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1、电力电子装置带来的危害及对策摘要：随着电力电子装置在电力系统的广泛应用，电力电子装置产生了谐波污染，给电力系统和各类用电设备都带来危害，而且降低了系统功率因数。本文介绍了电力电子装置带来的危害及对策。关键词：电力电子装置 谐波 APF PWM整流 功率因数补偿引言电力电子技术是近年迅速发展的一种高新技术，它是集电力技术、微电子技术和信息控制技术于一体的一门新学科。随着电力电子技术的发展，广泛应用于电力系统中，给电力系统带来了新的活力。电力电子装置中的相控整流和不可控二极管整流使输入电流波形发生严重畸变，不但大大降低了系统的功率因数，还引起了严重的谐波污染。另外，硬件电路中电压和电流的急剧变化，
2、使得电力电子器件承受很大的电应力，并给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰(EMl)，而且情况日趋严重。随着节能技术和自动化技术的推广，电力电子装置如变流设备、变频设备等，容量日益扩大，数量日益增多，电力电子装置带来的危害愈来愈严重，给电力系统和各类用电设备都带来危害。轻则增加能耗，缩短寿命，重则造成用电事故，直接影响安全生产。因此，采取措施，抑制以及消除这些电力公害是电力电子技术领域中一项重要的研究课题。一、电力电子装置带来的危害1谐波“谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20
3、世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。后来，由于高压直流输电技术和电力电子技术的发展，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注，国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。国际电气电子工程师协会(IEEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。我国政府也分别于1984年和1993年制定了限制谐波的有关规定。在电力电子装置中，整流器、逆变器和斩波器等都是由电力电子开关元件构成的电能变换装置。这些装置对于电网来说都是非线性负载，它们派生出的有害高次谐波电流“注
4、入”电网,就造成了对电网的“谐波污染”。以单相桥式全控整流电路为例，可以看到,它做为一个感性负载,其电压和电流波形如图1所示。图中,为控制角,和分别为变压器副边的电压和电流波形 的波形为方波,其中含有大量的谐波成分,与正弦波形相差甚远，这种现象称为网侧电流发生畸变。中的基波有效值与交流电流的有效值的比值定义为畸变因数,表示电流波形含有高次谐波的程度,它的理想值为1。单相桥式全控整流电路的畸变因数小于三相桥式整流电路的畸变因数，即相数增加，畸变因数变大,谐波成分减少。而多相其它接线方式的畸变因数近似为1,这是因为其电路中的电流波形呈二阶梯波(六脉波)或三阶梯波(十二脉波)形状接近正弦波。2谐波的
5、危害理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，使用电设备所处的环境恶化。电力谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。（1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。（2）谐波影响各种电气设备的正常工作。 谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压。使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。（3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上
6、述（1）和（2）的危害大大增加。甚至引起严重事故。（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。（5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。3对功率因数的影响在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。
7、如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路为最多。根据网侧功率因数定义：可知，整流装置的网侧功率因数总是小于1，即使基波电流与网侧电压是同相的；随着相控角的增大，网侧功率因数还将随之减小。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。 但其输
8、入电流的谐波分量却很大，给电网造成严重污染，也使得总的功率因数很低。无功功率的损耗对电力系统的影响主要有以下几个方面：（1）无功功率的增加，会导致电流增大和视在功率增加，从而使发电机、变压器及其他电气设备容量和导线容量增加。同时，电力用户的起动及控制设备、测量仪表的尺寸和规格也要加大。（2）无功功率的增加，使总电流增大，因而使设备及线路的损耗增加，这是显而易见的。（3）使线路及变压器的电压降增大，如果是冲击性无功功率负载，还会使电压产生剧烈波动，使供电质量严重降低。二、改善措施1谐波抑制为解决电力电子装置和其他谐波源的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波；另一条是对电
