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晶闸管整流技术在电力机车、充电装置、开关电源等很多方面已被普遍采用,它采用移相原理,从电网吸收的是半周正弦波,留给电网剩下的是半周正弦波,这种半周正弦波分解后能产生大量的谐波。
变频原理常用于水泵、风机等设备中。
变频一般分为交-直-交变频器和交-交变频器,前者将380V50Hz工频电源经三相桥式可控硅整流变成直流电压信号,滤波后由大功率晶体开关元件逆变成可变频率的交流信号;
后者将固定频率的交流电直接转换成相数一致但频率可调的交流电。
两者均采用相位控制技术,所以在变换后会产生含复杂成分的谐波,所以也会对电网造成严重的谐波污染.
电力系统的谐波源大致可以分为3种:
第1类是含有变压器等铁磁非线性的谐波源。
这种谐波源在电力电子装置大量应用之前,现在这类谐波源在电力系统谐波源中所占比例并不大;
第2类是电弧焊机、电弧炉这种强非线性、冲击性负载的负载,电弧炉电流中不仅含有奇次谐波,还含有偶次谐波,频率也在0.1~30Hz之间大范围变化;
第3类就是各种交直流的电力电子变换器,电力电子变换装置是目前主要的谐波源。
对于电力电子装置谐波源,人们一般将谐波源分为电压型谐波源和电流型谐波源。
大功率变流装置一般为电流型谐波源;
直流侧电容滤波的整流器属于电压型谐波源,以电压源的形式向电网中注入谐波,由于它在电力电子装置中的应用日益广泛(如变频器、开关电源、UPS和电子镇流器等),使得电压型谐波源已成为电网中另一种主要的谐波源。
2.电铁牵引负载谐波源分析【2】
电铁牵引负载是电力系统的主要谐波源之一。
目前客运、货运大量采用的交一直型电力机车,其从网侧汲取基波电能的同时以谐波源的形式向电网注入大量谐波(以低次谐波为主),进而影响电网的电能质量。
牵引负载是典型的大功率谐波源,与一般的电力系统负荷相比具有不对称性和波动性的特点。
大部分交一直型电力机车采用晶闸管相控整流电路并在其直流侧加装平波电抗器。
由于平波电抗器和牵引电机励磁绕组的存在,流过牵引电机的电流为带波纹的近似直流。
对于直流侧电流脉动较轻的情况,可忽略其直流脉动,并计及整流电路的换相过程,所以牵引负载直流侧的电流大小及交流侧电流的波形主要由其本身的特性所决定,基本与交流侧电网参数无关,可将其视为谐波电流源。
电力机车谐波产生的机理简单的说就是正弦电压加于非线性负载之上。
其主电路中包括整流管、晶闸管、机车主变这些非线性元件,在机车运行时是谐波产生的根源。
主电路在结构上分为整流调压电路、牵引电路、制动电路。
电力机车之所以要调压,正是由于机车运行于不同牵引工况时,可以使其在工作范围内获得任意的速度和牵引力。
牵引工况指各种类型的机车在不同的牵引变电所、牵引供电方式、行车密度、牵引负载(重量)大小以及有无滤波和无功补偿装置等条件下所处的运行状态。
电力机车的负荷构成以牵引回路(整流调压电路、牵引电路、制动电路)为主,其负荷特性主要由牵引回路决定。
为方便分析牵引回路在调压过程中的负荷特性和谐波特征,暂且忽略整流电路的换相过程,且将牵引负载看作理想的谐波电流源。
车载变压器次边绕组电压可认为是正弦波,则从原边看进去可将调压过程视为对次边绕组电压
和整流电路交流侧电流
的调整,并且电流的波形只与晶闸管的触发延迟角有关。
与此相对应的整流电路交流侧各次谐波电流、基波电流的有效值
及其与基波电压的相位差
可由整流电路交流侧电流做傅里叶级数分解得到。
考虑到不同频率的电压电流之间不产生有功功率,则整个牵引回路的有功功率P及无功功率Q为
