羅明陽
【摘要】隨著電力電子器件的廣泛應(yīng)用,電力系統(tǒng)的諧波問題日益嚴(yán)重,對(duì)于中高壓系統(tǒng)的諧波問題,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)載都稱為諧波源。這些非線性設(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。按照非線性元件的類型,電力系統(tǒng)諧波源可以分為兩大類:
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。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性設(shè)備的諧波源
這類設(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)來說是一種污染,它使用電設(shè)備所處的電網(wǎng)環(huán)境變差,也對(duì)周圍的通信系統(tǒng)和設(shè)備帶來一定的危害。
(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)必須考慮到無線通信及網(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,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APF技術(shù)得到了長足的改善,越來越多的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功補(bǔ)償?shù)葐栴}上,近些年來對(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,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年才見這方面研究的文章。從90年代中期起,我國對(duì)APF的研究全面展開,包括諧波檢測(cè)、拓?fù)溲芯?、系統(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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