浅谈现代电力系统中的电力公害及改善措施

严希清，陈忠士

（福建船政交通职业学院机械与智能制造学院，福建 福州 350007）

0 引言

如今各行各业广泛应用电力半导体整流装置，小到家用的小型整流电源，开关电源，大到上万安培甚至几十万安培的大型电解电源，不但如此，还有绝大部分都有整流环节的各种逆变装置、广泛应用的交流变频调速等装置，给电网增加了许多整流负载。这些电力电子装置基本上是具有非线性特性的负载，使所加的电压与产生的电流不成线性（正比）关系而造成的波形畸变，就产生大量的谐波，由于谐波的频率较高，使导线的集肤效应加重，因此铜损急剧增加，同时变压器铁心由于不能适应急剧变化的磁通而导致铁损急剧增加，导致电网功率因数下降较多，不利于提高电能利用率。谐波超量以及功率因数降低这两大因素是现代电力系统中的主要公害，使电能利用率降低，与现阶段国家提出的“碳达峰、碳中和”的低碳发展不相匹配。

公用电网中存在的谐波电压和谐波电流对用电设备和电网本身都会造成很大的危害，世界上许多国家都发布了限制电网谐波的国家标准，或者由权威机构制定了限制谐波的规定。制定这些标准和规定的基本原则是限制谐波注入电网的谐波电流，把电网谐波电压控制在允许范围内，使接在电网中的电气设备免受干扰，正常工作[1]。电网的功率因数低说明电路无功功率增大，电能的利用率降低，线路电压损失增加。因此，采取措施抑制以至消除电网的谐波，提高电路的功率因数，达到提高电能利用率，促进节能减排是电力电子技术领域中一项重要的研究课题。

1 网侧电流谐波的抑制和滤除

目前抑制或滤除网侧电流谐波的方法有：①在整流装置的输入侧加装滤波器；②在网侧投入无功补偿装置；③增加整流相数，使网侧电流更加接近正弦波；④尽量设法使整流装置运行在α比较小的状态下，利用多重化技术进行波形叠加，以消除某些低次谐波；⑤利用有源滤波技术等[2]。

抑制谐波的补偿装置也叫失谐滤波器，它的调谐点偏离系统的特征谐波电流（电压）较远，相对流过支路的谐波电流比较少，比如各大国产电器设备厂商生产的TBB系列高压无功集中补偿装置ZTSC低压动态无功补偿装置，经常选用6%的电抗器来抑制5次谐波，实际选择6%电抗器的补偿支路，调谐点在4.08远小于5，这样补偿支路流过5次谐波电流少，但达到了谐波不放大，补偿设备安全运行的目的。

滤除谐波的补偿装置也叫调谐滤波器，它的调谐点比较接近系统的谐波电流（电压），流过支路的谐波电流比较多，比如各大国产电器设备厂商生产的ZRFC和ZTFC产品，经常设置5次滤波支路，调谐点在4.75＜5，所以大量5次谐波电流流过支路，滤波效果比较好。

2 提高功率因数的方法

利用全控型器件如IGBT，可以有下面几种改善功率因数的方法，电路图如图1所示，其中T1、T2、T3和T4均可使用IGBT，但都需要串入整流管。

图1 单相半控桥及全控桥的整流电路

2.1 利用器件熄灭角的控制提高功率因数

传统的相控整流的控制方法，都是通过改变晶闸管的触发角α，从而改变器件导通角θ来实现控制。现在可以采用全控型器件，使器件总是在电源过零时导通，然后通过控制熄灭角β来达到改变整流输出电压的目的[3]。

图2（a）中半控桥电路，T1和T2分别在ωt=0和ωt=π时导通，在ωt=π-β和ωt=2π-β时使其关断。D1和D2也会自动地在相应时刻导通和关断。图2（b）中全控桥电路，在感性负载时，有一段时间使T1和T4以及T2和T3同时导通，所以器件导通顺序是T1，T2→T1，T4→T4，T3→T3，T2→T1，T2。

