提高電網(wǎng)功能質(zhì)量的抗干擾技術(shù)

提高電網(wǎng)功能質(zhì)量的抗干擾技術(shù)

1? 引言
???? 隨著電力電子(PE)技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)電力系統(tǒng)供電的可靠性、安全性以及電能的質(zhì)量，提出了越來(lái)越高的要求。然而，電網(wǎng)中存在包括化工、冶金、煤礦及家用電器等大量非線性負(fù)荷與沖擊負(fù)荷，尤其是大功率變流設(shè)備、晶閘管整流裝置、電弧爐等負(fù)荷，導(dǎo)致電網(wǎng)中暫態(tài)沖擊、無(wú)功功率、高次諧波及三相不平衡等問(wèn)題日趨嚴(yán)重，對(duì)電網(wǎng)造成污染，增大能量損耗，劣化供電質(zhì)量，不利于電力系統(tǒng)發(fā)、供、用電設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。特別是高次諧波的干擾，已構(gòu)成當(dāng)前電網(wǎng)中影響電能質(zhì)量的一大“公害”。因此，解決電力系統(tǒng)諧波抑制及無(wú)功補(bǔ)償、確保供電的質(zhì)量，已成為大家關(guān)注的熱門課題。

2? 高次諧波的危害及現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求
???? 電力系統(tǒng)中三相交流發(fā)電機(jī)輸出的電壓，其波形基本為正弦波，即波形中近似無(wú)直流及高次諧波分量。就基波而言是對(duì)稱分量，三相向量之和為零，對(duì)外不形成電磁場(chǎng)。但諧波電流分量則因三相向量之和不為零，能形成較強(qiáng)的磁場(chǎng)，對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生各種有害的影響。

2.1 對(duì)電能質(zhì)量的影響
???? 非線性負(fù)荷是諧波源，向電網(wǎng)注入整倍數(shù)于基波頻率的諧波電流分量。這些諧波電流在電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波壓降，從而引起電網(wǎng)電壓和電流的波形畸變，導(dǎo)致電能質(zhì)量的劣化。

2.2 對(duì)配電網(wǎng)的影響
???? 在有色金屬導(dǎo)體中，基波電流的分布可近似認(rèn)為在整個(gè)截面內(nèi)是均勻的。通過(guò)諧波電流時(shí)，由于集膚效應(yīng)電流集中在導(dǎo)體表面薄層，增大了諧波電流回路的電阻，使導(dǎo)體的有效電阻增加，導(dǎo)致電網(wǎng)的功率損耗和能量損耗加大。高次諧波還可能使電力系統(tǒng)發(fā)生電壓諧振，從而在線路上引起高電壓，有可能擊穿線路設(shè)備的絕緣。

2.3 對(duì)電力系統(tǒng)功率因數(shù)的影響
???? 由于設(shè)備實(shí)際的功率因數(shù)小于設(shè)備在理想條件下的功率因數(shù)，故高次諧波增加了用電設(shè)備消耗的功率，降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)。

2.4 變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求
???? 變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的變頻器，因具有高效節(jié)能的特點(diǎn)而成為交流傳動(dòng)中的重要組成部分，但變頻器的整流橋對(duì)電網(wǎng)來(lái)說(shuō)是非線性負(fù)荷，其逆變器又大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)工作于開(kāi)關(guān)模式并作高速切換時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的耦合性噪聲，EMI嚴(yán)重，致使變頻器運(yùn)行于惡劣的電磁環(huán)境，其輸入和輸出側(cè)的電壓、電流含較多的高次諧波。故變頻器運(yùn)行時(shí)既要防止外界干擾它，又要防止它干擾外界，即實(shí)現(xiàn)所謂的電磁兼容性(EMC)。

2.5 現(xiàn)代交流電機(jī)控制系統(tǒng)的要求
???? 隨著新的PE變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，要求的計(jì)算量和控制功能大幅度增加。隨著PE裝置高壓大容量化的發(fā)展，DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)控制技術(shù)的應(yīng)用將愈益廣泛。然而，PE系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)的電磁環(huán)境往往較為復(fù)雜，且因運(yùn)行頻率很高，DSP的抗干擾能力通常比微處理器更弱。因此，提高DSP及周邊電路的抗干擾能力，對(duì)于保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行密切相關(guān)，電網(wǎng)的“凈化”是現(xiàn)代PE系統(tǒng)及交流電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用的重要前提。

3? 抑制高次諧波的主要指標(biāo)

