1、供用電系統(tǒng)中綜合型諧波處理裝置設(shè)計摘要:隨著電力、電子技術(shù)的飛速發(fā)展，供用電系統(tǒng)中增加了大量的非線性負載，由此產(chǎn)生不同程度的諧波，導致了電力質(zhì)量的下降。本文對當今諧波治理方法進行了總結(jié)和研究，提出了一種無源濾波器和有源濾波器相結(jié)合的綜合型濾波器的設(shè)計方案，有效的避免了單一采用無源濾波器或有源濾波器進行諧波處理的缺陷。關(guān)鍵詞:諧波復合型供用電世界各國均采用正弦方式供電，這不僅給電力系統(tǒng)的設(shè)計與制造帶來極大的方便，而且使系統(tǒng)及用電設(shè)備獲得最佳的運行狀態(tài)。但是，事實并非如此，電力系統(tǒng)中的電壓、電流的波形不能保持完整的正弦波。公用電網(wǎng)中的諧波電流和諧波電壓是對電網(wǎng)環(huán)境最嚴重的一種污染，是影響電能質(zhì)量的

2、重要因素。電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)方式下的諧波，都來自各種諧波源。所謂諧波源”通常是指各類特定的用電設(shè)備，即非線性用電設(shè)備，或稱非線性電力負荷。這些非線性負荷在工作時向電源反饋高次諧波，導致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變，使電能質(zhì)量變壞。因此,諧波是電力質(zhì)量的重要指標之一。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣設(shè)備過熱，產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀設(shè)備。諧波可引起電力系統(tǒng)并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，并使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備的燒毀損壞。諧波還會引起繼電保護和自動裝置的誤動作,使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)外部，諧波對通信設(shè)備和電力設(shè)備會產(chǎn)生嚴重的干擾。國際上公認諧

3、波污染是電網(wǎng)的公害，必須米取措施加以限制。1諧波治理的方法為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，提高電網(wǎng)中電能質(zhì)量,現(xiàn)抑制諧波主要采取三方面的措施24。1.1降低諧波源的諧波含量在諧波源上采取治理措施，從源頭上最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這就需要在設(shè)計、制造和使用諧波源設(shè)備時，要注重諧波對供電系統(tǒng)及其供用電設(shè)備的影響，采取切實可行的治理措施。用電業(yè)擴管理部門要嚴格把關(guān)。對沒有采取治理措施的諧波源用戶，要禁止入網(wǎng)運行。1.2改善供電環(huán)境選擇合理的供電電壓并盡可能保持三相電壓平衡，可以有效地減小諧波對電網(wǎng)的影響。諧波源由較大容量的供電點或高一級電壓的電網(wǎng)供電，承受諧波的能力將會增大。對諧波源

4、負荷由專門的線路供電,減少諧波對其它負荷的影響，也有助于集中抑制和消除高次諧波。1.3在諧波源處吸收諧波電流這類方法是對已有的諧波進行有效抑制的方法.這是目前電力系統(tǒng)使用最廣泛的抑制諧波方法。較為典型的主要方法有三種：無源濾波器、有源濾波器和混合型濾波裝置。電力無源濾波器無源濾波裝置是指由電感電容等無源器件構(gòu)成的濾波裝置。無源濾波裝置一般由若干個無源濾波器并聯(lián)構(gòu)成，每個濾波器在一個或兩個諧波頻率附近或者在某一個頻帶內(nèi)呈現(xiàn)低阻抗，吸收相應(yīng)的諧波電流，從而使電網(wǎng)中的諧波電流減少，達到抑制諧波的目的。132有源電力濾波器有源濾波裝置是指由電力電子器件構(gòu)成的諧波補償設(shè)備。它主要由電壓源型或者電流源型逆

