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浅谈电网谐波及其治理

2018-03-12

1引言

随着电力电子技术的迅速发展, 电力系统中大功率电力电子装置日益增多, 在提高工业装置的效率和自动化水平的同时, 导致了供电系统中谐波干扰增大, 造成电网电压、电流波形严重畸变, 成为影响供电质量的新的突出问题, 并严重危及电力系统及用电设备的安全经济运行。

2谐波的来源

谐波的产生主要来自两大方面一是来自用户的非线性负荷二是来自电源系统。

(1)来自非线性负荷。随着电力电子技术的发展, 供电系统中增加了大量的非线性负载, 从低压小容量家用电器到高压大容量的工业交、直流变换装置都有着广泛的应用。非线性用电设备已是产生谐波的主要原因。

(2)来自系统的影响。其一、系统中交流发电机内部的定子和转子间的气隙, 由于受到铁心齿、槽和工艺的影响, 分布不均匀, 虽然各相电势的波形对称, 但三相电势中含有一定数量的奇次谐波;其二、系统电网中大量变压器的励磁电流含有奇次谐波成分, 当变压器空载或过励磁时则更为严重并由此构成了主要的稳定性谐波源其三、当电网中投切空载变压器或电容器时, 其合闸涌流注入电网也会形成突发性的谐波源。

3谐波的危容

谐波污染对电网的影响主要表现在:

(1)造成电网的功率损耗增加、设备过热, 寿命缩短、电子元器件的继电保护或自动装置误动作影响电子仪表和通信系统的正常工作, 降低通信质量增大附加磁场的千扰等;

(2)引起变电站局部的并联或串联谐振, 使正常的供电中断、事故扩大、电网解裂等。

4谐波的治理

无论是从保障电力系统的安全、稳定、经济运行的角度, 还是从用户用电设备的安全、正常工作的角度, 有效地治理谐波, 将其限制在允许范围内, 还电网一个洁净的电气环境, 营造“绿色电网”, 已经迫在眉睫。我国谐波治理的水平还比较低, 限制谐波的主要措施有;

(1)增加换流装置的脉动数;

(2)改变电容器组的安装位置或调整电容器组的无功出力;

(3)采用三角形联结变压器隔断了零序3倍数谐波的流通;

(4)同步发电机中采用短矩线圈和分布绕组可以减小谐波;

(5)采用无源滤波器(PF)有源电力滤波器(APF)等;

4.1无源滤波器

无源滤波装置是目前应用最广泛的谐波治理措施, 它利用电感、电容元件的谐振特性, 在阻抗分流回路中形成低阻抗支路, 从而减小流向电网的谐波电流。具有成本低、技术成熟, 还可补偿无功功率的优点 但存在不足;

(1)滤波补偿特性依赖电网和负载参数;

(2)无源滤波器的LC参数的漂移会导致滤波特性的改变;

(3)可能发生电网与滤波器之间的串、并联谐振, 使滤波器或电网侧的谐波较之负载的电流谐波有所放大;

(4)随电源侧谐波的增加, 滤波器有可能过载;

(5)只能补偿一定频率的谐波。

4.2有源电力滤波器

有源电力滤波器(APF)是一种动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置, 它克服了LC无源滤波器等传统谐波抑制方法的缺点, 正日益受到电力电子 界的高度重视, 可以视为抑制谐波、补偿无功的最有效和最具潜力的方案。它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。有源电力滤波器的主要工作原理如图1所示。

根据APF与系统的连接方式可将APF分为并联型、串联型、混合型。

4.2.1并联型有源电力滤波器

并联型APF如图2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。

4.2.2串联型有源电力滤波器

串联型APF如图3所示。串联APF通过一个藕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CONTROL ENGINEERING China版权所有, 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, 以电压源的方式补偿电网中存在的暂态或稳态电压畸变。

4.2.3多种结构形式的混合型有源电力滤波器

上述介绍的无源滤波器和有源滤波器都各有其优缺点。为获得更好的滤波补偿效果, 人们自然会想到能否综合两种滤波器的优点, 避开其缺点, 从而构成更加理想的谐波补偿系统。由此思想出发控制工程网版权所有, 近年来设计出了多种结构形式的混合型电力有源滤波器。

(1)SHAPF

串联APF与并联无源滤波器组成的混合有源电力滤波器(简称SHAPF)。

该方案由F.ZPeng于1988年提出,该方案结合了无源滤波器和有源电力滤波器的优点, 具有很好的滤波性能, 且容量小。大部分谐波由成本较低的无源滤波器滤除, 其结构如图4所示。串联APF可看成是与系统串联的受控电压源, 其输出电压和谐波电流成正比。对于谐波电流, 串联APF等效为一个电阻, 阻值为输出电压与谐波电流的比值对工频, APF则呈现极低的阻抗。无源滤波器组通常由5次、7次LC调谐滤波器跟一个高通滤波器组成。当APF的谐波等效阻抗远远大于电网阻抗和无源滤波器阻抗时, 负载谐波电流强制流入无源滤波器, 线路只剩下很小的谐波电压和电流。

