淺淡諧波治理

羅明陽(yáng)

【摘要】隨著電力電子器件的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的諧波問(wèn)題日益嚴(yán)重，對(duì)于中高壓系統(tǒng)的諧波問(wèn)題，大容量混合型有源電力濾波器是有效的治理手段。本文對(duì)有源電力濾波器、諧波檢測(cè)算法、諧波檢測(cè)分析系統(tǒng)等做了簡(jiǎn)單介紹。

【關(guān)鍵詞】諧波治理；半導(dǎo)體器件；諧波源；有源電力濾波；無(wú)源電力濾波

一、課題的背景及意義

（一）諧波的產(chǎn)生

諧波是由與電力系統(tǒng)相連的各種非線(xiàn)性負(fù)載產(chǎn)生的。造成系統(tǒng)正弦波形畸變、產(chǎn)生諧波的設(shè)備和負(fù)載都稱(chēng)為諧波源。這些非線(xiàn)性設(shè)備或負(fù)載，向系統(tǒng)注入大量的諧波電流，使電力系統(tǒng)的電壓波形也發(fā)生畸變，電能質(zhì)量降低。按照非線(xiàn)性元件的類(lèi)型，電力系統(tǒng)諧波源可以分為兩大類(lèi)：

1.含有半導(dǎo)體器件的電力電子裝置諧波源

隨著電力電子裝置的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，它已成為公用電網(wǎng)最大的諧波源。在目前主要應(yīng)用的各種電力電子裝置中，整流裝置占的比例是相當(dāng)大的。常見(jiàn)的整流電路都是采用晶閘管相控整流或二極管不控整流，其中以三相橋式和單相橋式整流電路較為常見(jiàn)。帶阻感負(fù)載的整流電路產(chǎn)生的諧波污染和較低的功率因數(shù)己被人們熟知。而直流側(cè)采用大電容濾波的整流電路也日益成為嚴(yán)重的諧波污染源，雖然其輸入電流的基波分量功率因數(shù)接近1，但其中的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的污染，也使總的功率因數(shù)很低。

2.含有電弧和鐵磁非線(xiàn)性設(shè)備的諧波源

這類(lèi)設(shè)備主要包括有旋轉(zhuǎn)電機(jī)、變壓器、電弧爐和電焊機(jī)等。在電力電子裝置大量推廣應(yīng)用之前，公用電網(wǎng)最主要的諧波源是電力變壓器的勵(lì)磁電流，其次是發(fā)電機(jī)。變壓器的諧波電流是由其勵(lì)磁回路的非線(xiàn)性特性引起的。

（二）諧波的危害

理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一且固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波的出現(xiàn)，對(duì)公用電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是一種污染，它使用電設(shè)備所處的電網(wǎng)環(huán)境變差，也對(duì)周?chē)耐ㄐ畔到y(tǒng)和設(shè)備帶來(lái)一定的危害。

（三）諧波的治理

諧波治理的措施有三種：一是受端治理，即從受到諧波影響的設(shè)備出發(fā)，提高它們抗諧波干擾能力；二是主動(dòng)治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源盡量不產(chǎn)生諧波；三是被動(dòng)治理，即外加濾波器，阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負(fù)載。因被動(dòng)治理是目前應(yīng)用最多的諧波治理方式，這里著重介紹被動(dòng)治理。被動(dòng)治理諧波的措施主要有以下幾種：

1.無(wú)源電力濾波器

在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時(shí)還可以進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償，運(yùn)行維護(hù)也簡(jiǎn)單。

2.有源電力濾波器

在諧波源附近和公用電網(wǎng)節(jié)點(diǎn)裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型APF，可以有效地起到補(bǔ)償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型還可以進(jìn)行無(wú)功功率補(bǔ)償。