5、變器構(gòu)成，通過控制其輸出電壓電流波形：達到抑制或消除諧波電流的目的。133混合型電力濾波器基本思路是利用LC濾波器來分擔有源濾波器的部分補償任務(wù)。由于LC濾波器與有源電力濾波器相比，其優(yōu)點在于結(jié)構(gòu)簡單、易實現(xiàn)且成本低，而有源濾波器的特點是補償性能好。通過將有源濾波器和無源濾波器混合使用達到減小有源濾波器容量、承受的電壓、電流的目的,以較小的代價達到和純有源濾波器相近的效果。2綜合型電力濾波系統(tǒng)單獨使用并聯(lián)型無源濾波器和有源濾波器存在的各自缺點。并聯(lián)型無源濾波器是通過在諧波頻率上呈現(xiàn)出比電力系統(tǒng)低的阻抗來達到濾波日的的。故此，電力系統(tǒng)阻抗將對無源濾波器的濾波效果起著很大的影響，同時電力系統(tǒng)阻抗又

6、很難精確的測量。這些因素都給無源濾波器的設(shè)計和確保其具有良好的濾波性能帶來了困難。從中也可以看到，如果可以減小無源濾波器的諧波阻抗，就可以改善無源濾波器的濾波性能。當然，這可以通過增大無源濾波器的容量來實現(xiàn)，但顯然這在經(jīng)濟上是不合算的，有時還會造成過補償。為此，本文運用一種綜合型電力濾波系統(tǒng)來實現(xiàn)這一目的進行了研究，它不僅可以減小無源濾波器支路的諧波阻抗，還可以使無源濾波器支路的諧波阻抗為零，使無源濾波器的濾波效果得以改善1,67。綜合型電力濾波系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。本綜合型電力濾波系統(tǒng)采用了有源濾波器和無源濾波器串聯(lián)的方式，無論在與電力系統(tǒng)之間的電壓隔離方面，還是在運行的安全性方面,都比

7、有源濾波器串聯(lián)在電網(wǎng)上的結(jié)構(gòu)形式要好。這里的無源濾波器和傳統(tǒng)的并聯(lián)型無源濾波器一樣，一般由5次、7次等單調(diào)諧LC濾波器和LCR組成的高通濾波器構(gòu)成，采用三相丫接的形式。有源濾波器由小容量的電壓源型PWM逆變器構(gòu)成，通過濾波電抗器和無源濾波器串聯(lián)連接。由于有源濾波器只產(chǎn)生很小的諧波補償電壓，電壓容量很小，其流過的電流為無源濾波器支路的基波無功電流和諧波電；由于有源濾波器基本上不輸出有功功率，電壓源型逆變器的直流電壓可由一個直流電容器提供，有源濾波器的開關(guān)和導通損耗，也可以由電網(wǎng)獲得補償，直流電容器電壓可以穩(wěn)定地控制在設(shè)定值上。有源濾波器的容量相對于被補償?shù)闹C波負載要小的多。對于中小容量的被補償諧

8、波負載，PWM逆變器可以選用MOSFET作為開關(guān)器件，采用較高的開關(guān)頻率；對于較大容量的被補償負載，可以選用IGBT作為開關(guān)器件。圖中的LR是小容量的濾波電感，Ls是系統(tǒng)阻抗等效電感。由無源濾波器和有源濾器串聯(lián)構(gòu)成的綜合電力濾波系統(tǒng)和被補償?shù)闹C波負載一起并聯(lián)連接在電網(wǎng)上。綜合型電力濾波系統(tǒng)工作原理5,89。圖1所示的綜合電力濾波系統(tǒng)為三相對稱系統(tǒng)；假設(shè)有源濾波器為理想的可控電壓源，諧波負載為電流源；為簡化分析，現(xiàn)給出圖1系統(tǒng)的單相等效電路圖，如圖2所示。其中是電源電壓中的基波部分，是電源電壓中的諧波部分；為電源電流中的基波部分，為電源電流中的諧波部分；為負載電流中的基波部分，為負載電流中的諧波