(2)并联APF与并联PF组成的混合有源电力滤波器

该方案于1987年由TakedaM等人提出的, 图5所示。基本原理:由PE滤除负载中大部分谐波, 同时将负载和无源滤波器看成一个补偿对象, 使用APF进行动态补偿, APF检测补偿对象的电压和电流, 经运算电路计算处理得出相应补偿电流。补偿电流与负载中要补偿的谐波电流抵消, 最终得到期望的电源电流。

(3)APF与PF串联后与电网并联

该方案由FujitH等人在199年提出的。结构如图6所示。此结构中,APF 可看作是电流控制电压源, 由于PF的存 在避免了电源电压直接加在APF的逆变 桥上。该方案可以等效为SHAPF型。无源滤波器对负载的谐波电流进行滤波, 并提供一定的基波无功补偿;而有源滤波器则起改善无源滤波器特性的作用。

(4)串联一并联型混合有源电力滤波器

该方案是AkagiH等人在1994年提出的新型APF。其结构如图7所示。串联型APF将电源和负载隔离, 阻止电源谐波电压串入负载和负载电流流入电网。并联型APF提供一个零阻抗的谐波支路, 把负载中的谐波电流吸收掉。

有源滤波器可以克服无源滤波器的主要缺点, 然而, 这种滤波器在投入实际应用中尚存在不足在现有技术条件下, 应用半导体器件要实现一大容量、快速响应的谐波电流发生器仍十分困难;与无源滤波器比较, 成本高, 运行费用高, 其成本约为无源滤波器的3-5倍, 运行损耗约占容量的6一1%;有源滤波器注入的电流可能能流进联接于交流系统的无源滤波器或无功补偿电容器组, 引起这些设备的过载而损坏;电源中的谐波电压和各相不平衡很难得以补偿, 谐波电压不能隔离意味着谐振因素仍存在系统中。

4.3各种有源电力滤波器的性能比较及其适用范围

并联型APF主要适用于电流源型非线性负载的谐波电流抵消、无功补偿以及平衡三相系统中的不平衡电流等。目前并联型APF在技术上已较成熟, 是当前应用最广泛的一种APF拓扑结构。

串联型APF通过一个匹配变压器, 将APF串联于电源和负载之间,以消除电压谐波控制工程网版权所有, 平衡或调整负载的端电压, 适合于补偿电压型谐波源。与并联型APF相比, 它的损耗较大,且各种保护电路也较复杂。因此, 很少研究单独使用的串联型APF, 而大多数将它作为混合型APF的一部分予以研究。

SHAPF是在串联型APF的基础上使用一些大容量的无源L一C滤波网络来承担消除低次谐波, 进行无功补偿的任务, 而串联型APF只承担消除高次谐振及阻尼无源LC网络与线路阻抗产生的谐波谐振的任务。从而使串联型APF的电流、电压额定值大大减少(功率容量可减少到负载容量的5%以下),降低了APF的成本和体积。从经济角度而言, 这种结构形式是一种值得推荐的方案。但随着电力电子器件性能的提高, 成本不断下降, 它可能被性价比更高的串并联型滤波器代替。

在使用并联APF与并联PE组成的混合有源电力滤波器(图5示)的系统中谐波主要由无源滤波器补偿, 而有源滤波器除了补偿剩余谐波, 也用来改善无源滤波器的补偿特性, 抑制并联谐振。这种结构可以克服单独使用无源滤波器的缺点, 又可减小有源滤波器的容量, 降低了系统成本。但在APF与PE之间以及电网与APF之间存在谐波通道, 可能使APF注入电网的谐波又流入PE及系统中。

APF与PF串联后与电网并联的结构中有源滤波器的输出补偿电压为所有负载谐波电流流过无源滤波器时产生的电压, 如图6所示。对于电源电压中的畸变电压, 有源滤波器被控制产生与其相同的谐波补偿电压, 以抑制电源电压畸变产生的谐波电流。另外,有源滤波器的投入还可有效地抑制电力系统阻抗和无源滤波器之间可能产生的串、并联谐振。由于有源滤波器不是直接对谐波电流进行消除, 而是起到提高无源滤波器滤波效果的目的, 它所产生的补偿电压中不含有基波电网电压, 只含有谐波电压, 故其功率容量很小, 具有良好的经济性, 适于对大容量的谐滤负载进行补偿。

串并联型有源电力滤波器兼有串、并联APF的功能, 可以抑制闪变、补偿谐波、消除共同辐合点处的三相电压不平衡, 具有较高的价格性能比。缺点是只能补偿一定量的无功, 且不能减少三相四线电网中中心线的功率损失, 当前它的主要问题是控制复杂、造价较高。

5结束语

谐波的抑制和无功电流补偿已成为电力电子学和现代电力系统急需解决的问题。有源滤波器虽然在谐波治理上有其突出特点, 但其有功损耗较高,综合成本比无源滤波器高出很多, 故在大容量的滤波器装置上目前还未广泛采用。随着微电子控制器件和电力半导体器件的发展, APF的成本将不断的降低, 加上其卓越的滤波性能, 在我国必将有广阔的应用前景, 将是今后谐波抑制装置的主要发展方向。

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