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1、摘要 近三四十年来，各种电力电子装置的迅速发展使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可引起电力系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。因此，我们必须消除各种电网谐波，于是产生了各种各样的有源滤波器和无源滤波器，本次能力拓展训练让我们对桥后采用电
2、抗器的串联谐振无源PFC电路进行设计和仿真。关键词：谐波 功率因数 无源PFC电路桥后采用电抗器的串联谐振无源PFC电路1.绪论1.1谐波的产生与危害从严格的意义来讲，谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。从广义上讲，由交流电网有效分量为工频单一频率，因此任何与工频频率不同的成分都可以称之为谐波，这时“谐波”这个词的的意义已经变得与原意有些不符，但是我们仍然称之为谐波。1.1.1谐波产生的原因 在理想的干净供电系统中，电流和电压都是正弦波的。在只含线性元件的简单电路里，流过的电流与施加的电压成正比，流过
3、的电流是正弦波。在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。谐波电流的产生是与功率转换器的脉冲数相关的。功率变换器的脉冲数越高，最低次的谐波分量的频率的次数就越高。电力谐波的产生大致有以下几个来源:发电环节;输电环节;用电环节;电力电子变流设备，如各种电力变流设备、相控调速和调压装置以及大容量的电力晶闸管可控开关设备。这些电力设备广泛地用于各行各业，量大面广，造成了比较严重的低次谐波、高
4、次谐波、次谐波和间谐波电流问题。1.1.2谐波的危害谐波污染对电力系统的危害是严重的,主要表现在以下的几个方面：（1）污染公用电网 对供电线路来说，由于集肤效应和邻近效应，线路电阻随着频率的增加会很快增加，在线路中会有很大的电能浪费。另外，在电力系统中由于中性线电流都很小，所以其线径一般都很细，当大量的谐波电流流过中性线时，会在其上产生大量的热量，不仅会破坏绝缘，严重时还会造成短路，甚至引起火灾。而当谐波频率与网络谐振频率相近或相同时，会在线路中产生很高的谐振电压。严重时会使电力系统或用电设备的绝缘击穿，造成恶性事故。如果公用电网的谐波特别严重，则不但使接入该电网的设备无法正常工作，甚至会造成
5、故障，而且还会造成向公用电网的中性线注入更多电流，造成超载、发热，影响电力正常输送。（2） 对电力变压器的影响 谐波电流的存在增加了电力变压器的磁滞损耗、涡流损耗及铜损,对带有不对称负荷的变压器来说，会大大增加励磁电流的谐波分量。谐波电流，特别是次谐波侵入三角形连接的变压器，会在其绕组中形成环流，使绕组发热。对形连接中性线接地系统中，侵入变压器的中性线的次谐波电流会使中性线发热。（3） 对电力电容器的影响 由于电容器对谐波的阻抗很小，谐波电流叠加到基波电流上，会使电力电容器中流过的电流有很大的增加，使电力电容器的温升增高，引起电容器过负荷甚至爆炸。同时谐波还可能与电容器一起在电网中形成谐振，并
6、又施加到电网中，形成更严重的后果。 （4） 对电机的影响 谐波会使电机的附加损耗增加，也会产生机械震动，产生甚至引起谐波过电压，使得电机绝缘损坏。 （5） 对继电保护和自动装置的影响 对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护以及自动装置的误动作或拒动，造成整个保护系统的可靠性降低，容易引起系统故障或使系统故障扩大。如果继电保护装置是按基波负序量整定其整定值大小，此时，若谐波干扰叠加到极低的整定值上，则可能会引起负序保护装置的误动作，影响电力系统安全。 （6）对通信线路产生干扰在电力线路上流过幅度较大的奇次低频谐波电流时，通过电磁耦合，在邻近电力线路的通信线路中产生干扰电压。干扰通信线路的
