一種基于電磁耦合的無源電力諧波過濾方法

羅安伍，黃瑞先

(1.廣西大學(xué)電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.南寧化工股份集團公司，廣西 南寧 530004)

1 引言

電力系統(tǒng)中電壓、電流波形畸變一直是人們關(guān)注的問題，并對波形畸變的原因及矯正方法進行了大量的研究。隨著經(jīng)濟發(fā)展和科技的進步，大量高效節(jié)能負載的出現(xiàn)成為必然，這些靈巧用電方式的新型非線性負載帶來了嚴重的諧波污染，也給以三相對稱正弦為運行基礎(chǔ)的傳統(tǒng)三相交流系統(tǒng)的穩(wěn)定經(jīng)濟運行帶來了嚴重挑戰(zhàn)。如何積極有效的利用由負載的電氣特性產(chǎn)生的諧波，發(fā)揮諧波的自身作用來集中治理諧波是一個新思路，也是電力系統(tǒng)為滿足千萬用戶隨意用電的最高愿望而需要認真面對的一個重要問題。

2 目前諧波治理方法概述

當(dāng)前諧波治理措施主要包括基于電力電子技術(shù)的濾波器和基于主電路元件的電氣特性的濾波方式。以電力電子技術(shù)為基礎(chǔ)的濾波方式以有源濾波器(APF)為代表，其基本原理是通過向電網(wǎng)注入一個與負荷諧波電流大小相等、但相位相反的補償電流，與負荷電流疊加，使得電網(wǎng)側(cè)的電流呈現(xiàn)出與電壓波形相同的正弦狀。提高電流補償性能和控制精度，準確快速提取諧波電流是關(guān)鍵。由于有源濾波器一般都要由檢測環(huán)節(jié)、計算生成PWM信號環(huán)節(jié)、IGBT等器件執(zhí)行PWM指令環(huán)節(jié)等環(huán)節(jié)構(gòu)成的技術(shù)復(fù)雜的諧波生成器，電子元器件固有的響應(yīng)時延決定了APF所生成的補償電流不一定就是我們所需時刻的電流;基于基爾霍夫定律的電流補償思路，由于補償電流產(chǎn)生相移后其補償性能和精度將大打折扣。更何況，根據(jù)沖量定理，以PWM方式工作的有源濾波器都要在并聯(lián)于電網(wǎng)的支路上設(shè)置有慣性環(huán)節(jié)——電感L。這樣由PWM方式產(chǎn)生的補償電流加至補償點的速度不會達到極限的電磁速度。另一方面，以高頻PWM方式工作的有源濾波器雖然能獲得任意波形的補償電流，但其補償容量及可靠性將受高頻方式及功率器件的限制，不適合于大功率場合應(yīng)用。其與LC無源方式濾波的結(jié)合應(yīng)用及大功率器件的應(yīng)用等方法的研究成為當(dāng)前APF研究的一個熱點。

基于主電路元件的電氣特性的濾波方式主要有LC無源方式和多脈整流方式。多脈波整流技術(shù)是按一定的規(guī)律將兩個或更多個相同結(jié)構(gòu)的整流電路組合，將整流電路進行移相多重聯(lián)結(jié)，利用各整流負載的諧波電流相位差及其疊加合成后自身削弱或抵消原理的多相整流方式。多脈整流方式?jīng)]有改變單個變壓器的容量，只是改變其接線形式，材料利用率不高;一般來說只能形成一定角度的階梯移相疊加，因而只能削弱或抵消電源輸入端的部分諧波電流。

3 基于相間耦合的新型諧波過濾方式

LC無源方式是利用電容、電感的諧振特性將非正弦周期電流分解成傅立葉級數(shù)，分別設(shè)計各特定頻率的LC諧振電路，以達到對特定諧波電流的吸收或分流目的。它最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)定可靠，且利用LC的儲能電氣特性進濾波基本不消耗有功功率，濾波成本較低，有較長的工業(yè)應(yīng)用歷史。目前在容量較大的諧波抑制中仍有廣泛應(yīng)用。無源濾波方式這些特點為我們指出了一個方向。在電力傳輸中，為提高輸電的效率和減小損耗，電源的內(nèi)阻抗一般較小。如能在諧波源與電網(wǎng)正弦交流電源間加入一濾波裝置，等效的改變系統(tǒng)(電源)阻抗，充分發(fā)揮無源濾波方式的特點，就可獲得一種簡單可靠、經(jīng)濟高效、可適應(yīng)大容量場合應(yīng)用的無源濾波方式。這種方式就是串聯(lián)具有電磁耦合的電抗器型濾波裝置。如圖1所示。

圖1

圖1的等效原理圖如圖2所示。

圖2

顯然由圖1可得等效電路的電壓方程如下:

一般來說，靜止型的電磁感應(yīng)裝置，各繞組間的自感和互感是恒定的常數(shù)。計及繞組的自感和相間的互感，則可以得出繞組的磁鏈方程如下:

將式(2)代入式(1)，由于繞組自感和互感為常數(shù)，則得

由上式和圖1、2可得:整流電路輸入電壓不僅僅與空載電壓和電路的自感相關(guān)，還與相間互感存在關(guān)聯(lián)。即，整流電路輸入電壓不僅僅與本相電流的變化率有關(guān)，還與其他兩相電流的變化率有關(guān)。

