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一种抑制电网谐波污染的新技术

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一种抑制电网谐波污染的新技术

发布日期:2015-09-11 00:00 来源:http://www.50onwards.com 点击:

当今世界,电能已经成为人类生产和生活不可须臾或缺的能源,它便于传输,能够方便地转化为其它能源,十分清洁。电能的供应需要由电网传输。理想的公用电网的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。由于电器的使用会产生谐波电流和谐波电压,注入到电网中,就成为电网的一种污染,它会导致电网中的电流和电压波形畸变,电能质量下降,使电器设备的使用环境恶化,危害电网及电网中的其它设备。


近几十年来,各种非线性负荷的广泛使用,使得谐波污染的问题变得日益突出。而各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备的不断普及,人们对电能质量及可靠性的要求越来越高,这使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也就越来越大。电能源应用在世界范围内已经出现不断升级的大规模停电等事故和频繁的城市火灾,其中大部分与谐波污染和不恰当的处理不同程度相关。

  

我们经过多年研究和实践,提出了一种抑制谐波污染的新技术: “阻断相填补整流(BPCP)技术”。与现存各类抑制谐波的技术相比,这一技术在稳定性、可靠性、高频变换功率容量以及高低频共模干扰问题上具有突出特点和优势。


2三相供电系统的谐波污染及其治理的现状


伴随着电网中整流负荷的比重越来越大,大范围停电事故以及城市火灾频发,使得人们对供电系统的谐波问题给予了更多的关注,并且致力于找到解决方案。然而,10KW 到1MW 的三相低压整流技术全世界依然没有任何有效的办法。高脉波整流器非常昂贵,单调谐滤波装置是供电系统中的不稳定源头,而且现在已经成为大范围停电事故的重要原因。即便是在法治、标准化规范十分严格的美国,夜晚城市中超过半数居民区的5 次和7 次谐波还是超出了IEEE 519 标准,并且情况在持续恶化。谐波会产生二次效应,当电流渡过线路阻抗时,造成谐波电压降,使电网电压产生畸变并降低了发电和输变电设备的效率,并可引起公用电网中局部并联谐振和串联谐振,从而使谐波放大,危害大大增加甚至引起严重事故;另一方面,使电源输入功率因数下降。它们还会造成电路故障,损坏变电设备,如变压器过热、火灾、LC 振荡、测试仪器频繁误动作、对附近设备造成干扰、高次谐波电流渡过电容,诱使其过热爆炸。对于谐波最不具备抗性的设备包括通讯和数据处理设备,恰好是北美大停电后最终调查结果所确定的几种设备。因此,降低电力电子设备谐波(THD),提高功率因数(PF),已成为学术界研究的热点。


几十年来,各种不同方法均存在较大的缺陷而没有能很好的推广。三相PWM 整流技术成本高,且系统不稳定,甚至有人再加第四路PWM 去平衡。三相电三线输入只有两个独立电流回路,整流器的输出如果是有源负荷,其输出电流也是规范的,这样输入电流回路只有一个可以被有源规范,否则系统会因条件冲突而不稳定,而意图通过控制方式改进的努力大多存在电压源并联的不稳定问题。其极大的高频工频叠加的共模电压输出更是致命的问题,常造成绝缘击穿,即便是多电平,费用高昂的滤波器作用都有限。


现在大功率工业整流器大多采用高压侧谐波滤波器,不仅自身有一定的能耗,其安全性也存在问题。例如1996 年4 月10 日,已有193 台电解槽投入生产某铝厂,正在有有条不紊地做着启动第四系列最后一批电解槽的准备工作。在动力厂供电车间内,值班员在现场监护员的注视下,严格按照停电指令、程序和操作标准迅速而准确地将整流机组的电源切断,这一切跟以往一样正常。9 时15 分,室外突然传来“轰”的一声炸响,“不好,出事了!”供电车间副主任大叫一声,旋风般冲出室外,只见与4 号整流机组配套的谐波滤波器已经炸裂,近在咫尺的4号整流机组正起火燃烧,几十吨变压器油燃烧时喷出的火焰肆虐地施发着淫威,滚滚浓烟挟着火势如腾空的飞龙直冲云宵……。几天后西南某铝厂的A 公司整流机组同样因谐波开关爆炸起火烧毁。4 月15 日,从ABB 公司总部派来的专家组赶到现场,经过仔细勘察和分析论证,双方共同认定,火灾的直接原因是由谐波开关爆炸引起的。专家们从整流器里发现了较大的不应有的非特性谐波,正是这种幽灵似的谐波在谐波器组和降压变组成的谐振腔内得以严重放大,在谐波开关正常操作过程中,构成一个完全的破坏性谐振,当谐振过流过压,便击毁开关,导致火灾。