7、正常工作，使通话清晰度降低，甚至会引起通信线路的破坏。 （7）对用电设备的影响 电力谐波会使电视机、计算机等的显示亮度发生波动，图像或图形发生畸变，甚至会使机器内部元件损坏，导致机器无法使用或系统无法运行。在电网中金属化膜电容器被大量用于无功补偿或滤波器，而在谐波的长期作用下，金属化膜电容器会加速老化。 （8）增加输电线路功耗 如果电网中含有高次谐波电流，那么，高次谐波电流会使输电线路功耗增加。 如果输电线是电缆线路，与架空线路相比，电缆线路对地电容要大很多倍，而感抗远远小于架空线路的，所以很容易形成谐波谐振，造成绝缘击穿。 1.2谐波的治理措施 在电力系统中对谐波的抑制就是如何减少或消除注入
8、系统的谐波电流，以便把谐波电压控制在限定值之内，抑制谐波电流主要有三方面的措施：1.2.1 采取脉宽调制法 采用脉宽调制技术，在所需要的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流电压脉冲，这种方法可以大大抑制谐波的产生。 1.2.2 降低谐波源的谐波含量 在谐波源上采取措施，最大限度地避免谐波的产生。这种方法比较积极，能够提高电网质量，可大大节省因消除谐波影响而支出的费用。具体方法有： （1） 增加整流器的脉动数 高次谐波电流与整流相数密切相关，即相数增多，高次谐波的最低次数变高，则谐波电流幅值变小。一般可控硅整流装置多为6相，为了降低高次谐波电流，可以改用12相或24相。当采用12相整
9、流时,高次谐波电流只占全电流的10%，危害性大大降低。 （2）脉宽调制法 采用脉冲宽度调制，在所需的频率周期内，将直流电压调制成等幅不等宽的系列交流输出电压脉冲可以达到抑制谐波的目的。 （3）三相整流变压器采用Y- d或D-Y 的接线 当两台以上整流变压器由同有一段母线供电时，可将整流变压器一次侧绕组分别交替接成Y型和形， 这就可使5次、7次谐波相互抵消，而只需考虑11次、13次谐波的影响。由于频率高，谐波幅值小，所以危害性减小。 1.2.3 在谐波源处吸收谐波电流 这类方法是对已有的谐波进行有效抑制的方法，这是目前电力系统使用最广泛的抑制谐波方法。主要方法有以下几种: （1）无源滤波器 无源
10、滤波器安装在电力电子设备的交流侧，由L、C、R元件构成谐振回路，当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网。由于具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，无源滤波是目前采用的抑制谐波及无功补偿的主要手段。但无源滤波器存在着许多缺点,如滤波易受系统参数的影响，对某些次谐波有放大的可能，耗费多、体积大等。因而随着电力电子技术的不断发展，人们将滤波研究方向逐步转向有源滤波器。 （2）有源滤波器 与无源滤波器相比，APF具有高度可控性和快速响应性，能补偿各次谐波，可抑制闪变、补偿无功，有一机多能的特点。在性价比上较为合理，滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除
11、与系统阻抗发生谐振的危险，具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。目前在国外高低压有源滤波技术已应用到实践，而我国还仅应用到低压有源滤波技术。随着容量的不断提高，有源滤波技术作为改善电能质量的关键技术，其应用范围也将从补偿用户自身的谐波向改善整个电力系统的电能质量的方向发展。 （4） 防止并联电容器组对谐波的放大 在电网中并联电容器组起改善功率因数和调节电压的作用。当谐波存在时，在一定的参数下电容器组会对谐波起放大作用，危及电容器本身和附近电气设备的安全。可采取串联电抗器,或将电容器组的某些支路改为滤波器，还可以采取限定电容器组的投入容量，避免电容器对谐波的放大。 （5） 加装静止无功补偿
12、装置 快速变化的谐波源如电弧炉、电力机车和卷扬机等，除了产生谐波外，往往还会引起供电电压的波动和闪变，有的还会造成系统电压三相不平衡，严重影响公用电网的电能质量。在谐波源处并联装设静止无功补偿装置，可有效减小波动的谐波量，同时可以抑制电压波动、电压闪变、三相不平衡，还可补偿功率因数。 （6）改善供电系统及环境 对于供电系统来说，谐波的产生不可避免，但通过加大供电系统短路容量、提高供电系统的电压等级、加大供电设备的容量、尽可能保持三相负载平衡等措施都可以提高电网抗谐波的能力。选择合理的供电电压并尽可能保持三相电压平衡，可以有效地减小谐波对电网的影响。谐波源由较大容量的供电点或高一级电压的电网供电
