諧波抑製的工程設計方法

2013-11-07 11:07:58

1前言
隨著大功率半導體電力變流器、變頻器等電力電子設備的廣泛應用,愈來愈多的諧波電流被注入了電網,由於電力電子器件的非線性工作特性決定了基波電流滯後,且諧波的消極影響越來越嚴重,因此,如何有效地抑製諧波是電力設計中的一項重要內容。
2諧波的危害
(1)增加了無功功率消耗和銅損
在電流波形畸變的情況下,電力係統的視在功率應為:
S2=P2+Q2+T2(1)
式中:S為視在功率;
P為有功功率;
Q為無功功率;
T為畸變功率。
由於諧波電壓和電流的頻率不同,其相角差隨頻率差作周期性變化,累計的功率之和為零,所以畸變功率具有無功功率性質。
諧波電流將使電力係統中的元件如電動機產生諧波銅耗、諧波雜散損耗及諧波鐵耗。諧波損耗的存在使得電動機總損耗增加,溫升增加及效率降低。電動機將多吸收無功功率,導致功率因數下降。
(2)含有高次諧波的電壓加在電容器兩端時,由於電容器對高次諧波阻抗很小,諧波電流加在電容器的基波上,使電容器的總運行電流增大,溫升提高,很容易發生過負荷以至損壞,導致使用壽命縮短。同時,諧波對電容器參數匹配產生影響,有可能在電網中造成高次諧波諧振,使故障加劇。
(3)由於諧波引起控製係統誤差造成觸發角偏移
及電流、電壓變化率過高,引起晶閘管故障,甚至引起變流裝置、自動控製裝置的控製失靈和誤動作,進而造成係統故障。
(4)持續的諧波含量過高,將加速變壓器、電動
機、電力電纜的絕緣老化而使其容易被擊穿。某些情況下,特別在瞬態過程中,還可能引起諧振過電壓。
(5)諧波電壓和諧波電流通過線路間的感應耦
合,會在通訊線路中感應出相當大的諧波電壓,從而對通訊線路造成幹擾,影響通信網絡的正常工作。
3諧波的抑製措施
根據GB/T1454993《電能質量公用電網諧波》的要求,必須對各種非線性負荷注入電網的諧波電壓和諧波電流加以限製。
在電力係統的設計中,加大係統短路容量;提高供電電壓等級;增加變流裝置的脈動數;改善係統的運行方式,如:盡可能保持三相負荷平衡,避免各類電磁係統飽和,錯開係統諧振點,由專門電路為諧波源負載供電等,都能減小係統中的諧波成份。但其中許多措施都會大大增加係統和設備的投資,且有些方法的效果並不一定很理想。因此,設置交流濾波器是有效抑製諧波和改善波形的積極措施,同時濾波器還能向係統提供所需的部分或全部無功。

圖1高次諧波等效電路
(a)接線係統(b)等效電路

圖2單調諧濾波器
(a)結構(b)y=f(δ)特性

圖3高通濾波器
(a)結構(b)阻抗頻率特性
整流器、逆變器等非線性負荷,因為其本身可以表示為產生高次諧波電流的恒流源,故可用圖1來表示高次諧波的等效電路。 
流向電網的諧波電流IS和母線的諧波電壓VB可表示為:
IS=InZL/(ZS+ZL)
VB=ISZS(2)
式中:IS為注入電網的諧波電流;
In為諧波電流;
VB為諧波電壓;
ZS為電網阻抗;
ZL為電網負載阻抗。
該式表明,當電網阻抗(ZS)一定時,相對減小係統負載阻抗(ZL),就可以減小流向電網的諧波電流和母線的諧波電壓(電壓畸變)。諧波幹擾取決於流向電網的諧波電流或電壓畸變的大小。抑製諧波的目的,就是要降低流向電網的諧波電流。
因此,可以采取以下兩種措施:
(1)對於電力係統,設置諧波低阻抗的分流電路,從而減小負載阻抗ZL,降低注入電網的諧波電流IS;
(2)提供逆相位的諧波,以抵消非線性負荷所產生的諧波電流In,達到消除諧波的目的。
前者稱為被動式濾波器,即常用的LC濾波器;後者稱為能動式濾波器,即有源濾波器。
4LC濾波器的設計
LC濾波器是利用LC諧振原理,人為地造成一條串聯諧振支路,為欲濾除的主要諧波提供阻抗極低的通道,使之不注入電網。根據其電容器與電抗器的聯接方式不同,主要常用的有單調諧濾波器和高通濾波器。它們的結構和阻抗特性如圖2、圖3所示。
單調諧濾波器的諧振次數和品質因數分別為:Qn=XLn/Rfn(3)
諧波阻抗為:
Zfn=Rfn+j(nXL1-XC1/n)≈Rfn(1+j2δQn)(4)
上二式中:XC1為電容器組的基波容抗;
XL1為電抗器的基波感抗;
XLn為電抗器在n次諧波時的感抗;
Rfn為濾波器在n次諧波時的電阻;
δ為電網角頻率相對偏差。
由於係統頻率的波動、濾波電容器及電抗器有關參數製造時的偏差、電抗器的調節偏差,以及環境溫度和負荷的變化,濾波器的實際諧振頻率可能與其設計值不完全相同,即在偏離設計值的一定範圍內變化。一般情況下,單調諧濾波器在Qn=1/2δ時有最好的濾波效果,即注入電網的諧波電流最小。

