【文章內(nèi)容簡介】 對稱和三相觸發(fā)脈沖不對稱等等，整流電路的交流側(cè)除了產(chǎn)生特征諧波為還會產(chǎn)生非特征波。三上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 有源電力濾波器的設(shè)計(jì) 25 相電壓不對稱，或負(fù)載不對稱時，直流側(cè)的電流將含有 2 次諧波，而交流側(cè)的電流將含有相當(dāng)大的 3 次諧波。當(dāng)觸發(fā)脈沖不對稱時，交流側(cè)電流將包含直流分量，基波分量及全部奇次和偶此諧波分量。特別是，如果同一相兩個晶閘管的觸發(fā)延遲角不相等時，則改相電流中含有直 流分量。直流分量的存在將會引起整流變壓器的飽和，從而引起新的諧波。 含有電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源 這一類設(shè)備主要有旋轉(zhuǎn)電機(jī)，電弧爐，交流電焊機(jī)及日光燈等。說到旋轉(zhuǎn)電機(jī)，其可以分為發(fā)電機(jī)和電動機(jī)兩大類。它們是電力系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛的電力設(shè)備。發(fā)電機(jī)是公用電網(wǎng)的電源，以發(fā)電機(jī)為例，在理想情況下，當(dāng)發(fā)電機(jī)勵磁繞組通以直流電流時，定子繞組中將感應(yīng)出正弦電勢，發(fā)電機(jī)輸出電壓波形為正弦波 [11] 。而在實(shí)際應(yīng)用的電機(jī)中，由于磁極不平衡，繞組不平衡以及鐵芯飽和等原因，磁極磁場并非完全按照正弦規(guī)律分布，因此 感應(yīng)電勢不是理想的正弦波，包含一定的諧波，這種諧波電勢的頻率和幅值取決于發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作情況。在進(jìn)行發(fā)電機(jī)設(shè)計(jì)時，通常會采取削弱諧波電勢的措施保證輸出電壓的諧波含量較低。根據(jù)國際電工委員會規(guī)定，發(fā)電機(jī)的端電壓波形再任何瞬間與其基波波形之差不得大于基波幅值的 5%。 而變壓器之類的設(shè)別主要有電力變壓器，鐵芯電抗器等。變壓器廣泛存在于各級電網(wǎng)中，用以聯(lián)系不同電壓等級的電網(wǎng)，其容量遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的最大負(fù)荷。但是由于鐵芯的非線性，必然造成勵磁電流波形畸變并產(chǎn)生高次諧波。對于三相變壓器而言，鐵芯結(jié)構(gòu)，變壓器接線方式都對勵 磁電流的畸變有很大影響。若變壓器有一側(cè)采用三角形接線，則 3k 次諧波電流上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 有源電力濾波器的設(shè)計(jì) 26 只在回路中流通，不留入公用電網(wǎng)，而流入電網(wǎng)的只是 6k+1 次諧波 [12] 。若變壓器沒有三角形接線，這時由于磁化曲線的非線性就會在磁通中產(chǎn)生3k 次諧波，使磁通變?yōu)槠巾敳?。在三柱變壓器中磁動勢里各相?3K 次諧波是同相位的，因此這些諧波磁通的路徑必須是空氣，油和變壓器外殼構(gòu)成的回路。二者路徑磁阻很大，使 3k 次諧波的磁通僅為獨(dú)立鐵芯時 10%左右 [7] 。因此磁通和電動勢仍接近正弦波。 電弧爐利用其電極和爐料之間產(chǎn)生的電弧的熱量冶煉金屬，是鋼鐵產(chǎn)業(yè) 的重要設(shè)備。其諧波頻率分布范圍主要在 到 30 赫茲之間。電弧爐冶煉過程分為兩個階段，即熔化期和精煉期。在不同的工作狀況下諧波電流情況變化很大。在熔化期，相當(dāng)多的爐內(nèi)填料尚未熔化而呈塊狀固體，電弧阻抗極不穩(wěn)定。這種不穩(wěn)定的短路狀態(tài)使得熔化期的電流波形變化極快，實(shí)際上，沒半個工頻周期的波形都不相同。在熔化期以及熔化的不穩(wěn)定階段，電流波形不規(guī)律，故諧波含量大，主要是第 2,3,4,5,6,7 次諧波電流。據(jù)西北研究院對某工業(yè)的電爐的實(shí)測，第 2,3,4,5 次諧波電流含有率常達(dá) 5%甚至以上，嚴(yán)重時可達(dá)到 20%以上 [13] 。