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電力電子裝置的諧波危害及抑制

時(shí)間:2007-06-04 11:46:00來(lái)源:lihan

導(dǎo)語(yǔ):?電力電子裝置越來(lái)越多地應(yīng)用于冶金、化工、煤炭和運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域,已成為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)設(shè)備。
隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,電力電子裝置越來(lái)越多地應(yīng)用于冶金、化工、煤炭和運(yùn)輸?shù)戎T多領(lǐng)域,已成為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化的重要基礎(chǔ)設(shè)備。然而,隨著這些電力電子裝置的廣泛應(yīng)用,將大量的諧波和無(wú)功功率注入電網(wǎng),使電網(wǎng)的電能質(zhì)量下降,引起“電網(wǎng)污染”問(wèn)題,這已成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙之一。因此,認(rèn)識(shí)和分析電力電子裝置諧波產(chǎn)生的原因及其危害,探討綜合治理的方法,抑制諧波污染,提高電網(wǎng)功率因數(shù)已成為電力電子技術(shù)中的一個(gè)重大研究課題。 諧波的危害 電網(wǎng)中日益嚴(yán)重的諧波污染常常對(duì)設(shè)備的工作產(chǎn)生嚴(yán)重的影響,其危害一般表現(xiàn)為: 1)諧波電流使輸電電纜損耗增大,輸電能力降低,絕緣加速老化,泄漏電流增大,嚴(yán)重的甚至引起放電擊穿。 2)使電動(dòng)機(jī)損耗增大,發(fā)熱增加,過(guò)載能力、壽命和效率降低,甚至造成設(shè)備損壞。 3)容易使電網(wǎng)與用作補(bǔ)償電網(wǎng)無(wú)功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生諧振,造成過(guò)電壓或過(guò)電流,使電容器絕緣老化甚至燒壞。 4)諧波電流流過(guò)變壓器繞組,增大附加損耗,使繞組發(fā)熱,加速絕緣老化,并發(fā)出噪聲。 5)使大功率電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁系統(tǒng)受到干擾而影響正常工作。 6)影響電子設(shè)備的正常工作,如:使某些電氣測(cè)量?jī)x表受諧波的影響而造成誤差,導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作,對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,非整數(shù)和超低頻諧波會(huì)使一些視聽(tīng)設(shè)備受到影響,使計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制設(shè)備受到干擾而造成程序運(yùn)行不正常等。 電力電子裝置中的諧波產(chǎn)生 電網(wǎng)中的諧波主要是由各種大容量功率變換器以及其他非線性負(fù)載產(chǎn)生的,其中主要的諧波源是各種電力電子裝置,如整流裝置、交流調(diào)壓裝置等,這其中,整流裝置所占的比例最大,它幾乎都是采用帶電容濾波的二極管不控整流或晶閘管相控整流,它們產(chǎn)生的諧波污染和消耗的無(wú)功功率是眾所周知的;除整流裝置外,斬波和逆變裝置的應(yīng)用也很多,而其輸入直流電源也來(lái)自整流裝置,因此其諧波問(wèn)題也很嚴(yán)重,尤其是由直流電壓源供電的斬波和逆變裝置,其直流電壓源大多是由二極管不控整流后經(jīng)電容濾波得到的,這類裝置對(duì)電網(wǎng)的諧波污染日益突出。 諧波的抑制 為了抑制電網(wǎng)中的諧波,減小諧波的危害,在加強(qiáng)科學(xué)化、法制化管理的同時(shí),要采取積極有效的技術(shù)措施,盡量減少電力電子設(shè)備的諧波含量,安裝有效的濾波裝置。 1.采取主動(dòng)措施,減少電力電子設(shè)備的諧波含量 減少諧波含量主要是從變流裝置本身出發(fā),通過(guò)變流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和增加輔助控制策略來(lái)減少或消除諧波,目前采用的技術(shù)主要有: 1)多脈波變流技術(shù) 對(duì)于大功率電力電子裝置,常將原來(lái)6脈波的變流器設(shè)計(jì)成12脈波或24脈波變流器,以減少交流側(cè)的諧波電流含量。 2)脈寬調(diào)制技術(shù) 其基本思想是控制PWM輸出波形的各個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)刻,保證四分之一波形的對(duì)稱性。