谐波抑制技术_钱照明

谐波抑制技术

钱照明　叶忠明　董伯藩

(浙江大学电力电子应用技术国家工程研究中心　310027　杭州)

摘　要　按不同的应用场合阐述了抑制谐波常用的几种方法。重点讨论了被动型和主动型两种谐波抑制方案。被动型方案重点讨论了采用滤波器的方法,包括无源滤波器、并联有源滤波器、串联有源滤波器和各种混合型滤波器;主动型方案就现代多脉整流、多电平变流技术、PWM 技术、三相PFC 技术等作了简要介绍,并讨论了两种方案的优缺点。关键词　谐波抑制　有源滤波器　无源滤波器

1997-02-03收稿。

国家教委博士点基金资助项目。

0　引言

电力系统中的波形畸变主要来源于两大因素:第一是R ,L ,C 元件的非性线;第二是大量使用的电力电子装置。谐波对电力系统本身的影响主要表现在:消耗电力系统中的无功储备;增加输电线损耗;影响继电保护、自动控制等装置的可靠运行。对接入电力系统中的设备的影响主要表现在:测量仪表的测量误差增加;电机产生额外的热损耗;用电设备的运行安全性下降。对电力系统外的影响主要表现在

对通信设备的电磁干扰[1,2]

。

消除谐波,主要应从产生谐波的主要装置即电力电子装置出发,去研究解决的方法。消除谐波主要有两种途径:主动型,即从装置本身出发,设计不产生谐波的变流器;被动型,即外加滤波器,比如在电力系统中加L C 滤波器,或在装置的电网侧加有源滤波装置等。

图1是一个联于电力系统中较典型的电力电子装置示意图。变压器从公共联接点传递能量给装置,装置通过AC/DC 变流器将交流电转换为直流,再向后续负载供能。按照谐波抑制点的不同,谐波抑制技术可以分为:(a)电网或公共联接点的谐波抑制;(b)变流器交流侧的谐波抑制;(c)变流器的谐波抑制;(d )变流器直流侧对变流器入端电流的谐波抑制;(e)直流电路中电压纹波及谐波电流的滤波。下面简述电力电子装置的谐波抑制方法。

1　电网及公共联接点的谐波抑制

电网及公共联接点的谐波抑制目前主要通过无源滤波器或静止无功补偿器来实现,其原理与变流

图1一个联于电网中的电力电子装置示意图

Fig .1A power electronic device connected

in the power line

a

电网公共联接点

b 交流侧变流器

c

d e

直流侧功率接口

负载

器交流侧谐波抑制方法相同,只是功率等级较高。

2　变流器交流侧的被动型谐波抑制方案

交流侧的谐波抑制属于被动型抑制方案。由于此处的滤波器直接与电网相连,因此设计时应考虑到:邻近的谐波源对滤波器的影响;系统参数对滤波器的影响;后续变流器负载对滤波器的影响。

按照其采用的电路结构可以分为:无源滤波器方案、有源滤波器方案和混合滤波器方案三大类。2.1　无源滤波器(PF )

L C 滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主要手段。图2是一种常用的整流电路。该电路中,C 的作用是减小直流侧的纹波,为了维持较稳定的直流电压,通常电容C 应选得较大;为了减小整流过程中的脉冲电流,在主电路中串联一个电感L ,L 的选择对入端的谐波和功率因数影响很大,L 增加将引起较大的电感电压降,使直流侧电压随负载的变化产生较大的波动。

图3是一个用并联无源滤波器滤除谐波的典型电路。一个串联的LC 并联在整流桥入端,其谐振频率 =1/L C ,应和电路的主要高次谐波频率相等。为了防止电网电压中的谐波电压在滤波器中产生较大的谐波电流,在入端串联一个电感L 1。

图4是一个L CR 网络串联在入端滤除谐波的

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1997年10月

电　力　系　统　自　动　化

A uto matio n of Elect ric P ow er Sy stems

第21卷　第10期

··

·

C

图2一种典型的整流电路Fig .2A typical rectifier circuit

L

▲

▲▲

▲▲

▲L 1

图3在交流侧加并联滤波器进行谐波抑制

Fig .3Ha rmonic suppression using shunted passive filter

C

L ▲

R

图4串联一个并联谐振网络

Fig .4

Harm onic suppres sion using series pass ive filter

C

L ▲

电路。L RC 并联网络的谐振频率和电网主要高次谐波频率相等,阻止变流器的主要谐波电流流入电网。

无源滤波方案是目前采用得最为广泛的谐波抑

制手段,它成本低、技术成熟,但存在以下缺陷[3～6]

:

(1)谐振频率依赖于元件参数,因此只能对主要谐波进行滤波,L C 参数的漂移将导致滤波特性改变,使滤波性能不稳定;

(2)滤波特性依赖于电网参数,而电网的阻抗和谐波频率随着电力系统的运行工况随时改变,因而L C 网络的设计较困难;

(3)电网的参数与L C 可能产生并联谐振使该次谐波分量放大,使电网供电质量下降;

(4)电网中的某次谐波电压可能在L C 网络中产生很大的谐波电流。2.2　有源滤波器

用有源电力滤波器(APF)消除谐波的思路可以追溯到70年代Sasaki H 和M achida T 等人提出的用磁补偿消除谐波的方法。1976年,Gyugy i L 等人提出了用大功率晶体管PWM 变换器构成APF,并正式提出有源滤波的概念。有源电力滤波器的思路也是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗无穷大的

串联网络,因此可以分为并联有源滤波器和串联有源滤波器。其基本结构是一个DC /AC 逆变桥与/或一个谐波注入电路。按照PWM 逆变电路直流侧电源的性质又可以分为电压型有源滤波器及电流型有源滤波器。

2.2.1　并联有源电力滤波器

[7～9]

1986年,Akagi H 提出用并联有源电力滤波器消除谐波的方法[7],示意图如图5。这种装置相当于一个谐波电流发生器,它跟踪负载电流中的谐波分量,产生与之相反的谐波电流,从而抵消线路中的谐波电流。通过不同的控制作用,可以对谐波、无功、不平衡分量等进行补偿,因此功能很多,联接也方便。但是,由于电源电压直接加在逆变桥上,对开关器件电压等级要求高;负载谐波电流含量高时,这种有源滤波装置的容量也必须很大,因为兼具大的补偿容量和宽的补偿频带比较困难,所以它只适合于电感型负荷的谐波补偿;开关引起的谐波电流将影响电路中的PF 或电容器的滤波特性,若利用LC 网络吸收这部分高次谐波,由于L C 网络受电网参数的影响,PW M 逆变器输出的谐波频带又很宽,所以L C 网络难以设计。

APF

图5并联有源电力滤波器框图

Fig .5Diagra m of s hunted a ctive power filter

△

电网

负载

为了降低加到逆变桥的交流电压,可以选择用L C 串联或并联网络作为注入电路,如图6,7所示。在图6中,L C 在基波频率处串联谐振逆变桥不承受基波电压,而在谐振频率之外有Z r Z c ,滤波器产生的谐波电流可以完全流入主电路。并联L C 方式原理与之类似。

L

C 2

C 1图6串联谐振注入方式

Fig .6Harm onics injection with series resonance network

APF

为了使有源滤波器适用于大容量负载的补偿,

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・综述・　钱照明等　谐波抑制技术