式中:
Qf为基波产生的无功功率;
D是谐波产生的无功功率。
可见机车运行于不同的牵引工况,决定了其消耗的有功和无功功率;
同时也决定着牵引回路的工作状态,也即谐波产生的根源。
机车谐波电流的决定因素如图1所示。
图1谐波电流决定因素
从能量的角度出发,整个牵引系统的全部功率来自网侧供电系统提供的基波功率。
因非线性负载电力机车的存在,当基波功率流向机车后,大部分被机车消耗,少部分基波功率会转化为谐波功率并返还给系统造成系统损耗。
同时电力机车作为单相不对称负载将导致三相供电系统不平衡,而供电系统供给机车的功率可视为正序功率,因此可以认为机车运行于不同的牵引工况时,反应到网侧对应的就是牵引网与供电系统交换的基波正序有功及无功功率。
用机车与网侧供电系统交换的三相基波正序功率来作为模型的激励,用以评价牵引负载的谐波特性,给出模型的基本形式为
式中:
为注入网侧的、某相的h次谐波电流相量;
P1、Q1为机车与供电系统交换的基波正序有功及无功功率;
C为模型参数集合。
从上式可以看出,相比于以上2种牵引负载谐波源模型,本文所给出的模型因用三相基波正序功率作为激励,在求解谐波电流时可以不用再进行基波潮流计算以获取,给实际工程运用带来了很大的便利。
现以某一变电站网侧A相为例,采样间隔为3s,由于网侧电压变化均在一定的范围之内,且谐波源建模的目的不仅要正确反应谐波源的特性,也必须适用于谐波潮流计算,为此本文选择静态模型中的多项式模型来描述牵引负载谐波源。
同时将谐波电流正、负序分量的实部和虚部分别建模,以便进行谐波的正、负序潮流计算。
2.1牵引工况分类
首先从数据采集现场可以直接得到的是:
3个牵引变电所均采用直接供电方式;
主变的接线形式分别是YN-dl1接线、V/V接线和阻抗匹配平衡变压器接线;
网侧采用并联电容器进行无功补偿,并由无源滤波器滤波。
通过对实测数据的分析可大致确定电力机车的类型、运行状态和牵引侧负荷分布。
由3个牵引变电站的网侧谐波数据分析可知,电力机车注入牵引供电系统的主要是低次谐波(3、5、7次谐波),且谐波的频谱较窄。
图2谐波次数
图2为阻抗匹配平衡变压器接线的牵引变电所0.5h内A相基波和各次谐波电流有效值的平均值所绘柱状图,且在这段时间内基波与各次谐波含量的变化不大,B相和C相谐波电流的分布与A相一致。
因此可以从3个牵引变电站获得实测数据对论述和仿真可知,由于交一直一交型电力机车产生的谐波中低次谐波含量大幅减少且谐波的频谱较应的时间段确定牵引负载是交一直型电力机车。
从牵引供电系统网侧的功率数据中可以确定机车的运行状态。
当功率P>
0,Q>
0时,机车从电网获取有功和无功功率,基波及各次谐波变化相对比较稳定,为正常的级位运行状态;
当功率P<
0,Q<
0时,实测数据的幅值较大并持续了一段时间,此时机车向电网反送有功及无功能量,国内某些机车的整流调压电路采用全控整流电路,此时机车的电制动方式为再生制动;
当P>
O时,机车从网侧汲取有功功率,并向电网反送无功功率,机车运行于无功过补偿状态。
在己知3种牵引变压器构造的基础上,可以清晰地通过牵引侧两供电臂上的电流数据判定是单臂有机车,还是两供电臂上都有机车运行,从而确定牵引侧负荷分布。
至此根据实测数据及以上判据将牵引工况分做典型的7大类,而某些牵引工况又有若干组数据样本,则将其一列为事件,如表1所示。
表1牵引工况分类
同一类牵引工况的各组数据样本不同的是采样起始时间、样本容量和在这段时间内机车的平均功率
,有
n为采样点数,Pn为第n个采样点的有功功率。
