电力电子谐波抑制

电力电子装置谐波抑制及无功补偿技术的进展姓名：王新旺学号：031241101 班级：0312411摘要:从分析电网谐波污染的原因出发,指出电力电子装置产生的谐波已成为电网的主要谐波污染源,其无功问题也很严重。

从谐波和无功功率的补偿以及单位功率因数变流器这两方面介绍了国内外解决谐波和无功问题的一些新技术和发展动向。

叙词:电力电子技术谐波无功功率补偿1前言随着电力电子装置的应用日益广泛,电网中的谐波污染也日益严重。

另外,许多电力电子装置的功率因数很低,也给电网带来额外负担并影响供电质量。

因此消除谐波污染并提高功率因数,已成为电力电子技术中的一个重大课题。

解决电力电子装置的谐波污染和低功率因数问题的基本思路有两条:(1)装设补偿装置,以补偿其谐波和无功功率;(2)对电力电子装置本身进行改进,使其不产生谐波,且不消耗无功功率,或根据需要对其功率因数进行控制。

2电力电子装置的谐波和无功问题带感性负载的整流电路所产生谐波污染和功率因数滞后是众所周知的,而实际上直流侧含滤波电容的二极管整流电路也是污染严重的谐波源。

其输入电流的基波分量相位与电网电压相位大体相同,位移因数接近1,但其输入电流的谐波分量却很大,而总功率因数又很低,给电网造成严重污染。

逆变和斩波装置所需的直流电源来自整流电路,尤其是由直流电压源供电的逆变或斩波装置,其直流电压源大多是由二极管整流再经电容滤波得到的,因此谐波和无功问题也很严重。

此外,彩电和个人电脑等精密家用电器和办公设备,都内含开关源,它们的日益普及带来的谐波污染问题亦日益严重[1、2]。

另外,周波变流器和采用相控方式的交流电力调整电路都是谐波和无功问题最突出的电力电子装置。

1992年日本发表了一项关于186个代表性用电户中谐波源的调查报告[1]。

附表给出了关于谐波源分布状况的调查结果。

由表可以看出,主要谐波源来自整流器的用户占89%。

图1是关于产生的谐波量的分布情况调查结果,其中整流装置产生的谐波量总共占了近四分之三。

尽管我国和日本处于不同的经济发展阶段,具体情况有较大差别,但上述调查结果仍有较高的参考价值。

3谐波和无功功率的补偿3.1无功功率的补偿用于补偿无功功率的典型装置有静止无功补偿器SVC。

在SVC装置中,主要有固定电容器加晶闸管控制电抗器(FC+TCR)和晶闸管投切电容器(TSC)等类型。

前者应用较多。

SVC装置为补偿0～100%容量变化的无功功率,几乎需要100%容量的电容器和超过100%容量的晶闸管控制电抗器,铜和铁的消耗很大。

从技术发展来说,这种类型的静补装置已不能说是先进的。

近年来的发展趋势是采用GTO构成的自换向变流器[3],通常称为静止无功发生器(SVG),也有人称为高级静止无功补偿器(ASVC),或静止调相机(STATCON),它既可提供滞后的无功功率,又可提供超前的无功功率。

图2给出了三相电压型SVG装置的电路图。

其中,直流电容器Cd作为电压源,其充电能量和电路的损耗,可由直流侧设置的电源供给,也可由交流电源供给。

如果单纯用于补偿无功,可用移相多重联结的方法来降低其补偿电流中的谐波。

若控制方法得当,SVG在补偿无功功率的同时还可以对谐波电流进行补偿。

在稳态情况下,SVG的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换,无功功率在三相之间流动,因此直流侧只需要较小容量的电容即可。

此外,SVG装置用铜和铁较少,且有优良的补偿特性,因此是新一代无功补偿装置的代表,有很大的发展前途。

3.2谐波的补偿用于补偿谐波的典型装置为电力有源滤波器。

80年代以来,由于新型电力半导体器件的出现,PWM技术的发展,以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测法的提出,有源滤波器得以迅速发展[1、4～6]。

