在工業(yè)、企業(yè)用電設備中，由于存在大量的非線性負荷，導致電網電壓電流都含有程度不等的諧波分量。并聯電容器組在電力系統無功補償環(huán)節(jié)起著保證電壓質量的重要作用。但實際運行中，電容器經常會出現熔斷器發(fā)熱、絕緣下降、電容值變化等故障。分析其原因，諧波危害占很大的比例。本文通過分析諧波對電容器組的危害原因，提出了采用有源串聯濾波器限制諧波的方法。此裝置濾波電感小、尺寸小、重量輕、良好的濾波特性和電磁干擾小等優(yōu)點，未來發(fā)展具有廣闊前景。
1、諧波對電容器組的危害
A.諧波電流導致電容器發(fā)熱
當電容器組投入運行時，其端電壓主要存在3、5、7次諧波，其有效值如下：
其中 從(1)~(3)公式可以看出,當電網存在諧波時,電流的有效值比電壓的有效值增長要快,高次諧波更明顯。諧波電流的增長使電容器組的損耗功率增加,而框架式電容器組的介質聚丙烯，其電阻具有負的溫度系數，即溫度的上升電阻將變小，這又會使電流進一步增大，損耗亦增大，最終導致電容器組異常發(fā)熱、介質材料老化、電容值變化，甚至發(fā)生事故。
B.諧波電壓導致介質局放
由于3次、5次、7次諧波的疊加，電網中的電壓波形呈尖頂狀。在尖頂狀電壓波的作用下，每個周波的局部放電能量顯著增加。而固體介質中的樹枝長度，即細溝狀的放電通路與每周波最大放電電荷量密切相關。每周波放電電荷量越大，樹枝長度越長，越易誘發(fā)局部放電。這樣，使介質的絕緣下降，縮短了并聯電容器組的壽命。
2、限制電網諧波的方法
A.有源串聯濾波器結構及原理
目前電網主要采用并聯電容器組串聯一定電抗率及容量的電抗器組成串聯諧振回路來抑制諧波。串聯電抗器不僅可以抑制電網諧波，還可以限制一定程度的合閘涌流。但其也有不足之處：
可能發(fā)生串、并聯諧振，導致過電壓、過電流
損壞電容器和電抗器;由于負荷的可變性，不易實時監(jiān)控電網諧波，及時抑制;串聯電抗器抬高了電容器端電壓，而電容器組能承受1.1倍的長期工頻過電壓;串聯電抗器抵消了一部分電容器無功補償的能力，對提高功率因數是不利的。
上面所述發(fā)生串、并聯諧振對電網的運行最大，也最嚴重。針對串聯電抗器的不足，文獻[4]提出了有源串聯電力濾波器在電網中的應用，此裝置包括電力變換器、串聯的電感和電容、高頻紋波過濾器。如圖1所示，當電網中含有諧波分量時，電力變換器將補償電壓轉換成補償電流，補償電流通過串聯的電感和電容流入電網以抵消諧波電流成分。電感的作用是過濾電力變換器的開關紋波，電容則是提供穩(wěn)定的無功功率。高頻紋波過濾器由一系列電容和電抗組成，用來進一步過濾電力變換器的開關紋波。
有源串聯濾波器的等效電路圖，圖中兩個電壓源，一個是電網電壓源，另一個是電力變換器電壓源。圖2可以進一步分成工頻等效電路和諧波等效電路，如圖3所示 。圖3(a)所示為工頻等效電路，若電源損耗忽略不計，電力變換器產生的補償電壓僅含有諧波成分。因此，工頻下電力變換器的電壓源視為短路，由圖3(a)可以看出，串聯的電感和電容在工頻下為容性，這樣就提供了穩(wěn)定的無功補償。圖3(b)為諧波下的等效電路。由于電力變換器的開關頻率大于串聯電感和電容的諧振頻率，所以串聯電感和電容呈感性，整體作為電感過濾電力變換器的開關紋波。為了抑制諧波電流，補償電壓可以寫為表達式：
其中為負荷諧波電流， 為串聯電感和電容的阻抗。若電力變換器產生補償電壓如表達式(4)，那么這個電壓轉化成補償電流，與電網諧波電流方向相反，這樣諧波電流就抵消了。
B.電力變換器的控制回路
從圖4可以看出，控制回路主要有負荷電流、電網電流、電力變換器輸出電流和直流母線電壓四種信號，相應地控制過程分為四部分：
第一部分為了實現諧波電流和串聯阻抗的乘積，即表達式(4)。負荷電流首先通過帶阻濾波器I得到諧波電流，然后通過PID控制器就是補償電壓。
第二部分是為了修正第一部分所得補償電壓的誤差。電網電流通過帶阻濾波器II得到諧波電流，然后通過放大器I得到比例放大的諧波電流。
第三部分是為了避免高頻振蕩，產生一個和電感電容串聯的虛擬電阻。電力變換器輸出電流通過帶通濾波器得到其工頻電流，然后將電力變換器輸出電流和其工頻電流經過減法器得到電力變換器諧波電流。然后經過放大器II得到比例放大的信號。
第四部分用來校正直流母線電壓。直流母線電壓通過低通濾波器濾去直流紋波。
C.有源串聯濾波器特點
此有源串聯濾波器不僅可以補償無功改善電壓質量，還可以及時抑制電網中變化的諧波。相對于串聯一定電抗率及容量的電抗器的方法，具有明顯優(yōu)勢。而且此裝置的電感小、尺寸小、重量輕、電磁干擾小等優(yōu)點，未來發(fā)展具有廣闊前景。
信息來源：www.ewkbg.com 信息整理：揚州拓普電氣科技有限公司生技部
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