2.2各牵引工况谐波源建模
建立以机车与网侧供电系统交换的基波正序功率为激励、谐波电流为响应的多项式模型,还需要确定多项式模型的阶数,并对模型的参数进行辨识。
并对模型的参数进行辨识,要求所建多项式模型在保证一定精度的情况下,尽量减小多项式模型的阶数,以提高其工程实用性。
以相关系数不小于0.9的原则确定阶数为5。
对网侧任意次谐波,其正、负序电流为
对序电流的实部或虚部给出写不远电流模型表达式
C1`--C11为为模型的参数。
特别要说明的是当机车停运,即有功无功为零时,令C1`等于零。
为辨识模型参数,设目标函数为
式子中:
Ihs为第h次谐波电流的实测有效值;
P1,Q1为实测功率。
多项式模型的参数集合C可由目标函数J得到最小值时唯一确定。
3.总结
现代电力系统具有功率处理与控制的特点,与传统电力系统相比,由于大量电力电子装置的投入,造成了日益严重的谐波污染问题,对谐波的综合治理已迫在眉睫,谐波问题的研究涉及到许多相关学科,因此,必须努力加强在应用基础方面的研究方面,跟踪并赶超世界发达国家在谐波治理方面的先进技术,推动我国电力系统谐波综合治理的进程。
二.谐波治理的相关问题
鉴于谐波源导致的谐波问题越来越严重,而在生产生活中人们对电能质量的要求又越来越高,治理谐波的问题便成为人们关注的焦点。
现阶段,抑制谐波的主要措施便是滤波。
滤波装置主要分为有源滤波和无源滤波。
1.无源滤波装置【3】
无源滤波装置一般由一组或数组单调谐滤波器组成,有时再加一组高通滤波器。
单调谐滤波器利用RLC电路串联谐振原理构成。
在具体过程中接线可以灵活多样。
例如,可以将电抗器接到母线和电容之间;
电容器可以采用星型或三角型接线等,但推荐将滤波电抗器和电阻器均接在电容器的低压侧,整个滤波器采用星型接法,其主要优点是:
(1)一相中任何一个电容器击穿时,短路电流较小。
(2)电抗器不承受短路电流冲击,且只需采用半绝缘,因为在系统单相接地时,电抗器对地电压仅为相电压。
(3)便于分相调谐。
(a)单调谐滤波器(b)双调谐滤波器(c)一阶减幅型滤波器
(d)二阶高通滤波器(e)三阶高通滤波器(f)C型阻尼滤波器
在有些工程中采用双调谐滤波器,在谐振频率附近实际上他相当于两个并联的单调谐滤波器,他同时吸收两种频率的谐波。
与两个单调谐滤波器相比,基波损耗较小,只有一个电抗器承受全部冲击电压。
高通滤波器有一阶减幅型,二阶减幅型和三阶减幅型。
一阶减幅型由于基波功率损耗太大,一般不采用;
二阶减幅型的几波损耗较小,且阻抗频率特性较好,结构也简单,因此工程上用的最多;
三阶减幅型的几波损耗最小,但阻抗频率特性不如二阶的,用的也不多。
安装滤波器的主要目的在于消除或减少流入系统的谐波电流,同时可以提供一定量的无功功率,以改善功率因数。
图为等值电路
图3系统谐波电流等值电路
系统母线n次谐波电压
流入系统的n次谐波电流
流入滤波器的n次谐波电流
式中,Zfn为滤波器的n次谐波阻抗;
Zsn为系统的n次谐波阻抗。
流入系统的n次谐波电流系数
系统母线上的n次谐波电压值
由上式可知,Ksn值越小,则流入系统的n次谐波电流就越小,n次谐波电流引起的系统谐波电压也越小。
也即Ksn值越小,滤波器的滤波效益越好。
实际上设置的滤波器要吸收全部的谐波电流是不可能的,只能减少流入系统的n次谐波电流量,其减少的程度与滤波器的参数密切相关。
如果参数选择不当,不仅达不到应有的滤波效益,而且还可能使流入系统的谐波电流放大,甚至会发生滤波器与系统、滤波器与支路间的谐振。
下面以单调谐滤波器为例,详细描述它的工作情况。
