關(guān)于可控硅設(shè)備的高次諧波問題

孫卉

摘 要：本文敘述可控硅設(shè)備告辭諧波的產(chǎn)生及其危害并著重介紹高次諧波的抑制方法。

關(guān)鍵詞：可控硅；高次諧波；抑制方法

由于可控硅設(shè)備在技術(shù)性能上和節(jié)能等方面有著突出的一系列優(yōu)點(diǎn)，因而在冶金、機(jī)械、化工、交通和電力等部門得到越來越廣泛的應(yīng)用。與此同時這些可控硅設(shè)備（包括整流器、逆變器、功率控制器等）又是一個最主要的諧波源，給電網(wǎng)帶來高次諧波的污染，近些年來，國外某些國家逐步找到了一些較好地解決辦法，我國科技工作人員也在注意解決這一公害問題，本文首先就高次諧波的產(chǎn)生及危害性予以介紹，然后著重談?wù)勔种聘叽沃C波的方法.

1 高次諧波的產(chǎn)生及其危害

供電系統(tǒng)中出現(xiàn)高次諧波的原因，主要在于系統(tǒng)中存在著各種非線性元件，特別是大型的晶閘管變流設(shè)備和大型電弧爐，他們產(chǎn)生的高次諧波最為突出，產(chǎn)生高次諧波源很多，主要有變壓器、電弧爐及可控硅設(shè)備，其中又以可控硅設(shè)備產(chǎn)生的高次諧波為多。由于目前的變頻器幾乎都采用PWM控制方式，這樣的脈沖調(diào)制形式使得變頻器運(yùn)行時在電源側(cè)產(chǎn)生高次諧波電流，并造成電壓波形畸變，對電源系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。我們知道，電網(wǎng)流入可控硅設(shè)備的電流不是正弦波形，如可控硅整流器，既使是理想情況（三相交流系統(tǒng)完全對稱，直流側(cè)平波電抗器的感抗為無窮大，換流電抗等于零），由變流技術(shù)方面的知識分析得出；整流變壓器付邊繞組流過全方波電流，與之相對應(yīng)的原邊繞組流過梯形波電流。通過諧波分析可知；對于三相全控橋6脈沖整流器，變壓器原邊及供電線路含有5、7、11、13……次諧波電流。如果采用12脈沖整流器，也還有11、13、23、25……次諧波電流。在實(shí)際運(yùn)行中，換流電抗不等于零，換相角不等于零；平波電抗器的感抗不可能為無窮大，輸出直流必然會有脈動；三相交流系統(tǒng)也很難完全對稱，因而其諧波成份會更加復(fù)雜與嚴(yán)重。

高次諧波的危害是很嚴(yán)重的，也是多方面的，歸納起來有以下幾點(diǎn)：

1.使電網(wǎng)的電壓與電流波形發(fā)生畸變，電能質(zhì)量變壞；

2.對于變壓器、電機(jī)、電抗器，諧波電流會產(chǎn)生額外的損耗，降低設(shè)備力率，縮短使用的壽命；

3.對于電容器、也可引起系統(tǒng)感抗的電容器容抗之間的并聯(lián)諧振，造成電容器嚴(yán)重?fù)p壞，甚至爆炸；

4.對于通信，由于諧波電流的直接干擾與架空線的鄰近干擾，使得噪聲增大，嚴(yán)重影響通信通話的質(zhì)量；

5.對于電氣儀表、電子控制，諧波電流會使感應(yīng)式測量儀表指針擺動，測量不準(zhǔn)確；高頻諧波產(chǎn)生的磁場會出現(xiàn)射頻干擾，造成電子控制系流誤動作；

6.對于可控制硅設(shè)備本身，由于諧波電流，會使電流調(diào)節(jié)器等工作不正常，從而影響設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

2 高次諧波的抑制方法

為了減少高次諧波的影響，電力系統(tǒng)供電部門對用戶要求流入電網(wǎng)的高次諧波電流不能造成對通信、儀表、控制線路的干擾，也不能影響某些設(shè)備，如電容器、電視、可控硅設(shè)備等的正常工作。對電網(wǎng)的總的要求是；用戶流入該級電網(wǎng)的高次諧波電流加上該級原有的高次諧波電流使得諧波電壓的含量不能超過下表所列數(shù)據(jù)：

u1--基波電壓的有效值；

u2—u3—u4—各次諧波電壓有效值。如果超過表中所列數(shù)據(jù)（實(shí)際上我國有些地方達(dá)到或超過），就必須采取措施加以抑制。對于可控硅設(shè)備產(chǎn)生的高次諧波，主要有下面一些和抑制方法：

