【正文】 注入電路 除利用疊加主電路來提高有源電力濾波器的容量以外，還有一種有效的方式，那就是注入電路。當(dāng)三相逆變器的開關(guān)頻率較低時(shí)，在三相逆變器之間會(huì)產(chǎn)生較大環(huán)流，接入平衡電抗器可以抑制環(huán)流。這種主電路疊加方式比較簡單，容易實(shí)現(xiàn)，應(yīng)用廣泛。開關(guān)管開關(guān)頻率降低，會(huì)減小開關(guān)損耗，提高逆變效率。 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) 34 圖 電壓型有源電力濾波器主電路的電路原理圖 圖 電流型有源電力濾波器主電路的原理圖 疊加逆變器 在大容量的有源電力濾波器中，一個(gè)三相逆變器滿足不了大容量的要求，可采用疊加主電路的方法來擴(kuò)容 [8]。本文中考慮到濾波器的實(shí)用性和使用的廣泛度，設(shè)計(jì)的是電壓型有源電力濾波器。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，從而影響了電流型有源電力濾波器的推廣使用。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(shí)電容器上的電壓基本保持不變，可以視為電壓源。有源電力濾波器氛圍電壓型和電流型兩種。在供電系統(tǒng)中，多采用三相三線制有源電力濾波器。 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。儲(chǔ)能元件為電感器時(shí)，為電流型有源電力濾波器。根據(jù)逆變器在直流 所用的儲(chǔ)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(chǔ)能元件為電容器時(shí)，為電壓型有源電力濾波器。 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(hào) *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。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。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(duì)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。 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。此時(shí)，需要第濾波器加于修正，在修正設(shè)計(jì)每個(gè)濾波器時(shí)，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。表中列出的 minscR 適用于低壓系統(tǒng)，對(duì)于中壓系統(tǒng)， minscR 為本表數(shù)值的三倍，對(duì)于高壓系統(tǒng)， minscR 為本表數(shù)值的 2倍。 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。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。一般情況下，單調(diào)諧波濾波器用于濾除某個(gè)奇次諧波，若要濾除幾個(gè)奇次諧波，則要相應(yīng)地用幾個(gè)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(duì)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。是一種應(yīng)用廣泛的諧波補(bǔ)償裝置。目前，高功率因素整流器多半采用 PWM 整流技術(shù)。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]。 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。 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(gè)重要的課題。為了減小諧波的危害，對(duì)諧波電壓和諧波電流允許值提出了要求 [24] 。噪聲將降低童話的清晰度，甚至引起信號(hào)的丟失。 諧波干擾通信系統(tǒng) 電力系統(tǒng)傳輸功率可達(dá) MW 級(jí)，二通行系統(tǒng)的功率小到 mW 級(jí)，兩者如此大的功率級(jí)差，導(dǎo)致電力系統(tǒng)中相對(duì)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。 諧波對(duì) 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。 諧波造成繼電器誤動(dòng)作，并影響電力測量 電力系統(tǒng)中的諧波將會(huì)使某些繼電器和漏電保護(hù)開關(guān)產(chǎn)生誤動(dòng)作。諧振放大了諧振電流，使電容器或電感器燒毀。 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。諧波還會(huì)是變壓器的噪聲增大。 諧波對(duì)于旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)來說，除了增加損耗和引起發(fā)熱以外，還會(huì)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)，噪聲和諧波過電壓，這對(duì)電動(dòng)機(jī)的壽命造成嚴(yán)重的影響 [15] 。 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(huì)引起中線過熱，有引起火災(zāi)的危險(xiǎn)。 諧波對(duì)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)。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(duì)電網(wǎng)的污染日趨嚴(yán)重，從而引起人們對(duì)諧波危害的高度關(guān)注。從數(shù)據(jù)上看 2 次， 3 次，5 次諧波最為嚴(yán)重。 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(duì)電弧爐產(chǎn)生諧波的原理分析都比較簡單。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。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。電弧爐冶煉過程分為兩個(gè)階段，即熔化期和精煉期。 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。二者路徑磁阻很大，使 3k 次諧波的磁通僅為獨(dú)立鐵芯時(shí) 10%左右 [7] 。