使需要消除的諧波幅值為零,基波幅值為給定量,達(dá)到消除指定諧波和控制基波幅值的目的。 3)多電平變流技術(shù) 針對(duì)各種電力電子變流器采用移相多重法、順序控制和非對(duì)稱控制多重化等方法,將方波電流或電壓疊加,使得變流器在交流電網(wǎng)側(cè)產(chǎn)生的電流或電壓為接近正弦的階梯波,且與電源電壓保持一定的相位關(guān)系。 2.安裝電力濾波器,提高濾波性能 (1)無(wú)源電力濾波器 無(wú)源電力濾波器(PPF)即利用電容和電抗器組成LC調(diào)諧電路,在系統(tǒng)中能夠?yàn)橹C波提供并聯(lián)低阻通路,起到濾波作用;同時(shí),利用電容還能補(bǔ)償無(wú)功功率,改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,造價(jià)低,運(yùn)行損耗小以及技術(shù)要求不高等特點(diǎn),PPF成為改善電能質(zhì)量的最常見(jiàn)設(shè)備。但由于結(jié)構(gòu)和原理上的原因,使用無(wú)源濾波裝置來(lái)解決諧波問(wèn)題也存在一些難以克服的缺點(diǎn),如:只能濾除特定次諧波,諧波補(bǔ)償頻帶較窄,過(guò)載能力小,對(duì)系統(tǒng)阻抗和頻率變化的適應(yīng)性較差,穩(wěn)定性較差,體積大,損耗大等。 (2)有源電力濾波器 圖l為有源濾波器(APF)的原理框圖。它通過(guò)檢測(cè)電網(wǎng)中的諧波電流,然后控制逆變電路產(chǎn)生相應(yīng)的補(bǔ)償電流分量并注入電網(wǎng),以達(dá)到消除諧波的目的。APF按與系統(tǒng)的連接方式不同可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串—并聯(lián)混合型。并聯(lián)型APF主要適用于感性電流源負(fù)載的諧波補(bǔ)償,串聯(lián)型APF主要用于消除帶電容的二極管整流電路等電壓型諧波源負(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響,串—并聯(lián)型APF兼有串、并聯(lián)APF的功能。 APF濾波特性不受系統(tǒng)阻抗影響,不會(huì)與電網(wǎng)阻抗產(chǎn)生串聯(lián)和并聯(lián)諧振的現(xiàn)象,且對(duì)外電路的諧振具有阻尼的作用。此外,APF具有高度可控性和快速響應(yīng)性,不僅能補(bǔ)償各次諧波,還可抑制電壓閃變,補(bǔ)償無(wú)功電流,性價(jià)比較為合理。另外,APF具有自適應(yīng)功能,能對(duì)幅值和頻率變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行自動(dòng)跟蹤,實(shí)時(shí)補(bǔ)償。 (3)混合型電力濾波器 混合型電力濾波器將無(wú)源濾波器與有源濾波器組合起來(lái),其結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中有源濾波器不直接承受電網(wǎng)電壓和負(fù)載的基波電流,僅起負(fù)載電流和電網(wǎng)電壓的高次諧波隔離器的作用,因而有源濾波器的容量可以設(shè)計(jì)得較小,利用串聯(lián)的有源濾波器增加高次諧波阻抗而對(duì)基波無(wú)影響的特性,可以改善無(wú)源濾波器的濾波效果,防止與電網(wǎng)之間發(fā)生諧振,但其缺陷是有源濾波器的性能很大程度上決定于電流互感器的特性。因此,又有人提出一種新型混合有源電力濾波器方案,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。它采用開(kāi)關(guān)頻率較低的IGBT構(gòu)成的逆變器來(lái)進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償,由開(kāi)關(guān)頻率高,耐壓較低的MOSFET構(gòu)成的逆變器進(jìn)行諧波電流補(bǔ)償,高頻逆變器的輸出側(cè)采用變壓器隔離,可消除大部分干擾。 日益嚴(yán)重的諧波污染已引起各方面的高度重視。隨著對(duì)諧波現(xiàn)象的進(jìn)一步認(rèn)識(shí),將會(huì)找到更加有效的方法抑制和消除諧波,同時(shí)也有助于制定更加合理的諧波管理標(biāo)準(zhǔn)。為了更好地達(dá)到抑制諧波的效果,對(duì)不同的諧波源負(fù)載應(yīng)該采用相應(yīng)結(jié)構(gòu)的濾波裝置,如級(jí)聯(lián)型大功率APF、基于DSP的智能型APF等的研究都標(biāo)志著低損耗、大功率、高頻率、智能化的APF是其發(fā)展方向。 隨著諧波污染綜合治理工作的逐步深入,電力電子技術(shù)的推廣和應(yīng)用必將有更加廣闊的前景。

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