谐波抑制技术_钱照明

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1、谐波抑制技术钱照明 叶忠明 董伯藩 (浙江大学电力电子应用技术国家工程研究中心 310027 杭州)摘 要 按不同的应用场合阐述了抑制谐波常用的几种方法。重点讨论了被动型和主动型两种谐 波抑制方案。 被动型方案重点讨论了采用滤波器的方法, 包括无源滤波器、 并联有源滤波器、 串联有 源滤波器和各种混合型滤波器; 主动型方案就现代多脉整流、 多电平变流技术、 PWM 技术、 三相 PFC 技术等作了简要介绍, 并讨论了两种方案的优缺点。关键词 谐波抑制 有源滤波器 无源滤波器1997- 02- 03 收稿。 国家教委博士点基金资助项目。0 引言电力系统中的波形畸变主要来源于两大因素: 第一是 R

2、, L, C 元件的非性线; 第二是大量使用的电 力电子装置。谐波对电力系统本身的影响主要表现 在: 消耗电力系统中的无功储备; 增加输电线损耗; 影响继电保护、 自动控制等装置的可靠运行。 对接入 电力系统中的设备的影响主要表现在: 测量仪表的 测量误差增加; 电机产生额外的热损耗; 用电设备的 运行安全性下降。对电力系统外的影响主要表现在 对通信设备的电磁干扰 1, 2。消除谐波, 主要应从产生谐波的主要装置即电 力电子装置出发, 去研究解决的方法。 消除谐波主要 有两种途径: 主动型, 即从装置本身出发, 设计不产 生谐波的变流器; 被动型, 即外加滤波器, 比如在电 力系统中加 LC

3、滤波器, 或在装置的电网侧加有源 滤波装置等。 图 1 是一个联于电力系统中较典型的电力电子 装置示意图。 变压器从公共联接点传递能量给装置, 装置通过 AC/ DC 变流器将交流电转换为直流, 再 向后续负载供能。 按照谐波抑制点的不同, 谐波抑制 技术可以分为: ( a) 电网或公共联接点的谐波抑制; ( b) 变流器交流侧的谐波抑制; ( c) 变流器的谐波抑 制; ( d) 变流器直流侧对变流器入端电流的谐波抑 制; ( e) 直流电路中电压纹波及谐波电流的滤波。下 面简述电力电子装置的谐波抑制方法。1 电网及公共联接点的谐波抑制电网及公共联接点的谐波抑制目前主要通过无 源滤波器或静止

4、无功补偿器来实现, 其原理与变流图1一个联于电网中的电力电子装置示意图 Fig. 1A power electronic device connected in the power linea电网 公共联接点b交流侧变流器 cde直流侧功率接口负载器交流侧谐波抑制方法相同, 只是功率等级较高。2 变流器交流侧的被动型谐波抑制方案交流侧的谐波抑制属于被动型抑制方案。由于 此处的滤波器直接与电网相连, 因此设计时应考虑 到: 邻近的谐波源对滤波器的影响; 系统参数对滤波 器的影响; 后续变流器负载对滤波器的影响。 按照其采用的电路结构可以分为: 无源滤波器 方案、 有源滤波器方案和混合滤波器方案三

5、大类。 2. 1 无源滤波器( PF) LC 滤波器是传统的补偿无功和抑制谐波的主 要手段。 图 2 是一种常用的整流电路。 该电路中, C 的作用是减小直流侧的纹波, 为了维持较稳定的直 流电压, 通常电容C 应选得较大; 为了减小整流过程 中的脉冲电流, 在主电路中串联一个电感 L, L 的选 择对入端的谐波和功率因数影响很大, L 增加将引 起较大的电感电压降, 使直流侧电压随负载的变化 产生较大的波动。 图 3 是一个用并联无源滤波器滤除谐波的典型 电路。 一个 串联的LC 并联在整流桥入端, 其谐振频率? = 1/LC, 应和电路的主要高次谐波频率相 等。 为了防止电网电压中的谐波电

