諧波抑制的方法及其特點

1、電力系統(tǒng)諧波抑制方法及其特點分析 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，接入電網(wǎng)的整流、換流設(shè)備和其他各種非線性負(fù)荷設(shè)備日益增加，這些電氣設(shè)備產(chǎn)生大量的諧波電流注入電網(wǎng)，危及電力設(shè)備、用戶設(shè)備和電力系統(tǒng)的安全運行。必須采取措施，抓緊治理，抑制電力系統(tǒng)諧波，把電網(wǎng)中的諧波含量控制在允許范圍之內(nèi)1。電力系統(tǒng)諧波抑制是改善電能質(zhì)量、凈化電網(wǎng)的一個重要方面。對諧波抑制的方法主要有三種途徑:第一種是在諧波源上采取措施，從改進(jìn)電力電子裝置入手，使注入電網(wǎng)的諧波電流減少，也就是最大限度地避免諧波的產(chǎn)生；第二種是在電力電子裝置的交流側(cè)利用LC無源濾波器和電力有源濾波器對諧波電流分別提供頻域諧波補償和時域諧波補償。這類方法屬

2、于對已產(chǎn)生的諧波進(jìn)行有效抑制的方法;第三種就是改善供電環(huán)境2。1、降低諧波源的諧波含量 降低諧波源的諧波含量也就是在諧波源上采取措施，最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這種方法比較積極，能夠提高電網(wǎng)質(zhì)量，可大大節(jié)省因消除諧波影響而支出的費用，并避免因加裝消諧裝置而引發(fā)的其它負(fù)面影響。具體方法有:1.1 增加換流裝置的脈動數(shù) 換流裝置是電網(wǎng)中的主要諧波源之一，其產(chǎn)生的諧波主要集中在特征諧波，非特征諧波含量通常很少，特征頻譜為:n=kp士1，則可知脈動數(shù)p增加，n也相應(yīng)增大，而工n、工l/n，故諧波電流將減少。因此，增加整流脈動數(shù)，可平滑波形，減少諧波。例如:當(dāng)脈動數(shù)由6增加到12時，可有效的消除幅值較大

3、的低頻項，從而使諧波電流的有效值大大降低。1.2 利用脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù) PWM技術(shù)，就是在所需的頻率周期內(nèi)，通過半導(dǎo)體器件的導(dǎo)通和關(guān)斷把直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流電壓脈沖，可達(dá)到抑制諧波的目的。若要消除某次特定諧波，可在控制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)輸出波形的傅里葉級數(shù)展開式，使需要消除的諧波幅值為零，基波幅值為給定量，組成非線性超越方程組計算各個開關(guān)通斷時刻，達(dá)到消除指定諧波和控制基波幅值的目的。PwM技術(shù)的優(yōu)點是在載波頻率高時，輸出中所含低次諧波分量很小，從而提供了功率因數(shù)。目前被采用的PWM技術(shù)有最優(yōu)脈寬調(diào)制(OPWM)、改進(jìn)正弦脈寬調(diào)制、

4、調(diào)制、跟蹤型PWM和自適應(yīng)PWM控制等。1.3 三相整流變壓器采用Y，d(Y/)或D，y(/Y)的接線方式 這種接線方式可抑制3的倍數(shù)次的高次諧波，也可作為隔離變壓器使用。以/Y形接線方式為例:當(dāng)高次諧波電流從晶閘管反串到變壓器副邊繞組內(nèi)時，其中3的倍數(shù)次高次諧波電流無路可通，所以自然就被抑制而不存在。但將導(dǎo)致鐵心內(nèi)出現(xiàn)3的倍數(shù)次高次諧波磁通(三相相位一致)，而該磁通將在變壓器原邊繞組內(nèi)產(chǎn)生3的倍數(shù)次高次諧波電動勢，從而產(chǎn)生3的倍數(shù)次的高次諧波電流。因為它們相位一致，只能在三角形繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，將能量消耗在繞組的電阻中，故原邊繞組端子上不會出現(xiàn)3的倍數(shù)次的高次諧波電動勢，不致使諧波注入公共電網(wǎng)

