电力电子技术及应用 第9章 电力电子装置对电网的影响和可靠性

第9章电力电子装置对电网的影响和可靠性教学提示：电力电子装置的日益广泛应用，使得谐波问题和电磁干扰问题引起人们越来越多的关注。本章首先介绍谐波污染、谐波产生机理以及抑制方法、电磁干扰及其抑制，最后介绍电力电子装置的可靠性概念，提高电力电子装置可靠性的一些措施。教学要求：通过本章学习，要求掌握谐波的特性及其抑制、电磁干扰及其抑制和电力电子装置可靠性概念、常用的可靠性指标和提高可靠性的措施。9.1谐波的特性及其抑制电力电子装置是由电力电子开关器件构成的电能变换装置，如整流器、逆变器和斩波器等。对于电网来说，这些装置属于非线性负载，它产生的有害高次谐波电流“注入”电网，造成电网的严重污染。在电能变换中，诸如整流器等电力电子设备往往使网侧电流滞后电压，造成电力电子装置功率因数降低，使电网功率增加，给电网带来额外的负担，并影响供电质量。此外，在大量应用高频开关器件的装置中，由于高电压和大电流脉冲的前后沿很陡峭，会产生频段很宽的电磁干扰信号，这些电磁干扰信号是严重的电磁干扰源，对电力系统的正常运行和设备构成相当大的危害。9.1.1谐波污染1.谐波的基本概念在供用电系统中，通常总是希望交流电压和交流电流呈正弦波形。正弦电压可表示为()2sin()utUtωα=+(9.1)式中：U为电压有效值；α为初相角；ω为角频率。正弦电压施加在线性无源元件电阻、电感和电容上，其电流和电压分别为比例、积分和微分关系，仍为同频率的正弦波。但当正弦电压施加在非线性电路上时，电流就变为非正弦波，非正弦电流在电网阻抗上产生压降，会使电压波形也变为非正弦波。当然，非正弦电压施加在线性电路上时，电流也是非正弦波。对于周期为2Tω=π的非正弦电压u，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下形式的傅里叶级数()01cossinnnnuAAntBntωω==++∑∞(9.2)式中：2001()d()2Auttωωπ=π∫；201()cosd()nAutnttωωωπ=π∫；201()sind()nButnttωωωπ=π∫。电力电子技术及应用·360··360·或01sin()nnnuACntωϕ∞==++∑(9.3)式中：22nnnCAB=+；arctan()nnnABϕ=。在式(9.2)或式(9.3)的傅里叶级数中，频率为12fTω==π的分量称为基波，频率为大于1的整数倍基波频率的分量称为谐波，谐波次数为谐波频率和基波频率的整数比。2.谐波的危害理想的公用电网所提供的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。谐波电流和谐波电压的出现，对公用电网是一种污染，它使用电设备所处的环境恶化，也对周围的通信系统和公用电网以外的设备带来危害。在电力电子设备广泛应用以前，人们对谐波及其危害就进行过一些研究，并有一定认识，但那时谐波污染还不严重，没有引起足够的重视。随着各种电力电子装置的迅速普及，使得公用电网的谐波污染日趋严重，由谐波引起的各种故障和事故也不断发生，谐波危害的严重性才引起人们高度的关注。谐波对公用电网和系统的危害大致有以下几个方面。(1)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。(2)谐波影响各种电气设备的正常工作。谐波对电动机的影响除引起附加损耗外，还会产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热。谐波使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以至损坏。(3)谐波会引起公用电网中产生局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，这就使上述(1)和(2)的危害大大增加，甚至引起严重事故。(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并会使电气测量仪表计量不准确。