单调谐滤波器是调谐到某一谐振频率的一个串联的电感、电容、电阻电路。
其阻抗为
如果在调谐频率下使单调谐滤波器的阻抗为一个纯电阻,则调谐频率为
式中,
为工频角速度,
,f1为工频。
谐振时,电感线圈或电容的电抗值为
这样单调谐滤波器能有效的吸收n次谐波电流。
无源电力滤波器具有结构简单、造价低等优点得到广泛应用,但无源滤波器的滤波效果并不理想但,由于系统存在一定的偏差,以及滤波器参数因环境而有细微的变化都会会使滤波器失谐,脱离谐振点,这是单调谐滤波器最大的缺点。
在许多场合,由于各种因素的制约,采用无源滤波器后,谐波水平仍达不到相关标准要求。
设计不良的无源滤波器还可能在滤除某些频率谐波的同时导致另外一些频率的谐波被放大。
有源电力滤波器是电力谐波治理技术的最新发展方向,具有许多无源滤波器无法比拟的优点。
2.有源滤波装置
有源电力滤波器(APF)作为解决电网谐波污染的有效措施,在中小型功率工程中得到了成功应用。
有源滤波器主电路拓扑结构分类:
从不同的观点出发,有源电力滤波器具有不同的分类标准。
2.1有源滤波装置分类:
【4】【5】
根据接入电网的方式,有源电力滤波器可以分为串联型、并联型和串-并联型三大类。
串联型有源滤波器:
串联型有源滤波器经耦合变压器串接入电力系统,如图4所示,其可等效为一个受控电压源,主要是消除电压型谐波以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。
图4串联型有源电力滤波器
串联型有源电力滤波器应用在直流系统中时,耦合变压器的系统接入侧很容易出现直流磁饱和问题,所以只在交流系统中采用。
与并联型有源电力滤波器相比,由于串联型有源电力滤波器中流过的是正常负荷电流,因此损耗较大;
此外,串联型有源电力滤波器的投切、故障后的退出及各种保护也较并联型有源电力滤波器复杂。
目前单独使用串联有源电力滤波器的例子较少,研究多集中在其与LC无源滤波器所构成的串联混合型有源电力滤波器上。
并联型有源电力滤波器与系统并联等效为一个受控电流源,如图5所示。
有源滤波器向系统注入与谐波电流大小相等方向相反的电流,从而达到滤波的目的。
并联型有源电力滤波器主要适用于电流源型感性负载的谐波补偿,技术上已相当成熟,工业上已投入使用的有源电力滤波器多采用此方案。
图5并联型有源电力滤波器
与串联型有源电力滤波器相比并联型有源电力滤波器通过耦合变压器并入系统,不会对系统运行造成影响,具有投切方便灵活以及各种保护简单的优点。
但是当单独使用并联型有源电力滤波器来滤除谐波时,有源电力滤波器容量要求很大,这样会带来一系列的问题,如工程造价高、电磁干扰、结构复杂以及高的功率损耗等。
串-并联型有源电力滤波器如图6所示,相关文献称之为统一电能质量调节器(UPQC)。
它综合了串联型和并联型两种结构,共同组成一个完整的用户电力装置来解决电能质量的综合问题。
其中,直流侧电容器或电感储能装置是串联型和并联型有源滤波器所公用的,串联有源电力滤波器起到补偿电压谐波、消除系统不平衡、调节电压波动或闪变、维持系统电压稳定性或阻尼振荡的作用。
并联变流器起到补偿电流谐波不平衡、补偿负荷的无功、调节变流器直流侧电压的作用。
因此这种统一电能质量调节器可以实现短时间不间断供电、蓄能、无功补偿、抑制谐波、消除电压波动及闪变、维持系统电压稳定等功能,被认为是最理想的有源滤波器的结构。
这种结构既可用于三相系统,又可以用于单相系统。
但是其主要缺陷在于成本较高(需要较多的开关器件)和控制复杂。
图6串—并联型有源电力滤波器
