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电力电子装置的谐波分析与无功补偿

  近30年来,电力电子装置的应用日益广泛,也使得电力电子装置成为最大的谐波源。在各种电力电子装置中,整流装置所占的比例最大。通过分析其谐波成分,并有效采用相关无功补偿装置,是目前我们所关心的问题。本文将从几个方面对其做一简单论述,同时分析几种无功补偿装置的特点。


  一、谐波和功率因数对电网的影响


  晶闸管相控整流装置实质上是一个谐波源,随着其大量使用,装置容量日益增大,造成电网波形的畸变情况越来越严重,并且影响与其连接的用电设备。高次谐波流入电网和其他负载中会对电网产生一系列的影响和危害,大体体现在以下几个方面:


  (1)供电电源电压和电流波形发生较大程度的畸变。由于波形中含有各种成分的谐波,这样不仅使得电网中的其他用户的正常用电受到影响,还会危及电力电子装置本身,可能会使触发工作角不可靠。晶闸管工作不可靠,整流电路工作失真;


  (2)谐波的负序特性容易使自动控制装置和继电保护等敏感元件误操作;


  (3)高次谐波电流流入电网中,会使负载和线路的电流增大,从而占用电源容量,电网中的用电设备产生附加的功率损耗,功率因数大幅下降,电源工作效率也因而下降;


  (4)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;


  (5)并联在电源上用于无功补偿的电容器会发热,即热损耗增加。由于电容器的高频阻抗低,很容易通过大量的谐波电流们造成高次谐波电流放大,严重的谐波过载会损耗电容器;


  (6)谐波对电网中的旋转设备如异步电动机和变压器的主要危害是引起附加损耗和发热增加,此外谐波还会引起旋转设备和变压器振动并发出噪声,长时间的振动会造成金属疲劳和机械损坏。


  (7)对邻近的通信系统会带来干扰。由于开关过程的快速性等因素,在高电压大电流下,在一定范围内将产生电磁干扰,影响通信设备的正常工作。


  (8)谐波会引起公用电网中局部的并联谐振和串联谐振,过电压使谐波放大,引起电缆击穿事故;


  二、整流电路交流侧谐波与功率因数分析


  目前,常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路,其中以三相桥式为最多。带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟悉。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严惩的谐波污染源。这种电路输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同,因而基波功率因数接近1。但其输入电流的谐波分量却很大,给电网造成严重污染,也使得总的功率因数很低。


  下面以三相桥式全控整流电路为例进行分析:


  以感性负载为例,假设电感很大: ,负载电流连续,且其波形为一水平线:


  而变压器二次侧电流为占空比为0.5的矩形波,且其幅值大小为 。傅里叶分解得到其含有的谐波分量为:


  基波电流有效值为:


  次谐波电流有效值为:


  结论:


  (1)电流中仅含 次谐波,不含3的倍数次谐波,也不含偶次谐波;


  (2)各次谐波幅值与谐波次数成反比,即谐波次数越高,谐波电流有效值越小。


  三、静止无功补偿的发展


  为了提高供用电系统及负载的功率因数,降低设备容量,减小功率损耗,以及稳定受电端及电网的电压,提高电网质量。减小无功功率冲击,故在长距离输电线合适的地方设置动态无功补偿装置,此外还可以改善输电系统的稳定性,提高输电能力;


  (一)早期无功补偿装置


  (1)同步调相机


  同步调相机实质上是只发无功功率的同步电动机,它在过励运行时向系统供给无功功率,欠励运行时从系统吸收无功功率。因此改变同步调相机的励磁,可以平滑地调节所在地区的电压。


  (2)并联电容器


  电容器所供出的无功功率 与其端电压的二次方成正比,―电容器的容抗。


  (二)静止性无功补偿装置SVC


  SVC可快速改变发出的无功,具有较强的无功调节能力,可为电力系统提供无功电源、调节系统电压,当系统电压较低、重负荷时能输出容性无功;当系统电压较高、轻负荷时能输出感性无功,将供电电压提高到一个合适的水平。SVC通过动态调节无功功率,抑制波动冲击负荷运行时引起的母线电压的变化,有利于暂态电压变化,提高系统电压稳定水平。


  静止无功补偿装置包括晶闸管控制电抗器TCR和晶闸管投切电抗器TSC以及一些混合装置等等。


  SVC可以达到下述的目的:


  (1)维持电力系统的暂态、静态稳定;


  (2)抑制电力系统的功率振荡,尽量使其维持在一个稳定的状态;


  (3)使谐振过电压、工频过电压等暂时过电压数值得以减少;


  (4)减少线损,提高输电线路的输电能力;


  (5)矫正非对称控制,优化电网的能量流动。


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