第7章電力電子技術(shù)王云亮第三版

1、第7章 電力電子裝置應(yīng)用中的一些問題7.1 換流方式換流方式 換流電流從一個(gè)支路向另一個(gè)支路轉(zhuǎn)移的過程稱為換流，也叫換相。 研究換流方式主要是研究如何使器件關(guān)斷。 一般來說，換流方式可分為以下四種：(1)器件換流：利用全控型器件的自關(guān)斷能力進(jìn)行換流。(2)電網(wǎng)換流：由電網(wǎng)提供換流電壓。(3)負(fù)載換流：由負(fù)載提供換流電壓。 只要負(fù)載電流超前于負(fù)載電壓的 場(chǎng)合就能實(shí)現(xiàn)負(fù)載換流。(4)強(qiáng)迫換流：設(shè)置附加的換流電路，給欲關(guān)斷的晶閘管強(qiáng)迫施加反向電壓或反向電流的換流方式。 強(qiáng)迫換流通常利用附加電容上所儲(chǔ)存的能量來實(shí)現(xiàn)。 7.2 器件的熱傳導(dǎo)和散熱器的選擇7.2.1 熱傳導(dǎo) p傳導(dǎo)的功率dTAPcond

2、絕緣長(zhǎng)方形棒的傳熱示意圖p加入散熱器的功率模塊的熱傳遞示意圖和對(duì)應(yīng)的等效電路p制造商非常注意使熱阻盡量小。這意味著為保證擊穿電壓、機(jī)械強(qiáng)度和其它一些要求而保持長(zhǎng)度d不變的情況下，盡量使熱流動(dòng)的路徑縮短；橫截面積A應(yīng)該盡量的大，以便與設(shè)計(jì)中其它要求相匹配，使寄生電容最小。p封裝外殼應(yīng)該用高熱傳導(dǎo)率的材料制成。大功率器件的外殼應(yīng)該固定在具有風(fēng)冷或水冷的散熱器上。通過上述措施，有可能使PN結(jié)到襯底的熱阻 Rjc小于1/W。 多層結(jié)構(gòu)中穩(wěn)態(tài)時(shí)的熱流示意圖和熱阻等效電路圖7.2.2 電力電子器件的功率損耗 功率器件的耗散功率和結(jié)溫是散熱器設(shè)計(jì)的基本出發(fā)點(diǎn)，是關(guān)系到器件安全使用的兩個(gè)重要參數(shù)。 電力電子器

3、件的工作波形 關(guān)斷過程電壓、電流波形1. 耗散功率 開關(guān)損耗Ps 通態(tài)損耗Pon 斷態(tài)損耗Poff 驅(qū)動(dòng)損耗PG 2. 結(jié)溫 對(duì)于一定型號(hào)的功率器件，廠商一般都給出了最高結(jié)溫TJmax。 器件運(yùn)行時(shí)的最高結(jié)溫是不能突破的，否則將造成器件的永久性損壞。 7.2.3 散熱器 散熱器和電力電子器件間要加入絕緣體（如云母絕緣體）使散熱器絕緣。 加入熱潤(rùn)滑脂用來去除器件和散熱器表面間的細(xì)微不平之間的空氣提高散熱效果。 用螺栓緊固器件和散熱 器，也會(huì)保證器件和散 熱器間良好的接觸。 散熱器的外形7.3 變換器的保護(hù) 在電力電子變換器中，除了選擇合適的電力電子器件參數(shù)、設(shè)計(jì)良好的驅(qū)動(dòng)電路和緩沖電路外，采用適

4、當(dāng)?shù)倪^電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、du/dt保護(hù)和di/dt保護(hù)也是必要的； 功率二極管、晶閘管的過電壓、過電流保護(hù)與變換器的保護(hù)是統(tǒng)一的； 而全控型電力電子器件的過電壓和過電流保護(hù)有各自的特點(diǎn)。7.3.1 變換器的過壓保護(hù) 1. 引起過壓的原因（1）操作過電壓：由拉閘、合閘、快速直流開關(guān)的切斷等經(jīng)常性操作中的電磁過程引起的過壓。（2）浪涌過壓：由雷擊等偶然原因引起，從電網(wǎng)進(jìn)入變換器的過壓。（3）電力電子器件關(guān)斷過電壓：電力電子器件關(guān)斷時(shí)產(chǎn)生的過壓。（4）在電力電子變換器-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，由于電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)造成直流側(cè)直流電壓過高產(chǎn)生的過壓。也稱為泵升電壓。 2. 過壓保護(hù)方法 過壓保護(hù)的基本原則是