若變壓器沒有三角形接線，這時(shí)由于磁化曲線的非線性就會(huì)在磁通中產(chǎn)生3k 次諧波，使磁通變?yōu)槠巾敳ā?duì)于三相變壓器而言，鐵芯結(jié)構(gòu)，變壓器接線方式都對(duì)勵(lì) 磁電流的畸變有很大影響。變壓器廣泛存在于各級(jí)電網(wǎng)中，用以聯(lián)系不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)，其容量遠(yuǎn)大于系統(tǒng)的最大負(fù)荷。根據(jù)國際電工委員會(huì)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。它們是電力系統(tǒng)中應(yīng)用十分廣泛的電力設(shè)備。 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。特別是，如果同一相兩個(gè)晶閘管的觸發(fā)延遲角不相等時(shí)，則改相電流中含有直 流分量。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(duì)稱，或負(fù)載不對(duì)稱時(shí)，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)然關(guān)于 整流電路的類型有很多種，除了三相外，還有六相星形整流器電路等等，這些電路在理想條件下產(chǎn)生的都是特征波，然而實(shí)際上這些理想條件往往不能滿足。在交流側(cè)，電流時(shí)正負(fù)半周的 120 度的方波，三相電流波形相同，依次相差 120 度，其有效值和直流側(cè)電流的關(guān)系為： （ a）交流側(cè)電流頻譜 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) 24 （ b）負(fù)載電壓頻譜 圖 三相全控橋式整流電路頻譜分析 dII 32???????????????????????????? （ ） 電流基波和各次諧波的有效值分別為： dII ?61???????????????????????????? （ ） dn InI ?6?， ,...)3,2,1(16 ??? kkn ????????????????? （ ） 基波因數(shù)為： ??? ?? II ??????????????????????? （ ） 基波的功率因數(shù)還是 ?cos 。 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) 22 圖 三相半控橋式整流電路各次諧波含量曲線 圖 和圖 給出的是三相橋式全控整流電路及其工作波形，采用傅里葉級(jí)數(shù)的分析方法對(duì)三相全控整流電路交流側(cè)電流和負(fù)載電壓進(jìn)行頻譜分解，如圖 所示 : 圖 直流側(cè)有續(xù)流二極管的三相全控橋式整流電路。根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪成的三相橋式電路各次諧波含量曲線，如圖 所示。顯然，它們交流側(cè)電流的波形，基波因數(shù)和各次諧波含量也是由觸發(fā)延遲角 ? 決定的。在圖 所示的三相橋式不控整流電路的基礎(chǔ)上，把共陰極的三只二極管更換為可控器件即可得到三相橋式半控整流電路 ，如圖 所示 : 圖 三相橋式半控整流電路 同單相類似，實(shí)際工程中也采用在直流側(cè)再加一個(gè)續(xù)流二極管的三相半控橋式整流電路，以防止換相失敗。 采用傅里葉級(jí)數(shù)的分析方法對(duì)三相橋式不控整流電路負(fù)載電壓和交流側(cè) A 相相電流進(jìn)行頻譜分析。如圖 所示，對(duì)三相不控橋來說，輸出波形一周期內(nèi)有六個(gè)波峰。 圖 在三相交流電源相電壓最低的包絡(luò)路線上，任何時(shí)候共陰極和共陽極各有一只器件在導(dǎo)通。 VD1， VD3， VD5三只器件構(gòu)成共陰極的三相上海工程技術(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) 19 半波整流。圖 所示為三相橋式不控整流電路，電源變壓器一次側(cè)繞組為三角形連接，二次繞組為星形連接。三 相及多相整流電路帶感性負(fù)載時(shí)，如果負(fù)載電感很大，通常假設(shè)負(fù)載電流是連續(xù)的，且為一條水平直線。三相整流電路較單相整流電路的一個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是輸出電壓的脈動(dòng)小。 輸入電流的總諧波即便率 THD 為： %%1001212 ????sss I IITHD ????????????????? （ ） 基波因數(shù)為 : ??? ?? II ??????????????????????? （ ） 而且從圖 中可以看出，電流基波和電壓的相差就是觸發(fā)延遲角 ? ，因此基波功率因數(shù)是 ?cos 。另外，輸入電流 i2相對(duì)于輸入電壓移動(dòng)了觸發(fā)延遲角 ? 。當(dāng)負(fù)載電感值較大時(shí)。無論哪種接法，兩者的外特性是完全一樣的。對(duì)單相半控橋式電路，由于其交流側(cè)電流仍為半波對(duì)稱，故僅含奇次諧波，如 3， 5， 7 等次諧波含量。 )c os1(2 2 ?? ?? UUd???????????????????? （ ） 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) 15 采用傅里葉級(jí)數(shù)的分析方法對(duì)半控橋式整流電路交流側(cè)電流的諧波進(jìn)行分解?？梢钥闯觯浣涣鱾?cè)電流的波形顯然只與觸發(fā)延遲角 ? 有關(guān)。 圖 單相 不控整流電路頻譜分析 單相半控橋式整流電路由可控器件和二極管組成。其中 ud的平均值為 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) 13 20 )(s i n21 UUwtdwtUU ddd ??? ? ?? ????????????? （ ） 變壓器二次側(cè)電流有效值 dII ?2 。通常全波整流電路也稱為橋式整流電路。全波整流電路可看成兩組半波整流電路串聯(lián)而成，一組接成共陰極，另一組接成共陽極，它們分別接到負(fù)載的兩端 [9] 。半波整流電路中，整流器件的陰極或陽極全部連接到一起，接到負(fù)載的一端，而負(fù)載的另一端與電源的中點(diǎn) 相連。在不控整流電路中，整流器件全由整流二極管組成；在全控整流電路中，整流器件全由晶閘管或其它可控整流器件組成；在半控整流電路中，整流器件則由整流二極管和晶閘管混合組成。 按整流器件分，整流電路可分為可控整流和不可控整流兩種。 在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。 含有半導(dǎo)體非線性元件電力電子裝置諧波源 近年來，電力電子裝置應(yīng)用的日益廣泛，但他們也是最嚴(yán)重，最突出的諧波源，是造成系統(tǒng)中諧波干擾的最主要因素 [8] 。 諧波源的分析 電力系統(tǒng)中的各種非線性元件是產(chǎn)生高次諧波的主要原因。從減少環(huán)境污染，維護(hù)綠色環(huán)境的角度出發(fā)，對(duì)電力