电力电子装置谐波的产生与补偿

电力电子装置谐波的产生与补偿

0考虑无功功率补偿和负载模电力电子装置的广泛应用使电子仪器的波形变得灵活、方便，并提供了快速使用能源的手段。然而，由于电力电子设置的广泛应用，供电声波的污染和低误差问题日益严重，供电质量恶化。因此，有效限制和补偿无功率辐射是一个重要的研究方向。由于在含有谐波的情况下,无功功率的定义和谐波有密切的关系,谐波除本身的问题之外,也影响负载和电网的无功功率,影响功率因数;产生谐波的装置同时也大都是消耗基波无功功率的装置;补偿谐波的装置通常也都是补偿基波无功功率的装置.因此,本文把谐波抑制和无功功率补偿技术结合起来进行探讨.1无效率补偿1.1动态载荷的运行传统的无功功率动态补偿装置是同步调相机,是专门用来产生无功功率的同步电机.同步调相机是以一个接在交流电源上的空载同步电机为主的.随直流干扰电流的不同,电机产生比电源电压大或小的电压Vg.当Vg比电源电压大时,同步调相机过励磁,产生无功功率.相反,当Vg小于电源电压时,调相机低励磁,吸收无功功率.不过,由于调相机的典型响应时间为0.2S,响应速度慢,在很多情况下已无法适应快速无功功率控制的要求,它不适合使用在处理负载快速变化时的情况.此外由于它是旋转电机,损耗和噪声都较大,运行维护复杂,70年代以来,同步调相机开始逐渐被并联电容器和静止型无功补偿装置所取代.1.2组合电容器补偿无功功率无功补偿电容器在国内外均得到广泛的应用.其原理是通过并联电容器使电压与电流的相位差变小了,从而提高功率因数.装设并联电容器补偿无功功率的优点是结构简单、经济方便等,应注意的是避免出现过补偿的情况.并联电容器补偿无功功率的主要缺点有:(1)电容器只能补偿固定的无功功率,不能实现对无功功率的动态补偿.(2)在系统中有谐波时,有可能发生并联谐振,使谐波放大,可能导致电容器的损坏,甚至破坏电网的正常运行.(3)补偿容量与供电电压的平方成正比.1.3tsc与tcr组合使用时效果不同.静止无功补偿器装置(SVC)主要有固定电容器加晶闸管控制电抗器(FC+TCR),晶闸管投切电容器(TSC)等类型.其重要特性是依靠调节TCR中晶闸管的触发延迟角α,能连续调节补偿装置的无功功率.由于TSC只能分组投切,不能连续调节无功功率,它只有与TCR配合使用,才能实现补偿装置整体无功功率的连续调节.在TCR装置中,固定电容器通常和电抗器串联构成谐波滤波器,以滤出TCR中的谐波.但SVC装置为补偿0~100%容量变化的无功功率,几乎需要100%容量的电容器和超过100%容量的晶闸管控制电抗器,铜和铁的消耗很大.近年来的发展趋势是采用GTO构成的自换向变流器,通常称为静止无功发生器(SVG),也有人称为高级静止无功补偿器(ASVC),或静止调相机(STATCON),它既可提供滞后的无功功率,又可提供超前的无功功率.1.3.1混合插装器补偿器的选择TCR的单相基本结构就是两个反并联的晶闸管与一个电抗器相串联,而三相多采用三角形联接.通过控制系统不断调节触发延迟角α,从而不断调节导通角δ,使TCR从其电压——电流特性上的某一稳态工作点转移到另一稳态工作点,达到补偿无功功率的目的.单独的TCR由于只能吸收感性的无功功率,往往需与并联电容器配合使用.并联上电容器以后,总的无功功率为TCR与并联电容器无功功率抵消后的净无功功率,因而可以将补偿器的总体无功电流偏置到可吸收容性无功的范围内.另外,并联电容器串联上小的调谐电抗器还可兼作滤波器,以吸收TCR产生的谐波.当TCR与固定电容器配合使用时,被称为FC+TCR.其缺陷为:当要求这种补偿器的补偿范围能延伸到容性和感性无功功率两个领域时,电抗器的容量必须大于电容器的容量.而当补偿器工作在吸收很小的容性或感性无功功率的状态时,电容器和电抗器中实际上都已吸收了很大的无功功率,都有很大的电流流过,只是相互抵消而已.将并联电容器的一部分或全部改为可以分组投切的,就可以使用容量相对较小的TCR,这样的补偿器称为晶闸管控制电抗器+可投切电容器型的静止补偿器,或者称为混合型静止补偿器.混合型静止补偿器中TCR的容量只需在对消那组固定电容的容性无功后能满足对感性无功的要求即可,而不必像FC+TCR型补偿器那样要能在对消全部并联电容器的容性无功后能满足对感性无功的要求.另外,混合型静止补偿器TCR的容量还应略大于每次电容切换时容性无功的变化,否则也会造成电压——电流特性在切换处断续.