(5)谐波会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量；重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。9.1.2谐波产生机理在整流、逆变及电能变换电路的分析中，经常会遇到周期性非正弦的电流、电压波形。例如整流器交流侧和逆变器输出侧的电流、电压就属于这种性质的波形。这些非正弦的波形都是由诸如电力电子装置这种非线性负载造成的。它们使得供电系统中不仅有基波电流流动，而且还有大量谐波电流流动。下面以如图9.1所示的单相桥式全控整流电路为例，说明电网侧谐波产生的机理。对于单相桥式全控整流电路感性负载而言，当控制角为α时，电压和电流波形如图9.1(b)所示。图9.1(b)中2u和i分别为变压器二次侧的电压和电流波形。电流为理想方波，其有效值等于直流电流，即dII=。从图9.1(b)中看出，输入端流向整流器的电流为方波，明显偏离了正弦形状，必然会产生除基波以外的高次谐波，下面对电网侧电流的畸变予以定量描述。将次级电流波形i分解成傅里叶级数，得d411sinsin3sin535iItttωωω⎛⎞=+++⋅⋅⋅⎜⎟π⎝⎠(9.4)第9章电力电子装置对电网的影响和可靠性·361··361·基波电流有效值为d122II=π(9.5)所以基波因数为10.9IIγ=≈(9.6)式中：1IIγ=为电流基波有效值与变压器次级电流有效值之比，表示了电流波形含有高次谐波的程度。从图9.1(b)可以明显看出，电流基波与电压的相位差1ϕα=，故功率因数为11cos0.9cosIPFIϕα==(9.7)图9.1单相桥式整流电路及其电流波形9.1.3谐波抑制方法谐波电流对电网质量危害很大，必须加以抑制。抑制和消除谐波有两种基本途径：一种是改进电力电子装置，使其不产生谐波，且功率因数控制为1，这当然只适用于作为主要谐波源的电力电子装置；另一种是装设谐波补偿装置来补偿谐波，这对各种谐波源都是适用的。下面主要介绍装设谐波补偿装置来补偿谐波的方法。1.LC无源滤波器LC滤波器也称为无源滤波器，是由无源电容器、电抗器和电阻器适当组合而成的滤波装置，与谐波源并联，除起滤波作用外，还兼顾无功补偿的需要。LC滤波器又分为单调谐滤波器、高通滤波器及双调谐滤波器等几种，实际应用中常用几组单调谐滤波器和一组高通滤波器组成滤波装置。LC滤波器基本类型如图9.2所示，它的基本工作原理是利用LC电路的串联谐振特点来抑制谐波电流。在谐振频率时电路的阻抗将为昀小值；在非谐振频率时，阻抗很大。根据这一特点，将串联谐振电路的谐振点调整到某一特征谐波频率，便可以滤去谐波中的各个特征谐波。在各种方法中，LC滤波器出现昀早，存在一些较难克服的缺点，但因其具有结构简单、设备投资较少、运行可靠件较高、运行费用较低等优点，因此至今仍是应用昀多的方法。电力电子技术及应用·362··362·图9.2无源滤波器基本类型2.静止无功补偿法在网侧投入无功补偿装置可以补偿谐波造成的无功功率。早期的静止无功补偿装置是饱和电抗器型，1967年，英国GEC公司制成了世界上第一批饱和电抗器型静止无功补偿装置，此后，各国厂家纷纷推出各自的产品。饱和电抗器具有静止型的优点，响应速度快，但是由于其铁芯需磁化到饱和状态，因而损耗和噪声都很大，而且存在非线性电路的一些特殊问题，又不能分相调节以补偿负载的不平衡，所以未能占据静止无功补偿装置的主流。电力电子技术的发展及其在电力系统中的应用，将使用晶闸管的静止无功补偿装置推上了电力系统无功功率控制的舞台。1977年美国GE公司首次在实际电力系统中演示运行了其使用晶闸管的静止无功补偿装置。1978年，在美国电力研究院的支持下，西屋电气公司制造的使用晶闸管的静止无功补偿装置投入实际运行。随后，世界各大电气公司都竞相推出各具特点的系列产品。由于使用晶闸管的静止无功补偿装置具有优良的性能，所以，近年来在世界范围内其市场一直在迅速而稳定地增长，已占据静止无功补偿装置的主导地位。因此静止无功补偿装置(SVC)这个词往往是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，包括晶闸管控制电抗器和晶闸管投切电容器，以及这两者的混合装置，或者晶闸管控制电抗器与固定电容器或机械投切电容器混合使用的装置等。