1 引言

 

    電機(jī)是最典型的耗能設(shè)備之一。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，變頻調(diào)速器已成為電機(jī)的主要驅(qū)動(dòng)設(shè)備。目前，應(yīng)用于現(xiàn)場的變頻調(diào)速器多數(shù)并不具備自主諧波抑制能力，是典型的非線性設(shè)備和諧波源。

 

    諧波對整個(gè)電力系統(tǒng)的安全、輸變用電設(shè)備、繼保、計(jì)量、通信設(shè)備等存在惡劣影響。而且，有越來越嚴(yán)重的趨勢_j ]。這一問題，已引起了廣泛的重視。許多國家及地區(qū)已經(jīng)制定了各自的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國也分別于1984年及1993年通過了“電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定”及“電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波”(GB/T一14549— 93)，用以限制供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染。

 

    在我國，雖然目前電力電子裝置應(yīng)用不如發(fā)達(dá)國家普及，但在工業(yè)現(xiàn)場，也有因諧波而無法給多臺(tái)電機(jī)安裝變頻器和無法使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的事例。本文將試圖展示我國工業(yè)現(xiàn)場電網(wǎng)諧波狀況一斑，并提出一種 昆合有源濾波器的治理方案。

 

    2 變頻器諧波及其特征

 

    采用PWM 技術(shù)的變頻調(diào)速器，一般具有AC—DC—AC(交一直一交)的能量變換環(huán)節(jié)，其AC—DC環(huán)節(jié)以容性濾波的相控或不控整流居多。眾所周知，它將向電網(wǎng)吸取大量奇次諧波。圖1b所示為這類諧波源的諧波主要波形特征。

 

    通過對不同容量、不同運(yùn)行頻率時(shí)的測試表明：變頻器(組)引起的諧波電流相當(dāng)嚴(yán)重。電流總諧波畸變率THD (相對基波I )為46.5 ～157% ，有的甚至高達(dá)220 。這大大超過IEEE一51 9標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于配電系統(tǒng)規(guī)定5 ～2O 的限值。當(dāng)然，注入電網(wǎng)的諧波電流絕對值也將大大超過國家標(biāo)準(zhǔn)值。一個(gè)典型的變頻器相電流及其頻域分析波形如圖1。

 

    從以上結(jié)果可見：工業(yè)現(xiàn)場變頻器組引起電流諧波狀況惡劣，雖然隨輸出頻率和變頻器容量上升相對諧波有下降趨勢，但下降幅度有限。在所有測試樣本中，電流畸變率丁HD 均在46.5 以上，(相對總電流THD R也在42 以上)，仍然大大超過標(biāo)準(zhǔn)值。

 

    較大的諧波電流注入電網(wǎng)，將會(huì)引起電壓畸變。只有在負(fù)載容量相對系統(tǒng)容量較小(如<10 )時(shí)，引起的電網(wǎng)電壓諧波較小。測試現(xiàn)場就屬于這種情況，見圖2a。圖2b為截止頻率 一1.5 kHz數(shù)字濾波后的電壓波形，接近純凈正弦波。說明諧波中以高次諧波為主。其頻域電壓及頻譜分別如圖2c、圖2d。相電壓諧波的主要參數(shù)如下：諧波電壓含量為己T < 8V;電壓總畸變率(相對基波)為THD <3.5 ，(0.38 kV 系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)極限值為5 l_4 );單次諧波含有率(相對基波)為HRUh<1 ，(HRU 最大，其余<0.5 )。

 

    顯然，這是工業(yè)電網(wǎng)安全的必要保證，是以犧牲系統(tǒng)容量為代價(jià)的。當(dāng)大量使用變頻器之類的非線性負(fù)載時(shí)，將導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的明顯畸變。這是變頻器負(fù)載電網(wǎng)諧波特征。

 

    此外，這類負(fù)載諧波的另一個(gè)特征是諧波容量變化范圍大(10% ～1()()%)。變頻器輸出功率變化范圍大。而非線性負(fù)載的諧波可視為幅值與負(fù)載呈比例的諧波電流源。在所有負(fù)載工況下，這類負(fù)載諧波被抑制到一定的標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)，在諧波抑制的實(shí)現(xiàn)上是要采取特殊措施的。

 

    3 變頻器諧波混合有源抑制

 

    為了解決電力電子等非線性負(fù)載所帶來的日益嚴(yán)重的諧波問題 ，近年來，許多有源電力濾波器(APF)方案被提出，并逐步地得到應(yīng)用.以克服無源濾波(PF)的許多不足一 。在這之中，一種F.Z.PENG提出的串聯(lián)混合型濾波器(SHAPF)一 ，以它卓越的濾波性能和較小的APF容量(典型值為負(fù)載的5 )及較省的投資得到了廣泛的關(guān)注。

