电力系统谐波源的种类和滤波方法综述

1、电力系统谐波源的种类和滤波方法综述李达义陈乔夫贾正春华中科技大学摘要:谐波源的种类对滤波方法的选择起至关重要的作用。通过仿真解释了两种典型的谐波源的物理本质和分类依据。总结了目前广泛研究的典型滤波方法, 这些滤波方法包括无源滤波器、有源滤波器、混合型滤波器和统一质量控制器等, 介绍了这些滤波方法各自的原理和特点。关键词:谐波源分类滤波方法Types of Har m on ic Sources and ir i L i D ayi J Abstract :T he type of i po rtant influence on the choo sing criteri on of pow e

2、r fil 2ters . H two k inds :current type harmonic source and vo ltage type harmonic source and of the two k inds of harmonic sources is analyzed . T he current filtering m eth 2ods , w h ich consist of passive , active , hybrid filter and unified pow er quality contro ller , are summ arized and thei

3、r characteristics are compared .Keywords :harmonic source classificati on filtering app roach电力电子装置和非线性负载的广泛应用使电力系统产生了大量的谐波。电力谐波已经成为电力系统的一大公害, 是近年来国内外专家和学者普遍关注的问题15。为了抑制电力系统谐波, 首先必须了解谐波源的特点, 电力系统的谐波源大致可以分为3种1, 2, 6, 7:第1类是含有变压器等铁磁非线性的谐波源。这种谐波源在电力电子装置大量应用之前, 他们是主要的谐波源, 现在这类谐波源在电力系统谐波源中所占比例并不大; 第2类是电弧

4、焊机、电弧炉这种强非线性、冲击性负载的负载, 电弧炉电流中不仅含有奇次谐波, 还含有偶次谐波, 频率也在0. 130H z 之间大范围变化; 第3类就是各种交直流的电力电子变换器, 电力电子变换装置是目前主要的谐波源。对于电力电子装置谐波源, 人们一般将谐波源分为两类:电压型谐波源和电流型谐波源5, 本文对这两种谐波源进行本质上的解释, 并通过仿真研究了这两种谐波的特点。到目前为止, 人们研究了多种滤波方式, 包括无源滤波方式和有源滤波器方式; 有源滤波器可以动态进行无功补偿, 是一种目前研究较多的一种滤波方式。本文对现有的有源和无源滤波方式进行了归类总结。1谐波源的种类带平波电抗器或直流电机

5、负载的晶闸管相控整流装置是最早出现的电力电子型谐波源, 这种谐波源一般被当作电流型谐波源, 其滤波器设计可以采用无源支路和系统进行分流的方法来进行 优化和计算7。随着电力电子技术的发展, 出现了一类整流桥后面并联一个大的滤波电容的负载, 这类负载在家用电器和变频器等领域得到了广泛的应用。虽然这种谐波源单个容量并不大, 但是当大量使用时(如变频器群 也会产生很大的谐波干扰。这类非线性负载一般被当作电压型谐波源。下面通过仿真解释为什么要将谐波源分为电流型谐波源和电压型谐波源, 图1为电流型谐波3电力系统谐波源的种类和滤波方法综述电气传动2005年第35卷第12期台达电子科教发展基金(2003 源负

6、载仿真模型, 其中直流侧的平波电抗器的电感量为60m H , 负载电阻为58, 系统电压为380V , 系统等效电感为1m H 。采用PS I M 进行仿真, 得出系统电流I s , 系统电压V s 和整流桥输入端电压V t 的波形图如图2。因为平波电抗器的谐波阻抗远远大于系统的交流谐波阻抗, 这种谐波源注入电网的谐波只由直流侧电流和各半导体的切换方式决定。通过改变参数发现电流谐波成分基本与交流侧的内阻和电压无关, 所以这种谐波源可以被看成是一个典型的电流型谐波源; 与上面的这种情况成对偶关系, 图3为电压型谐波源负载仿真模型, 其中直流侧的滤波电解电容的电容值为25000F , 负载电阻为0

7、. 68, 系统电压和等效电感与前面一样。同样采用PS I M 进行仿真, 得出系统电流I s , 系统电压V s 和整流桥输入端电压Vt的波形图如图4。因为滤波电容的谐波阻抗远远小于系统的交流谐波阻抗, 。V t 赖于交流阻抗, 的切换加到交流侧, 此类谐波源产生的谐波电压由负载本身的特征决定, 所以这种谐波源可以被看成是一个典型的电压型谐波源。图2中的系统电流I s 与图4中整流桥输入端电压V t 的波形也呈现对偶关系。由于整流桥后所接的大的电解电容器或平波电抗器并不一定为足够大, 所以根据戴维南等效和诺顿等效定理, 电压源和电流源分别包含一般有一个串联或并联的等效阻抗, 该等效阻抗与整流

