谐波与对策-现代电力电子技术_338809314.doc

第 PAGE 2 页 共 NUMPAGES 12 页 吕颖 025289 y-lu02@mails.tsinghua.edu.cn 电力电子装置带来的危害及对策 摘要：随着电力电子装置在电力系统的广泛应用，电力电子装置产生了谐波污染，给电力系统和各类用电设备都带来危害，而且降低了系统功率因数。本文介绍了电力电子装置带来的危害及对策。 关键词：电力电子装置 谐波 APF PWM整流 功率因数补偿 引言 电力电子技术是近年迅速发展的一种高新技术，它是集电力技术、微电子技术和信息控制技术于一体的一门新学科。随着电力电子技术的发展，广泛应用于电力系统中，给电力系统带来了新的活力。 电力电子装置中的相控整流和不可控二极管整流使输入电流波形发生严重畸变，不但大大降低了系统的功率因数，还引起了严重的谐波污染。另外，硬件电路中电压和电流的急剧变化，使得电力电子器件承受很大的电应力，并给周围的电气设备及电波造成严重的电磁干扰(EMl)，而且情况日趋严重。 随着节能技术和自动化技术的推广，电力电子装置如变流设备、变频设备等，容量日益扩大，数量日益增多，电力电子装置带来的危害愈来愈严重，给电力系统和各类用电设备都带来危害。轻则增加能耗，缩短寿命，重则造成用电事故，直接影响安全生产。 因此，采取措施，抑制以及消除这些电力公害是电力电子技术领域中一项重要的研究课题。 一、电力电子装置带来的危害 1．谐波 “谐波”一词起源于声学。有关谐波的数学分析在18世纪和19世纪已经奠定了良好的基础。傅里叶等人提出的谐波分析方法至今仍被广泛应用。电力系统的谐波问题早在20世纪20年代和30年代就引起了人们的注意。后来，由于高压直流输电技术和电力电子技术的发展，谐波所造成的危害也日趋严重。世界各国都对谐波问题予以充分和关注，国际上召开了多次有关谐波问题的学术会议，不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定。国际电气电子工程师协会(IEEE)、国际电工委员会(IEC)和国际大电网会议(CIGRE)纷纷推出了自己的谐波标准。我国政府也分别于1984年和1993年制定了限制谐波的有关规定。 在电力电子装置中，整流器、逆变器和斩波器等都是由电力电子开关元件构成的电能变换装置。这些装置对于电网来说都是非线性负载，它们派生出的有害高次谐波电流“注入”电网,就造成了对电网的“谐波污染”。 以单相桥式全控整流电路为例，可以看到,它做为一个感性负载,其电压和电流波形如图1所示。图中,α为控制角,ｕｓ和ｉｓ分别为变压器副边的电压和电流波形 ｉｓ的波形为方波,其中含有大量的谐波成分,与正弦波形相差甚远，这种现象称为网侧电流发生畸变。 ｉｓ中的基波有效值与交流电流的有效值的比值定义为畸变因数,表示电流波形含有高次谐波的程度,它的理想值为1。单相桥式全控整流电路的畸变因数小于三相桥式整流电路的畸变因数，即相数增加，畸变因数变大,谐波成分减少。而多相其它接线方式的畸变因数近似为1,这是因为其电路中的电流波形呈二阶梯波(六脉波)或三阶梯波(十二脉波)形状接近正弦波。 2．谐波的危害 理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，使用电设备所处的环境恶化。 电力谐波对公用电网和其他系统的危害大致有以下几个方面。 （1）谐波使公用电网中的元件产生了附加的谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时会使线路过热甚至发生火灾。 （2）谐波影响各种电气设备的正常工作。 谐波对电机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压。使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。 （3）谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述（1）和（2）的危害大大增加。甚至引起严重事故。 （4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。 （5）谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致住处丢失，使通信系统无法正常工作。 3．对功率因数的影响 在工业和生活用电负载中，阻感负载占有很大的比例。异步电动机、变压器、荧光灯等都是典型的阻感负载。异步电动机和变压器所消耗的无功功率在电力系统所提供的无功功率中占有很高的比例。电力系统中的电抗器和架空线等也消耗一些无功功率。阻感负载必须吸收无功功率才能正常工作，这是由其本身的性质所决定的。 电力电子装置等非线性装置也要消耗无功功率，特别是各种相控装置。如相控整流器、相控交流功率调整电路和周波变流器，在工作时基波电流滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会产生大量的谐波电流，谐波源都是要消耗无功功率的。 在各种电力电