3.1 加裝交流濾波裝置(無(wú)源濾波器)
???? 在配電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的諧波抑制和無(wú)功補(bǔ)償方法是將無(wú)源電力濾波器與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)荷并聯(lián)，為諧波提供一個(gè)低阻通路的同時(shí)，也提供負(fù)載所需的無(wú)功功率，這是最常見(jiàn)和實(shí)用的方法。該裝置利用電感和電容器貯能元件。根據(jù)諧振原理，通過(guò)濾波電路對(duì)需要消除的高次諧波進(jìn)行調(diào)諧，使之發(fā)生諧振。以便其在諧振時(shí)得到阻抗最小的特性，有效消除指定次數(shù)的諧波，并在諧波源附件就地吸收諧波電流，從而不使其注入電網(wǎng)中去。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。運(yùn)行可靠及維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用也低，不但起到濾波作用，還能進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。因此，無(wú)源濾波器是目前廣泛采用的抑制諧波及無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹匾侄巍５摲椒ǖ难a(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗、頻率和運(yùn)行工況的影響，只能起到對(duì)某幾次固定頻率諧波的抑制效果，而很可能對(duì)其它次諧波有放大作用，使濾波器過(guò)載甚至燒毀。另外，LC濾波電路會(huì)因系統(tǒng)阻抗參數(shù)變化而產(chǎn)生與系統(tǒng)并聯(lián)諧振問(wèn)題，影響和后果嚴(yán)重。

3.2 有源電力濾波器的應(yīng)用
???? APF是一種新型可動(dòng)態(tài)抑制諧波的PE裝置。其濾波方式為:先從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電流，再利用可控的功率半導(dǎo)體器件(補(bǔ)償裝置)向電網(wǎng)注入與諧波源諧波分量(I或U)幅值相等、相位相反的諧波分量(I或U)，使電源的總諧波為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波的目的。經(jīng)經(jīng)驗(yàn)證明，APF是抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的理想和靈活的可行方案，下面予以重點(diǎn)介紹。

4? 有源電力濾波器(APF)
???? APF是抑制電網(wǎng)諧波和補(bǔ)償無(wú)功功率、改善電網(wǎng)供電質(zhì)量的最有效PE裝置。大多數(shù)APF拓?fù)渚秒妷涸茨孀兤?，并通常?a href="http://www.brongaenegriffin.com/tags/電容/" target="_blank">電容器作為貯能器件如圖1所示。以適當(dāng)選通可控的功率半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)，把直流電壓變換成交流電壓。雖然，為合成交流電壓能施加每半周的單脈沖，但對(duì)大部分應(yīng)用中要求的動(dòng)態(tài)性能，今天普遍采用的是脈寬調(diào)制(PWM)。

圖1??? 電壓源逆變器的APF拓?fù)?/P>

???? 為產(chǎn)生任意波形的交流電壓，將PWM技術(shù)應(yīng)用到直流母線電壓斬波的電壓源逆變器上?，F(xiàn)有很多能組成正弦波或任意波形的PWM技術(shù)，利用PWM技術(shù)，不僅允許控制逆變器作為電壓源，也可作為電流源以控制濾波器的交流輸出。圖2為所利用的最普通的三角載波(TC)技術(shù)，這是最簡(jiǎn)單的線性控制方法，是將有固定幅值的和固定三角波的輸出電流誤差進(jìn)行比較。迫使開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的輸出電壓Va限定于Vcar的載波周期內(nèi)，并等于調(diào)制波Varef的平均幅值。正弦調(diào)制波的合成電壓含正弦基波分量Va(f)和不希望的諧波分量，利用盡可能高的頻率載波，可使這些不想要的諧波成分減到最小，但這取決于半導(dǎo)體功率器件(IGBT、 GTO或IGCT)的最大開(kāi)關(guān)頻率。

圖2???? PWM載波技術(shù)(三角載波)

???? 與傳統(tǒng)的無(wú)源LC濾波器相比，APF具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1) 對(duì)各次諧波和分?jǐn)?shù)諧波均能有效抑制，且可提高功率因數(shù);
(2) 作為高次諧波電流源，不受系統(tǒng)阻抗的影響;
(3) 無(wú)諧振現(xiàn)象，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、阻抗及頻率的變化不會(huì)影響補(bǔ)償效果;
(4) 原理上比LC濾波器更優(yōu)，起用1臺(tái)裝置就能完成各次諧波和基波無(wú)功的補(bǔ)償，還可抑制閃變，有1機(jī)多能的特點(diǎn)，性價(jià)比較合理;
(5)即使高次諧波的頻率變化也能準(zhǔn)確地補(bǔ)償;
(6)由于裝置本身能完成輸出限制，故當(dāng)高次諧波量增大時(shí)也不會(huì)過(guò)載。其主要特點(diǎn)是能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，具有自適應(yīng)功能。同時(shí)對(duì)變化的無(wú)功功率有較好的預(yù)想補(bǔ)償效果。因此，APF是今后諧波抑制的首選方案。

