諧波濾波電抗器在生產(chǎn)中的應(yīng)用研究

趙瑞雪

摘 要：電力系統(tǒng)中的非正弦電力波所導(dǎo)致“電力公害”表現(xiàn)在多個(gè)方面，嚴(yán)重時(shí)容易導(dǎo)致電力系統(tǒng)的癱瘓。為了降低諧波對(duì)電力系統(tǒng)的危害，一般采用諧波濾波裝置。傳統(tǒng)的濾波裝置大體分為有源和無(wú)源濾波兩種。無(wú)源諧波濾波裝置因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，建設(shè)成本低，運(yùn)行穩(wěn)定性較高而廣泛應(yīng)用。文章結(jié)合諧波的基本概念，主要分析傳統(tǒng)無(wú)源濾波器的性能缺陷，并針對(duì)性的提出無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和在生產(chǎn)中的應(yīng)用

關(guān)鍵詞：諧波濾波電抗器；原理；設(shè)計(jì)；計(jì)算；應(yīng)用效果

隨著現(xiàn)代工業(yè)化規(guī)模的不斷擴(kuò)大，社會(huì)生產(chǎn)活動(dòng)對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行所帶來(lái)的壓力逐漸提升，另一方面，大量非線性負(fù)載接入電網(wǎng)，使得無(wú)功消耗量增加，隨之而來(lái)的諧波危害也日趨嚴(yán)重。為了提高電網(wǎng)運(yùn)行的整體質(zhì)量，營(yíng)造一個(gè)綠色安全的電網(wǎng)系統(tǒng)，無(wú)功補(bǔ)償和諧濾除迫在眉睫。相對(duì)于有源濾波器，無(wú)源濾波器因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、投入成本較低、具有較高的運(yùn)行可靠度，應(yīng)用較為廣泛，但傳統(tǒng)無(wú)源濾波器也存在著一些性能上的缺陷，如容易造成系統(tǒng)過(guò)補(bǔ)償，濾波精確性不高?；趥鹘y(tǒng)無(wú)源濾波器存在的缺陷問(wèn)題，文章主要探討一種基于晶閘管式可變電抗器的無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理。

1 諧波的產(chǎn)生

電力系統(tǒng)中的非線性用電設(shè)備是諧波的主要產(chǎn)生源，這些線性設(shè)備的使用主要集中大型工業(yè)和能源產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，其生產(chǎn)所需要的諸如換流設(shè)備以及其他非線性設(shè)備導(dǎo)致了電力系統(tǒng)非正弦電力波的產(chǎn)生。隨著越來(lái)越多的硅整流、可控硅等換流設(shè)備應(yīng)用與工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)電力系統(tǒng)的非線性負(fù)荷將逐步加大，由此而來(lái)大量諧波對(duì)電力系統(tǒng)帶來(lái)危害，造成電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載和無(wú)功功率增加，嚴(yán)重影響了電力系統(tǒng)的電能輸出質(zhì)量。

2 傳統(tǒng)無(wú)源濾波器的性能缺陷

傳統(tǒng)無(wú)源濾波器的電抗感應(yīng)指和電容值是具體電力系統(tǒng)的實(shí)際需要而設(shè)計(jì)。電容器的電容值受制約與系統(tǒng)額定電壓和額定容量。（1）無(wú)源濾波器的電容器在補(bǔ)償過(guò)程中不能進(jìn)行分段切除和投入，受到電感值固定不變的客觀制約，容易造成系統(tǒng)的過(guò)補(bǔ)償，降低了無(wú)功功率的補(bǔ)償效果。