8、桥后所接的大的电解电容器或平波电抗器直接相关。 图1电流型谐波源负载仿真模型 图2对应图1的I s , V s 和V t的波形图图3电压型谐波源负载仿真模型图4对应图3的I s , V s 和V t 的波形图7。对谐波源进行, 谐波源的性质对滤波方式的选择有重要作用, 如无源滤波方式用于电压型谐波源时一般没有很好的滤波效果。根据文献5的结论:并联型的滤波器(包括无源和有源滤波器 一般适合于电流型谐波源的滤波, 而串联型的滤波器一般适合于电压型谐波源的滤波。文献5列出了22种滤波器的结构, 包括两组对偶的无源滤波方案和9组对偶的有源滤波方案, 其中很多应用起来比较困难。下面介绍目前使用较多的几种

9、滤波方式, 并对其中有源滤波器进行对照。2无源滤波器采用电力电容器和电抗器等无源器件构成的无源滤波器与需补偿的非线性负载并联, 为谐波提供一个低阻通路的同时, 也提供负载所需要的无功功率1, 2, 6, 7。这种方法既可补偿谐波, 又可补偿无功功率, 成本低, 技术成熟, 结构简单。但它也有一些无法克服的缺点:电力系统及线路的阻抗会影响滤波效果; 系统内阻抗和无源滤波器可能会产生谐振, 导致某些谐波放大; 一条L C 支路只能补偿一定频率的谐波, 因此装设的滤波支路数太多; 一旦装设在电网上就固定不变, 无法对变化的谐波电流(电压 进行动态补偿; 重量与体积较大。3单独使用的并联型或串联型有源

10、滤波器有源滤波2, 4的原理结构如图5所示, 基本原4 理是:实时检测负载电流中的谐波分量, 产生一个与其幅值相同、相位相反的谐波电流, 并将其注入系统, 使线路中的谐波相互抵消, 达到滤波的目的。这种滤波方式后来被称为并联型有源滤波器, 已经成为电力谐波抑制无功补偿的重要手段。和无源滤波器相比, 并联型有源滤波器具有以下一些优点:可以对快速变化的谐波和无功进行实时补偿; 滤波特性与系统的阻抗无关; 不会导致谐振现象, 无谐波放大的危险; 重量与体积较小。并联型有源滤波器主要缺点是大容量时成本较高且价格较贵 。图5如图6所示4, 5所示的单独使用的并联型有源滤波器成对偶关系, 串联型有源滤波器

11、通过一个耦合变压器串联连接在电网和谐波源之间 , 在系统中相当于一个电压控制电压源, 跟踪电源电压的谐波分量, 产生与之相反的谐波电压, 使负载端交流侧电压为正弦波。这种滤波器一般在带有大容量直流滤波电容的整流桥中起谐波补偿作用, 并具有一定电压调节的作用。图6单独使用的串联型有源滤波器4混合型有源滤波器混合型的有源滤波器是由无源滤波器和上面两种有源滤波器方案的各种组合而成很多种的滤波方案, 这些方案一般利用无源和有源滤波器的优点而减小有源滤波器的容量, 主要包括如下几种。1 并联无源+并联有源滤波器相结合的滤波器方案, 原理结构如图7所示。这种方案有两种形式, 一种是并联型有源滤波器补偿低次

12、谐波, 而无源滤波器滤除高次谐波2, 5, 这种方案对减小有源滤波器的容量起不到明显的作用, 因开关频率要求不高, 故实现大容量会更容易一些。另一种是无源滤波器包括多组单调谐滤波器和高通滤波器, 并联有源滤波器仍起着谐波补偿作用, 无源滤波器滤除大部分谐波, 所需的有源滤波器的容量可以大幅度降低, 但是需要对有源滤波器进行有效的控制以防止可能发生的谐振2 。这种装置在使用时, 系统与有源滤波器及有源滤波器与无源滤波器之间存在谐波通道, 特别是有源滤波器与无源滤波器之间的谐波通道, 可能使有源滤波器注入的谐波又流入系统及无源滤波器中。图7并联无源+并联有源的滤波方案2 并联无源+串联有源滤波器相

13、结合的滤波器方案8, 采用串联有源滤波器和并联无源滤波器构成, 其电路原理图见图8。工作原理为:将一个电流互感器一次侧串联接在电力系统和谐波源之间, 根据瞬时无功功率理论检测出系统的谐波电流, 采用PWM 逆变器产生与串入系统的谐波电流成K 倍比例的谐波电压施加在电流互感器的二次侧, 这样有源滤波器对谐波而言相当于阻值为K 的电阻, 而对基波阻抗为零。 这种方案中串联型有源滤波器不是直接补偿谐波而是起提高系统的谐波阻抗的作用, 从而使谐波流入无源支路。其优点是采用较小容量的有源滤波器和并联无源滤波器结合完成大容量的滤波任务; 缺点是K 很难确定, 设计不好可能导致系统稳定性问题。图8并联无源+

14、串联有源的滤波方案3 无源和有源滤波器串联联接的方案9, 电路原理图见图9。其中并联无源滤波器起抑制谐波的 作用, 而有源滤波器是用来提高无源滤波器的性能, 克服了只用无源滤波器的缺点。该有源滤波器的容量远小于普通的并联型有源滤波器的容量。这种结5电力系统谐波源的种类和滤波方法综述电气传动2005年第35卷第12期构和方案2 在原理上等效。由于注入变压器联接在Y 型联接的无源滤波器的中性点上, 方便保护隔离, 因此更适合于高电压系统中应用 。图9无源和有源滤波器串联联接的滤波器原理图4 其他的混合型滤波方案, 包括串联有源和并联有源相结合的方案及其对偶的滤波方案以及上面1 , 2 和3 的对偶