串联APF与并联无源滤波器组成的混合有源电力滤波器(简称SHAPF)。
该方案结合了无源滤波器和有源电力滤波器的优点,具有很好的滤波性能,而且容量较小。
大部分谐波由成本较低的无源滤波器滤除,因此APF的容量可以很小,装置的容量可以做得很大,其结构如图7所示。
串联APF可看成是与系统串联的受控电压源,其输出电压和谐波电流成正比。
对于谐波电流,串联APF可以等效为一个电阻,阻值为输出电压与谐波电流的比值;
对工频,APF则呈现极低的阻抗。
无源滤波器组通常由5次、7次LC调谐滤渡器跟一个高通滤波器组成。
当APF的谐波等效阻抗远远大于电网阻抗和无源滤波器阻抗时,负载谐波电流强制流人无源滤波器,线路只剩下很小的谐波电压和电流。
图7SHAPF
但是对于低次谐波处,串联APF的等效阻抗却不能远远大于无源滤波器的等效阻抗,无法实现完全隔绝。
对于负荷变化范围大的电网,PF在轻载时引起的容性基波电流往往变得比较突出。
另外,由APF强制流人PF的谐波电流,有一部分是PF无法滤除的,这样将在负载输入端产生谐波电压;
而当电网电压发生严重畸变,较小的谐波电压将在LC滤波器上产生较大的谐波电流,这些都会给电网造成一定的谐波污染。
并联APF与并联PF组成的混合有源电力滤波器。
结构框图如图8所示。
其中PF滤除大部分的谐波,APF用于谐波补偿,对APF的容量要求很小。
但是,这种结构也存在着一定的缺点。
在APF与PF之间以及电网与APF之间存在着谐波通道,可能使APF注入电网的谐波又流人PF及系统中。
图8并联APF与并联PF组成的混合有源电力滤波器
APF与PF串联后与电网并联。
其结构如图9所示。
在这种结构中,APF可看作是电流控制电压源,由于PF的存在避免了电源电压直接加在APF的逆变桥上。
该方案可以等效为SHAPF型。
其优点是,注入变压器接在Y型连接的PF的中性点上,方便保护和隔离,适于高电压系统的应用;
缺点是对电网中的谐波电压非常敏感。
图9APF与PF串联后与电网并联结构框图
2.2有源滤波器构成及工作原理
无论有源电力滤波器如何分类,它都是由几个共同的部分构成,即谐波检测环节、控制系统、主电路、保护电路以及耦合变压器等主要部分构成,如图10所示【6】。
其基本工作原理为:
首先通过谐波检测环节检测出系统中的谐波并给出需要补偿谐波的参考值,然后通过控制系统根据该参考值产生相应的脉冲,控制主电路产生补偿电流或者电压跟踪该参考值,起到补偿效果,有源电力滤波器通过耦合变压器接入系统。
图10有源滤波器的系统构成
2.2.1谐波检测
谐波检测环节的基本工作原理为:
预处理环节将电压或电流互感器输出的电流信号转化为电压信号并进行适当的滤波与放大(实际中总存在一定的高频噪音,因此一般都要对信号进行一定的滤波及进行放大或缩小),有源电力滤波器对谐波信号的时间同时性要求较高,因此一般情况下应该对所需信号进行同步采样,所以需要加采样保持电路,即在同一时刻对输入信号进行采样。
将采样信号保持起来,然后分别进行A/D转换,将模拟量转化为数字量。
目前用于谐波检测算法通常有两种,一种是快速FFT分析法,另外一种方法是瞬时无功功率理论,其中大多采用瞬时无功功率理论进行谐波检测。
2.2.2控制系统及控制策略
有源电力滤波器的控制系统及选用的控制算法是其滤波效果好坏的关键。
有源电力滤波器的控制系统主要有模拟控制系统、数字控制系统以及数字模拟混合控制系统三类。
近年来随着微电子技术的快速发展,各种数字处理芯片的性能大大提高,因此有源电力滤波器的控制系统逐步由模拟控制系统转化为模拟数字混合控制系统及纯数字控制系统。