5、。作為隔離變壓器使用時，可使3N次諧波電流與配電系統(tǒng)相隔離。這種接線形式的優(yōu)點是可以自然消除3的整數(shù)倍次的諧波。1.4 采用多電平變流技術(shù) 也稱整流電路的多重化，即將多個方波疊加，以消除次數(shù)較低的諧波，從而得到接近正弦波的階梯波。重數(shù)越多，波形越接近正弦波，但其電路也越復(fù)雜，因此該方法一般只用于大容量場合。該方法用于橋式整流電路中，不僅可以減少交流輸入電流的諧波，同時也可以減少直流輸出電壓中的諧波幅值。如果把上述方法與PWM技術(shù)配合使用，則會產(chǎn)生很好的諧波抑制效果。1.5 限制整流設(shè)備的容量系統(tǒng)短路容量與所供電的整流器容量之比稱為短路比，一般而一言，短路比愈大，允許注入的諧波電流越大。因此，在

6、進(jìn)行報裝審批時，應(yīng)該根據(jù)系統(tǒng)短路容量的大小來限制新接入的非線性負(fù)荷的容量。1.6 在整流電路中串接電抗器 整流電路內(nèi)部的感抗越大，則換流時間越長，電流波形變化越緩慢，因此，在整流電路中串接適當(dāng)?shù)碾娍蛊饕部梢詼p少高次諧波電流。2、在諧波源處吸收諧波電流 在諧波源設(shè)備已確定的情況下，在諧波源處安裝濾波裝置，吸收諧波電流，是防止諧波電流注入電網(wǎng)的有效措施。對用戶側(cè)進(jìn)行諧波治理通常采取接入無源濾波器或有源濾波器。這是目前電力系統(tǒng)使用最廣泛的抑制諧波方法，主要分為以下幾種:2.1加裝無源濾波器 (PassivePowerFilter，簡稱PPF)無源濾波器安裝在電力電子設(shè)備的交流側(cè)，由L、C、R元件構(gòu)成

7、無源網(wǎng)絡(luò)，吸收負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流。無源濾波器分調(diào)諧濾波器與高通濾波器，前者分單調(diào)諧濾波器和雙調(diào)諧濾波器，用于吸收單一次數(shù)或相鄰的兩次諧波，后者用于吸收某一次及以上各次諧波。無源濾波器濾除諧波以外還在基波電壓的作用下向諧波負(fù)載提供容性基波無功功率，同時兼顧諧波源無功補償?shù)男枰?。由于具有成本低、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便等優(yōu)點，無源濾波器時目前采用的抑制諧波即無功補償?shù)闹饕侄?。濾波裝置一般由一組或數(shù)組單調(diào)諧濾波器組成，有時再加一組高通濾波器。單調(diào)諧濾波器利用R、L、C電路串聯(lián)諧振構(gòu)成，如下圖所示。濾波器對n次諧波阻抗為圖4-1 濾波器的接線方式（a）單調(diào)諧濾波器 （b）雙調(diào)諧濾波器 （

8、c）一階減幅型濾波器 （d）二階減幅型濾波器 （e）三階減幅型濾波器 （f）C型濾波器 在諧振點處，諧振時的諧波次數(shù)，諧波阻抗Z=R由于R很小，所以n次諧波電流主要由R分流，很少流入電網(wǎng)中，而對于其他次數(shù)的諧波，諧波阻抗Z>>R，濾波器分流很少。雙調(diào)諧濾波器圖4一1(b)的兩個諧振頻率實際上相當(dāng)于兩個并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器，它同時吸收兩種頻率的諧波。與兩個單調(diào)諧濾波器相比，減少了回路，基波損耗較小，只有一個電抗器承受全部沖擊電壓。這種濾波器結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)諧較困難，但在高壓大容量濾波裝置中采用有一定的技術(shù)經(jīng)濟上的優(yōu)勢。 高通濾波器有一階減幅型(圖4一1(c)、二階減幅型(圖4一1(d)

9、、三階減幅型(圖4一1(e)和C型(圖4一1(f)。當(dāng)頻率低于其截止頻率f0(f0=1/2RC)時，由于容抗的作用，使得低次諧波電流難以通過;而當(dāng)頻率高于f0時，由于容抗減小，高次諧波電流便可順利通過電容器和電阻，總的阻抗也變化不大，形成一個通頻帶。一階減幅型由于基波功率損耗太大，一般不采用；二階減幅型的基波損耗較小，且阻抗頻率特性較好，結(jié)構(gòu)也簡單，故工程上用的較多；三階減幅型的基波損耗更小，但特性不如二階減幅型，用的也不太多；C型濾波器濾波特性介于二階和三階之間，主要優(yōu)點是C與L對基波串聯(lián)調(diào)諧，有功功率損耗較低 低成本的無源濾波器是至今為止在濾除諧波時使用最為廣泛的補償裝置，用其抑制諧波在經(jīng)

