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技術(shù)文章

氧化鋅避雷器測試儀提高電網(wǎng)功能質(zhì)量的抗干擾技術(shù)

點(diǎn)擊次數(shù)：1938 發(fā)布時(shí)間：2010-8-14

1 引言

　　隨著電力電子（PE）技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對電力系統(tǒng)供電的可靠性、安全性以及電能的質(zhì)量，提出了越來越高的要求。然而，電網(wǎng)中存在包括化工、冶金、煤礦及家用電器等大量非線性負(fù)荷與沖擊負(fù)荷，尤其是大功率變流設(shè)備、晶閘管整流裝置、電弧爐等負(fù)荷，導(dǎo)致電網(wǎng)中暫態(tài)沖擊、無功功率、高次諧波及三相不平衡等問題日趨嚴(yán)重，對電網(wǎng)造成污染，增大能量損耗，劣化供電質(zhì)量，不利于電力系統(tǒng)發(fā)、供、用電設(shè)備的安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。特別是高次諧波的干擾，已構(gòu)成當(dāng)前電網(wǎng)中影響電能質(zhì)量的一大“公害”。因此，解決電力系統(tǒng)諧波抑制及無功補(bǔ)償、確保供電的質(zhì)量，已成為大家關(guān)注的熱門課題。

　　2 高次諧波的危害及現(xiàn)代控制系統(tǒng)的要求

　　電力系統(tǒng)中三相交流發(fā)電機(jī)輸出的電壓，其波形基本為正弦波，即波形中近似無直流及高次諧波分量。就基波而言是對稱分量，三相向量之和為零，對外不形成電磁場。但諧波電流分量則因三相向量之和不為零，能形成較強(qiáng)的磁場，對電網(wǎng)產(chǎn)生各種有害的影響。

　　2.1 對電能質(zhì)量的影響

　　非線性負(fù)荷是諧波源，向電網(wǎng)注入整倍數(shù)于基波頻率的諧波電流分量。這些諧波電流在電網(wǎng)上產(chǎn)生諧波壓降，從而引起電網(wǎng)電壓和電流的波形畸變，導(dǎo)致電能質(zhì)量的劣化。

　　2.2 對配電網(wǎng)的影響

　　在有色金屬導(dǎo)體中，基波電流的分布可近似認(rèn)為在整個截面內(nèi)是均勻的。通過諧波電流時(shí)，由于集膚效應(yīng)電流集中在導(dǎo)體表面薄層，增大了諧波電流回路的電阻，使導(dǎo)體的有效電阻增加，導(dǎo)致電網(wǎng)的功率損耗和能量損耗加大。高次諧波還可能使電力系統(tǒng)發(fā)生電壓諧振，從而在線路上引起高電壓，有可能擊穿線路設(shè)備的絕緣。

　　2.3 對電力系統(tǒng)功率因數(shù)的影響

　　由于設(shè)備實(shí)際的功率因數(shù)小于設(shè)備在理想條件下的功率因數(shù)，故高次諧波增加了用電設(shè)備消耗的功率，降低了系統(tǒng)的功率因數(shù)。

　　2.4 變頻調(diào)速系統(tǒng)的要求

　　變頻調(diào)速傳動系統(tǒng)的變頻器，因具有節(jié)能的特點(diǎn)而成為交流傳動中的重要組成部分，但變頻器的整流橋?qū)?font color="#000000">電網(wǎng)來說是非線性負(fù)荷，其逆變器又大多采用PWM技術(shù)，當(dāng)工作于開關(guān)模式并作高速切換時(shí)會產(chǎn)生大量的耦合性噪聲，EMI嚴(yán)重，致使變頻器運(yùn)行于惡劣的電磁環(huán)境，其輸入和輸出側(cè)的電壓、電流含較多的高次諧波。故變頻器運(yùn)行時(shí)既要防止外界干擾它，又要防止它干擾外界，即實(shí)現(xiàn)所謂的電磁兼容性（EMC）。信

　　2.5 現(xiàn)代交流電機(jī)控制系統(tǒng)的要求

　　隨著新的PE變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的不斷涌現(xiàn)，要求的計(jì)算量和控制功能大幅度增加。隨著PE裝置高壓大容量化的發(fā)展，DSP（數(shù)字信號處理器）控制技術(shù)的應(yīng)用將愈益廣泛。然而，PE系統(tǒng)和電機(jī)控制系統(tǒng)的電磁環(huán)境往往較為復(fù)雜，且因運(yùn)行頻率很高，DSP的抗*力通常比微處理器更弱。因此，提高DSP及周邊電路的抗*力，對于保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行密切相關(guān)，電網(wǎng)的“凈化”是現(xiàn)代PE系統(tǒng)及交流電機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展應(yīng)用的重要前提。

　　3 抑制高次諧波的主要指標(biāo)