???? APF大體上可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型，串聯(lián)型適合補(bǔ)償電壓型諧波源負(fù)荷;并聯(lián)型只適合補(bǔ)償電流型諧波源負(fù)荷。此外還有并聯(lián)和串聯(lián)組合的并－串結(jié)構(gòu)，而且在很多情況下還會(huì)與無(wú)源LC濾波器混合使用，以取得更好的綜合效果。

4.1 并聯(lián)APF
???? 圖3所示為并聯(lián)型APF產(chǎn)生的補(bǔ)償電流，利用了電流源逆變器三種不同的調(diào)制技術(shù)，分別為周期采樣(PS)、三角載波(TC)和滯環(huán)控制(HB)。PS法是在固定(采樣)頻率的方波時(shí)鐘轉(zhuǎn)移時(shí)，APF的功率晶體管開(kāi)關(guān)動(dòng)作。TC法利用一個(gè)三角波和高次諧波比較，從而得到不同時(shí)刻逆變器的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。此法的響應(yīng)速度較快，但開(kāi)關(guān)頻率不固定且較高，產(chǎn)生噪音和較大的開(kāi)關(guān)損耗與高頻失真。HB法則是給定一個(gè)允許容差帶，只要高次諧波的大小超過(guò)這個(gè)容差帶，逆變器開(kāi)關(guān)動(dòng)作。但開(kāi)關(guān)頻率、損耗及控制精度均受容差帶寬度的影響，容差帶寬越小，控制的精度越高。當(dāng)然，開(kāi)關(guān)頻率和開(kāi)關(guān)損耗也加大了。通常，HB可獲得較好的控制性能，它兼有快速響應(yīng)和簡(jiǎn)單易行的特點(diǎn)而被廣泛使用。圖3顯示HB法是這一特定波形與應(yīng)用中最好的方法，但在要求正弦波形時(shí)，TC法較優(yōu)。

圖3??? 不同調(diào)制技術(shù)下的電流波形

???? 帶自控直流母線的并聯(lián)APF，有一類似于靜態(tài)補(bǔ)償器(STATCOM)的拓?fù)?，STATCOM是用于電力系統(tǒng)中補(bǔ)償無(wú)功功率的。并聯(lián)的APF，以注入相等而反向的諧波電流對(duì)負(fù)荷電流的諧波進(jìn)行補(bǔ)償。此時(shí)，并聯(lián)APF是作為注入諧波分量的電流源而工作的，諧波分量由負(fù)荷產(chǎn)生，但已移相180o。圖4為并聯(lián) APF的接線圖，圖5表示APF補(bǔ)償?shù)?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/773/" target="_blank">工作原理。為能輸出圖5所示濾波器電流波形的IF，需要設(shè)置圖4中的控制電路，以便產(chǎn)生圖6所示的Vfab脈寬調(diào)制電壓圖。

圖4???? 并聯(lián)型APF的拓?fù)?/P>

圖5???? 產(chǎn)生的濾波器電流用以補(bǔ)償負(fù)荷電流諧波

圖5中:is為電網(wǎng)電流;
????? iL為負(fù)荷電流;
????? iF為補(bǔ)償電流;
????? iL＝基波分量iL1+高次諧波分量iLh+無(wú)功分量iLq。
圖5中各電流滿足關(guān)系式:is=iF+iL，如果由APF提供的補(bǔ)償電流iF=-iLh-iLq，則is=iL1，即電網(wǎng)電流只含基波分量，起到濾波作用。并聯(lián)型APF主要適用于電流型非線性負(fù)荷諧波電流的抵消以及補(bǔ)償無(wú)功和三相不平衡等。

