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探讨电力电子技术及谐波治理

2011-05-25 11:59:19本站

  1电力电子技术及其发展

  美国贝尔实验室于1956年研制出世界上第一只晶闸管(SCR),标志着电力电子(电子代工行业涨价成风)技术的开始。

  80年代以来,电子技术的两大分支——微电子技术与电力电子技术的有机结合产生了新一代多功能集成高频化全控型的功率器件,具有代表性的是可关断晶闸管(GTO),电力晶体管(GTR),功率场控晶体管(MOSFET),绝缘门极晶体管(IGBT)等,它们已经形成了一个全控型电力电子器件的系列,并使得电力电子变换电路及其控制电路不断取得突飞猛进的发展。

  现代电力电子技术利用电力电子器件对电能进行变换和控制,是一门综合电力半导体器件,电力变换技术,现代电子技术,自动控制技术等许多学科的边缘交叉学科,在为现代通讯,电子仪器,计算机,工业自动化,电网优化,电力工程,国防及某些高新技术提供高质量,高效率,高可靠性的电能方面起着关键的作用。

  1.1电力电子器件

  电力电子器件的出现和发展产生了电力电子技术。从50年代起,电力电子器件已经历了好几代发展。根据器件的开关控制特性,迄今为止的电力电子器件有3种类型:(1)不控型器件:指无控制端口的二端器件,如电力二极管。

  (2)半控型器件:指有控制端口的三端器件,但控制端在器件导通后即失去控制作用,如SCR.(3)全控型器件:指有控制端口的三端器件,控制端同时具有控制器件通断状态的能力,如GTO,IGBT.当前国内外电力电子器件的发展方向是高频化,全控型,低损耗,易驱动,集成智能化。现今,又由IGBT派生出IGPT,IGCT及IPM等集成模块。随着现有电力半导体器件性能的不断完善,新型材料和器件的出现及各种先进加工技术的研制,电力电子器件将会朝着高电压,大容量,高集成及智能的方向飞速发展。

  1.2电力电子变换技术

  电力电子变换电路的基本功能是将电网的电能转换为负载需要的形式,不论电路拓扑结构如何,其基本转换电路只有4种形式(1)整流电路AC-DC;(2)斩波电路DC-DC;(3)逆变电路DC-AC;(4)交流变换电路AC-AC. 1.3电力电子控制技术

  电力电子控制电路的基本功能是应用自动控制理论和计算机技术来提高系统的性能,一般的控制方式有:相控方式,频控方式,斩控方式,相频控制方式及斩频控制方式。

  先进的控制方式对改进变换电路的性能和效率是必不可少的关键技术之一2电力电子技术发展所产生的负面影响

  随着电力电子装置的广泛使用,带来了很多负面影响:如电网品质恶化,装置的功率因数降低和无功消耗增大,负载的波形发生畸变等,。

  无功功率对电网造成的影响是众所周知的,它主要表现在以下3个方面:(1)频繁的无功功率负载冲击会引起电网电压的波动,使供电质量严重降低;(2)增加电网上所连设备的容量;(3)

  增加设备和线路的损耗。

  谐波产生的危害主要有以下几方面:(1)谐波使电能产生和传输环节的效率降低;(2)谐波使连在电网上的用电设备不能正常工作,比如引起振动,产生噪声以及电机过热甚至烧毁等;(3)

  谐波很容易使电网上无功补偿电容器和系统中的电抗器产生谐振,从而烧毁电容器及电抗器;(4)

  谐波会导致继电保护和自动装置的误动作,使自动控制系统失效;(5)谐波对电能的计量提出了一个新的课题;(6)谐波还会对通信系统产生干扰,严重的可以导致信息丢失,通讯设备中断等。

