相控晶闸管装置谐波问题的分析与治理

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1、相控晶闸管装置谐波问题的分析与治理孙慧峰,刘跃敏河南科技大学河南洛阳摘要：随着电力电子技术的不断发展，特别是大功率晶闸管元件的成功使用，使得晶闸管变流装置的应用日益广泛，然而由于电力电子设备为非线性正弦负载，这就给电力系统带来了谐波问题，使电网中的谐波电流大大增加，形成电网公害。因而谐波治理就成为普遍关注的技术问题。本文对相控晶闸管装置谐波源进行了分析，指出了其危害并提出了相应谐波治理的方法。关键词：相控晶闸管装置；谐波分析；治理引言相控晶闸管整流装置的输入电流通常是非正弦的，比如三相全控桥式相控整流电路大电感负载

2、时，交流电流为正负对称的1200矩形波，含有5、7、11……次高次谐波，这些谐波电流在电网回路引起阻抗压降，使电网电压也含有高次谐波，造成电网电压的畸变，随着晶闸管装置的大量使用，装置容量的日益增大，造成电网波形的畸变愈来愈严重，影响与之并联的所有设备，因此对相控晶闸管装置的谐波问题必须加以认真研究，采取相应措施，把不良影响减到最小限度，以利于生活和生产的需要。本文就围绕这一问题，通过对相控晶闸管装置谐波源来源及其危害的分析和研究，探讨了谐波治理的方法，并对谐波治理的发展趋势进行了展望。一、谐波源的主要来源——电力

3、电子装置作为最主要的谐波源的电力电子装置主要有各种流变流装置（整流器、逆变器、斩波器、变频器）以及双向晶闸管可控开关设备等，另外还有电力系统内部的变流设备，如直流输电的整流阀和逆变阀等。1.整流电路的谐波电流作为直流电源装置，整流器广泛应用于各种场合。在整流装置中，输入为正弦波交流电压，但因电能变换致使交流侧电流为非正弦波电流，以三相桥式全控整流电路为例，假设电源变压器采用Yy接法，匝比为1，忽略变压器铁心饱和及非线性影响，电网的短路容量足够大，交流侧电抗为零，直流侧串入大电感，直流电流近似为直线，则交流电源的电流

4、为矩形波，如图1所示。该矩形波为工频基波电流和工频基波奇数倍的高πωtiA1图1三相全控桥式整流电路交流侧电流波形次谐波电流的合成波形，由傅氏级数可将交流侧电流分解为:可见，方波电流中含有5、7、11、13…等高次谐波分量，其幅值分别为基波幅值的，也即方波中的高次谐波分量In与基波分量I1之比最大为1/n。整流装置从电源吸收含有高次谐波的电流，该电流将在电源回路引起阻抗压降，使电网电压中也含有高次谐波成分，所以相控晶闸管整流装置实际上可看成是一个高次谐波产生的电流源，是造成电网电压波形畸变的主要原因。2.交流调压器

5、、频率变换器、通用变频器等变流装置也同样会产生大量的谐波。除此之外，家用电器也是不可忽视的谐波源。例如电视机、电池充电器等。虽然它们单个的容量不大,但由于数量很多,因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。二、谐波的危害电网波形畸变含有高次谐波主要有如下危害：1）使发电机及输电变压器发热增加。2）对交流电机产生脉动转矩、铁耗铜损增加，对直流电机除发热增加外，还引起换相恶化和噪声。3）会导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确，直接影响精密测量仪器的的测量精度。4）会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产

6、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。5）随着谐波次数增加，电力电容器的谐波阻抗降低，导致大量谐波电流流过电力电容器，致使电容器功率损失增大，影响电容器的使用寿命，甚至损害电容器，另外当容抗和感抗在某次谐波附近发生谐振时，系统谐波电流含量将大大增加，从而影响系统正常运行。三、谐波的治理1、对相控晶闸管装置本身进行改进为了减小谐波电压对电网的影响，从变流装置本身出发，通过优化变流装置的结构设计和增加辅助控制装置，以减少谐波的产生或消除已产生的谐波，目前主要采用以下几个方面的技术。（1）电阻负

7、载时应尽量选小控制角α运行；随着触发控制角α的减小和换相重叠角γ的增大，谐波分量有减小的趋势，研究结果已表明：整流器的运行模式对谐波电流的大小也有直接的影响，因此在考虑调整整流（电压电流时），最好要进行重叠角、换相压降以及谐波测算，以便确定安全、经济的运行方式，当控制角α接近40°，重叠角γ在8°左右时往往是谐波最严重的状态，所以要经过计算，尽量通过正确选择调压变压器抽头，避开谐波（易产生的点）最严重点。（2）三相整流时应采用桥式而不采用半波整流，以消除偶次谐波；Ld..Rd图2（a）整流变压器原、副边的接法（3）

8、整流变压器原、副边采用不同接法，使电网电流波形成阶梯状，更接近正弦波，；如图2所示。πωtiA1图2（b）电网电流波形（4）通过变流装置主接线方式增加输出脉波数，大容量电力电子装置必须采用脉波数较高的联接形式，常将原来6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波，以减少交流侧的谐波电流含量，如图3所示，两组桥线电压相差300，等效为12相整流。理论上讲，脉波越多，