關于可控硅設備的高次諧波問題

孫卉

摘 要：本文敘述可控硅設備告辭諧波的產生及其危害并著重介紹高次諧波的抑制方法。

關鍵詞：可控硅；高次諧波；抑制方法

由于可控硅設備在技術性能上和節能等方面有著突出的一系列優點，因而在冶金、機械、化工、交通和電力等部門得到越來越廣泛的應用。與此同時這些可控硅設備（包括整流器、逆變器、功率控制器等）又是一個最主要的諧波源，給電網帶來高次諧波的污染，近些年來，國外某些國家逐步找到了一些較好地解決辦法，我國科技工作人員也在注意解決這一公害問題，本文首先就高次諧波的產生及危害性予以介紹，然后著重談談抑制高次諧波的方法.

1 高次諧波的產生及其危害

供電系統中出現高次諧波的原因，主要在于系統中存在著各種非線性元件，特別是大型的晶閘管變流設備和大型電弧爐，他們產生的高次諧波最為突出，產生高次諧波源很多，主要有變壓器、電弧爐及可控硅設備，其中又以可控硅設備產生的高次諧波為多。由于目前的變頻器幾乎都采用PWM控制方式，這樣的脈沖調制形式使得變頻器運行時在電源側產生高次諧波電流，并造成電壓波形畸變，對電源系統產生嚴重影響。我們知道，電網流入可控硅設備的電流不是正弦波形，如可控硅整流器，既使是理想情況（三相交流系統完全對稱，直流側平波電抗器的感抗為無窮大，換流電抗等于零），由變流技術方面的知識分析得出；整流變壓器付邊繞組流過全方波電流，與之相對應的原邊繞組流過梯形波電流。通過諧波分析可知；對于三相全控橋6脈沖整流器，變壓器原邊及供電線路含有5、7、11、13……次諧波電流。如果采用12脈沖整流器，也還有11、13、23、25……次諧波電流。在實際運行中，換流電抗不等于零，換相角不等于零；平波電抗器的感抗不可能為無窮大，輸出直流必然會有脈動；三相交流系統也很難完全對稱，因而其諧波成份會更加復雜與嚴重。

高次諧波的危害是很嚴重的，也是多方面的，歸納起來有以下幾點：

1.使電網的電壓與電流波形發生畸變，電能質量變壞；

2.對于變壓器、電機、電抗器，諧波電流會產生額外的損耗，降低設備力率，縮短使用的壽命；

3.對于電容器、也可引起系統感抗的電容器容抗之間的并聯諧振，造成電容器嚴重損壞，甚至爆炸；

4.對于通信，由于諧波電流的直接干擾與架空線的鄰近干擾，使得噪聲增大，嚴重影響通信通話的質量；

5.對于電氣儀表、電子控制，諧波電流會使感應式測量儀表指針擺動，測量不準確；高頻諧波產生的磁場會出現射頻干擾，造成電子控制系流誤動作；

6.對于可控制硅設備本身，由于諧波電流，會使電流調節器等工作不正常，從而影響設備的穩定運行。

2 高次諧波的抑制方法

為了減少高次諧波的影響，電力系統供電部門對用戶要求流入電網的高次諧波電流不能造成對通信、儀表、控制線路的干擾，也不能影響某些設備，如電容器、電視、可控硅設備等的正常工作。對電網的總的要求是；用戶流入該級電網的高次諧波電流加上該級原有的高次諧波電流使得諧波電壓的含量不能超過下表所列數據：

u1--基波電壓的有效值；

u2—u3—u4—各次諧波電壓有效值。如果超過表中所列數據（實際上我國有些地方達到或超過），就必須采取措施加以抑制。對于可控硅設備產生的高次諧波，主要有下面一些和抑制方法：