混合型静止补偿器的主要问题是在控制中应避免过于频繁地投切电容器组,对于使用机械断路器投切电容的混合型补偿器更是如此.1.3.2动态无功补偿器tscTSC利用两个反并联晶闸管将电容器并入电网或从电网断开,利用串联的小电感抑制电容器投入电网时可能造成的冲击电流.在实际工程中,一般将电容器分成几组,每组都可由晶闸管投切.这样,可根据电网的无功需求投切这些电容器,TSC实际上就是断续可调的吸收容性无功功率的动态无功补偿器.与TCR相比,TSC的缺点是不能连续调节无功功率,但它具有运行时不产生谐波而且损耗较小的优点.1.3.3svd装置的优势SVG的基本原理就是将自换相桥式电路通过电抗器或者直接并联在电网上,适当地调节桥式电路交流侧输出电压的相位和幅值,或者直接控制其交流侧电流,就可以使该电路吸收或者发出满足要求的无功电流,实现动态无功补偿地目的.若控制方法得当,SVG在补偿无功功率的同时还可以对谐波电流进行补偿.在稳态情况下,SVG的直流侧和交流侧之间没有有功功率交换,无功功率在三相之间流动,因此直流侧只需要较小容量的电容即可.此外,SVG装置用铜和铁较少,且有优良的补偿特性,因此是新一代无功补偿装置的代表,有很大的发展前途.当然,SVG地控制方法和控制系统显然要比传统SVC复杂,另外,SVG要使用数量较多的较大容量的全控型器件,其价格目前比SVC使用的普通晶闸管高得多.2波形补偿2.1谐波补偿u3000定频方式LC滤波器是补偿谐波的传统方法,也是当前补偿谐波的最主要手段.其优点是既可补偿谐波,又可补偿无功功率,而且结构简单.这种方法的主要缺点是:(1)补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响,易和系统发生并联谐振,导致谐波放大,使LC滤波器过载甚至烧毁.(2)只能补偿固定频率的谐波,补偿效果也不甚理想.2.2串联型apf的特性及应用有源电力滤波器是补偿谐波的典型装置.80年代以来,随着新型电力半导体器件的出现、PWM技术的发展、以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流瞬时检测法的提出,有源滤波器得以迅速发展.有源电力滤波器能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿,且补偿特性不受电网阻抗的影响,因而受到相当的重视.电力有源滤波器的变流电路分为电压型和电流型,目前实用的装置90%以上为电压型.从与补偿对象的连接方式来看,电力有源滤波器可分为并联型和串联型.串联型APF构成的系统具有有源装置容量小、运行效率高以及对谐波电压源类型的负荷有较好补偿特性等优点,但却存在绝缘强度高、难以适应线路故障条件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点,因此,其工程实用性受到限制.并联型APF能对谐波和无功功率进行动态补偿,其补偿特性不受电网阻抗的影响,是一种较好的补偿装置.并联型中有单独使用、LC滤波器混合使用及注入电路方式.目前并联型占实用装置的大多数.但是,并联型APF由于有源装置容量相对较大,存在初期投资大、运行效率低的缺点.因此,在研究APF多功能化的同时,人们也致力于使有源装置容量降低的混合补偿方案研究.显然,将APF与无源滤波器并联使用,合理分担补偿需求,可使APF容量减小.但由于并联无源滤波器的影响,负荷的等效谐波阻抗将减小,当其不满足远大于电网的谐波阻抗条件时,APF的补偿特性将受电网阻抗的影响,而且APF的谐波补偿电流还可能注入无源滤波器中.采用这种方案时需对APF和无源滤波器的设计进行特殊考虑.并联型APF容量的降低可从有源装置承受的电压与其输出电流两个方面考虑.混合型补偿方案的基本原理就是将常规型APF上承受的基波电压移去,使有源装置只承受谐波电压,从而可显著降低有源装置的容量.电路注入方式的APF方案也可以有效地降低有源装置承受的电压.从减小电流角度考虑,可采用GTO等大容量器件构成的低频逆变器和IGBT等高频器件构成的逆变器共用方案,以充分发挥不同器件的特点.2.2.1谐波补偿原理电力有源滤波最基本的构成方式是PWM逆变器并联在电网上,相当于一个受控电流源,产生与负载谐波大小相同而方向相反的谐波电流,使得电源电流被补偿为正弦.这种方式下,电源基波电压全部加在逆变器上,因而装置容量较大.这种方式的电力有源滤波器具有连续调节无功功率的功能,能在补偿谐波的同时动态补偿无功功率.2.2.2在合理范围内,发挥谐波的作用LC滤波器若被用来与有源滤波器分担补偿相同次数的谐波,则可降低所需逆变器的容量,若用来补偿较高次的谐波,则起到了补充有源滤波器补偿性能的作用.