圖4LC濾波器的典型構成
由圖2(b)可知,單調諧濾波器的濾波效果與δ和Qn有直接關係。Qn越大,曲線越尖銳,但越容易失諧,濾波效果下降越快;Qn過小時,濾波效果在較大範圍內變化不大,但效果較低,此時損耗也較大。所以,Qn和δ的確定要經過多種方案比較,並兼顧各個指標後選取。
對於高通濾波器,由於其電抗器L與電阻R並聯,有一個較低的阻抗頻率範圍。當頻率低於某一截止頻率f0(fO=1/2πRC)時,由於容抗增加使濾波器阻抗明顯增加,低次諧波電流難於通過;當頻率高於f0時,由於容抗不大,總的阻抗也變化不大,形成一個通頻帶。
與單調諧濾波器相反,其品質因數Qn=Rfn/XLn。這是因為在高通濾波器中,電阻R與電抗器L並聯,電阻越大,調諧越尖銳;而在單調諧濾波器中,電阻R與電抗器L串聯,電阻越小,調諧越尖銳。但無論是單調諧濾波器還是高通濾波器,品質因數是標誌調諧銳度的指標。對於高通濾波器,Qn值一般取1~5。由圖3(b)可以看出,即使在調諧頻率附近,頻率偏差也影響不大。
高通濾波器截止頻率應選擇靠近要濾的主要諧波,否則其損耗將大大增加。
對於某次諧波,要達到同樣的濾波效果,采用單調諧濾波器將大大減小容量,但高通濾波器有綜合濾波功能,它可以同時濾除若幹次高次諧波,減少濾波電路數。因此,在濾波方案選擇時,對於主要的諧波,宜用單調諧濾波器;而對若幹較高次諧波,且諧波電流值不大,宜選用一組高通濾波器。當結合所需無功補償容量考慮時,許多情況下,用幾組單調諧濾波器加一組高通濾波器是比較經濟可行的方案。
如圖4為某鍍錫薄板廠用LC濾波器的典型構成。
由式(2)可知,LC濾波器的濾波效果取決於電源阻抗和濾波器內部阻抗的相互關係,由於濾波器並聯在電路中,其本身就是阻抗因素,容易受電源已有高次諧波畸變的影響。因此,在設計時應充分考慮以下幾方麵因素:
(1)電源的阻抗條件。根據係統接線,變壓器參數或擬裝設濾波器處母線電壓及短路容量,計算係統的諧波阻抗;電網頻率波動範圍和濾波電容器及電抗器的調節偏差等因素構成的等值頻率偏差;
(2)在工頻範圍內,濾波器和電容器有著相同的功能,協調係統的超前相位容量,從而有效減小濾波器容量,降低濾波器造價;電網已有高次諧波電壓對濾波器可能造成的過載影響;變流器負載所產生的高次諧波量,確定濾波器的定額; 
(3)高次諧波抑製指標。根據《電能質量公用電網諧波》的規定,確定各次諧波電壓畸變率和注入相應電壓等級電網的諧波電流允許值。
LC濾波器結構簡單,吸收諧波效果明顯。但由於其結構原理上的原因,在應用中存在著難以克服的缺陷:
(1)僅對固有頻率的諧波有較好的補償效果,當
諧波成份變化時補償效果差;
(2)補償特性受電網阻抗的影響很大;
(3)在特定頻率下,電網阻抗和LC濾波器之間
可能會發生並聯諧振,使該頻率的諧波電流被放大;或者發生串聯諧振,使電網側可能存在的諧波電壓向LC濾波器注入較大的諧波電流;
(4)當接在電網中的其他諧波源未采取濾波措施時,其諧波電流可能流入該濾波器,造成過載。
而有源濾波器能對變化的諧波進行迅速的跟蹤補償,基本上克服了LC濾波器的上述缺點。
5有源濾波器的應用
隨著功率電子器件和PWM技術的發展,基於瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測法的提出,使有源濾波器得到迅速發展。
前述可知,LC濾波器實際上是由濾波電容器和電抗器組成的、對某些或某次諧波呈低阻抗諧振支路,濾除這些諧波。而有源濾波器與LC濾波器的最大區別在於它是一種向係統注入補償諧波電流,以抵消非線性負荷所產生的諧波電流的能動式濾波裝置。它能對變化的諧波進行迅速的動態跟蹤補償,且補償特性不受係統阻抗影響。其結構上由靜態功率變流器構成,具有半導體功率器件的高可控性和快速響應能力。

