淺談現代電力系統中的電力公害及改善措施

嚴希清，陳忠士

（福建船政交通職業學院機械與智能制造學院，福建 福州 350007）

0 引言

如今各行各業廣泛應用電力半導體整流裝置，小到家用的小型整流電源，開關電源，大到上萬安培甚至幾十萬安培的大型電解電源，不但如此，還有絕大部分都有整流環節的各種逆變裝置、廣泛應用的交流變頻調速等裝置，給電網增加了許多整流負載。這些電力電子裝置基本上是具有非線性特性的負載，使所加的電壓與產生的電流不成線性（正比）關系而造成的波形畸變，就產生大量的諧波，由于諧波的頻率較高，使導線的集膚效應加重，因此銅損急劇增加，同時變壓器鐵心由于不能適應急劇變化的磁通而導致鐵損急劇增加，導致電網功率因數下降較多，不利于提高電能利用率。諧波超量以及功率因數降低這兩大因素是現代電力系統中的主要公害，使電能利用率降低，與現階段國家提出的“碳達峰、碳中和”的低碳發展不相匹配。

公用電網中存在的諧波電壓和諧波電流對用電設備和電網本身都會造成很大的危害，世界上許多國家都發布了限制電網諧波的國家標準，或者由權威機構制定了限制諧波的規定。制定這些標準和規定的基本原則是限制諧波注入電網的諧波電流，把電網諧波電壓控制在允許范圍內，使接在電網中的電氣設備免受干擾，正常工作[1]。電網的功率因數低說明電路無功功率增大，電能的利用率降低，線路電壓損失增加。因此，采取措施抑制以至消除電網的諧波，提高電路的功率因數，達到提高電能利用率，促進節能減排是電力電子技術領域中一項重要的研究課題。

1 網側電流諧波的抑制和濾除

目前抑制或濾除網側電流諧波的方法有：①在整流裝置的輸入側加裝濾波器；②在網側投入無功補償裝置；③增加整流相數，使網側電流更加接近正弦波；④盡量設法使整流裝置運行在α比較小的狀態下，利用多重化技術進行波形疊加，以消除某些低次諧波；⑤利用有源濾波技術等[2]。

抑制諧波的補償裝置也叫失諧濾波器，它的調諧點偏離系統的特征諧波電流（電壓）較遠，相對流過支路的諧波電流比較少，比如各大國產電器設備廠商生產的TBB系列高壓無功集中補償裝置ZTSC低壓動態無功補償裝置，經常選用6%的電抗器來抑制5次諧波，實際選擇6%電抗器的補償支路，調諧點在4.08遠小于5，這樣補償支路流過5次諧波電流少，但達到了諧波不放大，補償設備安全運行的目的。

濾除諧波的補償裝置也叫調諧濾波器，它的調諧點比較接近系統的諧波電流（電壓），流過支路的諧波電流比較多，比如各大國產電器設備廠商生產的ZRFC和ZTFC產品，經常設置5次濾波支路，調諧點在4.75＜5，所以大量5次諧波電流流過支路，濾波效果比較好。

2 提高功率因數的方法

利用全控型器件如IGBT，可以有下面幾種改善功率因數的方法，電路圖如圖1所示，其中T1、T2、T3和T4均可使用IGBT，但都需要串入整流管。

圖1 單相半控橋及全控橋的整流電路

2.1 利用器件熄滅角的控制提高功率因數

傳統的相控整流的控制方法，都是通過改變晶閘管的觸發角α，從而改變器件導通角θ來實現控制。現在可以采用全控型器件，使器件總是在電源過零時導通，然后通過控制熄滅角β來達到改變整流輸出電壓的目的[3]。

圖2（a）中半控橋電路，T1和T2分別在ωt=0和ωt=π時導通，在ωt=π-β和ωt=2π-β時使其關斷。D1和D2也會自動地在相應時刻導通和關斷。圖2（b）中全控橋電路，在感性負載時，有一段時間使T1和T4以及T2和T3同時導通，所以器件導通順序是T1，T2→T1，T4→T4，T3→T3，T2→T1，T2。