 

    然而，對上述變頻器負(fù)載諧波變化范圍大、以及電網(wǎng)諧波較大和保護(hù)困難 等因素，事實(shí)上，僅有美國將它用于實(shí)際電力系統(tǒng)的報(bào)道 。針對1臺(tái)5O kVA變頻調(diào)速器的諧波，提出一種性能優(yōu)、成本低、易實(shí)現(xiàn)、工作可靠的HAPF。其原理等效圖，如圖3。圖3b和圖3c分別是其基波和諧波等效電路。各變量的含義及方向(斜體變量均為向量，以下同)定義如圖3。

 

    其中，有源部分APF實(shí)現(xiàn)為一個(gè)受控電壓源，它對諧波呈阻值為k的阻抗，而對基波阻抗為零。PF通常由5 ，7 I C調(diào)諧濾波器及一高通組成。一般的諧波抑制系統(tǒng)以抑制非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流( —— 負(fù)載諧波電流)對電網(wǎng)支路的污染( — — 電網(wǎng)諧波電流)和電網(wǎng)的諧波電壓( )對負(fù)載的影響( —— 負(fù)載側(cè)諧波電壓)為目的，可表達(dá)為

 

    可見，點(diǎn)值較大，對抑制效果有利。當(dāng)點(diǎn)》lz+zF 時(shí)，I ≈ O， I 】 ≈ 一zF· l1c然而，實(shí)現(xiàn)HAPF的方案時(shí)，點(diǎn)并不能太大，這是因?yàn)榇簏c(diǎn)值意味著大容量的APF，和系統(tǒng)穩(wěn)定余量減小。

 

    當(dāng)負(fù)載變化范圍大時(shí)，有如下問題。

 

    1)無功容量與諧波容量問題。一般PF中電容器額定電流應(yīng)滿足最大負(fù)載工況的要求，它引起的容性基波電流在輕載時(shí)不可接受。

 

    2)抑制效果與穩(wěn)定問題。輕載時(shí)，APF、PF等設(shè)備利用率低，閉環(huán)環(huán)路放大倍數(shù)小，系統(tǒng)穩(wěn)定余量大，而電網(wǎng)電流畸變率一般定義為丁HD 一I sh/( “， 分別為電網(wǎng)諧波電流和電網(wǎng)電流均方根值)，由于此時(shí)電網(wǎng)電流小，大的點(diǎn)對較小的THD 有重要貢獻(xiàn);而重載時(shí)則相反，要求點(diǎn)應(yīng)保證系統(tǒng)穩(wěn)定、APF的不過容，而且此時(shí)電網(wǎng)電流較大，丁HD 容易滿足。

 

    本文采用專門設(shè)計(jì)的PF和對環(huán)路參數(shù)點(diǎn)的自適應(yīng)控制，能較好地解決上述問題。

 

    此外，如果APF用諧波發(fā)生器的DC環(huán)節(jié)的能量系統(tǒng)自動(dòng)平衡，則對于負(fù)載電流變化范圍大的變頻器系統(tǒng)，其控制的自適應(yīng)也是必要和有效的。對此，本文不再詳述。

 

    3.1 多組無源濾波器(PF)設(shè)計(jì)

 

    PF是一組I C調(diào)諧濾波器及一高通。在負(fù)載范圍變化時(shí)，下述條件必須滿足。

 

    條件1： ≥ 、 ，這里 、 為PF電容器的額定電流，ICM為實(shí)際流過濾波器的基波無功與諧波電流向量和的最大值。而后者由負(fù)載電流及其畸變率丁HD 決定。

 

    條件2：由于PFs的引入所產(chǎn)生的基波無功電流 f 必須盡可能地小。而If 一U ·2refo·C這里 和 為系統(tǒng)額定電壓和基波頻率。Ifr-C的關(guān)系曲線如圖4a所示。

 

    由于介質(zhì)發(fā)熱的原因，在電容器制造工藝中，c /uF(電流/微法)是一個(gè)重要而有限的指標(biāo)，稱為K 。因此，對一定容量系統(tǒng)， c 一定，其K 一C曲線如圖4b所示。

 

    可見，為了滿足條件1，電容值c不能太大，即在圖4a的虛線左側(cè)區(qū)域;同時(shí)，為了滿足條件2，從圖4b可見，小c值，大K 的電容器是必需的。一般電力電容器或?yàn)V波電容器的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品中，K 參數(shù)值十分有限。不僅難以滿足上述要求。而且，還有體積大、成本高、利用率低、及需水冷等諸多不宜因素。該系統(tǒng)采用了自行設(shè)計(jì)、專業(yè)廠家定制、K 比常規(guī)產(chǎn)品高出一個(gè)量級(jí)(>1 A/uF)的特殊電容器，這圓滿地解決了上述問顥。