其基本原理见图3。

图3电力有源滤波器的其本原理电力有源滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响,因而受到相当的重视[1、4、5]。

电力有源滤波器的变流电路分为电压型和电流型,如图4所示。

目前实用的装置90%以上为电压型。

从与补偿对象的连接方式来看,电力有源滤波器可分为并联型和串联型。

并联型中有单独使用、LC滤波器混合使用及注入电路方式。

目前并联型占实用装置的大多数。

图5和图6分别为电力有源滤波器的分类情况及其主电路结构。

图6a是电力有源滤波最基本的构成方式。

PWM逆变器并联在电网上,相当于一个受控电流源,产生与负载谐波大小相同而方向相反的谐波电流,使得电源电流被补偿为正弦。

这种方式下,电源基波电压全部加在逆变器上,因而装置容量较大。

这种方式的电力有源滤波器具有连续调节无功功率的功能,能在补偿谐波的同时动态补偿无功功率。

图6b中的LC滤波器若被用来与有源滤波器分担补偿相同次数的谐波,则可降低所需逆变器的容量,若用来补偿较高次的谐波,则起到了补充有源滤波器补偿性能的作用。

在这种方式下,有源滤波器也可以对无功功率进行调节。

图6c方式下,有源滤波器主要不是用来直接补偿谐波,而是用来抑制LC滤波器与电网阻抗之间的并联谐振,即所谓的谐波放大现象,以改善LC滤波器的谐波补偿效果。

其逆变器不承受基波电压,因而逆变器的装置容量大大减小。

注入电路方式的并联型有源滤波器将电感和电容作为逆变器注入电路,利用电感和电容的谐振特性,使有源滤波器不承受基波电压,从而减小逆变器的装置容量、减小体积、降低成本[1]。

图6d和e的有源滤波器均通过变压器串联在电源和负载之间,相当于一个受控电压源。

图6d方式可以消除电源电压可能存在的畸变,维持负载端压为正弦。

需指出,并联型有源滤波器一般适用于感性负载。

对容性负载的谐波源,可采用单独使用方式的串联型有源滤波器,通过控制有源滤波器的补偿电压来改变负载端的电压,从而使电源电流为正弦。

图6e为与LC滤波器混合使用的串联型电力有源滤波器,与图6c 方式等效。

由于其所需逆变器的装置容量很小,一般不超过负载容量的3%,因而颇受关注。

国外电力有源滤波器的研究以日本为代表,已步入实用化阶段。

随着容量的逐步提高, 其应用范围也从补偿用电户自身的谐波向改善整个电力系统供电质量的方向发展[5]。

目前,在装置技术方面,国外的研究主要朝提高补偿容量、改善补偿性能、降低成本和损耗、多功能化和装置小型化等方向发展。

在应用方面,主要致力于针对不同谐波源制定相应的对策,解决最优配置、有源滤波器的相互干扰及其对电网上装设的LC滤波器的影响以及停电和瞬间保护等问题。

与此相关的还有谐波的预测、有源滤波器系统的故障诊断以及补偿容量的计算等方面的课题。

4单位功率因数变流器与补偿无功功率和谐波的方法相比,更为积极的方法是开发不产生谐波且功率因数为1的新型变流器,即单位功率因数变流器大容量变流器提高功率因数和减少谐波的主要方法是采用多重化技术[2]。

如果要求总功率因数为1,甚至提供超前的无功功率,则一般须使用自换相变流器。

对电流型变流器,多重化就是将方波电流叠加,使得输入电流为接近正弦的阶梯波,或提高位移因数。

其联结方式有串联和并联多重化,而控制方式则有移相、顺序控制、非对称控制和滞后超前控制多重化等几种形式[2]。

对电压型变流器,必须用连接电感和交流电源相连,大都用移相多重化,将方波电压叠加,使其在网侧产生接近正弦的阶梯波电压,且与电源电压保持适当的相位关系,从而使输入电流为与电源电压同相位的正弦波。