1.整流變壓器采用Y/△或△/Y接法。在Y/△接法中、可控硅設備的高次諧波電流通過付邊△線組時，其中3的倍數的高次諧波電流由于三相相位相同，在△繞組中形成環流，能量損耗在繞組的電阻上，變壓器鐵芯中不能產生三次諧波磁通，原邊Y繞組中就不感應3的倍數的電勢與電流。在△/Y接法中，付邊Y繞組中不能流過相位相同的3的倍數的高次諧波電流，使得變壓器鐵芯中出現3的倍數的諧波磁通，原邊△繞組中感應出3的倍數的諧波電勢，并在△繞組中形成相位一致的環流，能量損耗在繞組的電阻止，諧波電流不會流入電網。

因此整流變壓器采用這兩種接法，能有效地抑制3的倍數的高次諧波電流，這在實際工作中已經得到廣泛應用。

2.增加整流相數。從前面的敘述可知，12脈沖整流比6脈沖整流減少了5、7、17、19……次高次諧波電流，這是因為整流相數越多，整流后直流電壓的電流的脈動系統越小，高次諧波的含量也就越少。如果把常用的6脈沖整流改為12脈沖整流，則高次諧波電流可以減少到只占整個電流的1%，危害性大大降低。

3.采用調諧濾波器。調諧濾波器是有針對性的對某次或某幾次含量大的諧波進行吸收的裝置，一般由R、L、C等元件組成串聯諧振回路，安裝在變壓器初級側母線上。由于它對諧振的諧波電流呈現很小的阻抗，因而被吸收而不會流入電網。調整濾波器械有單調諧，雙調諧與高通濾波器等幾種型式，如圖1所示，單調諧濾波器是對某次諧波的頻率諧振，這兩種濾波器的品質因素Q都很高；高通濾波器是在某高次（如11次）諧頻率以上有很寬頻帶的低Q值濾波器，一般采用二階型。

這里介紹單調諧濾波器的設計，我們知道串聯諧振的條件是，式中是n次諧波的角頻率，首先根據n次諧波電壓

與電流的大小估算出濾波器的容量Sn，然后按照、 U1—

基波角頻率與基波電壓）計算電容量的大小，最后根據諧振條件計算出電感，電阻R的值根據濾波電路Ln、Cn允許通過的最大電

流來確定，以保證Ln、Cn的安全運行。

采用帶移相繞組的整流變壓器。這種方法適合有多臺可控制硅設備的情況。如圖2（a）所示有KP1、KP2、KP3三臺設備，我們可以對KP1、KP3兩臺采用帶移相繞組的整流變壓器B1、B3，通過移相，使三臺整流變壓器的相位互差一個角度（當前多采用±7.5°或土10°的移相角），如圖2（b）所示。這相當于交流側電源組成脈動的18次的電壓波形，改善了電網電壓波形，能有效地抑制高次諧波的不良影響。

附帶指出，帶移相繞組的整流變壓器其移相繞組的匝數相對主繞組匝數少得多，設計結構都不復雜（可參閱有關書藉資料），具有投資少、收效好的特點。

5、安裝電抗器，在有無功補償電容器的情況下，安裝與電容器串聯的電抗器，可以組成低通濾波器，調諧在最低次諧波頻率以下，使整個系統失調，以減少高次諧波的影響。

6、采用性能良好的觸發系統。在設計可控硅設備的觸發系統時就考慮濾波問題，如采用“數字式控制”等方案。這往往比專門設置的抑制諧波電路更經濟而又有效。

7、增加供電系統的短路容量。在設計供電系統時，設法加大系統的短路容量，使其大于可控硅設備容量的20倍，則可以減少流入系統的諧波電流的影響。

總之，諧波的發生影響整個電力系統的環境，如在通訊中因發生諧波噪聲使通話質量下降，使控制和保護設備發生誤動作以及使電力裝置與系統過載，給電力系統正常運行造成危害，應當引起我們的高度重視。但只要我們下決心去解決，就一定能根據本地的實際情況找到適合的解決方法，造福于社會，也有利于自己。