图2 熄灭角控制时的波形

根据波形可求出输出电压的平均值和有效值分别为：

可以看出，网侧电流中的基波电流分量领先电源电压一个相角，即表现为一种容性的特性，从而补偿了以感性负载为主要特征的电网中的滞后无功，达到提高功率因数的目的。

2.2 利用对称角的控制提高功率因数

利用图3可以实现对称角的控制。对图3中T1、T2的控制为：T1在ωt=(π-β)/2时导通，在ωt=(π+β)/2时关断；T2在ωt=(3π-β)/2时导通，在ωt=(3π+β)/2时关断。通过改变β角来改变整流输出电压。这样网侧电流的基波电流分量总是与电源电压同相，即位移因数为1，从而明显提高功率因数，但这种方法可能会增大谐波分量[4]。

图3 对称角控制时的波形

2.3 PWM和SPWM技术抑制谐波，提高功率因数

前面介绍的熄灭角控制和对称角控制这两种方法，每一个半周只有一个脉冲，利用传统的滤波方法滤除低次谐波是比较困难的。采用PWM(脉宽调制)技术就可以做到每一个半周有几个脉冲，甚至几百个脉冲，这样一来，可以通过选择每个半周的脉冲个数来消除某些低次谐波。虽然增加了每个半周的脉冲数会增加高次谐波的幅值，但高次谐波较低次谐波易滤波[5]。输出电压的改变，可通过提高脉冲宽度来实现，其工作波形如图4所示。

图4 PWM控制时的波形

SG3525是美国硅通用半导体公司推出的以用于驱动N沟道功率MOSFET，SG3525是一种性能优良、功能齐全和通用性强的单片集成PWM控制芯片，它简单可靠及使用方便灵活，输出驱动为推拉输出形式，增加了驱动能力；内部含有欠压锁定电路、软启动控制电路、PWM 锁存器，有过流保护功能，频率可调，同时能限制最大占空比[6]。

SG3525是定频PWM集成电路，采用16引脚标准DIP封装，引脚图如5所示：

图5 SG3525管脚图

如图6所示，该电路直流电源Vs从脚15接入后分两路，一路加到或非门；另一路送到基准电压稳压器的输入端，产生稳定的元器件作为电源。振荡器脚5须外接电容CT，脚6须外接电阻RT。振荡器频率厂由外接电阻RT和电容CT决定：

图6 基于SG3525的PWM抑制谐波电路

振荡器的输出分为两路，一路以时钟脉冲形式送至双稳态触发器及两个或非门；另一路以锯齿波形式送至比较器的同相输入端，比较器的反向输入端接误差放大器的输出，误差放大器的输出与锯齿波电压在比较器中进行比较，输出一个随误差放大器输出电压高低而改变宽度的方波脉冲，再将此方波脉冲送到或非门的一个输入端。或非门的另两个输入端分别双稳态触发器和振荡器锯齿波。双稳态触发器的两个输出互补，交替输出高低电平，将PWM脉冲送至三极管VT1及VT2的基极，锯齿波的作用是加入死区时间，保证VT1及VT2不同时导通。最后，VT1及VT2分别输出相位相差为180°的PWM波[7]，这种利用PWM技术抑制谐波效果良好且不会增大谐波分量。

若要得到网侧谐波更小的电流，还可以采用正弦脉宽调制技术（SPWM），使网侧电流波形为一正弦脉宽调制波形，更有效地提高功率因数，抑制谐波。如图7所示：

图7 SPWM控制原理(a)为单极性SPWM调制，(b)为双极性SPWM调制

3 结语

综上所述，利用PWM(脉宽调制)技术，既可以提高电网功率因数，又可以降低或消除电网中电流的低次谐波。改变输出电压，可通过提高脉冲宽度来实现；若要得到网侧谐波更小的电流，还可以采用正弦脉宽调制技术（SPWM），使网侧电流波形为一正弦脉宽调制波形，更有效地提高功率因数，抑制谐波。因此，PWM（脉宽调制）或SPWM（正弦脉宽调制）技术在改善电力公害、提高电能利用率及节能减排方面是较好的技术手段。