9、力电子装置本身进行改造，使其不产生谐波。11谐波补偿111无源电力滤波器传统的谐波补偿装置是采用LC调谐滤波器（无源电力滤波器），它既可补偿谐波，又可补偿无功功率。无源电力滤波器（PassiveFilter，缩写为PF）由于其结构简单、运行可靠、维护方便，因此被广泛地用来就近吸收谐波源所产生的谐波电流,降低供电点的谐波电压。无源电力滤波器一般由电力电容器、电抗器和电阻器适当组合而成,运行中它和谐波源并联，除起滤波作用外还兼顾无功补偿的需要。如图2所示。其缺点是，补偿特性受电网阻抗和运行状态影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，效果也
10、不够理想。但这种补偿装置结构简单，目前仍被广泛应用。112有源电力滤波器电力电子器件普及应用之后，运用有源电力滤波器 (ActivePowerFilter,缩写为APF)进行谐波补偿成为重要方向。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。它已得到人们的重视，并将逐步推广应用。有源电力滤波器的基本原理是实时检测电网谐波,利用可控电力电子器件产生与之大小相等、相位相反的电流,注入电网,从而达到实时补偿谐波电流的目的。因此有源电力滤波器从理论上讲可以产生任意波形的电流。如图3所示。与传统的无源滤波器一样,有源电力滤波器也是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处
11、等效导纳为无究大的并联网络或等效阻抗为无穷大的串联网络。根据APF与系统的连接方式可将APF分为并联型APF、串联型APF、混合型APF。并联型APF如图4所示。APF通过检测负荷电流,产生与负荷谐波电流大小相等、相位相反的谐波电流注入电网,从而抵消负荷谐波电流,使电源侧电流接近正弦波。因此,并联型APF可以看成是一个谐波电流发生器,相当于一个受控电流源与负荷并联。所以，并联型APF适合补偿电流型谐波源。串联型APF如图5所示。串联APF通过一个耦合变压器连接到配电网中,检测电源电压,产生与电源谐波电压大小相等、相位相反的谐波电压,从而使负荷端电压接近正弦波。串联型APF相当于受控电压源,以电
12、压源的方式补偿电网中存在的暂态或稳态电压畸变。因此,串联型APF适合于补偿电压型谐波源。在某些情况下,并联、串联有源电力滤波器以及无源滤波器的组合方案可以满足多种补偿要求。12另一种方法是改革变流器的工作机理，抑制谐波。121多重化技术大容量变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术，将多个方波叠加以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦的阶梯波。重数越多，波形越接近正弦，但电路结构越复杂。其中，整流器的多重化是将几个桥式整流电路多重联结以减少输入电流谐波，并采用自换相整流电路以提高位移因数。多重化也可用于二极管整流电路，如电容滤波二极管整流电路。从电压的角度，可以利用双绕组变压器通过移相叠加，形
13、成多阶梯的输出电压波形；也可以采用双绕组变压器和三绕组变压器相结合的办法，通过“曲折连接”来达到增大容量消除谐波的目的。图6为基于多重化逆变器的直流侧电路的变压器曲折连接图。122 PWM整流技术几千瓦到几百千瓦的高功率因数变流器主要采用PWM整流技术。它直接对整流桥上各电力电子器件进行正弦PWM控制，使得输入电流接近正弦波，其相位与电源相电压相位相同。这样，输入电流中就只含与开关频率有关的高次谐波，这些谐波次数高，容易滤除，同时也使功率因数接近1。如图7，为了便于分析整流器，我们将其逆变器等效为一个电阻Z0和一个电动势EL相串联。得到PWM整流器的通用数学模型：公式中没有对开关函数d加任何限
14、制，可以普遍的应用于各种PWM开关方案。采用PWM整流器作为ACDC变换的 PWM逆变器，就是所谓的双PWM变频器。它具有输入电压、电流频率固定，波形均为正弦，功率因数接近1，输出电压、电流频率可变，电流波形也为正弦的特点。这种变频器可实现四象限运行，从而达到能量的双向传送。123 PWM斩波小容量变流器为了实现低谐波和高功率因数，一般采用二极管整流加PWM斩波，常称之为功率因数校正(PEC)。典型的电路有升压型、降压型、升降压型等。采用IGBT的交流斩波器如图8所示，其输入和输出均为正弦交流电压，且输出电压还可通过改变栅极控制脉冲的占空比来调节。2功率因数补偿21同步调相机功率因数补偿早期的
15、方法是采用同步调相机，它是专门用来产生无功功率的同步电机，利用过励磁和欠励磁分别发出不同大小的容性或感性无功功率。然而，由于它是旋转电机，噪声和损耗都较大，运行维护也复杂，响应速度慢，因此，在很多情况下已无法适应快速无功功率补偿的要求。22静止无功补偿器另一种方法是采用饱和电抗器的静止无功补偿装置。它具有静止型和响应速度快的优点，但由于其铁心需磁化到饱和状态，损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负载的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。23静止无功发生器随着电力电子技术的不断发展，使用SCR、GTO和IGBT等的静止无功补偿装置得到了长足发展，其中以