隨著爐膛中熔化的鋼水液面的不斷上升，電弧液就越來越穩(wěn)定。在精煉器件由于電弧特性較穩(wěn)定，諧波電流較小。 電弧實(shí)際上運(yùn)行情況十分復(fù)雜，隨機(jī)性很強(qiáng)，目前文獻(xiàn)中對電弧爐產(chǎn)生諧波的原理分析都比較簡單。表 給出了不同資料所具有的電弧爐引起的諧波電流，表 為電弧電流諧波含有率。從數(shù)據(jù)上看 2 次， 3 次，5 次諧波最為嚴(yán)重。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 有源電力濾波器的設(shè)計(jì) 27 表１ .1 電弧爐引起的平均諧波電流 諧波次數(shù) 資料１ 資料２ ２ ３．１ ２．５ ３ ４．４ ４．１ ４ ０．５ ０．６ ５ ３．４ ３．３ ６ ０．７ ０．６ ７ ０．６ ０．７ ８ ０．７ ０．８ ９ ０．５ ０．６ 表 電弧爐電流諧波含有率 諧波次數(shù) 熔化期諧波含有率 精煉期諧波含有率 ２ ７．７ ７．７ ３ ５．８ ５．８ ４ ２．５ ２．５ ５ ４．２ ２．１ ６ ３．１ ３．１ 2 諧波的危害 在 20 世紀(jì) 70 年代以前，由于電力電子設(shè)備還未發(fā)展到廣泛的應(yīng)用，諧波造成的危害，未受到足夠的重視。隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展和電力電子設(shè)備的普及，使諧波對電網(wǎng)的污染日趨嚴(yán)重，從而引起人們對諧波危害的高度關(guān)注。諧波造 成的危害可以歸納為以下幾個方面。 諧波對電網(wǎng)的污染 理想的電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是頻率單一固定，電壓幅值在允許的范上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 有源電力濾波器的設(shè)計(jì) 28 圍內(nèi)。諧波對電網(wǎng)波形的污染使電網(wǎng)供電質(zhì)量惡化，使同一電網(wǎng)造成很大危害，有相當(dāng)部分是由于電網(wǎng)供電質(zhì)量惡化造成的。 諧波引發(fā)各種電力電子設(shè)備出現(xiàn)故障 諧波使系統(tǒng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，除降低了發(fā)電，輸配電和其他用電設(shè)備的效率以外，在三相四線制的電路中，由于大量的零序諧波電流，特別是 3 次諧波電流流過中線，會引起中線過熱，有引起火災(zāi)的危險(xiǎn)。另外，異常的過大的中線電流的增加，會導(dǎo)致 電網(wǎng)中線對地線的電壓突增，將危及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的安全。 諧波對于旋轉(zhuǎn)電動機(jī)來說，除了增加損耗和引起發(fā)熱以外，還會產(chǎn)生機(jī)械振動，噪聲和諧波過電壓，這對電動機(jī)的壽命造成嚴(yán)重的影響 [15] 。諧波電流流入變壓器，會增加變壓器的銅損和鐵損，引起變壓器的發(fā)熱。諧波還會是變壓器的噪聲增大。諧波電流流經(jīng)電力電纜，令電纜發(fā)生過熱，長期的過熱運(yùn)行將導(dǎo)致電纜的絕緣老化，甚至產(chǎn)生漏電和短路現(xiàn)象。 諧波引起諧振 為了補(bǔ)償無功功率和濾除諧波，常常需要并聯(lián)電容器，或者設(shè)置電容器和電感器組成的濾波器。由于諧波頻率高于工頻頻率，會使 系統(tǒng)的感抗增加而容抗減小，有可能產(chǎn)生 LC 諧振。諧振放大了諧振電流，使電容器或電感器燒毀。日本的資料表明，由于諧波引起諧振造成損壞的電氣設(shè)備中，電容器的損壞占 40%，電感器的損壞占 30%[16] 。 諧波造成繼電器誤動作，并影響電力測量 電力系統(tǒng)中的諧波將會使某些繼電器和漏電保護(hù)開關(guān)產(chǎn)生誤動作。諧波對電壓表，電流表和功率表等計(jì)量儀表的測量結(jié)果帶來直接影響，特別上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 有源電力濾波器的設(shè)計(jì) 29 是與收費(fèi)有關(guān)的計(jì)量儀表的計(jì)量誤差與人民的生活有著密切的關(guān)系。 