10、濟上和技術(shù)上都可以接受。其主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，致使諧波放大使無源濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能消除特定次諧波，導(dǎo)致整個裝置占地面積大。因而隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器2.2 裝設(shè)靜止無功補償裝置 快速變化的諧波源，如:電弧爐、電力機車和卷揚機等，除了產(chǎn)生諧波外，往往還會引起供電電壓的波動和閃變，有的還會造成系統(tǒng)電壓三相不平衡，嚴(yán)重影響公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量。在網(wǎng)側(cè)投入無功補償裝置是用來補償由諧波造成的無功功率，從而提高功率因數(shù)。另外，無功補償裝置中通過電感和電容的合理設(shè)置，可在某次頻率點產(chǎn)生諧振，即可對該頻率的諧波

11、實現(xiàn)濾波。可有效減少波動的諧波量，同時，可以抑制電壓波動、電壓閃變、三相不平衡，還可補償功率因數(shù)。 靜止補償裝置的基本結(jié)構(gòu)是由快速變化的電抗或電容元件組合而成。目前應(yīng)用較多的四種是自飽和電抗器SR、晶閘管控制電抗器、晶閘管控制高漏抗變壓器和晶閘管投切電容器。自飽和電抗器SR由負(fù)荷電流控制飽和電抗器的磁飽和程度，當(dāng)負(fù)荷發(fā)生變化時其電抗值隨之發(fā)生變化，從而調(diào)節(jié)無功輸出的大小:晶閘管控制電抗器TCR通過改變控制角而改變導(dǎo)通時間，相當(dāng)于調(diào)節(jié)電抗器電抗達(dá)到改變無功輸出的目的;晶閘管控制高漏抗變壓器TCT工作原理與TCR相同，晶閘管斷開時呈高電抗特性，接通時根據(jù)控制角調(diào)節(jié)無功輸出的大小，因為使用了變壓器，

12、故可以直接接入高壓側(cè);晶閘管投切電容器TSC的晶閘管在超前電壓90度時接通并在斷開前一直保持該控制角，如果電壓是正弦波，則流過TSC電流也是正弦波，故沒有諧波產(chǎn)生，但這種TSC不能在導(dǎo)通期間改變無功輸出的大小。 由于TCR和TCT通過控制晶閘管的開通角度以調(diào)節(jié)電抗器電抗，在控制角大于90°時不能得到與交流電源對應(yīng)的完整波形。SR的諧波來自磁飽和和非線性。所以這三種形式不可避免有諧波產(chǎn)生。因此在使用時必須考慮到對它們自身所產(chǎn)生諧波的抑制，這就增加了結(jié)構(gòu)和設(shè)計上的復(fù)雜2.3 電力有源濾波器補償法 無源濾波器及靜止無功補償裝置雖然能減少諧波分量，抑制某些諧波，但卻不能對變的高次諧波動態(tài)補償

13、?，F(xiàn)階段諧波補償和抑制的一個重要趨勢是采用有源濾波器 APF(AC activePowerFilter)了。APF能對幅值和頻率都變化的諧波及變化的無功進(jìn)行補償。利用可控的功率半導(dǎo)體器件向電網(wǎng)注入與原有諧波電流幅值相等、相位相反的電流，使電源的總諧波電流為零，達(dá)到實時補償諧波電流的目的。 有源濾波器的思路是給諧波電流或諧波電壓提供一個在諧振頻率處等效導(dǎo)納為無窮大的并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)或等效阻抗無窮大的串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，因此可以分為并聯(lián)有源濾波器和串聯(lián)濾波器。其基本結(jié)構(gòu)是一個DCAC逆變橋與或一個諧波注入電路。按照PWM逆變電路直流側(cè)電源的性質(zhì)又可以分為電壓型有源濾波器及電流型有源濾波器。并聯(lián)有源電力濾波器1896