  3电力系统谐波抑制及补偿技术的研究

  为把电网中的谐波控制在允许范围内,各国相继制订并颁布了限制电力系统无功和谐波的法规或由权威机构制订限制谐波和无功的规定,导则。在国际上比较着名的标准为IEEE519和IEC555-2<5>。我国国家技术监督局批准并颁发了《电能质量――公用电网谐波》。该标准对谐波和谐波电流的合成方法作了明确说明,将我国低压电网(0.38kVAC)的电压总谐波畸变率定为5%,且规定奇次谐波电压含有率低于4%,偶次谐波电压含有率低于2%.为了满足谐波标准的要求,有必要对电网中的谐波和无功进行抑制及补偿。目前,装设谐波补偿装置来补偿谐波属于比较可行的措施,主要有两种治理方式:无源滤波器与有源滤波器,及由其两者结合产生的混合有源滤波器,一般将混合有源滤波器归为有源滤波器的种类中去,作为有源滤波器发展的一个分支。

  3.1无源电力滤波器

  用无源电力滤波器进行抑制谐波,补偿无功和提高电网的功率因数。它利用电感,电容元件的谐振特性,在阻抗分流回路中形成低阻抗之路,从而减小流向电网的谐波电流。无源滤波器(PPF)具有初期投资小,运行效率高等优点。

  但PPF的滤波效果受电力系统阻抗的影响较大,且只能消除特定次数的谐波,还可能与系统发生串,并联谐振,导致谐波放大,使设备过载甚至烧毁,而且装置笨重,体积大,有效材料消耗多。

  3.2有源电力滤波器

  与PPF相比,有源电力滤波器(ActivePower Filter,简称APF)<6,7>具有明显的优越性能,具体表现在:(1)不仅能补偿各次谐波,还可同时补偿无功功率,抑制闪变,调节和平衡三相不平衡电压等;(2)滤波特性不受系统阻抗和频率的影响,可消除与电网阻抗发生串,并联谐振的危险,且对外电路的谐振具有阻尼作用(3)具有自适应能力,能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿;(4)不存在过载问题,当负载谐波电流较大时,控制电路易实现限流保护以提高系统的安全性。

  由于上述优点,APF作为综合治理电网污染,提高电网稳定性和改善电能质量的一项关键技术得到广泛的关注,成为研究的热点。对APF的研究主要分为以下几个方面:拓扑结构,谐波检测方法,直流电压控制,电流跟踪控制,PWM调制方法,将在本文依次进行综述介绍。

  3.2.1拓扑结构

  目前投入使用的APF种类繁多,其分类方法也多种多样。根据应用场合的不同,APF可分为有源直流滤波器和有源交流滤波器两大类。前者主要用来消除高压直流系统中换流器直流侧的电压,后者则应用于交流电力系统;根据APF的逆变电路储能元件的不同,分为电流型和电压型两种。电压型滤波装置效率高,初期投资小,可任意并联扩容,易于单机小型化,经济,适用于电网级谐波补偿。目前实用装置90%以上为电压型,技术相对成熟,完善。电流型滤波装置作为非正弦电流源来满足非线性负载的谐波电流要求,其结构简单,性能可靠,但损耗较大,不适用于大容量系统。

  比较具有应用价值的分类方法是通过APF与电网的连接方式来进行,则APF可分为并联型和串联型。并联APF并联接入电网,其主要功能是消除负载引起的谐波电流,也可以补偿无功和平衡三相电流。并联型APF的优点是它只流过补偿电流和小部分基波有功电流,方便多台并联使用,可以适用于多种容量场合的应用。串联型APF,通过向电网中加上或从电网电压减去一个瞬时电压,使负载侧电压维持一个纯正弦波。与并联APF相比,其主要缺点是流过很高的负载电流,使得变压器的额定参数上升,体积变大。它的主要优点是能补偿电网谐波电压和三相不平衡电压,对电压敏感性负载尤为适用。目前,实际应用装置中并联型APF占了大多数。

  虽然APF能实现大容量和低损耗以及多功能,但由于受开关器件的限制,容量的增大往往有限,而且造价随之增大,性价比大大降低。而PPF具有结构简单,造价低廉等特点,人们便提出各种由APF和PPF相结合的混合型APF来减小APF的容量,提高装置的经济性。

