相控晶闸管装置谐波问题的分析与治理

1、相控晶闸管装置谐波问题的分析与治理 孙慧峰 , 刘跃敏河南科技大学 河南 洛阳 摘 要：随着电力电子技术的不断发展，特别是大功率晶闸管元件的成功使用，使得晶闸管变流装置的应用日益广泛，然而由于电力电子设备为非线性正弦负载，这就给电力系统带来了谐波问题，使电网中的谐波电流大大增加，形成电网公害。因而谐波治理就成为普遍关注的技术问题。本文对相控晶闸管装置谐波源进行了分析，指出了其危害并提出了相应谐波治理的方法。 关键词：相控晶闸管装置；谐波分析；治理引 言相控晶闸管整流装置的输入电流通常是非正弦的，比如三相全控桥式相控整流电路大电感负载时，交流电流为正负对称的1200矩形波，含有5、7、11次高次

2、谐波，这些谐波电流在电网回路引起阻抗压降，使电网电压也含有高次谐波，造成电网电压的畸变，随着晶闸管装置的大量使用，装置容量的日益增大，造成电网波形的畸变愈来愈严重，影响与之并联的所有设备，因此对相控晶闸管装置的谐波问题必须加以认真研究，采取相应措施，把不良影响减到最小限度，以利于生活和生产的需要。本文就围绕这一问题，通过对相控晶闸管装置谐波源来源及其危害的分析和研究，探讨了谐波治理的方法，并对谐波治理的发展趋势进行了展望。一、 谐波源的主要来源电力电子装置作为最主要的谐波源的电力电子装置主要有各种流变流装置（整流器、逆变器、斩波器、变频器）以及双向晶闸管可控开关设备等，另外还有电力系统内部的变

3、流设备，如直流输电的整流阀和逆变阀等。1.整流电路的谐波电流作为直流电源装置，整流器广泛应用于各种场合。在整流装置中，输入为正弦波交流电压，但因电能变换致使交流侧电流为非正弦波电流，以三相桥式全控整流电路为例，假设电源变压器采用Yy接法，匝比为1，忽略变压器铁心饱和及非线性影响，电网的短路容量足够大，交流侧电抗为零，直流侧串入大电感，直流电流近似为直线，则交流电源的电流为矩形波，如图1所示。该矩形波为工频基波电流和工频基波奇数倍的高tiA1图1三相全控桥式整流电路交流侧电流波形次谐波电流的合成波形，由傅氏级数可将交流侧电流分解为:可见，方波电流中含有5、7、11、13等高次谐波分量，其幅值分别

4、为基波幅值的，也即方波中的高次谐波分量In与基波分量I1之比最大为1/n。整流装置从电源吸收含有高次谐波的电流，该电流将在电源回路引起阻抗压降，使电网电压中也含有高次谐波成分，所以相控晶闸管整流装置实际上可看成是一个高次谐波产生的电流源，是造成电网电压波形畸变的主要原因。2. 交流调压器、频率变换器、通用变频器等变流装置也同样会产生大量的谐波。除此之外，家用电器也是不可忽视的谐波源。例如电视机、电池充电器等。虽然它们单个的容量不大,但由于数量很多,因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。二、 谐波的危害电网波形畸变含有高次谐波主要有如下危害：1）使发电机及输电变压器发热增加。2）对交流电机

5、产生脉动转矩、铁耗铜损增加，对直流电机除发热增加外，还引起换相恶化和噪声。3）会导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确，直接影响精密测量仪器的的测量精度。4）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，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。5）随着谐波次数增加，电力电容器的谐波阻抗降低，导致大量谐波电流流过电力电容器，致使电容器功率损失增大，影响电容器的使用寿命，甚至损害电容器，另外当容抗和感抗在某次谐波附近发生谐振时，系统谐波电流含量将大大增加，从而影响系统正常运行。三、谐波的治理1、对相控晶闸管装置本身进行改进 为了减小谐波电压对电网的影响，从变流装置本身

6、出发，通过优化变流装置的结构设计和增加辅助控制装置，以减少谐波的产生或消除已产生的谐波，目前主要采用以下几个方面的技术。（1） 电阻负载时应尽量选小控制角运行；随着触发控制角的减小和换相重叠角的增大，谐波分量有减小的趋势，研究结果已表明：整流器的运行模式对谐波电流的大小也有直接的影响，因此在考虑调整整流（电压电流时），最好要进行重叠角、换相压降以及谐波测算，以便确定安全、经济的运行方式，当控制角接近40°，重叠角在8°左右时往往是谐波最严重的状态，所以要经过计算，尽量通过正确选择调压变压器抽头，避开谐波（易产生的点）最严重点。（2）三相整流时应采用桥式而不采用半波整流，以消

7、除偶次谐波；Ld.Rd图2（a）整流变压器原、副边的接法（3）整流变压器原、副边采用不同接法，使电网电流波形成阶梯状，更接近正弦波，；如图2所示。tiA1图2（b） 电网电流波形（4）通过变流装置主接线方式增加输出脉波数，大容量电力电子装置必须采用脉波数较高的联接形式，常将原来6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波，以减少交流侧的谐波电流含量，如图3所示，两组桥线电压相差300，等效为12相整流。理论上讲，脉波越多，对谐波的抑制效果愈好，但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂，体积越大，变流器的控制和保护变得困难，成本增加。MLd图3 两组晶闸管串联供电（5） 整流电路中采用全控型器件来代替晶闸

