一種抑制電網(wǎng)諧波污染的新技術(shù)

一、引言
　　當(dāng)今世界，電能已經(jīng)成為人類生產(chǎn)和生活不可須臾或缺的能源，它便于傳輸，能夠方便地轉(zhuǎn)化為其它能源，十分清潔。電能的供應(yīng)需要由電網(wǎng)傳輸。理想的公用電網(wǎng)的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。由于電器的使用會(huì)產(chǎn)生諧波電流和諧波電壓，注入到電網(wǎng)中，就成為電網(wǎng)的一種污染，它會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)中的電流和電壓波形畸變，電能質(zhì)量下降，使電器設(shè)備的使用環(huán)境惡化，危害電網(wǎng)及電網(wǎng)中的其它設(shè)備。
　　近幾十年來，各種非線性負(fù)荷的廣泛使用，使得諧波污染的問題變得日益突出。而各種復(fù)雜、精密、對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備的不斷普及，人們對電能質(zhì)量及可靠性的要求越來越高，這使得電能質(zhì)量問題對電網(wǎng)和配電系統(tǒng)造成的直接危害和可能對人類生活和生產(chǎn)造成的損失也就越來越大。電能源應(yīng)用在世界范圍內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)不斷升級的大規(guī)模停電等事故和頻繁的城市火災(zāi)，其中大部分與諧波污染和不恰當(dāng)?shù)奶幚聿煌潭认嚓P(guān)。
　　我們經(jīng)過多年研究和實(shí)踐，提出了一種抑制諧波污染的新技術(shù)： “阻斷相填補(bǔ)整流(BPCP)技術(shù)”。與現(xiàn)存各類抑制諧波的技術(shù)相比，這一技術(shù)在穩(wěn)定性、可靠性、高頻變換功率容量以及高低頻共模干擾問題上具有突出特點(diǎn)和優(yōu)勢。
　　二、三相供電系統(tǒng)的諧波污染及其治理的現(xiàn)狀
　　伴隨著電網(wǎng)中整流負(fù)荷的比重越來越大，大范圍停電事故以及城市火災(zāi)頻發(fā)，使得人們對供電系統(tǒng)的諧波問題給予了更多的關(guān)注，并且致力于找到解決方案。然而，10KW 到1MW 的三相低壓整流技術(shù)全世界依然沒有任何有效的辦法。高脈波整流器非常昂貴，單調(diào)諧濾波裝置是供電系統(tǒng)中的不穩(wěn)定源頭，而且現(xiàn)在已經(jīng)成為大范圍停電事故的重要原因。即便是在法治、標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范十分嚴(yán)格的美國，夜晚城市中超過半數(shù)居民區(qū)的5 次和7 次諧波還是超出了IEEE 519 標(biāo)準(zhǔn)，并且情況在持續(xù)惡化。諧波會(huì)產(chǎn)生二次效應(yīng)，當(dāng)電流渡過線路阻抗時(shí)，造成諧波電壓降，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變并降低了發(fā)電和輸變電設(shè)備的效率，并可引起公用電網(wǎng)中局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，危害大大增加甚至引起嚴(yán)重事故；另一方面，使電源輸入功率因數(shù)下降。它們還會(huì)造成電路故障，損壞變電設(shè)備，如變壓器過熱、火災(zāi)、LC 振蕩、測試儀器頻繁誤動(dòng)作、對附近設(shè)備造成干擾、高次諧波電流渡過電容，誘使其過熱爆炸。對于諧波最不具備抗性的設(shè)備包括通訊和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，恰好是北美大停電后最終調(diào)查結(jié)果所確定的幾種設(shè)備。因此，降低電力電子設(shè)備諧波(THD)，提高功率因數(shù)(PF)，已成為學(xué)術(shù)界研究的熱點(diǎn)。

圖1 擊穿燒毀的升壓變壓器
　　幾十年來，各種不同方法均存在較大的缺陷而沒有能很好的推廣。三相PWM 整流技術(shù)成本高，且系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至有人再加第四路PWM 去平衡。三相電三線輸入只有兩個(gè)獨(dú)立電流回路，整流器的輸出如果是有源負(fù)荷，其輸出電流也是規(guī)范的，這樣輸入電流回路只有一個(gè)可以被有源規(guī)范，否則系統(tǒng)會(huì)因條件沖突而不穩(wěn)定，而意圖通過控制方式改進(jìn)的努力大多存在電壓源并聯(lián)的不穩(wěn)定問題。其極大的高頻工頻疊加的共模電壓輸出更是致命的問題，常造成絕緣擊穿，即便是多電平，費(fèi)用高昂的濾波器作用都有限。
　　現(xiàn)在大功率工業(yè)整流器大多采用高壓側(cè)諧波濾波器，不僅自身有一定的能耗，其安全性也存在問題。例如1996 年4 月10 日，已有193 臺(tái)電解槽投入生產(chǎn)某鋁廠，正在有有條不紊地做著啟動(dòng)第四系列最后一批電解槽的準(zhǔn)備工作。在動(dòng)力廠供電車間內(nèi)，值班員在現(xiàn)場監(jiān)護(hù)員的注視下，嚴(yán)格按照停電指令、程序和操作標(biāo)準(zhǔn)迅速而準(zhǔn)確地將整流機(jī)組的電源切斷，這一切跟以往一樣正常。9 時(shí)15 分，室外突然傳來“轟”的一聲炸響，“不好，出事了！”供電車間副主任大叫一聲，旋風(fēng)般沖出室外，只見與4 號整流機(jī)組配套的諧波濾波器已經(jīng)炸裂，近在咫尺的4號整流機(jī)組正起火燃燒，幾十噸變壓器油燃燒時(shí)噴出的火焰肆虐地施發(fā)著淫威，滾滾濃煙挾著火勢如騰空的飛龍直沖云宵……。幾天后西南某鋁廠的A 公司整流機(jī)組同樣因諧波開關(guān)爆炸起火燒毀。4 月15 日，從ABB 公司總部派來的專家組趕到現(xiàn)場，經(jīng)過仔細(xì)勘察和分析論證，雙方共同認(rèn)定，火災(zāi)的直接原因是由諧波開關(guān)爆炸引起的。專家們從整流器里發(fā)現(xiàn)了較大的不應(yīng)有的非特性諧波，正是這種幽靈似的諧波在諧波器組和降壓變組成的諧振腔內(nèi)得以嚴(yán)重放大，在諧波開關(guān)正常操作過程中，構(gòu)成一個(gè)完全的破壞性諧振，當(dāng)諧振過流過壓，便擊毀開關(guān)，導(dǎo)致火災(zāi)。