13、，承受谐波的能力将会增大。对谐波源负荷由专门的线路供电，减少谐波对其它负荷的影响，也有助于集中抑制和消除高次谐波。 2.谐振电抗器无源PFC电路拓扑与最佳条件2.1 谐振电抗器无源PFC电路拓扑 采用谐振电抗器无源PFC的AC-DC变换器逆变器压缩机系统的拓扑见图2-1，图中T1为谐振电抗器，L1为普通电抗器，C2C40为谐振电容，Lp为谐振电抗器的初级电感，L2L40为次级绕组谐振电感。图 (a)次级为3次谐振，电抗器位于整流桥前，图 (b)次级为3次谐振，电抗器位于整流桥后，仿真和实验结果表明这两个拓扑的校正效果几乎一样。图 (c)次级具有3次与5次谐振，可以同时补偿原级的3次谐波和5次谐
14、波电流。图 (d)次级具有2次40次谐振，理论上可以同时补偿原级的2次谐波到40次谐波电流。(a)次级具有3次谐振普通电抗器置于桥前(b)次级具有3次谐振普通电抗器置于桥后(c)次级具有3次与5次谐振(d)次级具有240次谐振图2-1 谐振电抗器无源PFC AC-DC变换器拓扑我们使用谐振电抗器的目的就是通过次级各谐振回路产生的各次合适幅值的高次谐波电流产生的磁场抑制初级线圈中的高次谐波电流引起的磁通，对外呈现线性变压器特性，不会产生新的附加谐波电流，这就是谐振电抗器抑制谐波电流的工作原理。2.2 谐振电抗器无源PFC最佳条件 下面以图2-1(b)所示电路为例给出最佳校正效果时的一般条件，考虑
15、到整流桥的作用后其结论同样适用图2-1 (a)、(c)与(d)。在理想状况下，输入电流应该与输入电压同步且为完全正弦波，则图1(b)中电感L1的端电压和电流波形应该如图2-2所示，整流桥直接输出电压与电解电容电压波形应该如图2-3所示，说明电感L1的端电压为余弦函数0180一段的周期函数，电流为该函数的积分，即为正弦函数0180一段的周期函数，考虑到整流桥的整流作用意味着输入电流为正弦函数。还说明此时电解电容电压的平均水平恰好与整流桥直接输出电压的平均值水平重合，二者之差即为电感L1的端电压。电解电容端电压的纹波电压为负的100Hz正弦函数，容值再大也不能保证电容电压完全恒定，否则电解电容没有
16、冲放电过程，与实际状况不符。谐振电抗器无源PFC的最终目标就是获得一个类似图3所示的双电压波形，否则输入电流波形存在畸变和交越失真，这要求整个系统参数匹配要十分准确。图2-2 最佳滤波时电感L1电流与端电压波形图2-3 整流桥直接输出电压与电解电容电压波形 普通电抗器L1、电解电容和负载电流波形见图2-4，参照图3电解电容充电和放电电流波形为正弦半波形状，电解电容的电流比L1电流下移了一个输出电流。只有当L1的电流大于负载电流部分时，大于的部分为电解电容充电，其余部分直接为负载供电。当L1的电流小于负载电流部分时，L1电流与电容电流转化为负载电流。另外，谐振电抗器的原级线圈的压降应该为输入电压
17、减去整流器输入端电压，见图2-5，可见谐振电抗器原级绕组端电压峰值较高，主要为谐波电流部分引起的压降。图2-4 普通电抗器L1、电解电容和负载电流波形 图2-5 谐振电抗器的原级线圈端电压波形 电解电容容值主要与直流电压的纹波大小和输出电流的纹波大小有关，一般选择确保电解电容能够安全承受纹波电压即可，由于采用了滤波电感L1，其容值可以有所下降，此时电容充放电电流按照正弦波分布，比较平稳。电抗器L1的参数不易太小，否则L1的电流不容易连续，应该确保在额定负载左右电感L1刚好流过正弦半波电流为准，否则负载轻时L1的电流波形出现长时间交越失真。这就是这种无源PFC的最佳设计时目标参数选择的一般方法。
18、仿真和实验表明，按照上述确定L1参数，一般轻载时，谐波电流均能符合标准。3.电路设计及仿真 3.1主电路原理图桥后采用电抗器串联谐振无源PFC电路如图3-1 所示，这种方案校正效果良好，覆盖功率范围大，直流回路电压损失较低。图中的电源是有效值为220V频率为50Hz的交流电，MI为互感器，UB为整流桥，剩下的四个元件中两个位电容，一个是电感，另一个则是电阻。桥前的互感器和电容组成滤波电路，滤除正弦交流电源中的高次谐波，整流桥则是用于将交流电转换为直流电，桥后的电感与电容也是滤波电路，滤除直流电中的交流分量，而最右边的电阻则作为伏在接入电路。 图3-1 桥后采用电抗器的串联谐振无源PFC主电路3