1.整流變壓器采用Y/△或△/Y接法。在Y/△接法中、可控硅設(shè)備的高次諧波電流通過付邊△線組時，其中3的倍數(shù)的高次諧波電流由于三相相位相同，在△繞組中形成環(huán)流，能量損耗在繞組的電阻上，變壓器鐵芯中不能產(chǎn)生三次諧波磁通，原邊Y繞組中就不感應(yīng)3的倍數(shù)的電勢與電流。在△/Y接法中，付邊Y繞組中不能流過相位相同的3的倍數(shù)的高次諧波電流，使得變壓器鐵芯中出現(xiàn)3的倍數(shù)的諧波磁通，原邊△繞組中感應(yīng)出3的倍數(shù)的諧波電勢，并在△繞組中形成相位一致的環(huán)流，能量損耗在繞組的電阻止，諧波電流不會流入電網(wǎng)。

因此整流變壓器采用這兩種接法，能有效地抑制3的倍數(shù)的高次諧波電流，這在實(shí)際工作中已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。

2.增加整流相數(shù)。從前面的敘述可知，12脈沖整流比6脈沖整流減少了5、7、17、19……次高次諧波電流，這是因?yàn)檎飨鄶?shù)越多，整流后直流電壓的電流的脈動系統(tǒng)越小，高次諧波的含量也就越少。如果把常用的6脈沖整流改為12脈沖整流，則高次諧波電流可以減少到只占整個電流的1%，危害性大大降低。

3.采用調(diào)諧濾波器。調(diào)諧濾波器是有針對性的對某次或某幾次含量大的諧波進(jìn)行吸收的裝置，一般由R、L、C等元件組成串聯(lián)諧振回路，安裝在變壓器初級側(cè)母線上。由于它對諧振的諧波電流呈現(xiàn)很小的阻抗，因而被吸收而不會流入電網(wǎng)。調(diào)整濾波器械有單調(diào)諧，雙調(diào)諧與高通濾波器等幾種型式，如圖1所示，單調(diào)諧濾波器是對某次諧波的頻率諧振，這兩種濾波器的品質(zhì)因素Q都很高；高通濾波器是在某高次（如11次）諧頻率以上有很寬頻帶的低Q值濾波器，一般采用二階型。

這里介紹單調(diào)諧濾波器的設(shè)計，我們知道串聯(lián)諧振的條件是，式中是n次諧波的角頻率，首先根據(jù)n次諧波電壓

與電流的大小估算出濾波器的容量Sn，然后按照、 U1—

基波角頻率與基波電壓）計算電容量的大小，最后根據(jù)諧振條件計算出電感，電阻R的值根據(jù)濾波電路Ln、Cn允許通過的最大電

流來確定，以保證Ln、Cn的安全運(yùn)行。

采用帶移相繞組的整流變壓器。這種方法適合有多臺可控制硅設(shè)備的情況。如圖2（a）所示有KP1、KP2、KP3三臺設(shè)備，我們可以對KP1、KP3兩臺采用帶移相繞組的整流變壓器B1、B3，通過移相，使三臺整流變壓器的相位互差一個角度（當(dāng)前多采用±7.5°或土10°的移相角），如圖2（b）所示。這相當(dāng)于交流側(cè)電源組成脈動的18次的電壓波形，改善了電網(wǎng)電壓波形，能有效地抑制高次諧波的不良影響。

附帶指出，帶移相繞組的整流變壓器其移相繞組的匝數(shù)相對主繞組匝數(shù)少得多，設(shè)計結(jié)構(gòu)都不復(fù)雜（可參閱有關(guān)書藉資料），具有投資少、收效好的特點(diǎn)。

5、安裝電抗器，在有無功補(bǔ)償電容器的情況下，安裝與電容器串聯(lián)的電抗器，可以組成低通濾波器，調(diào)諧在最低次諧波頻率以下，使整個系統(tǒng)失調(diào)，以減少高次諧波的影響。

6、采用性能良好的觸發(fā)系統(tǒng)。在設(shè)計可控硅設(shè)備的觸發(fā)系統(tǒng)時就考慮濾波問題，如采用“數(shù)字式控制”等方案。這往往比專門設(shè)置的抑制諧波電路更經(jīng)濟(jì)而又有效。

7、增加供電系統(tǒng)的短路容量。在設(shè)計供電系統(tǒng)時，設(shè)法加大系統(tǒng)的短路容量，使其大于可控硅設(shè)備容量的20倍，則可以減少流入系統(tǒng)的諧波電流的影響。

總之，諧波的發(fā)生影響整個電力系統(tǒng)的環(huán)境，如在通訊中因發(fā)生諧波噪聲使通話質(zhì)量下降，使控制和保護(hù)設(shè)備發(fā)生誤動作以及使電力裝置與系統(tǒng)過載，給電力系統(tǒng)正常運(yùn)行造成危害，應(yīng)當(dāng)引起我們的高度重視。但只要我們下決心去解決，就一定能根據(jù)本地的實(shí)際情況找到適合的解決方法，造福于社會，也有利于自己。