1、相控晶閘管裝置諧波問題的分析與治理 孫慧峰 , 劉躍敏河南科技大學 河南 洛陽 摘 要：隨著電力電子技術的不斷發展，特別是大功率晶閘管元件的成功使用，使得晶閘管變流裝置的應用日益廣泛，然而由于電力電子設備為非線性正弦負載，這就給電力系統帶來了諧波問題，使電網中的諧波電流大大增加，形成電網公害。因而諧波治理就成為普遍關注的技術問題。本文對相控晶閘管裝置諧波源進行了分析，指出了其危害并提出了相應諧波治理的方法。 關鍵詞：相控晶閘管裝置；諧波分析；治理引 言相控晶閘管整流裝置的輸入電流通常是非正弦的，比如三相全控橋式相控整流電路大電感負載時，交流電流為正負對稱的1200矩形波，含有5、7、11次高次

2、諧波，這些諧波電流在電網回路引起阻抗壓降，使電網電壓也含有高次諧波，造成電網電壓的畸變，隨著晶閘管裝置的大量使用，裝置容量的日益增大，造成電網波形的畸變愈來愈嚴重，影響與之并聯的所有設備，因此對相控晶閘管裝置的諧波問題必須加以認真研究，采取相應措施，把不良影響減到最小限度，以利于生活和生產的需要。本文就圍繞這一問題，通過對相控晶閘管裝置諧波源來源及其危害的分析和研究，探討了諧波治理的方法，并對諧波治理的發展趨勢進行了展望。一、 諧波源的主要來源電力電子裝置作為最主要的諧波源的電力電子裝置主要有各種流變流裝置（整流器、逆變器、斬波器、變頻器）以及雙向晶閘管可控開關設備等，另外還有電力系統內部的變

3、流設備，如直流輸電的整流閥和逆變閥等。1.整流電路的諧波電流作為直流電源裝置，整流器廣泛應用于各種場合。在整流裝置中，輸入為正弦波交流電壓，但因電能變換致使交流側電流為非正弦波電流，以三相橋式全控整流電路為例，假設電源變壓器采用Yy接法，匝比為1，忽略變壓器鐵心飽和及非線性影響，電網的短路容量足夠大，交流側電抗為零，直流側串入大電感，直流電流近似為直線，則交流電源的電流為矩形波，如圖1所示。該矩形波為工頻基波電流和工頻基波奇數倍的高tiA1圖1三相全控橋式整流電路交流側電流波形次諧波電流的合成波形，由傅氏級數可將交流側電流分解為:可見，方波電流中含有5、7、11、13等高次諧波分量，其幅值分別

4、為基波幅值的，也即方波中的高次諧波分量In與基波分量I1之比最大為1/n。整流裝置從電源吸收含有高次諧波的電流，該電流將在電源回路引起阻抗壓降，使電網電壓中也含有高次諧波成分，所以相控晶閘管整流裝置實際上可看成是一個高次諧波產生的電流源，是造成電網電壓波形畸變的主要原因。2. 交流調壓器、頻率變換器、通用變頻器等變流裝置也同樣會產生大量的諧波。除此之外，家用電器也是不可忽視的諧波源。例如電視機、電池充電器等。雖然它們單個的容量不大,但由于數量很多,因此它們給供電系統注入的諧波分量也不容忽視。二、 諧波的危害電網波形畸變含有高次諧波主要有如下危害：1）使發電機及輸電變壓器發熱增加。2）對交流電機

5、產生脈動轉矩、鐵耗銅損增加，對直流電機除發熱增加外，還引起換相惡化和噪聲。3）會導致繼電保護和自動裝置誤動作，并使電氣測量儀表計量不準確，直接影響精密測量儀器的的測量精度。4）會對鄰近的通信系統產生干擾，輕者產生噪聲，降低通信質量，重者導致信息丟失，使通信系統無法正常工作。5）隨著諧波次數增加，電力電容器的諧波阻抗降低，導致大量諧波電流流過電力電容器，致使電容器功率損失增大，影響電容器的使用壽命，甚至損害電容器，另外當容抗和感抗在某次諧波附近發生諧振時，系統諧波電流含量將大大增加，從而影響系統正常運行。三、諧波的治理1、對相控晶閘管裝置本身進行改進 為了減小諧波電壓對電網的影響，從變流裝置本身

6、出發，通過優化變流裝置的結構設計和增加輔助控制裝置，以減少諧波的產生或消除已產生的諧波，目前主要采用以下幾個方面的技術。（1） 電阻負載時應盡量選小控制角運行；隨著觸發控制角的減小和換相重疊角的增大，諧波分量有減小的趨勢，研究結果已表明：整流器的運行模式對諧波電流的大小也有直接的影響，因此在考慮調整整流（電壓電流時），最好要進行重疊角、換相壓降以及諧波測算，以便確定安全、經濟的運行方式，當控制角接近40°，重疊角在8°左右時往往是諧波最嚴重的狀態，所以要經過計算，盡量通過正確選擇調壓變壓器抽頭，避開諧波（易產生的點）最嚴重點。（2）三相整流時應采用橋式而不采用半波整流，以消

7、除偶次諧波；Ld.Rd圖2（a）整流變壓器原、副邊的接法（3）整流變壓器原、副邊采用不同接法，使電網電流波形成階梯狀，更接近正弦波，；如圖2所示。tiA1圖2（b） 電網電流波形（4）通過變流裝置主接線方式增加輸出脈波數，大容量電力電子裝置必須采用脈波數較高的聯接形式，常將原來6脈波的變流器設計成12脈波或24脈波，以減少交流側的諧波電流含量，如圖3所示，兩組橋線電壓相差300，等效為12相整流。理論上講，脈波越多，對諧波的抑制效果愈好，但是脈波數越多整流變壓器的結構越復雜，體積越大，變流器的控制和保護變得困難，成本增加。MLd圖3 兩組晶閘管串聯供電（5） 整流電路中采用全控型器件來代替晶閘

