谐波与对策现代电力电子技术

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APFPWM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，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,α为控制角,ｕｓ和ｉｓ分别为变压器副边的电压和电流波形ｉｓ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。ｉｓ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。鞋（1盯）谐蹄波使渐公用狐电网骑中的脂元件艳产生晓了附备加的演谐波拴损耗排，降认低了钞发电絮、输租电及映用电蚂设备著的效罚率，遥大量渗的3疼次谐以波流片过中听性线喇时会欧使线南路过闯热甚影至发供生火湿灾。浮（2挪）谐眯波影逮响各魔种电白气设陈备的宫正常芦工作护。韵谐波繁对电赴机的寨影响食除引诸起附责加损烟耗外钥，还会会产棒生机摆械振暂动、卫噪声鼻和过岂电压福。使夏变压术器局母部严终重过猛热。谁谐波治使电撕容器骡、电杨缆等据设备掀过热膝、绝闯缘老妖化、受寿命别缩短桃，以雪至损仅坏。纹（3杂）谐肉波会策引起汽公用炼电网像中局抚部的游并联理谐振劈和串丈联谐玻振，载从而使使谐日波放贵大，弓这就养使上总述（歪1）捞和（裁2）触的危反害大递大增慎加。拿甚至蝶引起巨严重黎事故则。德（4称）谐沉波会女导致雪继电绪保护招和自贡动装既置的数误动塘作，绪并会职使电菜气测查量仪寿表计胸量不妇准确雨。砌（5建）谐议波会荷对邻智近的推通信雨系统马产生短干扰新，轻择者产刑生噪秀声，鸭降低粘通信杆质量帜；重凭者导旋致住婆处丢那失，辛使通决信系烟统无及法正匠常工乳作。忙3奸．嚷对狡功率忙因数革的影脉响殊在工摸业和燥生活赌用电每负载饿中，亚阻感阀负载育占有益很大壶的比训例。职异步乞电动滤机、缘变压禾器、班荧光罢灯等亮都是服典型筝的阻锐感负封载。嫂异步敌电动挺机和四变压届器所麻消耗郊的无屠功功锯率在挤电力董系统确所提目供的税无功孩功率屯中占图有很槐高的昼比例词。电掏力系集统中颈的电室抗器练和架拦空线袭等也臭消耗顾一些虽无功执功率供。阻凉感负本载必笔须吸毯收无扇功功香率才肢能正横常工缩作，位这是舞由其挪本身屋的性茂质所冲决定确的。显电力悔电子艇装置酿等非脾线性僻装置骑也要目消耗肠无功弄功率库，特月别是袜各种乓相控茂装置夹。举如相璃控整架流器撤、相扣控交事流功越率调需整电圈路和抖周波瞎变流挥器，反在工旺作时智基波靠电流滤滞后直于电惕网电齐压，期要消随耗大揭量的躲无功严功率船。霞另外降，这嫂些装冒置也廊会产缸生大吨量的懂谐波吸电流处，谐厕波源粱都是颜要消声耗无慌功功桌率的预。倍在各杂种电撕力电钟子装碰置中必，整鸟流装敞置所净占的翼比例接最大艘。目由前，哨常用描的整魂流电祥路几逐乎都嫂采用脊晶闸抓管相蓬控整范流电序路或哨二极瓶管整害流电僚路，维其中贸以三洗相桥跌式和锻单相晴桥式沉整流乳电路土为最恋多。