圖6???? 為補(bǔ)償負(fù)荷諧波的電流波形和PWM電壓

4.2 串聯(lián)APF
???? 串聯(lián)型APF是從1980年未引用于電網(wǎng)的，它主要作為電壓調(diào)節(jié)器及電網(wǎng)與非線性負(fù)荷之間的諧波隔離器而工作的。圖7為串聯(lián)APF的接線圖，通過(guò)匹配變壓器將APF串聯(lián)于電源和負(fù)荷之間，以消除電壓諧波、平衡或調(diào)正負(fù)荷的端電壓，可確保用戶供電的電壓質(zhì)量，尤其適合于補(bǔ)償交流電源及小功率應(yīng)用中的電壓不平衡與電壓的下陷。因不需能量貯備(蓄電池)，元器件的總定額較小，對(duì)UPS更為經(jīng)濟(jì)有效。串聯(lián)APF注入與電源電壓串聯(lián)的電壓分量，故可視為一可控的電壓源，補(bǔ)償負(fù)荷側(cè)的電壓下陷和上凸。但串聯(lián)型APF損耗較大，且各種保護(hù)電路也較復(fù)雜，故很少單獨(dú)使用。經(jīng)常用它與無(wú)源LC濾波網(wǎng)絡(luò)組成混合型APF。如圖 7所示，無(wú)源LC濾波器與負(fù)荷并聯(lián)，串聯(lián)型APF的工作如同一臺(tái)諧波隔離器，迫使負(fù)荷電流諧波主要通過(guò)無(wú)源濾波器循環(huán)，而不經(jīng)過(guò)配電系統(tǒng)。此方案的優(yōu)點(diǎn)是:串聯(lián)APF的額定功率僅為負(fù)荷定額(KVA)的一小部分，通常為5％。但在電壓補(bǔ)償時(shí)，串聯(lián)APF的視在功率定額可能增加。圖8是串聯(lián)濾波器為補(bǔ)償負(fù)荷側(cè)電壓諧波的工作原理圖。串聯(lián)APF還可用于抗基波電壓的干擾。圖9所示為電源電壓偶然跌落時(shí)串聯(lián)APF所起的作用。如圖8所示，負(fù)荷電壓幾乎保持恒定，僅在電源電壓跌落的起始和最后瞬間，出現(xiàn)了很小的不穩(wěn)定和振蕩。

圖7???? 帶并聯(lián)無(wú)源濾波器的串聯(lián)型APF拓?fù)?/P>

圖8??? 用于補(bǔ)償電壓干擾的濾波器電壓

圖9??? 電源電壓干擾時(shí)，串聯(lián)APF的補(bǔ)償功能

4.3 串－并型APF
???? 串－并型APF為串聯(lián)APF與并聯(lián)APF之組合，圖10為其組合拓?fù)洹２⒙?lián)APF配置在負(fù)荷側(cè)，能用于補(bǔ)償負(fù)荷諧波，而串聯(lián)APF置于電源側(cè)，可起到諧波的阻隔過(guò)濾作用。該拓?fù)溆址Q為萬(wàn)能APF或統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)。串聯(lián)部分補(bǔ)償電源電壓諧波及電壓不平衡，作為諧波的閉鎖過(guò)濾器，并抑制電力系統(tǒng)的振蕩。并聯(lián)部分補(bǔ)償負(fù)荷電流諧波、無(wú)功功率以及負(fù)荷電流的不平衡。此外，它能調(diào)節(jié)直流線路的電容電壓。由并聯(lián)部分提供或吸收的功率是串聯(lián)補(bǔ)償器所要求的功率及為補(bǔ)償損耗需要的功率。該類APF的主要問(wèn)題是控制復(fù)雜、造價(jià)高。

圖10???? 統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)

4.4 利用多級(jí)逆變器的新拓?fù)?br>???? 一直處于研究階段的多級(jí)逆變器，最近被用于APF拓?fù)渲?，圖11為配有三級(jí)逆變器的并聯(lián)APF，今天在大多數(shù)的逆變器應(yīng)用領(lǐng)域，三級(jí)逆變器已愈益普及，例如功率因數(shù)補(bǔ)償器。多級(jí)變換器的優(yōu)點(diǎn)是能降低APF產(chǎn)生的諧波含量。因與普通變頻器比較，能輸出更多(>2級(jí))的電壓，這一特點(diǎn)有利于減少濾波器本身產(chǎn)生的諧波。另一優(yōu)點(diǎn)是能減少半導(dǎo)體電壓或電流的定額，以及減少所需的開(kāi)關(guān)頻率。

圖11??? 采用3級(jí)逆變器的并聯(lián)型APF

多級(jí)逆變器應(yīng)能建立多級(jí)的電壓，故輸出電壓的質(zhì)量更佳。基于多段連接的“H”型變換器，并增配有3級(jí)不同的直流電壓源，這是產(chǎn)生很多級(jí)電壓的最新方法。利用該技術(shù)，僅需很少幾個(gè)串聯(lián)變換器即能獲得很好的電壓波形。在脈寬調(diào)制的同時(shí)，又能調(diào)幅。圖12所示，僅以每相4個(gè)“H”變換器(4段逆變器)就可產(chǎn)生 81級(jí)電壓的調(diào)幅，故可實(shí)現(xiàn)“無(wú)諧波”的APF特性。圖13為在實(shí)驗(yàn)室完成的“4段81級(jí)”并聯(lián)型有源電力濾波器。

5? 結(jié)束語(yǔ)

???? 采用有源電力濾波器(APF)的抗干擾技術(shù)對(duì)抑制電力系統(tǒng)高次諧波，改善供電質(zhì)量極其重要。文中介紹了采用有源電力濾波器(APF)的抗干擾技術(shù)，列舉了各種新穎實(shí)用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。隨著電力電子(PE)技術(shù)的飛速發(fā)展，這項(xiàng)技術(shù)仍在發(fā)展之中。