諧波和補償無功電流，使電力電子裝置輸入端的功率因數(shù)接近1。
主動型諧波抑制方案的主要問題在于成本高、效率低。同時，電力電子系統(tǒng)中很高的開關(guān)頻率使PWM載波信號產(chǎn)生高次諧波，還會導(dǎo)致高電平的傳導(dǎo)和輻射干擾。因此在設(shè)計主動型諧波抑制方案時，必須用EMI濾波器將高次諧波信號從系統(tǒng)中濾除，防止它們作為傳導(dǎo)干擾進入電網(wǎng);還要利用屏蔽防止它們作為輻射干擾進入自由空間，對空間產(chǎn)生電磁污染。所以對于較大功率的電
力電子裝置，一般除了采用主動型諧波抑制方法以外，還要輔以無源或有源濾波器加以抑制高次諧波。
3.2.2 被動型諧波抑制方案：
——無源濾波器(PF)無源濾波器通常采用電力電容器、電抗器和電阻器按功能要求適當(dāng)組合，在系統(tǒng)中為諧波提供并聯(lián)低阻通路，起到濾波作用。無源濾波器的優(yōu)點是投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便，因此無源濾波是目前廣泛采用的抑制諧波及進行無功補償?shù)闹饕侄�。無源濾波器的缺點在于其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定，只能消除特定的幾次諧波，而對其它次諧波會產(chǎn)生放大作用，在特定情況下可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振;諧波電流增大時濾波器負(fù)擔(dān)隨之加重，可能造成濾波器過載;有效材料消耗多，體積大。APF按與系統(tǒng)連接方式分類,可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型、混合型和串-并聯(lián)型。并聯(lián)型APF可等效為一受控電流源，主要適用于感性電流源負(fù)載的諧波補償。它能對諧波和無功電流進行動態(tài)補償，并且補償特性不受電網(wǎng)阻抗影響。目前這類APF技術(shù)已相當(dāng)成熟，大多數(shù)工業(yè)運行的APF多屬此類濾波器。串聯(lián)型APF可等效為一受控電壓源，主要用于消除帶電容濾波的二極管整流電路等電壓型諧波源負(fù)載對系統(tǒng)的影響，以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動對敏感負(fù)載的影響。由于此類APF中流過的電流為非線性負(fù)載電流，因此損耗較大;此外串聯(lián)APF的投切、故障后的退出等各種保護也較并聯(lián)APF復(fù)雜，所以目前單獨使用此類APF的案例較少，國內(nèi)外的研究多集中在其與LC無源濾波器構(gòu)成的混合型APF上。
混合型APF就是將常規(guī)APF上承受的基波電壓移去，使有源裝置只承受諧波電壓，從而可顯著降低有源裝置的容量，達到降低成本、提高效率的目的。其中LC濾波器用來消除高次諧波，APF用來補償?shù)痛沃C波分量。
四、電力電子裝置諧波綜合治理的展望：
日益嚴(yán)重的諧波污染已引起各方面的高度重視。隨著對諧波產(chǎn)生的機理、諧波現(xiàn)象的進一步認(rèn)識，將會找到更加有效的方法抑制和消除諧波，同時也有助于制定更加合理的諧波管理標(biāo)準(zhǔn)。加大對諧波研究的投入將會大大加快對諧波問題的解決，當(dāng)然諧波問題的最終解決將取決于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，特別是電力電子技術(shù)的發(fā)展。隨著國民經(jīng)濟、諧波抑制技術(shù)的進一步發(fā)展、法制的進一步完善和對高效利用能源要求的增強，電力電子裝置諧波治理問題最終將會得到妥善的解決。
五、結(jié)語：
諧波的綜合治理工作勢在必行。消除電力電子裝置諧波污染的工作，可稱之為電力電子技術(shù)應(yīng)用的“綠色工程”。電力電子技術(shù)的發(fā)展必須和這個工程同步，這樣才能為高效、低污染地利用電能開辟重要途徑，隨著國民經(jīng)濟，抑制諧波，法律制度，進一步完善和加強高效利用的能源需求的進一步發(fā)展，諧波治理問題終將得到妥善解決。同時,電力電子技術(shù)的推廣和利用才能有更為廣闊的發(fā)展前景。

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