随着电力电子技术的进一步发展，20世纪80年代以来，一种更为先进的静止型补偿装置出现了，这就是采用自换相变流电路的静止无功补偿装置，称为静止同步补偿器或称为静止无功发生器，是新一代无功补偿装置的代表，有很大的发展前途。3.有源滤波器(APF)有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功功率进行补偿。其应用可克服LC滤波器等传统的谐波抑制和无功功率补偿方法的缺点。昀早的有源电力滤波器为单独使用的并联型有源电力滤波器，经多年的发展，为尽量发挥有源电力滤波器的特长、提高其性能，并尽量减小其容量，提出了串联混合型有源电第9章电力电子装置对电网的影响和可靠性·363··363·力滤波器、并联混合型有源电力滤波器等，为适应不同的补偿对象，提出了串联型有源电力滤波器等。抑制谐波的另一种方法是改进电力电子装置，使其不产生谐波，主要有增加变流装置的相数和脉动数、采用多重化技术、谐波叠加注入、采用PWM技术和设计或采用高功率因数变流器(矩阵式变频器)等。9.2电磁干扰及其抑制9.2.1电磁干扰随着电力电子技术的发展，高频开关器件在电力电子技术中的应用日趋广泛，这些电力电子装置工作时，电力电子器件的电压和电流波形都是以极短的时间上升和下降，这些具有陡变沿的脉冲信号随即会产生很强的电磁干扰，可以说高频变换器本身就是一个很强的宽带电磁波发射源，也是一个很强的电磁干扰源，功率越大，这种电磁发射能力越强。当电磁噪声达到影响电路、装置或系统正常工作或性能程度时，则称它为电磁干扰(EMI)。电磁干扰可以来自装置或系统的内部，也可以来自装置或系统的外部，前者称为“系统内部”的干扰，后者称为“系统间”的干扰。电磁干扰根据干扰源传播到受影响设备的途径(方式)分为两类：辐射和传导。辐射干扰是指噪声通过介质(如空气)以电磁场形式(波的形式)传播；传导干扰是指噪声通过金属导体(导线、电容器、电感或变压器等)传播。电磁干扰的耦合方式共有4种，即电导性耦合、电容性耦合、电感性耦合和辐射耦合。形成电磁干扰必须具备3个基本要素：电磁干扰源、耦合通道(传播途径)和设备对干扰的敏感程度。很显然，对于一个装置或系统来说，缺一个要素就不可能造成电磁干扰的危害，所以，欲想提高装置或系统的抗电磁干扰能力，就要从分析电磁环境(干扰源、干扰源性质、传播途径等)入手，针对电磁干扰昀敏感的环节，采用措施加以解决。9.2.2电磁干扰的抑制抑制电磁干扰应考虑的主要问题大体可归结为合适的接地、屏蔽、滤波、机箱内部的合理布线等。每一个方面在装置和系统设计中都有自己的作用，然而又是相互关联的，设备的良好接地，可以降低设备对屏蔽和滤波的要求；而良好的屏蔽，也可以对滤波降低要求；机箱的不合理设计和内部不合理的布线，将会引起许多麻烦事情，可导致其他措施失去作用。1.屏蔽技术屏蔽技术是实现电磁干扰防护的昀基本也是昀重要的手段之一。它是利用屏蔽体来削弱或割断干扰场的空间耦合通道，阻止其电磁能量的传输。良好的屏蔽可以取得较好的抗干扰效果。按欲屏蔽的电磁场性质分类，屏蔽技术通常可分为三大类：电场屏蔽(静电场屏蔽及低频交变电场屏蔽)、磁场屏蔽(直流磁场屏蔽和低频交流磁场屏蔽)及电磁场屏蔽(同时存在电场及磁场的高频辐射电磁场的屏蔽)。电力电子技术及应用·364··364·(1)电场屏蔽一般是在分布电容的耦合通道上安置金属屏蔽体，以割断或削弱其耦合影响。(2)磁场屏蔽在低频情况下一般采用磁导率高的材料做屏蔽体，利用其磁阻较小的特点，给干扰源产生的磁通提供一个低磁阻通路，并使其限制在屏蔽体内，从而实现磁场屏蔽。(3)电磁屏蔽主要用来防止高额电磁场对受扰电路的影响。电磁屏蔽既包括电磁感应干扰的屏蔽，也包括辐射干扰的屏蔽，既包括电场的屏蔽也包括磁场的屏蔽。电磁屏蔽体应采用低电阻的金属材料来制作，实际工作中常用铝铜等良导体来制作。电磁屏蔽是利用了屏蔽罩上的感生涡流磁场来抵消原磁场，从而削弱高频磁场干扰。因而屏蔽罩的厚度对屏蔽效果关系不大，而屏蔽罩是否连续却直接关系到感生涡流的大小，即关系到屏蔽效果的好坏。如果在金属体上垂直于电流方向上开缝，就没有屏蔽效应，