由上面式子看出，由非線性負載引起的畸變電流i'變化率，產(chǎn)生畸變的相間感應(yīng)電勢，使得輸出電壓u'畸變，對于非線性負載的畸變功率用電特性p'=u'i'，就因電壓u'的畸變促使i'正弦化。畸變電勢與電流i'畸變變化率有關(guān)，電流畸變越嚴重，感應(yīng)的畸變電勢越大，在負荷恒功率特性下，波形矯正效果就越好。說明這種濾波方式可以適應(yīng)畸變程度高的非正弦電流的過濾。

對上述原理分析進行實驗，實驗圖如圖1所示，實驗波形圖如圖3所示。

圖3 串聯(lián)混合磁路電抗器三相整流實驗波形圖

通道1:交流相電壓uan;通道2交流相電流ia;通道3:整流電壓u'ab。

表1 交流電流電壓部分主要諧波

在輸電回路串聯(lián)混合磁場的三相電抗器，由于混合磁場電抗器中畸變電勢的作用，使其輸出的負載端線電壓畸變(通道3線電壓波形)，線電壓波形畸變程度的諧波表示列于表1，形成了電壓電流波形互換以輸送相同的畸變負載功率。這樣，就使得交流電流正弦化，如圖1的通道2波形，電流的正弦化程度如表1電流諧波含量，總畸變率THD－F=4.91%。說明根據(jù)功率平衡概念進行電流波形正弦化原理是可行的，也說明利用利用畸變感應(yīng)電勢形成畸變電壓的方式是簡單可行的。

顯然，這種在正弦交流電源與負載間串聯(lián)具有三相相間電磁耦合的電抗器的諧波過濾方式，是一無源方式的濾波。與傳統(tǒng)的濾波方法相比具有以下特性:①充分利用了主電路元件良好的電氣特性，在傳輸負載所需的畸變功率時，負載電流的變化形成空間旋轉(zhuǎn)磁場，并在各繞組中感應(yīng)畸變電勢，使電流波形正弦化。這一過程具有自然的電磁反應(yīng)速度，能對較高峰值的畸變電流具有可以說是極限的電磁響應(yīng)速度，而通過先檢測諧波電流再生成PWM波加到慣性環(huán)節(jié)上的有源濾波器是無法達到這種響應(yīng)速度的。②消耗的有功功率僅為本身電阻性消耗和鐵芯損耗，具有較高的運行效率。③利用負載本身的畸變功率抑制諧波，不需要復(fù)雜的控制，結(jié)構(gòu)簡單，經(jīng)濟可靠，可適用于大容量場合應(yīng)用，有望作為諧波的集中治理措施。

把這種原理推廣到變壓器型式，并應(yīng)用于六相整流，可在直流輸電上發(fā)揮積極作用，也可為用戶提供穩(wěn)定的直流電能，有效解決諧波污染問題。

4 結(jié)語

本文對當(dāng)前諧波治理方法作了一個簡單概述，著重指出作為研究熱點之一的有源濾波器由于具有信號檢測和PWM生成等多個電子環(huán)節(jié)，其產(chǎn)生的補償電流將有一定的時延，疊加后不可能達到所期望的補償精度;據(jù)沖量定理，高頻PWM波須加于慣性環(huán)節(jié)上才等效的發(fā)揮作用，慣性環(huán)節(jié)的存在決定了其響應(yīng)速度不會達到電磁反應(yīng)速度。而基于電磁耦合的串聯(lián)電抗器型濾波方式不需要復(fù)雜的控制就有可能對較高的的諧波電流的抑制具有極限的電磁響應(yīng)速度，同時作為一種經(jīng)濟可靠、運行效率高的無源方式的濾波，其可以適應(yīng)大功率場合的應(yīng)用，為諧波的集中治理指出了一個新的方向。

［1］ 王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2002.

［2］ George J.Wakileh.電力系統(tǒng)諧波－基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計［M］.徐政.北京：機械工業(yè)出版社，2003，37－40.

［3］ 羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術(shù)及裝備［M］.北京：中國電力出版社，2006.

［4］ 吳競昌，孫樹勤，宋文南，等.電力系統(tǒng)諧波［M］.北京：水利電力出版社，1988.

［5］ 范瑞祥，羅安，李欣然.并聯(lián)混合型有源電力濾波器得系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計及其應(yīng)用研究［J］.中國電機工程學(xué)報，2006，26(2)：106 －111.

［6］ 葉忠明，董伯藩，錢照明.諧波電流的提取方法比較［J］.電力系統(tǒng)自動化1997，21(12)：21 －24.

［7］ Chou C J，Liu C W，Lee J Y.Optimal planning of large passiveharmonic － Filters set at high voltage level.IEEE Trans on Power Systems，2000，15(1) ：433－441.

［8］ Y S Kim，J S Kim，S H Ko.Three－ phase three－ wire series active power filter，which compensates for harmonics and reactive power.Electric Power Applications，IEE Proceedings－ .2004，151(3)：276 －282.

［9］ 鐘洪浩.新型混合有源電力濾波器研究.Ph.D.thesis，浙江大學(xué)，2005.