5、：根據(jù)電路中過壓產(chǎn)生的不同部位，加入不同的附加電路，當(dāng)達(dá)到定過壓值時(shí)，自動(dòng)開通附加電路，使過壓通過附加電路形成通路，消耗過壓儲(chǔ)存的電磁能量，從而使過壓的能量不會(huì)加到主開關(guān)器件上，保護(hù)了電力電子器件。保護(hù)電路形式很多，也很復(fù)雜。 過電壓保護(hù)方法的原理圖(1) 雷擊過壓可在變壓器初級(jí)接避雷器加以保護(hù)。(2) 二次電壓很高或電壓比很大的變壓器，一次側(cè)合閘時(shí)，由于一次、二次繞組間存在分布電容，高電壓可通過分布電容耦合到二次側(cè)而出現(xiàn)瞬時(shí)過壓。可采取變壓器附加屏蔽層接地或變壓器星形中點(diǎn)通過電容接地的方法來減小。(3) 泵升電壓保護(hù)當(dāng)電動(dòng)機(jī)回饋制動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能回饋到直流側(cè)，引起直流側(cè)電壓升高，

6、當(dāng)電壓升高到一定值時(shí)，會(huì)造成變換器的過電壓。通常采用開關(guān)電路將能量消耗在電阻上。 （4）阻容保護(hù)電路 將電容并聯(lián)在回路中，當(dāng)電路中出現(xiàn)電壓尖峰電壓時(shí)，電容兩端電壓不能突變的特性，可以有效地抑制電路中的過壓； 與電容串聯(lián)的電阻能消耗掉部分過壓能量，同時(shí)抑制電路中的電感與電容產(chǎn)生振蕩； RC阻容保護(hù)電路可以設(shè)置在變換器裝置的交流側(cè)、直流側(cè)。也可將RC保護(hù)電路直接并在主電路 的元件上，有效地抑制元 件關(guān)斷時(shí)的關(guān)斷過壓。 幾種RC阻容保護(hù)電路的接法 在單相變壓器次級(jí)繞組邊加入的并聯(lián)阻容保護(hù)電路如圖所示，其R、C的計(jì)算公式為 式中S變壓器每相平均計(jì)算容量，單位為VA U2變壓器二次側(cè)相電壓有效值，單位為

7、V io變壓器勵(lì)磁電流百分值，101000KVA的變壓器其值為410 uk變壓器的短路電壓百分值，101000KVA的變壓器其值為5 10 F)( US%i6C22o)( %3 . 2ok22iuSUR 電容C的交流耐壓1.5UC，UC為正常工作時(shí)阻容兩端交流電壓有效值。電阻R的功率PR的計(jì)算可根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式估算： 式中 UC正常工作時(shí)阻容兩端交流電壓有效值 IC正常工作時(shí)流過阻容電路的交流電流有效值 XC阻容電路的電抗 對(duì)圖所示的三相電路，變壓器二次繞組和阻容保護(hù)電路均采用Y形聯(lián)接的方法，它的R、C計(jì)算公式可直接引用單相時(shí)的計(jì)算式。 RIP2CR)4-3(CCCXUI 三相電路、變壓器二次

8、側(cè)為Y聯(lián)結(jié)，而阻容保護(hù)電路為形聯(lián)接。對(duì)此，可首先按式計(jì)算出Y形聯(lián)接時(shí)的阻容值R、C ，然后進(jìn)行Y、聯(lián)接變換，求得聯(lián)接時(shí)相應(yīng)的阻容值，即 對(duì)于大容量的變換器，三相阻容保護(hù)裝置可采用圖所示的三相整流式阻容保護(hù)電路。雖然多用了一個(gè)三相整流橋，但只需一個(gè)電容，而且由于只承受直流電壓，故可采用體積小、容量大的電解電容。再者還可以避免變換器中的電力電子器件導(dǎo)通瞬間因保護(hù)電路的電容放電電流所引起的過大的di/dt。RC的作用是吸收電容上的過電壓能量。 Y3RR Y31CC阻容保護(hù)接在交流裝置的直流側(cè)，可以抑制因熔斷器或直流快速開關(guān)斷開時(shí)造成的直流側(cè)過壓，其阻容值可按以下經(jīng)驗(yàn)公式估算 式中 k=1.5，Ud是