下面主要介绍有源电力滤波器的数字模拟混合控制系统与数字控制系统。
(1)数字模拟混合控制系统
有源电力滤波器的控制系统一般由两个部分组成,即控制算法部分和触发脉冲产生部分。
其中控制算法处理部分对谐波检测环节送来的数字信号进行处理,采用谐波检测算法,快速检测出需要的谐波与有源滤波器产生的谐波进行比较,根据其差值采用一定的控制方法产生触发脉冲信号送给触发脉冲发生部分。
而触发脉冲发生部分根据该信号产生适当的驱动脉冲去驱动有源电力滤波器的变流器,使其产生的谐波电流或电压与所需的谐波电流或电压相同,从而达到谐波补偿的效果。
所谓数字模拟混合控制就是通过数字电路检测并产生所需补偿的参考谐波信号,获得参考谐波信号后,通过模拟电路实现谐波跟踪(通常为比例积分PI控制),PWM脉冲控制具有更快的速度和更高的分辨率。
(a)滞环控制
此类控制器中滞环比较器由于产生的补偿电流参考信号能够快速准确地跟踪谐波电流变化,具有很好的实时性,所以在有源滤波器中得到了广泛的应用。
滞环比较控制采用滞环比较器,把检测出的补偿电流信号与实际产生的补偿电流进行比较,两者的偏差作为滞环比较器的输入,通过滞环比较器产生控制主电路中开关通断的PWM信号,从而控制补偿电流的变化。
此类控制器中由于滞环比较器产生的补偿电流参考信号能够快速准确地跟踪谐波电流变化,具有很好的实时性,所以在有源滤波器中得到了广泛的应用。
滞环比较控制的特点可归结为:
硬件电路十分简单;
属于实时控制方式,电流响应很快;
不需要载波,输出电压中不含特定频率的谐波分量;
属于闭环控制方式;
若滞环的宽度固定,则电流跟随误差范围是固定的,但是电力半导体器件的开关频率是变化的。
在采用滞环比较器的瞬时值比较方式中,滞环的宽度通常是固定的,由此导致主电路中电力半导体器件的开关频率是变化的。
尤其是当实际补偿电流变化的范围较大时,一方面,在它的值小的时候,固定的环宽可能使补偿电流的相对跟随误差过大;
另一方面,在它的值大的时候,固定的环宽又可能使器件的开关频率过高,甚至可能超出器件允许的最高工作频率而导致器件损坏。
另外,由于开关频率不固定,增加了高通滤波器及连接电抗器参数设计的难度。
针对采用滞环比较器的瞬时值比较方式在环宽固定时的这一缺点,一种解决的方法是将滞环比较器的宽度H设计成可随补偿电流的的大小而自动调节的;
另一种方法是采用定时控制的瞬时值比较方式,该方式中,用一个由时钟定时控制的比较器代替滞环比较器。
每个时钟周期对补偿电流变化量判断一次,使得PWM信号需要至少一个时钟周期才会变化一次,器件的开关频率最高不会超过时钟频率的一半。
这样时钟信号的频率就限定了器件的最高工作频率,从而可以避免器件开关频率过高的情况发生。
该方式的不足是,补偿电流的跟随误差不是固定的,从波形上看,就是毛刺忽大忽小。
(b)三角波控制
参考电流信号由微处理器通过D/A转换变成模拟信号送到模拟控制部分。
有源电力滤波器的补偿电流与参考电流进行比较,通过比例积分环节后成为调整信号,与三角波发生电路产生的作为载波信号的三角波进行比较,获得驱动有源滤波器逆变器的PWM驱动脉冲。
当控制信号大于锯齿波,则PWM脉冲信号为高电平;
相反,则为低电平。
与瞬时值比较方式相比,该方式具有的特点:
硬件较为复杂;
跟随误差较大;
输出电压中所含谐波较少,但是含有与三角载波相同频率的谐波;
器件的开关频率固定
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