[发明专利]谐波隔离方法及其装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种谐波治理技术，尤其涉及一种谐波隔离方法及其装置。

背景技术

在现代工业和民用供电系统中，由于存在大量非线性负载，例如：电弧炉、感应炉、电力机车、整流设备、变频设备、日光灯、气体放电灯以及其它含有大功率半导体器件或电弧、铁磁设备等非线性负荷，在电网中就会产生相应的非线性电流；而非线性电流在电网阻抗上产生压降，使供电电压波形发生畸变，变为非正弦波；非正弦波可分解为50Hz的工频基波和许多整数倍于基波的谐波(2次、3次、4次、5次，……)。其中谐波对电网和电气设备将产生不良影响，其主要危害如下：

①使公用电网中的元件产生附加谐波损耗，降低了发电、输电及用电设备的使用效率；

②影响各种电气设备的正常工作，如使电动机引起附加损耗、产生机械震动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热、绝缘老化、寿命缩短以至损坏；

③引起电网局部的并联谐振和串联谐振，引起电网严重事故；

④对邻近的通信系统产生干扰，轻者引起噪声、降低通信质量，重者导致信息丢失、干扰通信系统正常工作；

⑤导致继电保护和自动装置误动作，使电气测量仪表不准确，直接影响正常生产和电网的安全经济运行。

为了限制谐波对电网和电气设备的不良影响，我国制定了相应的国家标准：《电能质量公用电网谐波》GB/T 14549-1993。

目前，国内外普遍采用的谐波治理装置有两类：

一类是基于调谐吸收谐波电流原理的无源滤波装置。它由线性无源器件--电感L、电容C、电阻R所构成的若干个不同次数的谐波滤波器并联而成。各次谐波滤波器在本次谐波频率附近或者在某一个频带内呈现低阻抗，吸收相应的谐波电流，从而使电网中的谐波电流减少；当LC回路的谐振频率和某一高次谐波电流频率相同时，即可阻止该次谐波流入电网，达到抑制谐波的目的。

另一类是基于瞬时无功功率理论的谐波电流抵消原理的有源滤波装置。它利用可控的功率半导体器件向电网注入与原有谐波电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电流的目的。

由于无源滤波装置具有投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便等优点，同时，还能补偿一定数量的无功功率，所以目前无源滤波装置仍然是国内外电力系统抑制谐波的主要手段。但它也存在一些固有的缺陷：①只能抑制固定的几次谐波，并对某次谐波在一定条件下会产生谐振而使谐波放大；②只能补偿固定的无功功率，对变化的无功负载不能进行精确补偿；③无源滤波装置有效材料消耗多、体积大；④滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；⑤滤波效果易受元件或系统参数、以及电网频率等变化的影响；⑥在某些条件下可能和系统发生谐振，引发事故；⑦当谐波源增大时，滤波器负担随之加重，可能导致因谐波过载不能运行等。

有源滤波装置是20世纪80年代后，随着新型电力半导体器件的出现，脉宽调制技术(PMW)的发展，以及基于瞬时无功功率的理论的谐波电流检测法的提出而产生的一种新型滤波装置，与无源滤波器(Power Filter)相比，有源滤波器(APF，Active Power Filter)具有高精度可控性和快速响应性；不仅能补偿各次谐波，还可抑制闪变、补偿无功；滤波特性不受系统阻抗的影响，可消除与系统阻抗发生谐振的危险；可自动跟踪负荷的变化，具有动态谐波等无源滤波器所不具备的巨大技术优势。但有源滤波装置存在以下问题限制了其使用：

①有源滤波装置成本高，与无源滤波装置相比，设备的初期费用偏大。据文献记载，目前这两者的费用比大约在7∶1左右。但从长远来看，随着电力电子器件价格的下降，这个比值会随着技术的成熟而大幅下降；

②有源滤波装置自身损耗大，滤波容量小。据文献记载，与无源滤波装置相比，有源电力滤装置的损耗要达到50～90W/kVA，大约是无源滤波装置(2～4.5W/kVA)的20倍。较高的损耗，即妨碍设备容量的进一步提高，也增加了运行成本。

③有源滤波装置工作在高频状态下产生的较大的电磁干扰和电磁元件发热。

目前，有时可以将上述两类装置混合使用，取长补短。但对于具有丰富的谐波含量的非线性负荷(谐波源)的滤波，无源滤波装置需要设计更多次滤波器，其成本高、损耗大。有源滤波装置也需要更高的检测和响应速度。然而，在这种情况下，现有的无源滤波装置和有源滤波装置的谐波治理效果都不佳。在许多场合下，虽然采用了滤波措施，但监测点的谐波含量仍然超标。

发明内容