9、直流端電壓，電容器耐壓UC1.6Ud，電阻功率是 )F( 10 2%) 1(047. 16-ddo2UIfikC)( ) 12(k2ddIUR)W( 800800dddRIUPP(5) 非線性電阻保護(hù) 非線性電阻具有近似穩(wěn)壓管的伏安特性，可把浪涌電壓限制在電力電子器件允許的電壓范圍； 常采用壓敏電阻實(shí)現(xiàn)過壓保護(hù)，壓敏電阻是一種金屬氧化物的非線性電阻； 壓敏電阻具有正、反兩個(gè)方向相同但很陡的伏安特性正常工作時(shí)漏電流很小(微安級(jí))，故損耗小。當(dāng)過壓時(shí)，可通過高達(dá)數(shù)千安的放電電流IY，因此抑制過壓的能力強(qiáng)。此外，它對(duì)浪涌電壓反應(yīng)快，體積小，是一種較好過壓保護(hù)器件。 缺點(diǎn)是持續(xù)平均功率很小，如正常工作

10、電壓超過它的額定值，則在很短時(shí)間內(nèi)就會(huì)燒毀 壓敏電阻的伏安特性 由于壓敏電阻的正、反向特性對(duì)稱，因此單相電路只需一個(gè)，三相電路用3個(gè)，聯(lián)接成Y形或形 壓敏電阻的主要參數(shù)： 額定電壓U1mA 指漏電流為1mA時(shí)的電壓值。 殘壓比UYU1mA UY為放電電流達(dá)規(guī)定值IY時(shí)的電壓。 允許的通流容量 指在規(guī)定的波形下(沖擊電流前沿10s，持續(xù)時(shí)間20s)允許通過的浪涌電流。 壓敏電阻保護(hù)的接法7.3.2 變換器的過流保護(hù)1. 引起過流的原因 外部出現(xiàn)負(fù)載過載、交流電源電壓過高或過低、缺相時(shí)引起的電路過電流 ； 電力電子變換器內(nèi)部某一器件擊穿或短路、線路絕緣老化失效、直流側(cè)短路、可逆?zhèn)鲃?dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生環(huán)流或逆

11、變失敗，引起的電路過電流 ； 控制電路、觸發(fā)電路、驅(qū)動(dòng)電路的故障或干擾信號(hào)的侵入引起的誤動(dòng)作，引起的電路過電流； 配線等人為的錯(cuò)誤引起的電路過電流。2. 過流保護(hù)的方法 過電流保護(hù)的方法 (1) 交流進(jìn)線電抗器，或采用漏抗大的整流變壓器，利用電抗限制短路電流。但正常工作時(shí)有較大的交流壓降。(2) 直流快速開關(guān)。對(duì)于大、中容量變換器，快速熔斷器的價(jià)格高且更換不方便。為避免過流時(shí)燒斷快速熔斷器，采用動(dòng)作時(shí)間只2ms的直流快速開關(guān)，它可先于快速熔斷器動(dòng)作而保護(hù)電力電子器件。(3) 電流檢測(cè)裝置，過流時(shí)發(fā)出信號(hào)，過流信號(hào)一方面可以封鎖觸發(fā)電路，使變換器的故障電流迅速下降至零，從而有效抑制了電流。另一方

12、面控制過電繼電器，使交流接觸器觸點(diǎn)跳開，切斷電源。但過流繼電器和交流接觸器動(dòng)作都需一定時(shí)間(100200ms)。故只有電流不大的情況這種保護(hù)才能奏效。(4) 快速熔斷器 在晶閘管變換器中，快速熔斷器是應(yīng)用最普遍的過流保護(hù)措施，可用于交流側(cè)、直流側(cè)和裝置主電路中。 交流側(cè)接快速熔斷器能對(duì)晶閘管元件短路及直流側(cè)短路起保護(hù)作用，快速熔斷器電流定額要大于晶閘管的電流定額，這樣對(duì)元件的短路故障所起的保護(hù)作用較差。 直流側(cè)接快速熔斷器只 對(duì)負(fù)載短路起保護(hù)作用， 對(duì)元件無保護(hù)作用。只 有晶閘管直接串接快速 熔斷器才對(duì)元件的保護(hù) 作用最好。 快速熔斷器在電路中的接法 曲線1是額定電流300A的快速熔斷器的安秒