3.混合型有源濾波器

HAPF兼具PPF成本低廉和APF性能優(yōu)越的優(yōu)點(diǎn)，屬于APF的分支和發(fā)展。

二、諧波檢測(cè)算法的研究現(xiàn)狀

根據(jù)APF和HAPF的工作原理，要控制功率變換電路產(chǎn)生期望的諧波，首先要通過(guò)檢測(cè)電路獲取諧波作為控制的參考信號(hào)，再利用控制電路產(chǎn)生信號(hào)去控制功率變換電路。因此，諧波檢測(cè)算法的好壞直接影響到補(bǔ)償精度和補(bǔ)償速度，是APF和HAPF的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有諧波檢測(cè)算法按原理可分為：

（一）基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波檢測(cè)法

（二）基于傅立葉變換的諧波檢測(cè)法

（三）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測(cè)法

（四）基于自適應(yīng)對(duì)消原理的諧波檢測(cè)法

（五）基于小波分析的諧波檢測(cè)法

三、諧波監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

為保證供電質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)和用電設(shè)備的安全正常運(yùn)行，進(jìn)行諧波治理之前，必須要了解電網(wǎng)中諧波的次數(shù)及其含量，即必須進(jìn)行諧波的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。目前，我國(guó)諧波分析儀的研制工作也取得了一定成果。用單臺(tái)微機(jī)監(jiān)測(cè)多條線(xiàn)路，并將諧波檢測(cè)、分析及故障錄波集成于一體，實(shí)現(xiàn)一臺(tái)微機(jī)監(jiān)測(cè)多條線(xiàn)路的諧波并進(jìn)行故障錄波，具有價(jià)廉、實(shí)用的特點(diǎn)。同時(shí)，無(wú)人監(jiān)控也是現(xiàn)代控制的發(fā)展方向，它使電力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)必須考慮到無(wú)線(xiàn)通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用?？梢灶A(yù)計(jì)，新一代數(shù)字化、自動(dòng)化和智能化諧波監(jiān)測(cè)分析系統(tǒng)將成為發(fā)展方向。

四、有源電力濾波器的發(fā)展概況

早在70年代初，日本學(xué)者就提出了有源電力濾波器的概念。1976年，美國(guó)西屋電氣公司的L.Gyugi提出了用大功率晶閘管組成的PWM逆變器構(gòu)成“有源電力濾波器”來(lái)消除電網(wǎng)諧波。其基本原理和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)已確定，但由于受到當(dāng)時(shí)功率半導(dǎo)體器件水平及控制策略的限制，有源電力濾波器的研制一直處于試驗(yàn)階段。直到進(jìn)入80年代以來(lái)，隨著新型電力半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展、脈寬調(diào)制技術(shù)的不斷進(jìn)步以及基于瞬時(shí)無(wú)功功率理論的諧波電流瞬時(shí)檢測(cè)方法的提出，為有源電力濾波器的實(shí)用化提供了必要的條件，使之在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。近20年來(lái)APF技術(shù)得到了長(zhǎng)足的改善，越來(lái)越多的APF投入運(yùn)行，不論是實(shí)現(xiàn)功能還是運(yùn)行功率上都有明顯改善。目前，有源電力濾波器已用在提高電能質(zhì)量、電壓波動(dòng)抑制以及諧波消除和無(wú)功補(bǔ)償?shù)葐?wèn)題上，近些年來(lái)對(duì)有源濾波器的拓?fù)湟策M(jìn)行了較為深入的研究。

在我國(guó)，有源電力濾波器的研究起步較晚，對(duì)APF的研究始于80年代末期，1989年才見(jiàn)這方面研究的文章。從90年代中期起，我國(guó)對(duì)APF的研究全面展開(kāi)，包括諧波檢測(cè)、拓?fù)溲芯俊⑾到y(tǒng)建模、控制方法等都進(jìn)行了研究。目前，有源電力濾波器研究工作的關(guān)鍵所在是進(jìn)一步提高有源電力濾波器在生產(chǎn)實(shí)踐中的實(shí)際應(yīng)用水平，促進(jìn)科研成果向工業(yè)成型產(chǎn)品的快速轉(zhuǎn)化。

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