沙根据朱网侧息功率浊因数批定义淘：尝可知还，整件流装柜置的发网侧葛功率陡因数童总是懂小于皮1，突即使辽基波靠电流崭与网控侧电常压是刚同相颜的；错随着剩相控关角的辆增大僻，网狸侧功咽率因界数还般将随诱之减齿小。菌直流宫侧采轿用电雅容滤财波的摔二极遣管整理流电闯路也障是严哄重针的谐狼波污侦染源核。这茫种电嘉路输重入电绩流的克基波悉分量削相位吓与电帖源电絮压相耀位大阀体相规同，升因而申基波该功率财因数中接近辣1。点但掌其输疤入电瞧流的译谐波慕分量白却很绍大，忠给电纪网造钞成严相重污斗染，其也使珠得总饶的功懂率因责数很刷低。累无功像功率办的损扫耗对氧电力引系统锁的影吵响主映要像有以意下几伞个方珍面陈：士（1致）无茎功功迷率的笨增加巷，会隐导致子电流劈增大评和视疏在功斩率增旅加，都从而盏使发枪电机衡、变天压器眠及其翅他电赏气设建备容葱量和唤导线超容量认增加淋。同缺时，持电力忠用户煤的起急动及朝控制葵设备张、测用量仪形表的功尺寸东和规帽格也舌要加蒸大。首（2督）无仗功功六率的买增加艳，使功总电沟流增议大，柄因而国使设险备及武线路阵的损毯耗增圣加，臂这是命显而鱼易见润的。汗（3昏）使覆线路仪及变但压器委的电逆压降楚增大比，如扮果是如冲击成性无话功功闯率负岔载，旱还会刺使电灾压产缘生剧隶烈波服动，恩使供被电质细量严列重降脱低。足二寻、增改善掉措施厚1毒谐波窄抑制倡为解吓决电边力电销子装赔置和理其他今谐波涨源的哑谐波野污染诚问题冻，基项本思今路有战两条传：一雨条是芹装设井谐波藏补偿贩装置膀来补零偿谐稳波；池另一孕条是坛对电开力电欧子装胀置本脖身进朋行改犁造，蝴使其迹不产卵生谐甘波。夸1．畜1俊谐波盯补偿伸1．欢1．路1罪无源励电力扎滤波至器圾传统纲的谐斜波补稀偿装舍置是纸采用洒L赠C调著谐滤摘波器王（无慰源电型力滤庭波器盼）链，它截既可吉补偿扶谐波资，又佣可补阔偿无习功功策率。藏无源蒸电力辆滤波塔器窜（替Pa录ss堪iv星eF揉il万te老r淘，幅缩写蛇为P别F躁）集由于遵其结遇构简餐单、邀运行堂可靠房、维闹护方仰便贪，氧因此梳被广做泛地香用来讲就近献吸收柳谐波朴源所等产生岭的谐影波电妨流,哲降低落供电酸点的丝谐波身电压敬。无眼源电蛇力滤仗波器挪一般舒由电珠力电转容器住、电杯抗器芬和电边阻器陪适当击组合衔而成吊,运或行中羽它和教谐波烈源并气联棉，痛除起南滤波腿作用乓外还布兼顾绝无功后补偿苏的需厌要。戏如图仔2的所示咱。封其缺惩点是林，补扯偿特旁性受傍电网奸阻抗匆和运输行状耳态影屿响，篇易和数系统抵发生级并联覆谐振窝，导笼致谐桨波放者大，倘使L汤C滤鲜波器吴过载袋甚至灯烧毁率。此铜外，拌它只汇能补辽偿固嘱定频钩率的贿谐波壁，效撕果也至不够绘理想岩。但陈这种神补偿悬装置愉结构场简单絮，目携前仍丙被广显泛应博用。认1．悦1．弹2配有源锈电力虏滤波伍器只电力耳电子装器件潮普及要应用惜之后永，运缝用有律源电宫力滤需波器怨(芦Ac李ti藏ve毯Po叛we唯rF宽il粗te吸r,偶缩写料为A谈PF把)叨进行浙谐波尽补偿罢成为达重要舅方向康。般这种滨滤波叫器能梯对频逢率和奋幅值筛都变窃化的艰谐波阁进行唤跟踪籍补偿蛮，且挥补偿葡特性旦不受汗电网科阻抗躁的影吸响。蹄它已凡得到孝人们疑的重冠视，馋并将个逐步逗推广吃应用直。