13、特性，表明當(dāng)流過快速熔斷器的電流大于額定電流后，電流越大，熔斷時(shí)間越短；在額定電流以下時(shí)，可以長(zhǎng)期工作。曲線2是額定電流200A的晶閘管的安秒特性。在交點(diǎn)A左側(cè)，快速熔斷器的熔斷時(shí)間小于晶閘管燒毀的時(shí)間，所以快速熔斷器可以起到保護(hù)晶閘管的作用。在交點(diǎn)A右側(cè)，晶閘管燒毀的時(shí)間小于快速熔斷器的熔斷時(shí)間，即快速熔斷器保護(hù)不了晶閘管。因此快速熔斷器適用于短路過流保護(hù)，而不適宜過載保護(hù)。 快速熔斷器和晶閘管的安秒特性 與晶閘管串聯(lián)的快速熔斷器的選用原則： 快速熔斷器的額定電壓應(yīng)大于線路正常工作電壓有效值。 快速熔斷器熔體的額定電流IKR是指電流有效值，晶閘管額定電流是指通態(tài)電流平均值。選用時(shí)要求 式中

14、IT(AV)晶閘管通態(tài)電流平均值 IKR快速熔斷器的熔體額定電流 IT流過晶閘管的電流有效值 熔斷器(安裝熔體的外殼)的額定電流應(yīng)大于或等于熔體額定電流值。q一般裝置中多采用過流信號(hào)控制觸發(fā)脈沖的方法抑制過流，再配合采用快熔，使快熔作為過流保護(hù)的最后措施?？烊圻m用于短路保護(hù)!TKRT(AV)57. 1III1. 電壓上升率dudt 的限制(1) 產(chǎn)生電壓上升率du/dt的原因 由電網(wǎng)侵入的過電壓。 由于電力電子器件換相時(shí)產(chǎn)生的du/dt。(2) 電壓上升率du/dt的限制方法 阻容保護(hù)線路同串接的電感一起在出 現(xiàn)電壓突變時(shí)，能起到限制電壓上升率du/dt 的作用。 變換器交流側(cè)如有整流變壓器和

15、阻容保護(hù)電路，則變壓器漏感和阻容電路同樣能起到衰減侵入過電壓，減小過電壓上升率的作用。 在無整流變壓器的變換器中，則應(yīng)在電源輸入端串入交流進(jìn)線電感LT，配合阻容吸收裝置對(duì)du/dt進(jìn)行抑制。7.3.3 電壓上升率和電流上升率的限制 晶閘管電壓上升率的簡(jiǎn)化等效電路2. 電流上升率di/dt的限制(1) 變換器中產(chǎn)生過大的di/dt 的原因 電力電子器件從阻斷到導(dǎo)通的電流增長(zhǎng)過快。 交流側(cè)電抗小或交、直流側(cè)阻容吸收裝置電容量太大，當(dāng)電力電子器件導(dǎo)通時(shí)，流過過大的附加電容的充、放電電流。 與電力電子器件并聯(lián)的緩沖保護(hù)電路在晶閘管開通時(shí)的放電電流。(2) 電流上升率di/dt的限制方法 上述的電力電子

16、器件橋臂串聯(lián)的電感Lk和交流進(jìn)線側(cè)的串聯(lián)進(jìn)線電感LT (或整流變壓器的漏感)都能同時(shí)起到限制di/dt的作用。在交流側(cè)采用圖所示的整流式阻容保護(hù)，使電容放電電流不經(jīng)過導(dǎo)通時(shí)的電力電子器件，亦能減小管子開通時(shí)的電流上升率。7.4 電力電子裝置的諧波與無功功率7.4.1 諧波的產(chǎn)生及其危害1. 諧波的產(chǎn)生 在交流電網(wǎng)中，由于有許多非線性電氣設(shè)備運(yùn)行，電壓、電流波形實(shí)際上不是完全的正弦波形，而是具有畸變的周期性非正弦波。根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)分析，任何重復(fù)的波形都可以分解為含有基波和一系列為基波倍數(shù)的諧波的正弦波分量。在平衡的三相系統(tǒng)中，由于對(duì)稱關(guān)系，偶次諧波已經(jīng)被消除了，只有奇次諧波存在。 整流電路是諧波