（2）無(wú)源濾波器在長(zhǎng)時(shí)間工作環(huán)境下，溫度的變化會(huì)導(dǎo)致電容器容量QCN的逐漸衰減。由電容器電容值C計(jì)算公式可知，在額定電壓不變的情況下，電容值C隨之減小。傳統(tǒng)無(wú)源濾波器的電抗器的固態(tài)不變性，使得在設(shè)計(jì)之初電感值L將不再發(fā)生改變，根據(jù)濾波頻率計(jì)算公式推導(dǎo)出，電容值的減小會(huì)造成濾波頻率的增大。比如，系統(tǒng)的最低次諧波為5次，在正常運(yùn)行的情況下，傳統(tǒng)無(wú)源濾波器能夠滿足系統(tǒng)濾波和無(wú)功補(bǔ)償?shù)男枨?。然而，?dāng)系統(tǒng)電容容量下降40%時(shí)候，系統(tǒng)諧振頻率會(huì)增大到322赫茲，容易導(dǎo)致系統(tǒng)諧振點(diǎn)發(fā)生漂移，傳統(tǒng)無(wú)源濾波器在5次諧波下呈現(xiàn)出的完全電容性，易導(dǎo)致諧波的放大，造成濾波器與系統(tǒng)發(fā)生諧振，降低濾波器的調(diào)諧效果甚至失去效能，這就嚴(yán)重影響了傳統(tǒng)無(wú)源濾波器的諧波濾除效果。

3 無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

要解決傳統(tǒng)無(wú)源濾波器的以上缺點(diǎn)，必須滿足兩方面的條件：

（1）實(shí)現(xiàn)濾波電容器的分段投入和切除；

（2）實(shí)現(xiàn)濾波電抗器的動(dòng)態(tài)可調(diào)節(jié)性，達(dá)到動(dòng)態(tài)調(diào)諧作用。針對(duì)前者可以通過(guò)調(diào)整電容器結(jié)構(gòu)的方式來(lái)解決，這個(gè)問(wèn)題相對(duì)較容易解決；針對(duì)后者，可以利用晶閘管式可變電抗器來(lái)實(shí)現(xiàn)電感的動(dòng)態(tài)調(diào)諧作用。基于晶閘管式可變電抗器的無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖中，QS為隔離開(kāi)關(guān)，QF為斷路器，F(xiàn)S為快速溶斷器，KM為電容接觸器，C為濾波電容器。無(wú)源動(dòng)態(tài)濾波器主要由可變電抗器、晶閘觸發(fā)電路和電容器組成。其中可變電抗器由可變線圈KL和控制線圈兩部分共同組成。由多組快速熔斷器、電容接觸器與電容器并聯(lián)組成電容器組，其中分組電容器可以實(shí)現(xiàn)分段投入和切除；無(wú)源動(dòng)態(tài)濾波器的主體由可變線圈KL的一端與電容器串聯(lián)構(gòu)成；控制線圈與反并聯(lián)晶體閘管構(gòu)成系統(tǒng)回路；可變電容器的阻抗通過(guò)對(duì)反并聯(lián)晶閘管調(diào)節(jié)所觸發(fā)的電路脈沖移相角來(lái)改變，從而實(shí)現(xiàn)可動(dòng)態(tài)調(diào)諧的目的。

4 無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器在生產(chǎn)中的應(yīng)用分析

（1）無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波濾波器在實(shí)際運(yùn)行中，通過(guò)計(jì)算公式確定最低次諧波的諧振頻率，以此數(shù)值為標(biāo)準(zhǔn)推導(dǎo)出無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波器的調(diào)諧頻率。按照先投入后切除的低次諧振處理方式實(shí)現(xiàn)無(wú)源動(dòng)態(tài)濾波器的系統(tǒng)濾波和無(wú)功補(bǔ)償。

（2）無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波器采用可變式的動(dòng)態(tài)電抗器，能夠根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)整感抗。另一方面，無(wú)源動(dòng)態(tài)諧波器的電容器結(jié)構(gòu)被設(shè)計(jì)成分段式，在實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行中，可以結(jié)合系統(tǒng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)膶?shí)際需要，有目的的對(duì)電容器進(jìn)行分段投入和切除。電容和電抗的動(dòng)態(tài)可變性，能夠有效的調(diào)控濾波器的諧振頻率并使其穩(wěn)定在系統(tǒng)需要的濾波頻率上，避免造成系統(tǒng)的過(guò)補(bǔ)償。在基波頻率下，電抗可變式的無(wú)源動(dòng)態(tài)濾波器呈現(xiàn)出完全電容性，能夠有效的吸收系統(tǒng)的無(wú)功功率，平衡了系統(tǒng)感性負(fù)載所產(chǎn)生的感性無(wú)功功率，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)無(wú)功的有效補(bǔ)償。

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