9、部分；是無源濾波器阻抗，和分別為無源濾波器的等效電容和電感；是系統(tǒng)阻抗。由于有源濾波器不產(chǎn)生基波電壓，不考慮基波，按照疊加原理圖2可被分解為圖3和圖4。對于諧波電流源，如圖3所示,有源濾波器被控制為諧波阻抗Zc,它使得對各次諧波都有ZF+Zc=O,這樣所有的負載諧波電流都將流入無源濾波器支路，無源濾波器的濾波效果得以改善，此時有源濾波器的電壓等于所有負載諧波電流流過無源濾波器時產(chǎn)生的諧波電壓，即。對于連接在同一交流系統(tǒng)中的其它諧波源引起的畸變電壓，如圖4所示,有源濾波器被控制為諧波電壓源，并有，此時產(chǎn)生的諧波電流將為零。也就是說，同一交流系統(tǒng)中其它負載產(chǎn)生的諧波電流將不會流入無源濾波器支路，也

10、就不會引起無源濾波器意外的過負荷運行。最后，將有源濾波器在兩種情況下產(chǎn)生的電壓疊加起來得到有源濾波器總的補償電壓為。當無源濾波器和電力系統(tǒng)之間的并聯(lián)阻抗在某次諧波下接近無窮大時，將會發(fā)生并聯(lián)諧振，造成諧波放大。此時即使負載電流中該次諧波電流不大，也會在電源和無源濾波器電路中流過很大的諧波電流產(chǎn)生嚴重的電源電壓畸變。有源濾波器的投入使無源濾波器支路對各次諧波阻抗均為零，不會滿足并聯(lián)諧振的條件，可以抑制并聯(lián)諧振的發(fā)生。當無源濾波器和電力系統(tǒng)之間的串聯(lián)阻抗在某次諧波下接近零時只要它們之間存在該次頻率的諧波電壓，就會導致諧波放大，發(fā)生串聯(lián)諧振。有源濾波器的投入使無源濾波器和電力系統(tǒng)串聯(lián)阻抗間的諧波電壓

11、為零，從而可以避免串聯(lián)諧振的發(fā)生。故此，只要控制有源濾波器電壓Uc等于，就可以使被補償?shù)闹C波負載產(chǎn)生的諧波電流全部流入無源濾波器支路，同時連接在同一交流系統(tǒng)中的其它負載的諧波電流也不會流入無源濾波器支路，并且可以有效的抑制串、并聯(lián)諧振。由于有源濾波器的電壓為，比電網(wǎng)電壓要小的多，這使得綜合電力濾波系統(tǒng)中有源濾波器的容量比并聯(lián)型有源濾波器的容量要小的多，更適合對大容量的諧波負載進行補償，其初始投資和運行費用比并聯(lián)型有源濾波器要低。因而同時具有無源濾波器成本低和有源濾波器濾波性能好的優(yōu)點，具有很強的實用性和經(jīng)濟性。3結(jié)語本文所提出的綜合電力濾波系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是非常簡單的，這使得對現(xiàn)有正在運行的并聯(lián)型無

12、源濾波器進行技術(shù)改造也非常方便。通過串接上有源濾波器并裝設(shè)控制電路，就可以有效的提高無源濾波器的濾波效果。既使有源濾波器由于某種原因停止運行，也不會影響到無源濾波器的正常濾波，使得這種綜合電力濾波系統(tǒng)應(yīng)用起來非常安全可靠。參考文獻馬大銘.新型綜合電力濾波系統(tǒng)的研究D.清華大學博士論文,1996.干兆安，楊君，等諧波抑制和無功功率補償M.機械工業(yè)出版社,1998.1 吳竟昌.供電系統(tǒng)諧波M.中國電力出版社,1998.2 靳龍章，丁毓山.電網(wǎng)無功補償實用技術(shù)M.中國水利水電出版社,1997.唐卓堯，任震.并聯(lián)型混合濾波器及其濾波特性分析J.中國電機工程學報，2000,20(5):2529.3 朱東起，姜新建，馬大銘.無源和有源濾波器串聯(lián)構(gòu)成的并聯(lián)型綜合電力濾波系統(tǒng)M.清華大學學報,1999,39(3):4952.4 BhimSingh,KamalAI-Haddad,AmbrishChandra.AReviewofActive