17、產(chǎn)生的主要原因。在電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大；開關(guān)電源和電壓型逆變器的直流側(cè)采用電容濾波的不可控整流器；帶感性負(fù)載的電流型整流電路；電流型整流器使輸入電流為方波，降低了輸入電流的THDi，但會(huì)帶來電壓的尖峰和缺口。相控整流裝置也會(huì)在交流側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流。2諧波的危害(1) 對(duì)供電網(wǎng)絡(luò)的影響 電網(wǎng)中的諧波電流和諧波電壓會(huì)導(dǎo)致供電網(wǎng)絡(luò)電壓不穩(wěn)定和諧波干擾增大。(2) 使供電線路和用電設(shè)備的熱損耗增加 對(duì)供電線路的影響。由于集膚效應(yīng)，線路電阻增加，產(chǎn)生電能浪費(fèi)。在電力系統(tǒng)中，中性線一般都很細(xì)，當(dāng)流過大量的諧波電流時(shí)，產(chǎn)生的熱量會(huì)破壞絕緣，造成短路，引起火災(zāi)。諧波頻率與網(wǎng)絡(luò)諧振頻率會(huì)產(chǎn)

18、生諧振，會(huì)使電力系統(tǒng)或用電設(shè)備絕緣擊穿。 對(duì)電力變壓器的影響。諧波電流增加了電力變壓器的磁滯損耗、渦流損耗及銅損，對(duì)帶有不對(duì)稱負(fù)載的變壓器，會(huì)大大增加勵(lì)磁電流的諧波分量。 對(duì)電力電容器的影響。若電容器流過很大的諧波電流，電容器的溫升增高，引起電容器過負(fù)荷甚至爆炸。諧波還可能與電容器在電網(wǎng)中形成諧振，并又施加到電網(wǎng)中。 對(duì)電機(jī)的影響。諧波會(huì)增加電機(jī)的附加損耗，產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)，產(chǎn)生諧波過電壓，使電機(jī)絕緣損壞。 (3) 對(duì)繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的影響 對(duì)電磁式繼電器，諧波會(huì)引起繼電保護(hù)以及自動(dòng)裝置的誤動(dòng)或拒動(dòng)，造成整個(gè)保護(hù)系統(tǒng)的可靠性降低，引起系統(tǒng)故障。(4) 對(duì)通信線路產(chǎn)生干擾 在電力線路上流過較大的奇

19、次低頻諧波電流時(shí)，通過電磁耦合，會(huì)干擾通信線路的正常工作，使通話清晰度降低，甚至?xí)鹜ㄐ啪€路的破壞。(5) 對(duì)用電設(shè)備的影響 諧波會(huì)使電視機(jī)、計(jì)算機(jī)的顯示亮度發(fā)生波動(dòng)，圖像或圖形發(fā)生畸變，甚至?xí)箼C(jī)器內(nèi)部元件損壞，導(dǎo)致機(jī)器無法使用或系統(tǒng)無法運(yùn)行。(6) 對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響 諧波對(duì)用電設(shè)備的影響，會(huì)使設(shè)備工作不穩(wěn)定，導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生批次性產(chǎn)品報(bào)廢。(7) 諧波對(duì)計(jì)量?jī)x表的影響 諧波會(huì)使計(jì)量?jī)x表的指示產(chǎn)生誤差，甚至?xí)?dǎo)致計(jì)量設(shè)備無法正常工作。7.4.2 諧波的定義及標(biāo)準(zhǔn)諧波的定義對(duì)于周期為T=2/的非正弦電壓，可分解為如下形式的傅里葉級(jí)數(shù) 或 在上式的傅里葉級(jí)數(shù)中，頻率與工頻相同的分

20、量稱為基波，頻率為基波整倍數(shù)(大于1)的分量稱為諧波，諧波次數(shù)為諧波頻率與基波頻率的整數(shù)比。)sincos()(10tnbtnaatunnn)sin()(10nnntncatun次諧波電壓含有率以HRUn(Harmonic Ratio for Un)表示 式中 Un第n次諧波電壓有效值； U1基波電壓有效值。n次諧波電流含有率以HRIn(Harmonic Ratio for In)表示 式中 In第n次諧波電流有效值； I1基波電流有效值。1HRU100%nnUU1HRI100%nnII諧波電壓含量UH和諧波電流含量IH分別定義為 電壓諧波總畸變率THDU(Total Harmonic dis

