关于整流装置设备运行时产生的高次谐波对电网的影响

关于整流装置设备运行时产生的高次谐波对电网的影响

摘要：介绍了关于整流装置设备运行时产生的高次谐波对电网的影响，并分析和总结了各种整流装置谐波治理方法的特点和应用前景。

关键词：整流装置谐波抑制

1 引言

为解决日益严重的能源和环境问题，人们普遍追求新的能源供给以及高效的供电设备和节能的用电方式。这些变化在电力系统侧体现为新能源发电方式、灵活的电网控制FACTS装置技术的研究和实现。而在负载端则以高效能的电力电子用电设备的广泛流行为标志。然而新的电源形式大多数都是以非额定频率或非正弦形式提供电能，同时新的节能负载也不是以传统的基频正弦方式用电。但传统公用电网是以工频正弦运行方式来设计的，这就需要将新的电源电能变换为工频正弦电能以连接于公用电网或将公用电网的电能进行变换来供给负荷。通常，电能的变换是靠电力电子装置实现，而整流装置在其中占很大比例。对于整流装置的谐波消除工作，很多学者也进行了广泛的研究。主要有以下三种思路：

（1）采用额外装置的注入电流式的补偿方法，主要是采取无源滤波器、有源滤波器和三次谐波注入方法；

（2）高功率因数PWM整流装置；

（3）采用多重化、多脉波的移相叠加整流技术。

2 注入式电流补偿技术

2.1无源滤波技术

无源滤波器的工业应用已经有相当长的历史，因其设计方法稳定可靠、结构简单、可靠性高、经济高效、运行功率大等优点，是目前最常用的整流装置谐波抑制措施，被广泛应用于高压直流输电、大功率整流设备的谐波抑制等工业场合。无源滤波器由电容、电感，有时候还包括电阻组成。通过将电容和电感调谐到某一次谐波频率，对该次谐波形成低阻抗支路或高阻抗支路，以分流谐波或阻止谐波进入电网。

整流负载通常被视为谐波电流源，通常所用的整流负载无源滤波装置都是并联在整流负载和电网之间。它通过为整流负载产生的谐波电流提供一个低阻抗的通路，将整流负载的谐波电流分流，使其不流入电网。滤波器对整流装置谐波的抑制主要是通过改变电网的阻抗频率特性实现的。因此，滤波器安装处系统的阻抗频率特性对滤波器的滤波效果会产生很大的影响，这是无源滤波器的一大缺点。串联或并联在电网上的无源滤波器还很有可能与电网发生串、并联谐振。

2.2有源滤波技术

有源滤波技术通过检测电路的谐波电流，控制高频电力电子开关的通断，产生精确的与负载谐波电流反相位的注入补偿谐波电流，抵消负载产生的谐波电流。

从有源滤波器的工作原理来看，有源滤波器的两大关键技术分别：

（1）谐波信号的检测与参考补偿信号的生成；

（2）逆变器的控制策略，即补偿电流的生成。目前，有源滤波器的研究主要集中在对这两项关键技术的研究上。

补偿信号的检测方法有基于瞬时无功功率检测法、基于单位功率因数法以及完全谐波补偿法。逆变器的控制策略主要有：（1）三角载波线性控制；（2）滞环比较控制；（3）无差拍控制。对于并联型有源滤波器，其适合补偿电流源型谐波负荷，如直流侧大电感平波的整流器；而对于串联型有源滤波器，其适合补偿电压源型谐波负荷，如直流侧大电容平波的整流器。并联型有源滤波器应用中的一个问题是，其注入电网中的电流流向不可控制，受负荷侧阻抗的影响。目前，功率器件仍然是有源滤波器得以广泛应用的一个瓶颈。

2.3三次谐波注入方式滤波技术

三次谐波注入方式滤波技术理论上可以将整流电路输入电流谐波畸变率由典型的约30%降低到电力系统谐波标准要求的5%以下。最初的三次谐波电流注入方式滤波技术要求有同步的线性可控三次谐波电流源，并且注入的谐波电流的幅值和相位必须可控，还要通过输入隔离变压器的中性点向交流输入的各相注入三次谐波电流，这些缺点限制了三次谐波电流注入法的应用。上世纪90年代，Lawrance WB和KimS的研究重新引起了人们对三次谐波电流注入法了的关注。三次谐波注入滤波技术的基本电路结构如图3所示。

3 高功率因数PWM整流装置

PWM整流装置通过对开关器件的PWM控制，可以实现电源侧电流正弦化，并且可以实现单位功率因数状态运行，此外PWM整流器还可以实现能量的双向传输。IGBT等新型电力电子半导体开关器件的出现和PWM控制技术的发展，极大地促进了PWM整流电路的发展。对PWM整流技术的研究主要集中在电路拓扑和控制方法两方面。从主拓扑电路来看主要分为电压型PWM整流器和电流型PWM整流器。常用的控制方法有直接电流控制、间接电流控制、同步旋转坐标电流控制等。PWM整流器的控制复杂、价格昂贵。目前PWM整流器的研究还停留在理论和实验室研究阶段，成熟的工业应用不多。

4 多重化、多脉波的移相叠加整流技术

多重化、多脉波的移相叠加整流技术是按一定的规律将两个或更多个相同结构的整流电路组合将整流电路进行移相多重联结，利用各整流负载的谐波电流相位差及其叠加合成后自身削弱或抵消原理的多相整流方式。目前，多重化整流技术广泛应用于大功率直流电源方式中。移相叠加的整流技术或采用曲折变压器或采用移相电抗器产生所需的移相角度。

5 总结

谐波是电力系统电能质量的一个重要评价指标整流装置又是电力系统的主要谐波源，对整流装置的谐波治理是当今电气工程学科的研究热点。无源滤波技术成熟、应用广泛，但存在一些无法克服的缺点；有源滤波技术和PWM技术的发展受检测技术、控制技术和开关器件的制约较大，其控制复杂、价格昂贵；基于三次谐波注入的技术则由于种种原因，导致其滤波效果不够好；移相多重化的整流技术则适合于大功率场合的应用。