现在开始在国内流行的ASVGA 技术早在上个世纪80 年代,日本就做了大量的实验和产品化工作,并发展了一整套的瞬态付立叶分析理论和算法,实际推广不好。而不恰当的治理技术可能引发更大的灾难。例如,中国南方某厂的一台电解铝自安装工作以来一直温升高,其临近电器也不同程度发热。电源供货商与用户共同测试分析,2013 年10 月20 晚20 时16 分,开关电源三相电输入端口电压电流波形如图2所示,三相电压Va=389。5V,Vb=389。8V,Vc=389。6V,电流Ia=612。0A, Ib=669。1A,Ic=660。0A, 输出 P=355。9KW, 输入 P=435。5KVA,功率因数0。81,输出18000A/17V。该电源在三相380VAC 网侧装有ASVG 谐波滤波器,从电压电流波形图上可以明显的观测到电源和网侧谐波滤波器发生了严重的15 次谐波震荡,谐波的电流和电压之间的相移已经非常接近于180 度,情况非常危险,接近于发生灾难。从输入和输出功率之比可以看出电源的实际效率为86%,该电源的效率出厂测试为89%。15 次谐波谐振使电源的热损耗增加了27%,即产生了10KW的净热损耗,而这部分的热损耗会集中在机内的几个部件,是未预定的,很容易导致该机自身爆炸起火。网上与该电源和谐波滤波器临近的电器有同样的危险。


随着电力电子技术的发展,直流负载在电网中的比重由 2000 年的30%升至现在的60%,到2020 年会上升到90%左右。大部分的直流负载电源都是恒压的,因此整流和滤波装置被认为是必不可少的原则。但是,三相电源的瞬时功率是平衡的,滤波组件不停地在吸收和返还能量以输出恒定的电压。所有的这些能量的来来去去变成了谐波辐射到三相电源网中。使恒定的能量流由电网传递到直流用电器,整流但不滤波,就是我们所要做也是所希望做的事情。(同历史上多次的重大技术进步类似,它们的产生和发展常带来一些甚至能威胁其自身生存的问题。)整流谐波污染已在世界范围内造成不断升级的大规模停电等事故和频繁的城市火灾。统计表明美国平均每4 个月就要发生一次50 万用户以上的大范围停电事故,其中大部分与谐波污染和不恰当的处理不同程度相关。一个一般性的并且对世界范围有如此重大影响的技术问题能持续几十年得不到解决,是很少见的。人类已经到了不得不面对而不能再漠视供电质量,谐波污染已经成为了电力电子技术甚至整个技术生产体系发展的巨大障碍。制造商责任的思想是现代社会发展的趋势,生产的电器产品就不应该有谐波辐射污染。如果越来越多的高谐波辐射设备接入电网,靠网上质量标准体系无法规范的ASVGA 来补偿,不仅是社会资源的浪费,最终还会导致电网的崩溃。


3阻断相电流填补整流技术的基本原理


减低谐波的各种电路拓扑早就呈现出来了,问题在于还是在强制的、无用且有害的能量吞吐。阻断相电流填补整流技术(BPCP)技术的特点就在于自然,合理和本原。它使得三相有源功率因数校正和整流输出变得简单明了。并且,它没有对应于交流基波和谐波频率的储能元件,甚至直流也无需储能滤波,只需要旁路总输出功率的22%就可以工作,这部分功率可以直接输出与主变换输出并联或串联。简单明晰的工作原理,轻松的实现方法就决定了它在电源制造上广阔的前景。因为两相分别在π/6 进行通断时,主路和辅路具有相同的电压电流,因此零电压软开关就是自然的了,而在一相的零点时另外两相通断,因此零电流的软开关就是自然的。