19、.2主电路的仿真原理图基于图2-1所示的基于谐振电抗器的单相无源PFC电路，采用MATLAB 7.0的SIMULINK 6.0 建立如图3-2所示的仿真电路，这种无源PFC 的工作原理为串联谐振环节产生3 次谐振，形成3 次谐振电流和电压， 3 次谐振电流可以补偿线路的3 次谐波电流， 3 次谐振电压注入到整流桥，使得直流回路电压升高，提高电源电压的利用率。图3-2 桥前电抗器串联谐振无源PFC 电路仿真原理图3.3仿真参数设置解算选项为:变步长，最大步长为le-5s，相对精度为le-3 ，算法选择ode23t (mod. Stiffltrapezoidal) ，其他选项选择默认值。图3-2中
20、的VSl为标准单相正弦电压源，有效值为220V 。UBI 为通用单相不控整流桥。MIl为互感器，一边自感为1.9mH ，一次绕组电阻为，二次绕组自感为59mH ，二次绕组电阻为，励磁电阻为 ，励磁电感为I0mH。RLCl 为谐振电路电容取值为19.1F，为便于收敛。RLC2 为普通电抗器，取值为10mH o RLC3 为电解电容，取值为1410。RLC4 为电阻负载，取值为。上述参数的取值均来自于实际系统的参数。Muxl 为信号复合器， Funl 、Fun 2 为通用表达式， FFT为快速傅里叶变换模块， THDMl 为总谐波畸变率测量模块， A/RPMl 为有功功率与无功功率表， VMl 、
21、VM2 为电压表， CMl 为电流表。左上角方框为频谱显示器，双击后可以显示输入电流的波形和频谱。其他均为常用功能模块，如常数模块Constantl 。3.4电路仿真结果与分析仿真结果如下：输入电压与输入电流波形如图3-3所示，其中，输入电压幅值缩减为1/20，输入功率因数为0.965， THD 为0.65。输出直流电压波形如图3-4 所示，输出直流电压的平均值为252V ，纹波电压的峰峰值为18V 。图3-3 输入电压与输入电流的波形图3-4 输出直流电压波形图3-5 输入电流总谐波畸变率波形图3-6 输入功率因数波形本次的仿真结果与理论分析的结果相差不多，理论上输入功率因数为0.96，仿真
22、的结果为0.965，在误差范围内，理论上输入电流总谐波畸变率是0.5，仿真结果是0.65，可能是在设置一些元件参数时候出现偏差，还有可能是采样时间和起止时间设置方面的问题。通过观察波形，我可以发现输入电流总谐波畸变率波形和输入功率波形在开始阶段不是很稳定，经过一段时间的波动之后，趋于稳定，这说明在电路突然加上交流电源之后，进过一段时间的电路反应之后，才能够达到稳定，在这段时间内，储能元件充放电处于震荡状态，直到这些元件上面的电荷趋于稳定。4.结束语本次能力拓展训练让我再一次复习了电力电子技术中整流滤波电路和提高功率因数方面的知识，把以前所学的理论再回顾了一遍，在实践的过程中加深了对理论知识的理
23、解，做到学以致用。在仿真电路的过程中，我再一次使用了MATLAB这个软件，搭建电路的过程中，有几个元件之前没有见过，通过查阅资料书并在同学的帮助下，逐一把它们找出来了，在仿真调试的过程中，我再一次熟悉了这个软件的相关操作，有时候仿真的时间比较长，需要耐心等待。仿真过程中，波形应该是最大的一个问题，几番修改参数，还是有问题，在同学的帮助下，最终得到解决。这几天让我更深刻的体会到凡事预则立。做任何事情都要先计划好，不能像之前一样，先玩几天，等快要交报告了，才开始做课设。这次我规划好了时间，按照计划一步步执行，丝毫不拖沓，这样的感觉真好，没有之前熬通宵赶报告那种焦虑的心情，不仅效率高，质量也高。总之
24、，本次能力拓展训练让我更加熟悉了Word的使用技巧，提高了我的文字排版能力，学会了使用网络和查阅资料的能力，提高自己独立解决问题的能力，同时进一步巩固了所学知识，让自己的理论更加扎实，基本上完成了任务书中的课题，达到了能力拓展训练的目的。参考文献1 王兆安.电力电子技术.北京：机械工业出版社，20042 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真.北京：机械工业出版社，20063 黄忠霖黄京.电力电子技术的MATLAB实践.北京：国防工业出版社，20094 Jauch T, Kara A, Rahmani M. Power quality ensured by dynamic voltage correction. ABB Review， 19985 林海雪 孙树勤.电力网中的谐波.北京：中国电力出版社, 1998