6、压在滤波器中产 生较大的谐波电流, 在入端串联一个电感L1。 图 4 是一个 LCR 网络串联在入端滤除谐波的481997 年 10 月 电 力 系 统 自 动 化 Automation of Electric Power Systems 第 21 卷 第 10 期C图2一种典型的整流电路 Fig. 2A typical rectifier circuitLL1图3在交流侧加并联滤波器进行谐波抑制 Fig. 3Harmonic suppression using shunted passive filterCLR图4串联一个并联谐振网络 Fig. 4Harmonic suppression u

7、sing series passive filterCL电路。 LRC 并联网络的谐振频率和电网主要高次谐 波频率相等, 阻止变流器的主要谐波电流流入电网。 无源滤波方案是目前采用得最为广泛的谐波抑 制手段, 它成本低、 技术成熟, 但存在以下缺陷 36: ( 1) 谐振频率依赖于元件参数, 因此只能对主 要谐波进行滤波, LC 参数的漂移将导致滤波特性 改变, 使滤波性能不稳定; ( 2) 滤波特性依赖于电网参数, 而电网的阻抗 和谐波频率随着电力系统的运行工况随时改变, 因 而 LC 网络的设计较困难; ( 3) 电网的参数与 LC 可能产生并联谐振使该 次谐波分量放大, 使电网供电质量下

8、降; ( 4) 电网中的某次谐波电压可能在 LC 网络中 产生很大的谐波电流。 2. 2 有源滤波器 用有源电力滤波器( APF) 消除谐波的思路可以 追溯到 70 年代 Sasaki H 和Machida T 等人提出的 用磁补偿消除谐波的方法。1976 年, Gyugyi L 等人 提出了用大功率晶体管 PWM 变换器构成 APF, 并 正式提出有源滤波的概念。有源电力滤波器的思路 也是给谐波电流或谐波电压提供一个在谐振频率处 等效导纳为无穷大的并联网络或等效阻抗无穷大的串联网络, 因此可以分为并联有源滤波器和串联有 源滤波器。 其基本结构是一个DC/ AC 逆变桥与/ 或 一个谐波注入电

9、路。按照 PWM 逆变电路直流侧电 源的性质又可以分为电压型有源滤波器及电流型有 源滤波器。 2. 2. 1 并联有源电力滤波器 791986 年, Akagi H 提出用并联有源电力滤波器 消除谐波的方法 7, 示意图如图 5。这种装置相当于 一个谐波电流发生器, 它跟踪负载电流中的谐波分 量, 产生与之相反的谐波电流, 从而抵消线路中的谐 波电流。 通过不同的控制作用, 可以对谐波、 无功、 不 平衡分量等进行补偿, 因此功能很多, 联接也方便。 但是, 由于电源电压直接加在逆变桥上, 对开关器件 电压等级要求高; 负载谐波电流含量高时, 这种有源 滤波装置的容量也必须很大, 因为兼具大的

10、补偿容 量和宽的补偿频带比较困难, 所以它只适合于电感 型负荷的谐波补偿; 开关引起的谐波电流将影响电 路中的PF 或电容器的滤波特性, 若利用 LC 网络吸 收这部分高次谐波, 由于 LC 网络受电网参数的影 响, PWM 逆变器输出的谐波频带又很宽, 所以 LC 网络难以设计。APF图5并联有源电力滤波器框图 Fig. 5Diagram of shunted active power filter电网负 载为了降低加到逆变桥的交流电压, 可以选择用 LC 串联或并联网络作为注入电路, 如图 6, 7 所示。 在图 6 中, LC 在基波频率处串联谐振逆变桥不承受 基波电压, 而在谐振频率之

11、外有 Zr? Zc, 滤波器产 生的谐波电流可以完全流入主电路。 并联 LC 方式 原理与之类似。LC2C1图6串联谐振注入方式 Fig. 6Harmonics injection with series resonance networkAPF为了使有源滤波器适用于大容量负载的补偿,49综述 钱照明等 谐波抑制技术oo图7并联谐振注入方式 Fig. 7Harmonic injection with parallel resonance networkAPFL可以将高次谐波和低次谐波分开各相单独补偿, 也 可将有源滤波与无源滤波相结合进行补偿。 2. 2. 2 串联有源电力滤波器 图 8 是单