諧波對 IT 設(shè)備的危害 在計(jì)算機(jī)房中，大量使用 PC，服務(wù)器，交換機(jī)等整流濾波 型非線性負(fù)載，他們向電網(wǎng)注入零序電流，使電網(wǎng)受到污染。反過來，電網(wǎng)的低功率因數(shù)會影響 IT 設(shè)別的正常運(yùn)行。 諧波干擾通信系統(tǒng) 電力系統(tǒng)傳輸功率可達(dá) MW 級，二通行系統(tǒng)的功率小到 mW 級，兩者如此大的功率級差，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中相對小的不平衡音頻諧波分量，一旦耦合到通信線路上，可能在通信系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的噪聲。若在同一電網(wǎng)中存在多個重點(diǎn)接地，當(dāng)有較大的零序諧波電流流過時，會嚴(yán)重干擾同一電網(wǎng)中的通信系統(tǒng)。噪聲將降低童話的清晰度，甚至引起信號的丟失。統(tǒng)計(jì)資料表明， 25 次以上的諧波分量達(dá)到一定的幅值，就會對通信系統(tǒng)產(chǎn)生 干擾，特別是與電力系統(tǒng)耦合精密和對諧波干擾敏感的通信系統(tǒng)，在諧波的干擾下，極易產(chǎn)生工作失常。為了減小諧波的危害，對諧波電壓和諧波電流允許值提出了要求 [24] 。具體見附錄中國際標(biāo)準(zhǔn)的公用電網(wǎng)諧波電壓限值和 諧波電流允許值。 3 諧波的抑制 諧波的抑制為專家和工程技術(shù)人員提出了一個重要的課題。一般來說，抑制諧波可以從兩個方面入手，一是減少諧波的產(chǎn)生，二是安裝諧波補(bǔ)償裝置。 電力電子裝置是電力系統(tǒng)中最重要的諧波源，而在電力電子裝置中，上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 有源電力濾波器的設(shè)計(jì) 30 整流器又占最大的比例。所以，可將整流器視為最主要的諧波源。減少諧波就是要是整流 器不產(chǎn)生諧波，并且功率因素達(dá)到 1[1]。這種整流器稱為高功率因素整流器。目前，高功率因素整流器多半采用 PWM 整流技術(shù)。 其中之一是 LC 調(diào)諧濾波器，它結(jié)構(gòu)簡單，既可以補(bǔ)償諧波，又可以補(bǔ)償無功功率。是一種應(yīng)用廣泛的諧波補(bǔ)償裝置。 LC 濾波器的作用是濾除高次諧波。一般情況下，單調(diào)諧波濾波器用于濾除某個奇次諧波，若要濾除幾個奇次諧波，則要相應(yīng)地用幾個單調(diào)諧濾波器的并聯(lián)，如果要濾除偶次諧波，則要采用偶此諧波濾波器，對于幅值較小的高次諧波，可以采用高通濾波器將其一并濾除。其缺點(diǎn)是只能對某一個固定頻率的諧波進(jìn)行補(bǔ)償，若要對 多次諧波進(jìn)行補(bǔ)償時，必須采用多個 LC 調(diào)諧濾波器，其結(jié)構(gòu)變得相當(dāng)復(fù)雜。另外， LC 調(diào)諧濾波器的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗的影響較大，極易與系統(tǒng)發(fā)生諧振，導(dǎo)致諧波電流放大，造成 LC 調(diào)諧濾波器被燒毀。 LC 濾波器通常又稱為無源濾波器。 提高短路容量比 SCR 也是一種方法，短路電容比 SCR 的定義為交流電網(wǎng)的短路容量 cS 與電網(wǎng)一側(cè)基波分量視在功率 LS1 之比，即 : LCSC SSR 1/? ?????????????????????????? （ ） 在整流器的設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)盡量選取較高的 SCR 值。表 給出了推薦的最小短路容量比 minscR 值。表中列出的 minscR 適用于低壓系統(tǒng)，對于中壓系統(tǒng)， minscR 為本表數(shù)值的三倍，對于高壓系統(tǒng)， minscR 為本表數(shù)值的 2倍。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 有源電力濾波器的設(shè)計(jì) 31 表３ .1 最小短路容量比 minSCR 畸變率 Ｐ =６ Ｐ =２ １．