 

    當(dāng)然，(、值較小也有不利的方面。如PF的帶’寬AB將變窄，這是由于AB一. I h一2re·/ ·RC，其中 和R 分別為單調(diào)諧濾波器的諧振頻率及電阻。為較好地吸收一定頻寬的諧波，一系列如5、7、11、13次等單諧濾波器是必要的，較常規(guī)SHAPF多。而且，多組濾波器間易潛在諧振。好在其容量均較小、實(shí)際中的諧振也可通過簡單設(shè)計(jì)而避免，整體上仍然有較大優(yōu)勢。表1是一組實(shí)用的PF參數(shù)。

 

    這樣的PF組，可吸收大于3O A 的諧波電流，而僅引起小于3 A 的基波容性電流?？捎糜诰哂卸D，一50 ，容量50 kVA 變化非線性負(fù)載的SHAPF中。同時(shí)，采用這種特殊設(shè)計(jì)電容的、多組PF結(jié)構(gòu)的SHAPF，與其它目的在于減小基波無功電流的方法(如2階PF)相比，可以不用大容量的電容或電感。

 

    3.2 參數(shù)k的自適應(yīng)控制實(shí)現(xiàn)

 

    從式(1)及式(2)可見：大的點(diǎn)值，系統(tǒng)補(bǔ)償性能較好。然而，由于前述原因，實(shí)際點(diǎn)值一般在2～ 8之問。圖5為一種能根據(jù)負(fù)載大小自動(dòng)調(diào)整環(huán)路參數(shù)的控制方法的K一 曲線及其實(shí)現(xiàn)電路框圖。這將有利于保證重載時(shí)的諧波指標(biāo)和系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)，在輕載時(shí)充分發(fā)揮系統(tǒng)PF和APF的容量，在 較小時(shí)，也能有較小的 / 一般取一次的調(diào)整跡線即可滿足要求，如取

 

    式中：L ， 分別為k的上限和下限值，決定于APF容量、系統(tǒng)的穩(wěn)定余量及抑制指標(biāo)等，分別對應(yīng)于輕載(10 )和重載(90 )點(diǎn); 為負(fù)載相電流 的最大準(zhǔn)峰值;G為除自適應(yīng)環(huán)節(jié)外的環(huán)路倍數(shù)。

 

    其實(shí)現(xiàn)方框圖包括：準(zhǔn)峰值計(jì)算、低通濾波、增益調(diào)節(jié)、比較和雙向限幅等單元。最后輸出為調(diào)整后環(huán)路增益控制電壓信號(hào)k 。

 

    4 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

 

    針對1個(gè)50 kVA 的非線性負(fù)載的諧波抑制系統(tǒng)，按前述的PF參數(shù)和k的自適應(yīng)控制方法，設(shè)電網(wǎng)電壓有丁HD ：12 的畸變的條件下，用電力電子仿真軟件PSIM4.0，仿真的結(jié)果如圖6

 

    從圖6和圖7可見，通過特殊設(shè)計(jì)的PFS和自適應(yīng)調(diào)整k值，SHAPF在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)均有良好的諧波抑制性能，PF引起的無功電流很小，也可忽略不計(jì)。THD 可從無SHAPF的85下降至1.7 以下，而 f ≤3A。

 

    驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真重復(fù)很好。圖8給出了部分實(shí)驗(yàn)波形。其網(wǎng)側(cè)電流 和負(fù)載(亦即PF)側(cè)的輸入電壓 。 基本接近于正弦波。

 

    5 結(jié)論

 

    根據(jù)對工業(yè)現(xiàn)場用變頻調(diào)速器(組)電網(wǎng)諧波的測試及分析，得出了電流諧波相當(dāng)嚴(yán)重，丁HD在42 以上的定量結(jié)論，并探討了變頻器類負(fù)載的諧波特征。通過特殊設(shè)計(jì)、高電流/電容比、小容值電容器組成的、多個(gè)LC無源濾波器組的運(yùn)用，采用自適應(yīng)的控制HAPF環(huán)路參數(shù)k的方法，提出了一種新穎的SHAPF應(yīng)用結(jié)構(gòu)。給出了有關(guān)設(shè)計(jì)方法和原則。作為一個(gè)具體應(yīng)用，對一個(gè)容量為50 kVA，變化范圍為10 ～1()()%非線性負(fù)載的諧波抑制系統(tǒng)。仿真及實(shí)驗(yàn)均表明，用這些措施的SHAPF，在負(fù)載范圍內(nèi)具有系統(tǒng)穩(wěn)定、性能良好和附加無功電流小等優(yōu)點(diǎn)。

 

    由于本文討論對象—— PWM 變頻器，具有典型的DC功率環(huán)節(jié)，因而，提出的方法具有一般適應(yīng)性。

 

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