8、管，实现强迫换相VI2、VD1工作VI1、VD2工作tugtudV1、V4轮流工作V2、V3轮流工作i1t(b)如图4所示，VI1、VI2为绝缘栅双极晶体管，VD1、VD2为二极管，组成单相可控整流。采用脉宽调制技术来控制VI1、VI2的通断，实用中常采用正弦波脉宽调制技术（SPWM），即触发脉冲宽度随正弦规律变化，脉冲图4 全控型器件组成的可控整流电路及波形(a)主电路 (b)波形VI1VI2VD1VD2u1i1udRdug(a)面积与对应的正弦波面积成正比，如图4（b）中ug所示，从而使输出电压波形也随正弦规律变化，使输入电流谐波成分大大减小如图4（b）中ud、i1所示。 采用的PWM技术

9、有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。（6）采用多电平变流技术 针对各种电力电子变流器（对于电压型的变流器必须用联接电感与交流电源相连），采用移相多重法、顺序控制和非对称控制多重化等方法，将方波电流或电压叠加，使得变流器在电网侧产生的电流或电压为接近正弦的阶梯波，且与电源电压保持一定的相位关系。（7）采用功率因数预调整器： 在电力电子装置中加入高功率因数预调整器，在预调整器的直流侧通过DC/DC变换控制输入端电流，保证电力电子装置从电网中获取的电流为正弦电流并与电网电压同相。此方法控制简单，可同时消除高次谐波和补偿无功电流，使电力电子装置输入端的功率因数

10、接近1。以上方案的主要问题在于成本高、效率低。同时，电力电子系统中很高的开关频率使PWM载波信号产生高次谐波，还会导致高电平的传导和辐射干扰。因此，必须用EMI滤波器将高次谐波信号从系统中滤除，防止它们作为传导干扰进入电网；还要利用屏蔽防止它们作为辐射干扰进入自由空间，对空间产生电磁污染。2、通过外加设备对电网实施谐波补偿。即谐波负载本身不加改变，而是在电力系统或谐波负载的交流侧加装无源滤波器（PF）、有源滤波器（APF）或者混合滤波器（HAPF）等装置，  非线性负载实时谐波电流检测电路控制电路PWM逆变电路isiLic电力系统图6 APF原理图RCCRLL（a） （b）

11、图5 无源滤波装置（a）单调谐滤波器（b）高通滤波器（1）装设无源滤波器(PF) 无源滤波器通常采用电力电容器、电抗器和电阻器按功能要求适当组合，在系统中为谐波提供并联低阻通路，起到滤波作用，如图5所示。其优点是投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便，因此无源滤波是目前广泛采用的抑制谐波及进行无功补偿的主要手段。其缺点在于其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定，只能消除特定的几次谐波，而对其它次谐波会产生放大作用，在特定情况下可能与系统发生谐振；谐波电流增大时滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载；有效材料消耗多，体积大。（2）装设有源滤波器有源滤波器APF图6为APF原理图，APF通

12、过检测电路检测出电网中的谐波电流，然后控制逆变电路产生相应的补偿电流分量,使之与变流装置谐波的幅值相等、相位相反，并注入到电网中,以达到消谐的目的。APF滤波特性不受系统阻抗影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险。与无源滤波器相比，具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制电压闪变、补偿无功电流，性价比较合理。另外,APF具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。有源电路调节器(APLC) 电力系统PWM逆变电路控制电路实时补偿电流计算节点k节点1节点2节点3节点4节点m有源线路调节器图7 APLC原理图 图7为有源线路调节器(APLC)的原理图，其结构与APF相似，因此过去很多

13、文献上都将其等同于APF。其实，从原理上分析，与APF单节点谐波抑制相比较,APLC是向网络中某个(几个)优选节点注入补偿电流，通过补偿电流在网络中一定范围内的流动，实现该范围内所有节点谐波电压的综合抑制，即通过单节点单装置的装设，达到多节点谐波电压综合治理的功能，APLC的出现，表明电力系统谐波治理正朝着动态、智能、经济效益好的方向发展。（3）装设静止型无功动态补偿器（SVC）静止型无功动态补偿器是一种快速调节无功功率的装置， 一般由并联的感性和容性两大回路构成，其中有一个回路为动态回路，能够根据补偿要求快速变化无功功率。依据构成动态回路的不同方式，目前主要有如图8所示三种形式的无功动态补偿器：晶闸管控制的电抗器（TCR）、晶闸管投切的电容器（TSR）、和自饱和电抗器（SR），图中（d）晶闸管控制的变压器（TCT）是晶闸管控制的电抗器（TCR）的一种变形。（a） （b） （c） （d）图8 静止型无功动态补偿器（a）TCR （b）TSR （c）SR （d）TCT静止型无功动态补偿器在调节的快速性、功能的多样性、工作的可靠性、投资和运行费用的经济性等方面都具有显著的特点，能够获得较好的经济效益。四、结语综上所述，随着晶闸管装置的容量增大，谐波问题将会成为“电力公害”，严重的制约了晶闸管装置的进一步发展。消除电力电子装置谐波污染的工作，可称之为电力