如图所示,在BPCP 技术中我们使用并联的辅助补偿电路,使各相在桥式整流器中被阻断的±π/6 区间,在BOOST 电路的控制下,有了合适的电流。例如在0 到π/6 区间被阻断的A 相,

在滤波电容可以不计的情况下,进入主整流器中的与A 同极性B 相电流为:

则C 相总电流为:

因此,在此区间内我们获得了三相完美的波形。而整个的工作过程如此类推。那么,通过这样一个辅助的BPCP Boost 整流器,我们得到了一个不使用任何储能元件的完美的APFC。而辅助电路所处理的功率仅仅为:

在每个π/6 的瞬间,同极性的两相具有相同的电流和电压,并且将要在主要和辅助整流器中分别地被开通或关断,双向开关自然地零电压软开关,另一个换相点低相间整流器的电流为零,双向开关就自然地零电流软开关,这就保证了设备的安全稳定运行。与三相PWM 整流相比,仅仅以PWM 形式处理了电流强度最小的一路,处理功率大大减少,并且无共模电压和稳定性问题。对感性、阻性和电容不是很大的容性负荷,谐波也可以明显减低,符合IEC63000标准。


4市场应用前景


BPCP 技术的基本理念十多年前就已经提出,并已经获得世界主要发达国家的专利。人们预测到2020 年世界电网的容量将扩充将近一倍,而整流性负荷的比重也会由现在的40%扩充至90%,高功率因数整流器的迫切需求和巨大前景不言而喻。

  

全球可再生能源发电装机容量中风电占有压倒性优势,今后可望成为欧洲、亚洲、北美的重要电力来源。2011 年中国以62GW 的累计装机容量蝉联世界第一, 按照我国“ 十二o五” 规划目标, 预计到 2015 年风电装机容量将达到1×108kW,年发电量1900×108kWoh。GWEC 和Greenpeace 预测,今后20 年风力发电将成为世界主力电源,2030 年装机容量有可能达到23×108kW,可供应世界电力需求的22%。欧美正大力开发海上风电产业。欧洲是世界海上风电发展的先驱和产业中心,欧洲企业不仅拥有自己的核心技术,而且还向世界各地输出技术,早在2004 年变速恒频和双馈变换器就已经成为主流。但至今双PWM技术的共模电压输出和稳定性问题依然严重影响世界风力发电机组的稳定运行。随着并网风电和光伏的快速发展,其固有的间歇性、波动性对电网安全稳定带来一定的影响,也极大的限制了它们的运行。储能技术是解决这些问题的有效手段,其中, 电池储能系统因其响应速度快、不受地域限制等特点必将迅速发展。电池储能变流器是储能系统的核心部件,它本质上就是一个双馈AC-DC 变换器,其调制方法的选择对输出电能的谐波质量、直流电压利用率和开关损耗有重要影响。与一般的用电器端的变流器相比它常有更大的功率容量,常年工作,频繁的变换功率容量和工作状态,并且其增长速度会越来越快,器谐波问题如果不彻底解决,则肯定会成为电网稳定的巨大危害。

  

资料表明,在美国、德国、英国、日本等发达国家,电机驱动占电网总负荷的50%以上,我国的在用电机约10 亿台,驱动占电网总负荷也在50%左右,其中绝大部分为交流异步电机。因此设计合理的变频调速驱动器的推广应用具有极大的经济和社会效益,有资料表明在美国和日本,谐波问题已经成为变频调速推广应用的最大障碍。双馈BPCP 技术不仅可以适应于各种交流电机的能量回馈驱动,也完全适应于双馈风力发电机组。与双PWM 技术相比,共同点是无谐波,但克服了开关频率和工频共模电压输出以及系统不稳定两个致命缺陷,整流部分高频开关处理的平均功率从2 降至0。224,峰值功率从2 降至0。5;整流部分的PWM 调制仅为一路完全独立的电流跟踪模式。当变频器控制负载降速时直流侧的电压上冲是变频器失效的重要原因。双馈BPCP 技术在有限的成本增加基础上维持了负载与三相电的通透,达成节能和提高可靠性双重目的。高压变频器的市场也已经达到100 亿的规模,由于功率大,价格高和标准约束,大都采用了不同的措施降低谐波。因此从高压变频器入手,充分发挥本项目方案的变革性的优势不失为项目运作一个合理的方案。


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