健有源蛛电力币滤波与器的技基本胞原理垦是实麻时检亚测电深网谐啄波,骨利用和可控蓝电力趴电子妙器件悠产生贫与之表大小屡相等絮、相访位相诸反的握电流啊,注粱入电骄网,施从而童达到师实时广补偿劈谐波巨电流得的目久的。扁因此煮有源恢电力孝滤波弓器从忆理论近上讲聋可以雪产生丙任意逐波形筝的电衰流。疤如图裤3所利示。省与传馆统的换无源灯滤波质器一鹅样,枕有源现电力健滤波崖器也泻是给修谐波相电流棵或谐虾波电完压提唉供一煮个在念谐振暂频率愚处等捎效导概纳为凑无究晒大的菌并联勾网络餐或等甩效阻之抗为彻无穷位大的客串联虏网络刚。根去据A残PF惩与系湿统的戚连接违方式诚可将叙AP水F分诊为并辫联型境AP灭F、籍串联尸型A皮PF积、混敲合型斗AP嘴F。究并联湖型A升PF注如图赠4嫁所示朝。A周PF划通过晚检测辉负荷筋电流面,产脚生与汁负荷此谐波闸电流额大小现相等段、相愿位相煮反的据谐波恢电流谦注入必电网豆,从续而抵故消负侍荷谐很波电承流,笛使电应源侧吼电流主接近在正弦乔波。怜因此玩,并时联型桨AP葱F可饰以看姻成是搏一个今谐波意电流垂发生辱器,争相当坝于一劝个受玩控流源客与负瘦荷并杂联。珠所以周，坑并联天型A云PF酸适合鸟补偿轰电流调型谐独波源健。坦串联登型A腐PF逆如图骗5奖所示损。串铸联A茂PF舱通过丙一个捏耦合截变压与器连桶接到势配电越网中湾,检公测电海源电洁压,碧产生少与电娘源谐压波电士压大散小相销等、前相位扒相反贷的谐与波电柴压,何从而继使负煤荷端辜电压蚂接近摆正弦俭波。贯串联有型A择PF糕相当末于受材控电践压源狼,以滔电压答源的姜方式嚷补偿鞭电网谜中存挑在的嚷暂态液或稳犁态电千压畸眯变。已因此亿,串漆联型悦AP贼F适夺合于赔补偿唯电压座型谐监波源邪。陷在某她些情栋况下铜,并马联、茶串联葵有源蚊电力视滤波撑器以周及无包源滤晶波器携的组用合方沟案可查以满信足多霞种补伏偿要州求。唇1．州2剪另一唤种方则法是伯改革材变流得器的盗工作睛机理腐，抑艺制谐妻波。水1．纳2．林1予多重复化技奋术访大容吧量变院流器杆减少差谐波紧的主该要方炊法是教采用狐多重沙化技秀术童，骑将多烤个方便波叠畜加以轿消除楚次数珠较低假的谐脆波，六从而存得到愧接近羞正弦烤的阶胃梯波筝。重粪数越示多，辉波形欢越接截近正绣弦，捷但电尝路结对构越帆复杂哨。略其中抵，整净流器居的多从重化煤是将贯几个喂桥式荷整流钻电路扣多重勿联结认以减泽少输虫入电陵流谐剑波，趣并采史用自榴换相日整流器电路尝以提娇高位盖移因削数。索多重野化也乞可用咏于二食极管撕整流津电路佛，如硬电容拍滤波孙二极垮管整疯流电脾路。肉从电讲压的让角度致，可行以利快用双获绕组异变压好器通菊过移涝相叠余加，吸形成传多阶抹梯的孟输出勒电压龟波形寿；也辜可以漠采用脾双绕钥组变进压器货和三色绕组阀变压腐器相捐结合粘的办状法折，通耻过婶“潮曲折鹊连接鞋”筝来磨达到爸增大舞容量悼消除锯谐波块的目采的。吐图缘6孔为基鹿于多名重化范逆变吊器的暗直流卸侧电盼路的乓变压乓器曲桥折连工接图嫂。乘1．税2．室2差PW耳M整跃流技壮术度几千纱瓦到费几百幼千瓦榜的高比功率净因数颂变流丘器主迫要采特用P剃WM银整流盐技术殊。它轿直接娃对整钓流桥蛙上各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