21、tortion)定義為 電流諧波總畸變率THDI(Total Harmonic distortion)定義為22HnnUU22HnnIIHU1THD100%UUHI1THD100%II 2. 諧波的標(biāo)準(zhǔn) 由于公用電網(wǎng)中的諧波電壓和諧波電流對(duì)電網(wǎng)和用電設(shè)備都會(huì)造成很大的危害，世界許多國(guó)家都發(fā)布了限制電網(wǎng)諧波的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，或由權(quán)威機(jī)構(gòu)制定限制諧波的規(guī)定。制定這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定的基本原則是限制諧波源注入電網(wǎng)的諧波電流，把電網(wǎng)諧波電壓控制在允許范圍內(nèi)，使接在電網(wǎng)中的電氣設(shè)備免受諧波干擾而能正常工作。 (1) 電壓限值（見表 1） (2) 諧波電流允許值（見表 2）當(dāng)公用連接點(diǎn)處的最小短路容量不同于基準(zhǔn)短路容

22、量時(shí)，表6-2中的諧波電流做如下的換算： 式中： Sk1基準(zhǔn)短路容量(MVA) Ink1表2中的基準(zhǔn)短路容量為Sk1時(shí)的第n次諧波電流允許值(A) Sk2公用連接點(diǎn)處的最小短路容量(MVA) Ink2短路容量為Sk2時(shí)的第n次諧波電流允許值(A) nk1k1k2nk2ISSI7.4.3 無功功率的產(chǎn)生及危害1. 影響功率因數(shù)的主要因素 異步電動(dòng)機(jī)、感應(yīng)電爐、交流電焊機(jī)等電感性設(shè)備是產(chǎn)生無功功率的主要原因。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在工礦企業(yè)中，異步電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的無功功率占全部無功功率的6070；而異步電動(dòng)機(jī)空載時(shí)產(chǎn)生的無功功率又占到電動(dòng)機(jī)總無功功率的6070。 變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的1015，其

23、空載無功功率約為滿載時(shí)的1/3。因此，變壓器不應(yīng)空載或長(zhǎng)期處于低負(fù)載運(yùn)行。 當(dāng)供電電壓低于額定值時(shí)，會(huì)影響電氣設(shè)備的正常工作。當(dāng)供電電壓為用電設(shè)備的額定值的110時(shí)，無功消耗將增加35左右。所以，應(yīng)當(dāng)采取措施使電力系統(tǒng)的供電電壓盡可能保持穩(wěn)定。2 . 無功功率的危害性 供電線路中無功功率的有功損耗，導(dǎo)致變送電設(shè)備、供電線路、用電設(shè)備的發(fā)熱。 無功電流在供電線路上產(chǎn)生電壓降，導(dǎo)致供電線路末端的輸出端電壓降低。 由于供電線路末端的輸出端電壓降低，使用電設(shè)備的實(shí)際輸出功率降低。 因變送電設(shè)備的負(fù)載容量中增加了無功容量，使變送電設(shè)備的有功輸出容量降低。7.4.4 諧波的抑制方法及無功功率的補(bǔ)償 消除和

24、減少諧波污染及無功功率補(bǔ)償?shù)姆椒ㄓ袃煞N： 1. 被動(dòng)的方式，采用無源濾波或有源濾波等諧波補(bǔ)償裝置消除諧波。 采用LC濾波器。由電容、電感和電阻組成，與諧波源并聯(lián)，起旁路諧波的作用。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備投資少、運(yùn)行費(fèi)用較低等。不足：它的補(bǔ)償特性易受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀；它只能補(bǔ)償固定頻率的諧波，補(bǔ)償效果也不甚理想。 采用晶閘管控制電抗器、晶閘管投切電容器裝置、有源電力濾波器APF。 其中，APF能對(duì)頻率和幅值變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，既可以對(duì)一個(gè)諧波和無功源單獨(dú)補(bǔ)償，也可對(duì)多個(gè)諧波和無功源集中補(bǔ)償。 2

25、. 主動(dòng)的方式，是使電力電子裝置本身不產(chǎn)生諧波且功率因數(shù)可控制為1，這只適用于作為主要諧波源的電力電子變換器。變換器中應(yīng)用的低諧波技術(shù)和提高功率因數(shù)的方法歸納如下： PWM整流電路或帶斬波器的整流電路可以減少輸入諧波； 整流電路的多重化，采用12脈沖、18脈沖或者24脈沖的整流； 逆變單元的并聯(lián)多重化，采用2個(gè)或多個(gè)逆變單元并聯(lián)； 逆變單元的串聯(lián)多重化，采用30脈沖的串聯(lián)逆變單元多重化線路； 采用新的變頻調(diào)制方法，如電壓矢量的菱形調(diào)制等。1. 晶閘管相位控制電抗器 晶閘管相位控制電抗器(TCR)的單相電路的基本結(jié)構(gòu)就是雙向晶閘管與一個(gè)電感串聯(lián)。該電路與電網(wǎng)并聯(lián)，就相當(dāng)于電感負(fù)載的交流調(diào)壓電路的