圖2 熄滅角控制時的波形

根據波形可求出輸出電壓的平均值和有效值分別為：

可以看出，網側電流中的基波電流分量領先電源電壓一個相角，即表現為一種容性的特性，從而補償了以感性負載為主要特征的電網中的滯后無功，達到提高功率因數的目的。

2.2 利用對稱角的控制提高功率因數

利用圖3可以實現對稱角的控制。對圖3中T1、T2的控制為：T1在ωt=(π-β)/2時導通，在ωt=(π+β)/2時關斷；T2在ωt=(3π-β)/2時導通，在ωt=(3π+β)/2時關斷。通過改變β角來改變整流輸出電壓。這樣網側電流的基波電流分量總是與電源電壓同相，即位移因數為1，從而明顯提高功率因數，但這種方法可能會增大諧波分量[4]。

圖3 對稱角控制時的波形

2.3 PWM和SPWM技術抑制諧波，提高功率因數

前面介紹的熄滅角控制和對稱角控制這兩種方法，每一個半周只有一個脈沖，利用傳統的濾波方法濾除低次諧波是比較困難的。采用PWM(脈寬調制)技術就可以做到每一個半周有幾個脈沖，甚至幾百個脈沖，這樣一來，可以通過選擇每個半周的脈沖個數來消除某些低次諧波。雖然增加了每個半周的脈沖數會增加高次諧波的幅值，但高次諧波較低次諧波易濾波[5]。輸出電壓的改變，可通過提高脈沖寬度來實現，其工作波形如圖4所示。

圖4 PWM控制時的波形

SG3525是美國硅通用半導體公司推出的以用于驅動N溝道功率MOSFET，SG3525是一種性能優良、功能齊全和通用性強的單片集成PWM控制芯片，它簡單可靠及使用方便靈活，輸出驅動為推拉輸出形式，增加了驅動能力；內部含有欠壓鎖定電路、軟啟動控制電路、PWM 鎖存器，有過流保護功能，頻率可調，同時能限制最大占空比[6]。

SG3525是定頻PWM集成電路，采用16引腳標準DIP封裝，引腳圖如5所示：

圖5 SG3525管腳圖

如圖6所示，該電路直流電源Vs從腳15接入后分兩路，一路加到或非門；另一路送到基準電壓穩壓器的輸入端，產生穩定的元器件作為電源。振蕩器腳5須外接電容CT，腳6須外接電阻RT。振蕩器頻率廠由外接電阻RT和電容CT決定：

圖6 基于SG3525的PWM抑制諧波電路

振蕩器的輸出分為兩路，一路以時鐘脈沖形式送至雙穩態觸發器及兩個或非門；另一路以鋸齒波形式送至比較器的同相輸入端，比較器的反向輸入端接誤差放大器的輸出，誤差放大器的輸出與鋸齒波電壓在比較器中進行比較，輸出一個隨誤差放大器輸出電壓高低而改變寬度的方波脈沖，再將此方波脈沖送到或非門的一個輸入端。或非門的另兩個輸入端分別雙穩態觸發器和振蕩器鋸齒波。雙穩態觸發器的兩個輸出互補，交替輸出高低電平，將PWM脈沖送至三極管VT1及VT2的基極，鋸齒波的作用是加入死區時間，保證VT1及VT2不同時導通。最后，VT1及VT2分別輸出相位相差為180°的PWM波[7]，這種利用PWM技術抑制諧波效果良好且不會增大諧波分量。

若要得到網側諧波更小的電流，還可以采用正弦脈寬調制技術（SPWM），使網側電流波形為一正弦脈寬調制波形，更有效地提高功率因數，抑制諧波。如圖7所示：

圖7 SPWM控制原理(a)為單極性SPWM調制，(b)為雙極性SPWM調制

3 結語

綜上所述，利用PWM(脈寬調制)技術，既可以提高電網功率因數，又可以降低或消除電網中電流的低次諧波。改變輸出電壓，可通過提高脈沖寬度來實現；若要得到網側諧波更小的電流，還可以采用正弦脈寬調制技術（SPWM），使網側電流波形為一正弦脈寬調制波形，更有效地提高功率因數，抑制諧波。因此，PWM（脈寬調制）或SPWM（正弦脈寬調制）技術在改善電力公害、提高電能利用率及節能減排方面是較好的技術手段。