  PPF和小容量串联型APF混合使用,PPF仍起主要的滤波和无功补偿作用,APF主要用来增大电源和PPF间串联和并联谐振的阻尼,改善PPF滤波特性。另外,APF还能抑制因电源电压中可能存在的谐波电压而产生流向PPF的谐波电流。该电路对APF的容量要求不高,不超过负载容量的1.6%,总损耗约为负载容量的0.2%.但由于APF串联于电路中,当负载过载时APF也将过载;很难把APF与电网隔离开,易发生短路。APF一旦发生故障也将危及电网;对电网电压的闪变没有作用。

  并联APF和PPF混合并联使用,APF只消除少部分谐波,而PPF则消除大部分谐波,这样就可以在增加很少的功率开关费用的条件下,对大功率系统进行补偿。其主要缺点是PPF与APF之间会存在环流电路,影响谐波补偿效果。

  并联型APF也可以与PPF混合串联使用,通常将其称为并联混合APF.此种拓扑结构中,APF主要不是用来直接补偿谐波和无功功率,而是用来抑制PPF与电网阻抗之间的并联谐振,即所谓的谐波放大(与电网谐振)现象,以改善PPF的谐波补偿特性,其中逆变器因不承受基波电压而使其容量大大减小。同时APF通过的电流为PPF流过的基波无功和谐波电流,不存在过电流的危险;APF发生的故障也不会危及电网。目前,此类混合APF应用比较广泛,性能价格比比较好。

  另外,为了充分发挥并联APF和串联APF优点,可以将二者组合起来使用,这就是统一电能质量调节器(UPQC),串联APF通过变压器接入主电路中,具有谐波隔离,电压调节以及电压闪变和不平衡的补偿等作用;并联APF直接与主电路相连,起谐波和负序电流消除,无功电流补偿和直流母线电压调节作用。两个APF都采用电压型逆变器结构,共用直流电容器,损耗低,效率高;整个装置可以消除非线性负载引起的电源电压谐波畸变,调节负载端电压,消除负载产生的谐波电流。但是因为串并联两个逆变器的开关模式互相依赖,因此控制起来比较复杂,而且装置成本较高。

  为了进一步降低APF承受的基波电压,降低APF的容量,可以考虑采用LC串联或并联谐振电路作为注入电路,串联谐振注入式APF中,LC电路在基波频率处发生串联谐振,阻抗近似为零,迫使无功电流流入LC电路,逆变器基本不承受基波电压及基波无功电流,所以此类型混合APF比较适用于无功补偿量大的场合;而对于谐波而言,LC电路阻抗很大,相当于开路,APF产生的补偿电流都注入电网,不会进入LC电路。并联谐振注入式APF的LC电路在基波频率处发生并联谐振,阻抗很大,基波电压绝大部分降落在LC电路上,对于谐波成分,LC电路阻抗极小,而且远远小于支路中的另一个电感的谐波阻抗,保证APF产生的谐波电流顺利注入电网,达到补偿谐波电流的目的。

  综上所述,APF及其派生的拓扑结构种类非常多,功能侧重点不同,但是目前混合拓扑结构比较实用,而且其中的并联混合APF应用最为广泛,实际应用中,其无源部分一般由一个单调谐PPF或者若干个单调谐加一个高通PPF组构成。

  3.2.2有源电力滤波器的控制策略

  控制策略是有源电力滤波技术的核心问题,对有源滤波器的控制包括对直流侧电容电压的控制和对有源滤波器输出电流的跟踪控制。一般说来,可以分为开环控制和闭环控制两大类。由于开环控制方法实现简单,在APF的发展初期多采用这种策略,但是这类系统补偿性能一般。目前应用中的APF基本上都采用第二类控制方法。闭环控制策略检测需要控制的目标量与参考值进行比较,形成反馈回路,它的补偿效果远好于开环控制。有源电力滤波器的闭环控制策略中最常用的是PI控制,另外还有变结构控制,模糊控制,单周控制和人工神经网络控制等现代新型控制方法,但是由于随着控制器性能的提高,其复杂性也相应提高,所以其实用性还有待于进一步提高。

  4结论

  现今,电力电子技术的发展掀开了科技史上的新篇章,也带来很多需要不断解决的问题。比较典型的就是引起电力系统中的谐波污染问题,必须再利用电力电子技术对其进行有效的治理。

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