26、結(jié)構(gòu)。 控制角的移相范圍為90o180o。由于是純電感負(fù)載，基波電流都是無功電流。90o時(shí)，晶閘管完全導(dǎo)通，導(dǎo)通角180o，相當(dāng)于與晶閘管串聯(lián)的電感直接接到電網(wǎng)上，這時(shí)其吸收的基波電流和無功功率最大。當(dāng)控制角在90o180o之間時(shí)，導(dǎo)通角180o。增大控制角的效果就是減少電流中的基波分量，因而減少了其吸收的無功功率。 圖(b)所示的TCR伏安特性曲線實(shí)際上是在導(dǎo)通角為某一角度時(shí)的等效感抗的特性曲線。在某一負(fù)載下，調(diào)節(jié)控制角，從而不斷調(diào)節(jié)導(dǎo)通角，也就使得TCR從其伏安特性上的某一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)轉(zhuǎn)移到另一穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)。也就決定了TCR的補(bǔ)償效果。TCR的結(jié)構(gòu)圖與伏安特性 單獨(dú)的TCR由于只能吸收感性的無

27、功功率，因此通常并聯(lián)電容使用，則吸收的無功功率為TCR與并聯(lián)電容器無功功率抵消后的無功功率，因而補(bǔ)償器的總的無功電流可以偏置到可吸收容性無功功率的范圍內(nèi)。另外，并聯(lián)電容器串聯(lián)上小的調(diào)諧電感還可兼作濾波器，以吸收TCR產(chǎn)生的諧波電流。補(bǔ)償特性是由控制晶閘管導(dǎo)通角決定的。2. 晶閘管投切電容器 雙向晶閘管的作用是將電容并入電網(wǎng)或從電網(wǎng)斷開，與之串聯(lián)的小電感是為了抑制電容投入電網(wǎng)時(shí)可能造成的沖擊電流。在工程實(shí)際中，將電容器分成幾組，每組都由雙向晶閘管控制投切。按照投入電容器組數(shù)的不同其伏安特性分別對(duì)應(yīng)圖(c)中的OA、OB、OC，可根據(jù)電網(wǎng)的無功需求投切這些電容器。TSC實(shí)際上就是斷續(xù)可調(diào)的吸收容性

28、無功功率的動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償器。3 . 靜止無功功率發(fā)生器 靜止無功功率發(fā)生器SVG將自換相橋式電路并聯(lián)在電網(wǎng)上，調(diào)節(jié)橋式電路交流側(cè)輸出電壓的相位和幅值，或者直接控制其交流側(cè)電流，使該電路吸收或者發(fā)出滿足要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償?shù)哪康摹?在單相電路中，與基波無功功率有關(guān)的能量是在電源和負(fù)載之間來回傳輸?shù)?。但是在平衡的三相電路中，無論怎樣的負(fù)載，三相瞬時(shí)功率的和是一定的，在任何時(shí)刻都等于三相總的有功功率。因此，在三相電路的電源和負(fù)載之間沒有無功能量的傳輸，各相的無功能量是在三相之間傳輸?shù)摹Ｋ?，如果統(tǒng)一處理三相無功功率，在總的負(fù)載側(cè)就不用設(shè)置無功儲(chǔ)能元件。因此，從理論上講，SVG的橋式電路的直

29、流側(cè)可以不設(shè)儲(chǔ)能元件。但實(shí)際上，考慮到變換器吸收的電流并不只含基波，也存在諧波，而諧波會(huì)造成少許無功能量在電源和SVG之間傳輸。所以，實(shí)際的SVG電路所需儲(chǔ)能元件的容量遠(yuǎn)比同容量的TCR和TSC要小。 改變控制系統(tǒng)的參數(shù)可以使伏安特性上下移動(dòng)。傳統(tǒng)的 SVC的運(yùn)行范圍是向下收縮的三角形區(qū)域。而 SVG 的運(yùn)行范圍是近似矩形的區(qū)域，因此 SVG 的運(yùn)行范圍比SVC大。與SVC相比，SVG的調(diào)節(jié)速度快，運(yùn)行范圍寬，而且，SVG使用的電感和電容比SVC中使用的電感和電容的容量小，減少裝置的體積和成本。SVG具有優(yōu)越性能，是動(dòng)態(tài)無功功率補(bǔ)償?shù)陌l(fā)展方向。SVG 的伏安特性 4. 有源電力濾波器(1) 基