在这种方式下,有源滤波器也可以对无功功率进行调节.2.2.3抑制于lc滤波器与电网保护方式之间的串联振幅这种方式下,有源滤波器主要不是用来直接补偿谐波,而是用来抑制LC滤波器与电网阻抗之间的并联谐振,即所谓的谐波放大现象,以改善LC滤波器的谐波补偿效果.其逆变器不承受基波电压,因而逆变器的装置容量大大减小.2.2.4apf受谐波电压的计算注入式并联APF将电感和电容作为逆变器的注入电路,利用电感和电容的谐振特性,使APF不承受或只承受较小的基波电压,从而减小逆变器容量、缩小体积、降低成本.理想情况下,APF只承受谐波电压.2.2.5电源电压源采用串联型同源滤波器,使负载端压为相关系单独使用的串联型有源滤波器通过变压器串联在电源和负载之间,相当于一个受控电压源,可以消除电源电压可能存在的畸变,维持负载端压为正弦.需指出的是,并联型有源滤波器一般适用于感性负载.对容性负载的谐波源,可采用单独使用方式的串联型有源滤波器,通过控制有源滤波器的补偿电压来改变负载端的电压,从而使电源电流为正弦.2.2.6连接源滤波与lc滤波器混合使用与LC滤波器混合使用的串联型电力有源滤波器,由于其所需逆变器的装置容量很小,一般不超过负载容量的3%,因而颇受关注.2.3需谐波与无功功率综合补偿谐波补偿要求快速的响应特性,采用IGBT等高频器件构成的逆变器较为合适,但高频逆变器功耗大,单个器件容量小,补偿大容量的无功功率势必造成成本高、运行效率低.而较低频率的器件如GTO等,单个器件容量大,较易构成大容量补偿装置,且低的开关频率可使损耗降低.因此,在需谐波和无功功率综合补偿时,可将两者结合起来,以充分发挥不同器件所长.2.3.1脉动变压器改造谐波与无功功率的解耦补偿系统由一个多重化逆变器和一个PWM逆变器组成.多重化逆变器用于基波无功功率的补偿,可用若干个6脉动逆变器组成,以得到较好的输出波形,提高装置容量,满足大容量无功功率补偿的需求.当输出电压与公共连接点电压同步同相位,并且输出电压高于公共连接点电压时,多重化逆变器输出超前的补偿电流;反之,多重逆变器输出滞后的无功电流.通过对电压相角差的控制可调节电容电压、逆变器输出电压和补偿无功功率的大小.2.3.2基于信号转换的信号补偿采用双PWM电压源逆变器进行谐波和无功功率补偿,可显著改善有源滤波器的补偿性能.该方式与以往所提出的采用多个PWM逆变器并联补偿方式的区别在于PWM逆变器工作于不同的开关频率,可对负荷中的特定谐波电流进行补偿.3多重化技术设计与补偿无功功率和谐波的方法相比,更为积极的方法是开发不产生谐波且功率因数为1的新型变流器,即单位功率因数变流器(UnityPowerFactorConverter).大容量变流器提高功率因数和减少谐波的主要方法是采用多重化技术.如果要求总功率因数为1,甚至提供超前的无功功率,则一般须使用自换相变流器.对电流型变流器,多重化就是将方波电流叠加,使得输入电流为接近正弦的阶梯波,或提高位移因数.其联结方式有串联和并联多重化,而控制方式则有移相、顺序控制、非对称控制和滞后超前控制多重化等几种形式.对电压型变流器,必须用连接电感和交流电源相连,大都用移相多重化,将方波电压叠加,使其在电网侧产生接近正弦的阶梯波电压,且与电源电压保持适当的相位关系,从而使输入电流为与电源电压同相位的正弦波.如果需要,可以控制输入电流的相位,使变流器能对无功功率进行补偿.多重化技术若配合PWM控制技术,可获得更为理想的效果.中等容量的单位功率因数变流器主要采用PWM整流技术,一般需要使用自关断器件.对电流型整流器,可直接对各个电力半导体器件的通断进行PWM调制,使输入电流为接近正弦且与电源电压同相的PWM波形,从而得到接近1的功率因数.对电压型整流器,需将整流器通过电抗器与电源相连.对此有两类控制方法,一是直接对整流器进行PWM调制,使其输入端电压为接近正弦的PWM波形,并保持一定的相位,从而使通过电抗器输入的电流为与电源电压相同的正弦波;二是检测输入电流,通过电流反馈信号对整流器进行PWM调制,达到控制输入电流波形的相位的目的.PWM整流器配合PWM逆变器可构成理想的四象限交流调速用变流器,亦称为双PWM变流器.变流器不但输出电压电流均为正弦波,输入电流也为正弦波,且功率因数为1.因其能量转换效率高,均可实现能量的双向传送(再生制动).如此优越的性能,代表了这一领域技术发展的主