圖5有源濾波器工作原理
有源濾波器的工作原理如圖5所示。
負載電流IL按傅裏葉級數可展開為:
IL=ΣInsin(nωt+θn)
=I1cosθ1sinωt+I1sinθ1cosωt+ΣInsin(nωt+θn)
=I1p+I1q+In(5)
式中:I1p為負載基波有功電流;
I1q為負載基波無功電流;
In為高次諧波電流。
將濾波器並聯連接在諧波發生源和電源之間,Is=IL+IF。控製有源濾波器的輸出電流IF=-In,電源側電流則為隻含基波分量的正弦波形。即:有源濾波器產生一個與負載諧波電流幅值相等、相位相反的電流注入負載電流IL流經的線路中,將負載諧波抵消,使之不流入電網。由式(5)可知,有源濾波器還可同時補償無功,即使IF=-I1q-In,IS=-I1p,從而提高係統功率因數。
有源濾波器的基本結構由諧波電流檢測、控製電路、PWM逆變器、直流電源及注入變壓器等部分組成。根據逆變器儲能元件不同,可將有源濾波器分為電流型和電壓型兩種。電流型有源濾波器儲能元件為電感,由於其運行損耗較大,對儲能電感的充電控製較複雜,因而使其應用受到限製;電壓型有源濾波器儲能元件為電容,具有損耗小,易於控製等優點而得到普遍應用。電壓型有源濾波器工作過程是由電容器構成儲能直流電源,逆變器根據檢測信號產生PWM輸出電壓,將儲存在電容器中直流電能轉變成所需頻率和波形的補償電流,經隔離變壓器注入線路中。PWM逆變器同時兼有向電抗器或電容器提供直流電能的功能。這個過程直接受諧波電流補償量檢測及控製電路的控製。
有源濾波器具有以下特點:
(1)該裝置是一個諧波電流源,它的接入對係統
阻抗不會產生影響;
(2)係統結構發生變化時,該裝置不存在產生諧
振的危險,不影響補償性能;
(3)不存在過載問題。當係統諧波電流增大超 
過裝置的補償能力時,濾波器仍可發揮最大補償作用;
(4)對係統中各次諧波均能有效抑製;
(5)一台裝置即可實現對多次諧波和基波無功電
流的實時動態跟蹤補償。
但是,與LC濾波器相比,有源濾波器的結構相對複雜,運行損耗較大,設備造價高。由於有源濾波器本身是以開關方式工作,在補償諧波的同時,也會注入新的諧波,但其開關頻率很高(達3kHz以上),諧波頻率高,幅值低。
有源濾波器可用於抑製負載為周期性變化的高次諧波和LC濾波器不能抑製的部分高次諧波。表1為有源濾波器的兩種接線方式比較。
直接接入方式是有源濾波器與係統的基本連接方式。此時PWM逆變器相當於一個受控電流源,其產生與負載諧波大小相等、相位相反的諧波電流,使電源側電流被補償成正弦。該方式下,電源基波電壓全部加在逆變器上,因而裝置容量較大。該接線方式的濾波器具有連續調節無功功率的功能,能在補償諧波的同時動態補償係統無功。
注入電路方式的有源濾波器將電抗器和電容器作為逆變器注入電路,利用電感和電容的諧振特性,使有源濾波器不承受基波電壓,從而減小了逆變器的裝置容量,減小體積,降低成本。通過選擇注入電路常數,使逆變器的裝置容量僅為直接接入方式的1/4~1/5,因此適於構成高壓電路的大型濾波裝置。
有源濾波器也可與LC濾波器並聯或串聯組成混合結構進行組合運用。當並聯使用時,LC濾波器用來分擔補償相同次數的諧波,補充有源濾波器的補償作用,降低所需逆變器的容量。而采用串聯方式運用時,有源濾波器則主要不是用來直接補償諧波,而是用來抑製LC濾波器與電網阻抗之間的並聯諧振,即所謂的諧波放大現象,以改善LC濾波器的補償效果。此時,逆變器不承受基波電壓,裝置容量小。

圖6有源濾波器原理電路圖
圖6為明電舍株式會社生產的有源濾波器原理電路圖。該裝置可以有效濾除2~19次諧波,諧波抑製率達85%以上,動態響應時間小於1ms。
6結語
(1)在治理係統諧波時,應充分考慮係統中各種因素的影響,兼顧各個指標,選擇合理有效的濾波方案;
(2)采用LC濾波器,應以濾波器組的綜合濾波效果為原則,嚴格避免諧波放大現象的發生;
(3)濾波電容器電容量的選擇既要滿足濾波的要求,也要考慮無功補償的需要,還應使電容器能承受過電流和過電壓的影響;
(4)有源濾波器是一種新型動態濾波器,其諧波抑製能力大大優於LC濾波器。隨著對電網諧波問題的日益重視和其成本的逐步降低,將具有廣闊的應用前景。

質量