8、管，實現強迫換相VI2、VD1工作VI1、VD2工作tugtudV1、V4輪流工作V2、V3輪流工作i1t(b)如圖4所示，VI1、VI2為絕緣柵雙極晶體管，VD1、VD2為二極管，組成單相可控整流。采用脈寬調制技術來控制VI1、VI2的通斷，實用中常采用正弦波脈寬調制技術（SPWM），即觸發脈沖寬度隨正弦規律變化，脈沖圖4 全控型器件組成的可控整流電路及波形(a)主電路 (b)波形VI1VI2VD1VD2u1i1udRdug(a)面積與對應的正弦波面積成正比，如圖4（b）中ug所示，從而使輸出電壓波形也隨正弦規律變化，使輸入電流諧波成分大大減小如圖4（b）中ud、i1所示。 采用的PWM技術

9、有最優脈寬調制、改進正弦脈寬調制、調制、跟蹤型PWM調制和自適應PWM控制等。（6）采用多電平變流技術 針對各種電力電子變流器（對于電壓型的變流器必須用聯接電感與交流電源相連），采用移相多重法、順序控制和非對稱控制多重化等方法，將方波電流或電壓疊加，使得變流器在電網側產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系。（7）采用功率因數預調整器： 在電力電子裝置中加入高功率因數預調整器，在預調整器的直流側通過DC/DC變換控制輸入端電流，保證電力電子裝置從電網中獲取的電流為正弦電流并與電網電壓同相。此方法控制簡單，可同時消除高次諧波和補償無功電流，使電力電子裝置輸入端的功率因數

10、接近1。以上方案的主要問題在于成本高、效率低。同時，電力電子系統中很高的開關頻率使PWM載波信號產生高次諧波，還會導致高電平的傳導和輻射干擾。因此，必須用EMI濾波器將高次諧波信號從系統中濾除，防止它們作為傳導干擾進入電網；還要利用屏蔽防止它們作為輻射干擾進入自由空間，對空間產生電磁污染。2、通過外加設備對電網實施諧波補償。即諧波負載本身不加改變，而是在電力系統或諧波負載的交流側加裝無源濾波器（PF）、有源濾波器（APF）或者混合濾波器（HAPF）等裝置，  非線性負載實時諧波電流檢測電路控制電路PWM逆變電路isiLic電力系統圖6 APF原理圖RCCRLL（a） （b）

11、圖5 無源濾波裝置（a）單調諧濾波器（b）高通濾波器（1）裝設無源濾波器(PF) 無源濾波器通常采用電力電容器、電抗器和電阻器按功能要求適當組合，在系統中為諧波提供并聯低阻通路，起到濾波作用，如圖5所示。其優點是投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護方便，因此無源濾波是目前廣泛采用的抑制諧波及進行無功補償的主要手段。其缺點在于其濾波特性是由系統和濾波器的阻抗比所決定，只能消除特定的幾次諧波，而對其它次諧波會產生放大作用，在特定情況下可能與系統發生諧振；諧波電流增大時濾波器負擔隨之加重，可能造成濾波器過載；有效材料消耗多，體積大。（2）裝設有源濾波器有源濾波器APF圖6為APF原理圖，APF通

12、過檢測電路檢測出電網中的諧波電流，然后控制逆變電路產生相應的補償電流分量,使之與變流裝置諧波的幅值相等、相位相反，并注入到電網中,以達到消諧的目的。APF濾波特性不受系統阻抗影響,可消除與系統阻抗發生諧振的危險。與無源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應性，不僅能補償各次諧波，還可抑制電壓閃變、補償無功電流，性價比較合理。另外,APF具有自適應功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。有源電路調節器(APLC) 電力系統PWM逆變電路控制電路實時補償電流計算節點k節點1節點2節點3節點4節點m有源線路調節器圖7 APLC原理圖 圖7為有源線路調節器(APLC)的原理圖，其結構與APF相似，因此過去很多

13、文獻上都將其等同于APF。其實，從原理上分析，與APF單節點諧波抑制相比較,APLC是向網絡中某個(幾個)優選節點注入補償電流，通過補償電流在網絡中一定范圍內的流動，實現該范圍內所有節點諧波電壓的綜合抑制，即通過單節點單裝置的裝設，達到多節點諧波電壓綜合治理的功能，APLC的出現，表明電力系統諧波治理正朝著動態、智能、經濟效益好的方向發展。（3）裝設靜止型無功動態補償器（SVC）靜止型無功動態補償器是一種快速調節無功功率的裝置， 一般由并聯的感性和容性兩大回路構成，其中有一個回路為動態回路，能夠根據補償要求快速變化無功功率。依據構成動態回路的不同方式，目前主要有如圖8所示三種形式的無功動態補償器：晶閘管控制的電抗器（TCR）、晶閘管投切的電容器（TSR）、和自飽和電抗器（SR），圖中（d）晶閘管控制的變壓器（TCT）是晶閘管控制的電抗器（TCR）的一種變形。（a） （b） （c） （d）圖8 靜止型無功動態補償器（a）TCR （b）TSR （c）SR （d）TCT靜止型無功動態補償器在調節的快速性、功能的多樣性、工作的可靠性、投資和運行費用的經濟性等方面都具有顯著的特點，能夠獲得較好的經濟效益。四、結語綜上所述，隨著晶閘管裝置的容量增大，諧波問題將會成為“電力公害”，嚴重的制約了晶閘管裝置的進一步發展。消除電力電子裝置諧波污染的工作，可稱之為電力