14、年，AkagiH提出用并聯(lián)有源濾波器消除諧波的方法，如同4一2所示。這種裝置相當(dāng)于一個諧波電流發(fā)生器，它跟蹤負(fù)載電流中的諧波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電流，從而抵消線路中的諧波電流。通過不同的控制作用，可以對諧波、無功、不平衡分量進(jìn)行補償，功能多，連接也方便。但是，由于電源電壓直接加在逆變橋上，對開關(guān)器件電壓等級要求高；負(fù)載諧波電流含量高時，這種有源濾波器裝置的容量也必須很大，因為兼具大的補償容量和寬的補償頻帶比較困難，所以它只適合電感型負(fù)荷的諧波補償;開關(guān)引起的諧波電流將影響電路中的PF或電容器的濾波特性，若利用LC網(wǎng)絡(luò)吸收這部分高次諧波，由于LC網(wǎng)絡(luò)受電網(wǎng)參數(shù)的影響，PWM逆變器輸出的諧波頻

15、帶又很寬，所以LC網(wǎng)絡(luò)難以設(shè)計42并聯(lián)有源電力濾波器框圖 為了降低加到逆變橋的交流電壓，可以選擇用LC串聯(lián)或并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為注入電路，如圖4一3、圖4一4所示。在圖途4一3中，LC在基波頻率處串聯(lián)諧振，逆變橋不承受基波電壓，而在諧振頻率之處有Zr>>Zc，濾波器產(chǎn)生的諧波電流可以完全流入主電路。并聯(lián)LC方式原理與之類似 為了使有源濾波器適用于大容量負(fù)載的補償，可以將高次諧波和低次諧波分開各相單獨補償，也可將有源濾波器和無源濾波器相結(jié)合進(jìn)行補償。并聯(lián)有源電力濾波器能對諧波和無功功率進(jìn)行補償，其補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，主要適用于感性電流源負(fù)載的諧波補償，目前技術(shù)上比較成熟，但其有源裝置

16、容量相對較大，投資多，運行效率低。串聯(lián)有源電力濾波器 圖4一5是單獨使用串聯(lián)有源電力濾波器的方案。通過3個單相變壓器串聯(lián)在電源和負(fù)載之間，串聯(lián)有源電力濾波器在此系統(tǒng)中相當(dāng)于一個電壓控制電壓源，跟蹤電源電壓中的諧波分量，產(chǎn)生與之相反的諧波電壓，使負(fù)載端交流側(cè)電壓為正弦波。主要用于消除帶電容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)電壓諧波電壓波動對敏感負(fù)載的影響。串聯(lián)有源電力濾波器裝置容量小，運行效率高，對諧波電壓源類型的負(fù)荷有較好的補償特性。但其絕緣強度高，難以適應(yīng)線路故障條件而且不能進(jìn)行無功功率動態(tài)補償，工程實用性受到限制，其投切、故障后的退出及各種保護較并聯(lián)型APF復(fù)雜。目前

17、單獨使用少，國內(nèi)外研究主要集中在其與LC無源濾波器所構(gòu)成的串聯(lián)混合型有源電力濾波器。 圖45串聯(lián)有源電力濾波器框圖與無源濾波器相比，APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性，能補償各次諧波，可抑制閃變、補償無功，有一機多能的特點;在性價比上較為合理;濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險;具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。目前在國外高低壓有源濾波技術(shù)已應(yīng)用到實踐，而我國還僅應(yīng)用到低壓有源濾波技術(shù)。隨著容量的不斷提高，有源濾波技術(shù)作為改善電能質(zhì)量的關(guān)鍵技術(shù)，其應(yīng)用范圍也將從補償用戶自身的諧波向改善整個電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量的方向發(fā)展。2.4 防止并聯(lián)電容器組對諧波的放大在電網(wǎng)中并聯(lián)電容器組起改善功率因數(shù)和調(diào)節(jié)電壓的作用。當(dāng)諧波存在時，在一定的參數(shù)下電容器組會對諧波起放大作用，危及電容器本身和附近電氣設(shè)備的安全?？刹扇〈?lián)電抗器，或?qū)㈦娙萜鹘M的某些支路改為濾波器，還可以采取限定電容器組的投入容量，避免電容器對諧波的放大。3、改善供電結(jié)構(gòu) 3.1 增加諧波源負(fù)荷接人點電網(wǎng)的短路容量 （1）靠近發(fā)電廠處短路容量大，即基波和諧波短路阻抗小，同樣電壓等級允許的諧波電流就大。也就是說注入電網(wǎng)相同的諧波電流時，此諧波電流在較小的諧波阻抗上、產(chǎn)生的諧波電