　　3.1 加裝交流濾波裝置（無源濾波器）信

　　在配電系統(tǒng)中，傳統(tǒng)的諧波抑制和無功補(bǔ)償方法是將無源電力濾波器與需補(bǔ)償?shù)姆蔷€性負(fù)荷并聯(lián)，為諧波提供一個低阻通路的同時(shí)，也提供負(fù)載所需的無功功率，這是zui常見和實(shí)用的方法。該裝置利用電感和電容器貯能元件。根據(jù)諧振原理，通過濾波電路對需要消除的高次諧波進(jìn)行調(diào)諧，使之發(fā)生諧振。以便其在諧振時(shí)得到阻抗zui小的特性，有效消除次數(shù)的諧波，并在諧波源附件就地吸收諧波電流，從而不使其注入電網(wǎng)中去。該裝置的優(yōu)點(diǎn)是投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單。運(yùn)行可靠及維護(hù)方便，運(yùn)行費(fèi)用也低，不但起到濾波作用，還能進(jìn)行無功補(bǔ)償。因此，無源濾波器是目前廣泛采用的抑制諧波及無功補(bǔ)償?shù)闹匾侄?。但該方法的補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗、頻率和運(yùn)行工況的影響，只能起到對某幾次固定頻率諧波的抑制效果，而很可能對其它次諧波有放大作用，使濾波器過載甚至燒毀。另外，LC濾波電路會因系統(tǒng)阻抗參數(shù)變化而產(chǎn)生與系統(tǒng)并聯(lián)諧振問題，影響和后果嚴(yán)重。

　　3.2 有源電力濾波器的應(yīng)用

　　APF是一種新型可動態(tài)抑制諧波的PE裝置。其濾波方式為:先從補(bǔ)償對象中檢測出諧波電流，再利用可控的功率半導(dǎo)體器件（補(bǔ)償裝置）向電網(wǎng)注入與諧波源諧波分量（I或U）幅值相等、相位相反的諧波分量（I或U），使電源的總諧波為零，達(dá)到實(shí)時(shí)補(bǔ)償諧波的目的。經(jīng)經(jīng)驗(yàn)證明，APF是抑制諧波和補(bǔ)償無功的理想和靈活的可行方案，下面予以重點(diǎn)介紹。

　　4 有源電力濾波器（APF）

　　APF是抑制電網(wǎng)諧波和補(bǔ)償無功功率、改善電網(wǎng)供電質(zhì)量的zui有效PE裝置。大多數(shù)APF拓?fù)渚秒妷涸茨孀兤?，并通常以電容器作為貯能器件如圖1所示。以適當(dāng)選通可控的功率半導(dǎo)體開關(guān)，把直流電壓變換成交流電壓。雖然，為合成交流電壓能施加每半周的單脈沖，但對大部分應(yīng)用中要求的動態(tài)性能，今天普遍采用的是脈寬調(diào)制（PWM）。

圖1 電壓源逆變器的APF拓?fù)?

　　為產(chǎn)生任意波形的交流電壓，將PWM技術(shù)應(yīng)用到直流母線電壓斬波的電壓源逆變器上?，F(xiàn)有很多能組成正弦波或任意波形的PWM技術(shù)，利用PWM技術(shù)，不僅允許控制逆變器作為電壓源，也可作為電流源以控制濾波器的交流輸出。圖2為所利用的zui普通的三角載波（TC）技術(shù)，這是zui簡單的線性控制方法，是將有固定幅值的和固定三角波的輸出電流誤差進(jìn)行比較。迫使開關(guān)周期內(nèi)的輸出電壓Va限定于Vcar的載波周期內(nèi)，并等于調(diào)制波Varef的平均幅值。正弦調(diào)制波的合成電壓含正弦基波分量Va（f）和不希望的諧波分量，利用盡可能高的頻率載波，可使這些不想要的諧波成分減到zui小，但這取決于半導(dǎo)體功率器件（IGBT、 GTO或IGCT）的zui大開關(guān)頻率。

圖2 PWM載波技術(shù)（三角載波）

　　與傳統(tǒng)的無源LC濾波器相比，APF具有以下優(yōu)點(diǎn):

　?。?）對各次諧波和分?jǐn)?shù)諧波均能有效抑制，且可提高功率因數(shù);

　?。?）作為高次諧波電流源，不受系統(tǒng)阻抗的影響;

　　（3）無諧振現(xiàn)象，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、阻抗及頻率的變化不會影響補(bǔ)償效果;

　?。?）原理上比LC濾波器更優(yōu)，起用1臺裝置就能完成各次諧波和基波無功的補(bǔ)償，還可抑制閃變，有1機(jī)多能的特點(diǎn)，性價(jià)比較合理;

　?。?）即使高次諧波的頻率變化也能準(zhǔn)確地補(bǔ)償;

　　（6）由于裝置本身能完成輸出限制，故當(dāng)高次諧波量增大時(shí)也不會過載。其主要特點(diǎn)是能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，具有自適應(yīng)功能。同時(shí)對變化的無功功率有較好的預(yù)想補(bǔ)償效果。因此，APF是今后諧波抑制的方案。

　　APF大體上可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型，串聯(lián)型適合補(bǔ)償電壓型諧波源負(fù)荷;并聯(lián)型只適合補(bǔ)償電流型諧波源負(fù)荷。此外還有并聯(lián)和串聯(lián)組合的并-串結(jié)構(gòu)，而且在很多情況下還會與無源LC濾波器混合使用，以取得更好的綜合效果。

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