如果需要,可以控制输入电流的相位,使变流器能对无功功率进行补偿。

多重化技术若配合PWM控制技术,可获得更为理想的效果。

中等容量的单位功率因数变流器主要采用PWM整流技术,一般需要使用自关断器件[2]。

以前对PWM逆变器研究较多,而对PWM整流器研究较少。

对电流型整流器,可直接对各个电力半导体器件的通断进行PWM调制,使输入电流为接近正弦且与电源电压同相的PWM波形,从而得到接近1的功率因数。

对电压型整流器,需将整流器通过电抗器与电源相连。

对此有两类控制方法,一是直接对整流器进行PWM调制,使其输入端电压为接近正弦的PWM波形,并保持一定的相位,从而使通过电抗器输入的电流为与电源电压相同的正弦波;二是检测输入电流,通过电流反馈信号对整流器进行PWM调制,达到控制输入电流波形的相位的目的。

图7为检测输入电流的PWM电压型整流器。

电流指令值与电流检测值比较后,其误差值送至滞环比较器,由比较器的输出来控制电力半导体开关的通断。

电流指令是由直流电压的误差与电源电压检测信号相乘得到的, 这样,就保证了输入电流与电源电压同相,并可以控制直流电压。

PWM整流器配合PWM逆变器可构成理想的四象限交流调速用变流器,亦称为双PWM变流器[3]。

图和b分别给出了电流型和电压型的双PWM变流器的电路图。

这两种变流器不但输出电压电流均为正弦波,输入电流也为正弦波,且功率因数为1。

因其能量转换效率高,均可实现能量的双向传送(再生制动)。

如此优越的性能,代表了这一领域技术发展的主要方向。

为实现单位功率因数,小容量整流器多采用二极管整流加PWM斩波方式[2]。

这一方式在各种开关电源中有着非常广阔的应用前景,必将对谐波污染的治理作出巨大的贡献。

图9a和b分别给出了二极管整流加升压斩波器的单相和三相电路的例子。

图中升压斩波器有两个基本作用,一是调节输出的直流电压,使之维持高于电源电压的峰值以保证电路正常工作,二是控制流经电感的电流,从而使电源电流为与电压同相的正弦波。

但这种整流器中能量只能单方向流动,因而如果负载是驱动电机的逆变器,则无法实现再生驱动。

此外,矩阵式逆变器、谐振交流中间环节逆变器等[3]也可实现接近1的功率因数。

对传统整流器的主电路拓扑结构加以改进,也是实现高功率因数整流的一条途径[6]。

使电力电子装置本身不产生谐波和无功是一种积极的节能降耗的措施,能获得巨大的经济效益,因而对单位功率因数变流器的研究近年来已成为电力电子领域的一大热点5结束语自80年代以来,电力电子技术飞速发展,其应用也日益广泛。

据预测,到下世纪初,美国将有60%的电能将通过电力电子装置被利用[3]。

有人甚至预言,电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术[3]。

然而,电力电子装置的谐波和无功问题是阻碍电力电子技术发展的重大障碍,无法回避。

幸运的是,采用电力电子技术本身可以使这一问题得到很好的解决。

参考文献1电力用アクティブフィルタ调查专门委员会.电力用アクティブフィルタ.日本电气学会,电气学会技术报告.(Ⅱ部)第425号,1996(6).2パワエレクトロニクス研究会.高调波对策の新技术.日本パワエレクトロニクス研究会,1993.3Bose B K.Power electronic—— a technologyreview.Proceeding of IEEE,1992,80(8):1303～1334.(3):263～268.5Akagi H.New trends in active filters.In:Proc.of EPE' 95,1995:0.017～0.026.6Rastogi M,Naik R,Mohan N.A comparativeEvaluation of harmonic reduction techniques in three-phase utility interface of power electronic loads.IEEETrans.Ind.Appl.,1994,30（4）Akagi H.Trends in active power lineconditioners.IEEE Trans.power Electronics.1994,95 ，Akagi H.New trends in active filters.In:Proc.of EPE' 95,1995:0.017～0.026.6 Rastogi M,Naik R,Mohan N.A comparativeEvaluation of harmonic reduction techniques in three-phase utility interface of power electronic loads.IEEETrans.Ind.Appl.,1994,30(5):1149～1155。