12、独使用串联有源电力滤波器的方案。 串联有源电力滤波器在此系统中相当于一个电压控 制电压源, 跟踪电源电压中的谐波分量, 产生与之相 反的谐波电压, 使负载端交流侧电压为正弦波。APF图8串联有源电力滤波器框图 Fig. 8Diagram of a series active power filter电网负 载2. 2. 3 并联 APF 与并联 PF 混合型方案 1987 年 T akeda M 等人提出用并联 APF 和并 联 PF 相结合的混合型有源电力滤波器方案, 如图 9 所示。 在这种电路中, APF 仍起着谐波补偿的作用, PF 滤除大部分谐波, 因此APF 容量很小。 但这种装

13、置在使用时, 电网与 APF 及 APF 与 PF 之间存在 谐波通道, 特别是 APF 与 PF 之间的谐波通道, 可 能使APF 注入的谐波又流入 PF 及系统中。PFAPF图9并联AFP与并联PF的混合型有源电力滤波器框图 Fig. 9Diagram of a hybrid APF with a shunted APF and a shunted passive filter电网负 载2. 2. 4 串联 APF 与并联 PF 混合型方案 这种方案结合了无源滤波器和有源滤波器各自 的优点, 装置容量可以做得很大。 由于大部分谐波由 相对廉价的无源滤波器滤除, 装置成本相对较低。 1988

14、 年 Peng F Z 等人首先提出串联 APF 加并联PF 的结构 10, 如图 10 所示。PFAPF图10串联APF与并联PF的混合型有源电力滤波器框图 Fig. 10Diagram of a hybrid APF with a series APF and a shunted passive filter电网负 载串联 APF 为一个电流控制电压源, 由 PWM 控 制产生与线路中谐波电流成正比的谐波电压, Vc= K ?Ish。 因此对谐波电流, 串联APF 可以等效为一个 电阻, 其阻值即为放大倍数, 当 K 远远大于电网阻 抗和无源滤波器等效阻抗时, 线路电压和电流中将 只有很小

15、的谐波残余, 对工频 APF 呈极低阻抗, 因 此串联 APF 相当于一个谐波隔离装置。 串联 APF 强制将负载的谐波电流流入无源滤波器, 同时也阻 止了电源的谐波电压串入负载侧, 无源滤波器是负 载谐波电流的唯一通道。 对谐振频率处的谐波, 无源 滤波器呈极低阻抗。 这种结构的缺点是: ( 1) 在低次谐波及其他频率处, 要使 K 远远大 于无源滤波器等效阻抗是很困难的, 因此对电网中 的闪变分量, 用该方法不能实现隔绝; ( 2) 当负载电流中存在无源滤波器不能滤除的 谐波时, 由于 APF 强制这部分谐波流入 PF, 这将在 负载入端产生谐波电压; ( 3) 由于 APF 串联在电路中

16、, 绝缘较困难, 维 修也不方便; ( 4) 在正常工作时, 注入变压器流过所有负载 电流。 2. 2. 5 APF 与 PF 串联后与电网并联混合型方案 1990 年, Fujit H 等人提出将 APF 与 PF 相串 联后与电网并联的混合型方案 11, 其示意图如图 11。其中 APF 为电流控制电压源, 产生与线路中谐 波电流分量成比例的电压。 该方案可以等效为 Peng F Z 的方案, 并且由于注入变压器联接在 Y 型联接 的 PF 的中性点上, 方便保护和隔离, 因此更适合于 高电压系统应用, 但是该电路对电网中的谐波电压 非常敏感 6。 2. 2. 6 并联 APF 与串联 APF 的混合型方案 1994 年, Akagi H 等人提出一种综合了串联 APF( APF1) 和并联 APF ( APF2) 的混合型滤波 器 12, 其示意图如图 12。 APF1 将电源和负载隔离, 阻止电源谐波电压串入负载端和负载谐波电流流入50APFPF图11APF与PF串联后与电网并联的 混