30、本結(jié)構(gòu)組成 有源電力濾波器由指令電流運(yùn)算電路、電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路和主電路四部分構(gòu)成。（2）基本工作原理 檢測(cè)諧波源的電壓和電流，經(jīng)指令電流運(yùn)算電路計(jì)算出補(bǔ)償電流的指令信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)電流跟蹤控制電路、驅(qū)動(dòng)電路在主電路產(chǎn)生補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流與負(fù)載電流中要補(bǔ)償?shù)闹C波電流荷無功電流抵消，最終得到期望的電源電流。在圖中，設(shè)負(fù)載電流為iL，指令電流運(yùn)算電路檢測(cè)并計(jì)算出其中的諧波電流和無功電流iLh將其反極性后作為有源電力濾波器的指令電流ic*，有源電力濾波器的補(bǔ)償電流ic跟隨指令電流ic*的變化， ic與iLh抵消，于是電網(wǎng)電流is = iL - ic =iLfp，即等于負(fù)載的基波有功電流，使電源

31、電流成為正弦波，從而達(dá)到抑制諧波和補(bǔ)償無功的功能。 (3) 并聯(lián)型有源電力濾波器 圖中，負(fù)載為諧波源，變流器和電感組成有源電力濾波器APF，與APF并聯(lián)的一階高通濾波器，用于濾除APF所產(chǎn)生的補(bǔ)償電流中開關(guān)頻率附近的諧波。此處的原理圖均以單線圖畫出，可用于單相或三相系統(tǒng)。 并聯(lián)型有源電力濾波器主電路原理圖并聯(lián)型APF可以用于以下的多種補(bǔ)償目的： 補(bǔ)償諧波； 補(bǔ)償無功功率，補(bǔ)償?shù)亩嗌倏梢愿鶕?jù)實(shí)際需要連續(xù)調(diào)節(jié)； 補(bǔ)償三相不對(duì)稱電流； 補(bǔ)償供電點(diǎn)電壓波動(dòng)； 以上任意項(xiàng)的組合。 并聯(lián)型APF主要用于補(bǔ)償可以看作電流源的諧波源，如直流側(cè)為阻感負(fù)載的整流電路。并聯(lián)型APF本身表現(xiàn)出電流源的特性。 由于交流

32、電源的基波電壓直接(或經(jīng)變壓器)施加到APF的變流器上，且補(bǔ)償電流由變流器提供，故要求變流器具有較大的容量。(4) 串聯(lián)型有源電力濾波器 有源電力濾波器通過變壓器串聯(lián)在電源和諧波源之間，相當(dāng)于一個(gè)受控電壓源。 串聯(lián)型有源電力濾波器主要用于補(bǔ)償可看作電壓源的諧波源，如電容濾波型整流電路。串聯(lián)型有源電力濾波器輸出補(bǔ)償電壓，抵消由負(fù)載產(chǎn)生的諧波電壓，使供電點(diǎn)電壓波形成為正弦波。串聯(lián)型與并聯(lián)型可以看作是對(duì)偶的關(guān)系。串聯(lián)型有源電力濾波器主電路原理圖5. PWM整流電路PWM整流電路是一種高功率因數(shù)的整流器。 單相橋式PWM整流電路 由SPWM對(duì)VT1VT4進(jìn)行控制，就可在橋的交流輸入端AB產(chǎn)生一個(gè)PWM

33、波uAB， uAB中除含有和正弦參考波同頻率且幅值成比例的基波分量外，只含有和三角波載波有關(guān)的頻率很高的諧波。由于電感Ls的濾波作用，這些高次諧波電壓只使交流電流is產(chǎn)生很小的脈動(dòng)。如忽略這些脈動(dòng)，當(dāng)正弦信號(hào)波的頻率和電源頻率相同時(shí)，則交流輸入電流is為頻率與電源頻率相同的正弦波。在交流電源電壓es一定的情況下，is的幅值和相位僅由uAB中基波分量uABf的幅值及其與es的相位差來決定。UAB滯后Es的相角為，Is和Es完全同相位，電路工作在整流狀態(tài)，且功率因數(shù)為1。這就是PWM整流電路最基本的工作狀態(tài)。 在整流運(yùn)行狀態(tài)下，當(dāng)es0時(shí)，由VT2、VD4、VD1、Ls和VT3，VD1、VD4、Ls分別組成了兩個(gè)升