０ ２３１ １５０ １． ５ １５４ １００ ３．０ ７７ ５０ ５．０ ４６ ３０ ８．０ ２９ １９ １０．０ ２３ １５ 濾波裝置的每個濾波器都是獨(dú)立進(jìn)行設(shè)計(jì)的，在各個濾波器完成獨(dú)立設(shè)計(jì)后，必須考慮濾波器之間的相互影響。此時，需要第濾波器加于修正，在修正設(shè)計(jì)每個濾波器時，將所有濾波器的系統(tǒng)諧波阻抗綜合在一起作為總的系統(tǒng)諧波阻抗。，在確定濾波裝置的結(jié)構(gòu)時，應(yīng)事先知道諧波源的諧波次數(shù)。 第二種濾波裝置是有源電力濾波器，也是本文要重點(diǎn)介紹的濾波裝置，它由 VMOS,IGBT 等開關(guān)器件組成的，采取 PWM 控 制方式的諧波電流發(fā)生器，它可以產(chǎn)生幅值，相位和頻率均可變的諧波電流，用以抵消電網(wǎng)中相應(yīng)的諧波電流。另外，還可以用來補(bǔ)償電網(wǎng)的無功功率。有源電力濾波器的優(yōu)點(diǎn)是補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，并且對諧波分量實(shí)現(xiàn)跟蹤補(bǔ)償，在電力系統(tǒng)中被廣泛使用。 [22] 有源電力濾波器的工作原理 有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)原理如圖 所示。圖中 U 和 Z 分別為市電網(wǎng)電壓和負(fù)載，有源電力濾波器有電流檢測電路和 PWM主電路組成。電流上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 有源電力濾波器的設(shè)計(jì) 32 檢測電路的作用是檢測負(fù)載電流中的諧波分量和無功電流分量，主電路為雙向功率傳輸?shù)哪孀冸娐罚?PWM 為逆變電 路的控制電路， PWM主電路的作用是對負(fù)載電流中的諧波分量和無功電流分量進(jìn)行補(bǔ)償。 圖 有源電力濾波器的結(jié)構(gòu)原理圖 市電電網(wǎng)電流 SI 由有負(fù)載電流 LI 和補(bǔ)償電流 CI 兩部分組成，即 CLS III ?? ??????????????????????????? （ ） 由于 CI 跟蹤指令信號 *CI ,所以 CI = *CI ，那么 *CLS III ?? ??????????????????????????? （ ） 由于 CI 是檢測電路 從負(fù)載電流 LI 中檢測出的諧波電流分量 nI 和無功電流分量 qI 之和，即 qnc III ??* ?????????????????????????? （ ） 由于 nqPL IIII ??? ， pI 是基波分量。所以， PqnLS IIIII ???? )( 由此可知，有源電力濾波器抑制了諧波分量和對無功電流分量進(jìn)行了補(bǔ)償。根據(jù)逆變器在直流 所用的儲能元件的不同，有源電力濾波器可以分為上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 有源電力濾波器的設(shè)計(jì) 33 兩種類型，儲能元件為電容器時，為電壓型有源電力濾波器。他的優(yōu)點(diǎn)是效率高，是常采用的一種形式。儲能元件為電感器時，為電流型有源電力濾波器。由于儲能電感器中有電流流過，會產(chǎn)生較大的損耗，效率較低。 有源電力濾波器的主電路 一般情況下，電力系統(tǒng)的容量都比較大，單相逆變電路滿足不了要求，這就要求采用三相逆變器或疊加逆變器。 三相逆變器 有源電力濾波器多用于三相電力系統(tǒng)中。在供電系統(tǒng)中，多采用三相三線制有源電力濾波器。而在配電系統(tǒng)中，多采用三相四線制有源 電力濾波器。有源電力濾波器氛圍電壓型和電流型兩種。電壓型有源電力濾波器主電路如圖 所示。它采用電壓型 PWM 逆變器，其直流側(cè)并有大容量電容器，逆變器正常工作時電容器上的電壓基本保持不變，可以視為電壓源。電流型有源電力濾波器的主電路原理圖如圖 所示，它采用電流型 PWM逆變器，其直流側(cè)串有大電感量的電感器，逆變器正常工作時，流經(jīng)電感器的電流基本保持不變，可以視為電流源。由于電感器中始終有電流流過，產(chǎn)生較大的損耗，效率較低，從而影響了