电力电子装置的谐波危害及抑制

随着电力电子技术的快速发展，电力电子装置越来越多地应用于冶金、化工、煤炭和运输等诸多领域，已成为实现生产自动化的重要基础设备。然而，随着这些电力电子装置的广泛应用，将大量的谐波和无功功率注入电网，使电网的电能质量下降，引起“电网污染”问题，这已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍之一。因此，认识和分析电力电子装置谐波产生的原因及其危害，探讨综合治理的方法，抑制谐波污染，提高电网功率因数已成为电力电子技术中的一个重大研究课题。 谐波的危害 电网中日益严重的谐波污染常常对设备的工作产生严重的影响，其危害一般表现为： 1）谐波电流使输电电缆损耗增大，输电能力降低，绝缘加速老化，泄漏电流增大，严重的甚至引起放电击穿。 2）使电动机损耗增大，发热增加，过载能力、寿命和效率降低，甚至造成设备损坏。 3）容易使电网与用作补偿电网无功功率的并联电容器发生谐振，造成过电压或过电流，使电容器绝缘老化甚至烧坏。 4）谐波电流流过变压器绕组，增大附加损耗，使绕组发热，加速绝缘老化，并发出噪声。 5）使大功率电动机的励磁系统受到干扰而影响正常工作。 6）影响电子设备的正常工作，如：使某些电气测量仪表受谐波的影响而造成误差，导致继电保护和自动装置误动作，对邻近的通信系统产生干扰，非整数和超低频谐波会使一些视听设备受到影响，使计算机自动控制设备受到干扰而造成程序运行不正常等。 电力电子装置中的谐波产生 电网中的谐波主要是由各种大容量功率变换器以及其他非线性负载产生的，其中主要的谐波源是各种电力电子装置，如整流装置、交流调压装置等，这其中，整流装置所占的比例最大，它几乎都是采用带电容滤波的二极管不控整流或晶闸管相控整流，它们产生的谐波污染和消耗的无功功率是众所周知的；除整流装置外，斩波和逆变装置的应用也很多，而其输入直流电源也来自整流装置，因此其谐波问题也很严重，尤其是由直流电压源供电的斩波和逆变装置，其直流电压源大多是由二极管不控整流后经电容滤波得到的，这类装置对电网的谐波污染日益突出。 谐波的抑制 为了抑制电网中的谐波，减小谐波的危害，在加强科学化、法制化管理的同时，要采取积极有效的技术措施，尽量减少电力电子设备的谐波含量，安装有效的滤波装置。 1．采取主动措施，减少电力电子设备的谐波含量 减少谐波含量主要是从变流装置本身出发，通过变流装置的结构设计和增加辅助控制策略来减少或消除谐波，目前采用的技术主要有： 1）多脉波变流技术 对于大功率电力电子装置，常将原来6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波变流器，以减少交流侧的谐波电流含量。 2）脉宽调制技术 其基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性。使需要消除的谐波幅值为零，基波幅值为给定量，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的。 3）多电平变流技术 针对各种电力电子变流器采用移相多重法、顺序控制和非对称控制多重化等方法，将方波电流或电压叠加，使得变流器在交流电网侧产生的电流或电压为接近正弦的阶梯波，且与电源电压保持一定的相位关系。 2．安装电力滤波器，提高滤波性能 （1）无源电力滤波器 无源电力滤波器（PPF）即利用电容和电抗器组成LC调谐电路，在系统中能够为谐波提供并联低阻通路，起到滤波作用；同时，利用电容还能补偿无功功率，改善电网的功率因数。由于结构简单，造价低，运行损耗小以及技术要求不高等特点，PPF成为改善电能质量的最常见设备。但由于结构和原理上的原因，使用无源滤波装置来解决谐波问题也存在一些难以克服的缺点，如：只能滤除特定次谐波，谐波补偿频带较窄，过载能力小，对系统阻抗和频率变化的适应性较差，稳定性较差，体积大，损耗大等。 （2）有源电力滤波器 图l为有源滤波器（APF）的原理框图。它通过检测电网中的谐波电流，然后控制逆变电路产生相应的补偿电流分量并注入电网，以达到消除谐波的目的。APF按与系统的连接方式不同可分为串联型、并联型和串—并联混合型。并联型APF主要适用于感性电流源负载的谐波补偿，串联型APF主要用于消除带电容的二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的影响，串—并联型APF兼有串、并联APF的功能。 APF滤波特性不受系统阻抗影响，不会与电网阻抗产生串联和并联谐振的现象，且对外电路的谐振具有阻尼的作用。此外，APF具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制电压闪变，补偿无功电流，性价比较为合理。另外，APF具有自适应功能，能对幅值和频率变化的谐波以及变化的无功进行自动跟踪，实时补偿。 （3）混合型电力滤波器 混合型电力滤波器将无源滤波器与有源滤波器组合起来，其结构如图2所示。其中有源滤波器不直接承受电网电压和负载的基波电流，仅起负载电流和电网电压的高次谐波隔离器的作用，因而有源滤波器的容量可以设计得较小，利用串联的有源滤波器增加高次谐波阻抗而对基波无影响的特性，可以改善无源滤波器的滤波效果，防止与电网之间发生谐振，但其缺陷是有源滤波器的性能很大程度上决定于电流互感器的特性。因此，又有人提出一种新型混合有源电力滤波器方案，其结构如图3所示。它采用开关频率较低的IGBT构成的逆变器来进行无功补偿，由开关频率高，耐压较低的MOSFET构成的逆变器进行谐波电流补偿，高频逆变器的输出侧采用变压器隔离，可消除大部分干扰。 日益严重的谐波污染已引起各方面的高度重视。随着对谐波现象的进一步认识，将会找到更加有效的方法抑制和消除谐波，同时也有助于制定更加合理的谐波管理标准。为了更好地达到抑制谐波的效果，对不同的谐波源负载应该采用相应结构的滤波装置，如级联型大功率APF、基于DSP的智能型APF等的研究都标志着低损耗、大功率、高频率、智能化的APF是其发展方向。 随着谐波污染综合治理工作的逐步深入，电力电子技术的推广和应用必将有更加广阔的前景。