16、静止无功发生器最为优越。它具有调节速度快、运行范围宽的优点，而且在采取多重化、多电平或PWM技术等措施后，可大大减少补偿电流中谐波含量。更重要的是，静止无功发生器使用的电抗器和电容元件小，大大缩小装置的体积和成本。静止无功发生器代表着动态无功补偿装置的发展方向。静止无功发生器(SVG)通过注入与补偿电流大小相等、方向相反的电流来工作，它能同时实现无功补偿、高次谐波消除及不对称三相的对称化可大大提高电力系统的可靠性、安全性和稳定性。图9为SVG的工作原理结构图，它由主电路和控制系统两部分构成。主电路的交流侧由可控开关S1S6构成三相逆变器，直流侧由二极管D1D6组成三相整流器以从交流系统吸收少量
17、有功电流对储能电容器C充电，故其电压不需要外加电源来维持。之所以用它来作为SVG，是因为它借助于适当的控制方法可以补偿开关频率以下的任何频率的电流。由于高压电力系统需要大容量的SVG，S1S6一般采用GTO2，且用多组逆变器通过串联和并联方式构成，以进一步增大SVG的容量。采用曲折变压器连接等多重化方法，改进SVG设备电路，可以消除自身谐波。24有源滤波器前面介绍的电力有源滤波器也能校正功率因数，补偿无功。25从变流装置自身采取措施251减小控制角由于整流电路中的功率因数随控制角的增加而恶化，因此，对于需要在低电压情况下长期且相对稳定工作的负载，可采用改变整流变压器接头的办法，以降低交流电源的
18、电压。这样，当要求负载电压一定时，控制角可前移,即工作在较小的情况,使功率因数提高。如需输出高电压时，升高交流电源电压，仍使控制角在较小的情况下工作。这种方法的缺点是不能连续调节。252用两组对称的整流桥串联如果要求输出同样的有功功率时，则用两组对称整流桥串联比用一组整流桥供电时的功率因数要高。这个问题可用图解法加以说明，图10表示的是供电线路图。其中图10(a)中由一组三相桥供电时，设变压器容量为2S，输出电压为Ud；图10(b)中由两组三相桥串联供电时，需两台变压器，设变压器容量各为S，输出电压分别为Ud1和Ud2，且Ud1+Ud2=Ud。这样，可保证输出功率相等。利用图解法，可画出由一组
19、桥供电和两组桥串联供电时P、S和Q之间的关系如图11所示。由图11可见，假如由一组桥供电处于整流状态，且=1时，则有功功率为OD，无功功率为A1D。由两组桥串联供电时，使桥的控制角为最小保护角0，而桥的控制角由0增加到1，由图11可见,有功功率仍为OD，而无功功率变为QD，较一组桥供电时，无功功率减小了A1Q。由于无功功率减小，所以功率因数提高了。另外，两组桥串联工作时，变压器中一台为三角形接法，另一台为星形接法，这种组合方法可以消除高次谐波，使电流波形畸变减小，同样也可以起到提高功率因数的效果。253超前相角控制通常情况下，变流装置所带负载中电感性负载较多，因此电流总是落后于电压一定的角度。
20、随着控制角的增加，角随之加大，功率因数降低，这种情况属于滞后相位控制。如果我们进行超前相角控制，使其成为容性负载，这样功率因数就可以提高。图12为三相半波整流电路输出的电压电流波形，下面来分析超前控制的可能性。在自然换相点之前Q角使已开通的晶闸管关断，同时按相序给下一个晶闸管触发使其开通。从波形图可见，ua的中线为a-a，ia的中线为a-a，ia超前ua一个角度，这说明超前控制的可能性是存在的。同时，还可以看出，这种控制方法和滞后控制时，整流电压的波形虽然形状略有不同，但其平均值是近似相等的，即超前相角控制和滞后相角控制具有近似相等的整流电压调速范围。然而，实现超前相角的控制并不仅仅是触发信号
21、的位置变化，因为要使晶闸管关断，必须使其阴极电位高于阳极电位，可是在自然换相点前，后一相的相电压总是低于前一相的相电压，所以就产生了一个问题:即开通的晶闸管关不断，应开通的晶闸管触发不开。因此，要实现超前相角控制时，就要采取强迫换流的措施，迫使前一相晶闸管超前关断，使后一相开通，这当然比滞后角控制要复杂些。根据理论分析，实现超前相角控制所采取的措施是在原来线路的基础上，加装平衡电抗器和电容器。平衡电抗器的作用是对负载电流起作用，电容器的作用是产生一个附加电势，预先加到开通的后一相晶闸管阳极上，使后一相的阳极合成电势大于前一相开通的阳极电压，满足超前开通条件。结论:我查阅了电力电子装置危害及其对
22、策的书籍及文献，对电力电子装置产生的危害、抑制电力电子装置产生谐波和改善功率因数的措施进行了小结。参考文献：1 赵良炳. 现代电力电子技术基础. 清华大学出版社2 徐鲁等. 现代电力电子技术的发展和应用. 山东电力技术 3 郑同江. 电力电子装置的谐波危害及其抑制对策. 天津理工学院学报. 4 王兆安. 谐波抑制和无功功率补偿. 机械工业出版社5 卓放. 有源电力滤波器技术的发展与电能质量的提高. 电工技术杂志6 张笑微. 变频器的理想整流部件PWM整流器. 西南工学院学报7 苏文武. 无功补偿与电力电子技术. 机械工业出版社8 张崇巍. PWM整流器及其控制. 机械工业出版社9 李守智. 一种有效的三相PWM整流控制方案. 电力电子技术10 李圣清. 单相单位功率因数开关变流器谐波电流的分析与补偿. 湖南师范大学自然科学学报