15、方案等5。5注入式并联有源滤波器注入式并联有源滤波器通过减小加在有源滤波器的电压从而降低整个有源滤波器的容量其中主要的接法有3种, 见图和图图10为L C , 2-在, 基波电压绝大部分降落在电容 C 1上, 这样有源滤波器只需承受很小的基波电压。图11为L C 并联谐振注入式电路, 其中L 1-C 在电源电压的基波频率处发生并联谐振, 基波电压绝大部分降落在电容该谐振电路上, 这样有源滤波器只需承受很小的基波电压。图12中的电容器和电抗器构成一个分压器从而可以减小有源滤波器上所承受的基波电压。上面3种中, 有源滤波器上一般会有一定的基波电压。除此以外, 还有一些注入式并联有源滤波方案可以将有

16、源滤波器上的基波电压减小为零5。图10注入式并联有源滤波器补偿电路( 图11注入式并联有源滤波器补偿电路( 图12注入式并联有源滤波器补偿电路( 6其他的有源滤波器除了上面4大类的有源滤波器, 迄今为止还有很多其他类型的有源滤波器。现根据其结构和原理分述如下。1 串联无源和并联有源的大功率场合应用的滤波器方案10, , 适合。2 基于单周控制的有源滤波器11。这种方法运用一个带复位功能的积分器作为滤波器的核心元件控制逆变器的脉冲宽度, 以产生一个与非线性负荷引起的电流谐波和无功分量相反的电流, 这样就能补偿非线性负荷引起的谐波并提高功率因数, 这种方法只需检测交流主回路电流和直流母线电压(无需

17、产生参考电流, 无需检测交流电压、负载和有源滤波器电流 进行恒频的模拟控制。因此具有性能好, 成本低和控制简单等优点, 但是由于控制上的不足可能会出现局部稳定和电流直流分量问题。3 基于正弦电流源的串联型有源滤波器12。这种滤波器通过控制负载电压和一个预先设定的参考信号的误差来控制基波的幅值, 可以实现功率因数矫正、谐波补偿和负载电压调节的作用。4 基于基波磁通补偿的串联型有源滤波器13, 通过检测变压器一次侧的基波电流, 并采用电压型PWM 逆变器来产生一个基波补偿电流。将此补偿基波电流注入串联变压器的二次侧, 当二次侧注入基波电流和电网电流中的基波成分满足基波补偿条件时, 串联变压器对基波

18、呈现变压器一次侧漏阻抗, 而对谐波呈现励磁阻抗。这种有源滤波器仅仅提高了系统对谐波的阻抗从而迫使谐波电流流入无源滤波器支路, 真正起到了谐波隔离的作用。这种方法只检测跟踪基波, 因此控制更方便, 且有源滤波器具有较小的容量。6电气传动2005年第35卷第12期电力系统谐波源的种类和滤波方法综述5 有源线路调节器A PL C 14, 是一种基于有源滤波器的装置, 通过单节点单装置的装设, 可以达到多节点谐波电压的综合治理。工作原理是单台A PL C 向网络中某个(或某几个 优选节点注入消谐补偿电流, 从而导致补偿电流在网络中的一定范围流动, 实现该范围内所有节点谐波电压的综合抑制。但是补偿电流的

19、实时确定是A PL C 的技术瓶颈, 目前使用的方法无法满足补偿动态性和随机性的要求。6 统一质量控制器(基于delta 逆变技术的有源滤波器、串并联双变换式U PS 3, 4, 15, 16, 统一质量控制器(U PQ C 的原理图如图13。统一质量控制器和统一潮流控制器(U PFC 以及串并联双变换式U PS 具有相近的主电路结构, 统一质量控制器主要用于配电系统中, 而统一潮流控制器主要用于输电系统中。统一质量控制器中有两个逆变器, 一个串联在系统中, 端。, 直流母线电压。在串并联双变换式U PS 中串联逆变器的功能是补偿基波压降和输出谐波电压, 确保系统侧电压和电流同相, 使功率因数

20、为1; 并联逆变器的功能是输出基波正弦额定电压, 输出基波无功电流和负载谐波电流; 输出或输入有功电流。较传统双变换在线式U PS 而言, 输入功率因数高, 具有综合的电能质量调节能力 。图13统一质量控制器的原理图7 双串联二极管整流和串联型有源滤波器集成的方案17, 是一种没有谐波电流的用于大功率谐波负载供电的A C DC 整流装置, 有源滤波器的直流母线直接和二极管整流桥联在一起, 二极管整流桥仅从电网吸收正弦波电流。而且这种结构的滤波装置可以进行直流母线电压调节。参考文献1吴竟昌. 供电系统谐波. 北京:中国电力出版社, 19982王兆安, 杨君, 刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿.

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