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一种抑制电网谐波污染的新技术
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2017-10-12
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一、引言
当今世界，电能已经成为人类生产和生活不可须臾或缺的能源，它便于传输，能够方便地转化为其它能源，十分清洁。电能的供应需要由电网传输。理想的公用电网的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。由于电器的使用会产生谐波电流和谐波电压，注入到电网中，就成为电网的一种污染，它会导致电网中的电流和电压波形畸变，电能质量下降，使电器设备的使用环境恶化，危害电网及电网中的其它设备。
近几十年来，各种非线性负荷的广泛使用，使得谐波污染的问题变得日益突出。而各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备的不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高，这使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也就越来越大。电能源应用在世界范围内已经出现不断升级的大规模停电等事故和频繁的城市火灾，其中大部分与谐波污染和不恰当的处理不同程度相关。
我们经过多年研究和实践，提出了一种抑制谐波污染的新技术： “阻断相填补整流(BPCP)技术”。与现存各类抑制谐波的技术相比，这一技术在稳定性、可靠性、高频变换功率容量以及高低频共模干扰问题上具有突出特点和优势。
二、三相供电系统的谐波污染及其治理的现状
伴随着电网中整流负荷的比重越来越大，大范围停电事故以及城市火灾频发，使得人们对供电系统的谐波问题给予了更多的关注，并且致力于找到解决方案。然而，10KW 到1MW 的三相低压整流技术全世界依然没有任何有效的办法。高脉波整流器非常昂贵，单调谐滤波装置是供电系统中的不稳定源头，而且现在已经成为大范围停电事故的重要原因。即便是在法治、标准化规范十分严格的美国，夜晚城市中超过半数居民区的5 次和7 次谐波还是超出了IEEE 519 标准，并且情况在持续恶化。谐波会产生二次效应，当电流渡过线路阻抗时，造成谐波电压降，使电网电压产生畸变并降低了发电和输变电设备的效率，并可引起公用电网中局部并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，危害大大增加甚至引起严重事故；另一方面，使电源输入功率因数下降。它们还会造成电路故障，损坏变电设备，如变压器过热、火灾、LC 振荡、测试仪器频繁误动作、对附近设备造成干扰、高次谐波电流渡过电容，诱使其过热爆炸。对于谐波最不具备抗性的设备包括通讯和数据处理设备，恰好是北美大停电后最终调查结果所确定的几种设备。因此，降低电力电子设备谐波(THD)，提高功率因数(PF)，已成为学术界研究的热点。
图1 击穿烧毁的升压变压器
几十年来，各种不同方法均存在较大的缺陷而没有能很好的推广。三相PWM 整流技术成本高，且系统不稳定，甚至有人再加第四路PWM 去平衡。三相电三线输入只有两个独立电流回路，整流器的输出如果是有源负荷，其输出电流也是规范的，这样输入电流回路只有一个可以被有源规范，否则系统会因条件冲突而不稳定，而意图通过控制方式改进的努力大多存在电压源并联的不稳定问题。其极大的高频工频叠加的共模电压输出更是致命的问题，常造成绝缘击穿，即便是多电平，费用高昂的滤波器作用都有限。
现在大功率工业整流器大多采用高压侧谐波滤波器，不仅自身有一定的能耗，其安全性也存在问题。例如1996 年4 月10 日，已有193 台电解槽投入生产某铝厂，正在有有条不紊地做着启动第四系列最后一批电解槽的准备工作。在动力厂供电车间内，值班员在现场监护员的注视下，严格按照停电指令、程序和操作标准迅速而准确地将整流机组的电源切断，这一切跟以往一样正常。9 时15 分，室外突然传来“轰”的一声炸响，“不好，出事了！”供电车间副主任大叫一声，旋风般冲出室外，只见与4 号整流机组配套的谐波滤波器已经炸裂，近在咫尺的4号整流机组正起火燃烧，几十吨变压器油燃烧时喷出的火焰肆虐地施发着淫威，滚滚浓烟挟着火势如腾空的飞龙直冲云宵……。几天后西南某铝厂的A 公司整流机组同样因谐波开关爆炸起火烧毁。4 月15 日，从ABB 公司总部派来的专家组赶到现场，经过仔细勘察和分析论证，双方共同认定，火灾的直接原因是由谐波开关爆炸引起的。专家们从整流器里发现了较大的不应有的非特性谐波，正是这种幽灵似的谐波在谐波器组和降压变组成的谐振腔内得以严重放大，在谐波开关正常操作过程中，构成一个完全的破坏性谐振，当谐振过流过压，便击毁开关，导致火灾。
当今世界，电能已经成为人类生产和生活不可须臾或缺的能源，它便于传输，能够方便地转化为其它能源，十分清洁。电能的供应需要由电网传输。理想的公用电网的电压应该是单一而固定的频率以及规定的电压幅值。由于电器的使用会产生谐波电流和谐波电压，注入到电网中，就成为电网的一种污染，它会导致电网中的电流和电压波形畸变，电能质量下降，使电器设备的使用环境恶化，危害电网及电网中的其它设备。
近几十年来，各种非线性负荷的广泛使用，使得谐波污染的问题变得日益突出。而各种复杂、精密、对电能质量敏感的用电设备的不断普及，人们对电能质量及可靠性的要求越来越高，这使得电能质量问题对电网和配电系统造成的直接危害和可能对人类生活和生产造成的损失也就越来越大。电能源应用在世界范围内已经出现不断升级的大规模停电等事故和频繁的城市火灾，其中大部分与谐波污染和不恰当的处理不同程度相关。
我们经过多年研究和实践，提出了一种抑制谐波污染的新技术： “阻断相填补整流(BPCP)技术”。与现存各类抑制谐波的技术相比，这一技术在稳定性、可靠性、高频变换功率容量以及高低频共模干扰问题上具有突出特点和优势。
二、三相供电系统的谐波污染及其治理的现状
伴随着电网中整流负荷的比重越来越大，大范围停电事故以及城市火灾频发，使得人们对供电系统的谐波问题给予了更多的关注，并且致力于找到解决方案。然而，10KW 到1MW 的三相低压整流技术全世界依然没有任何有效的办法。高脉波整流器非常昂贵，单调谐滤波装置是供电系统中的不稳定源头，而且现在已经成为大范围停电事故的重要原因。即便是在法治、标准化规范十分严格的美国，夜晚城市中超过半数居民区的5 次和7 次谐波还是超出了IEEE 519 标准，并且情况在持续恶化。谐波会产生二次效应，当电流渡过线路阻抗时，造成谐波电压降，使电网电压产生畸变并降低了发电和输变电设备的效率，并可引起公用电网中局部并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，危害大大增加甚至引起严重事故；另一方面，使电源输入功率因数下降。它们还会造成电路故障，损坏变电设备，如变压器过热、火灾、LC 振荡、测试仪器频繁误动作、对附近设备造成干扰、高次谐波电流渡过电容，诱使其过热爆炸。对于谐波最不具备抗性的设备包括通讯和数据处理设备，恰好是北美大停电后最终调查结果所确定的几种设备。因此，降低电力电子设备谐波(THD)，提高功率因数(PF)，已成为学术界研究的热点。
图1 击穿烧毁的升压变压器
几十年来，各种不同方法均存在较大的缺陷而没有能很好的推广。三相PWM 整流技术成本高，且系统不稳定，甚至有人再加第四路PWM 去平衡。三相电三线输入只有两个独立电流回路，整流器的输出如果是有源负荷，其输出电流也是规范的，这样输入电流回路只有一个可以被有源规范，否则系统会因条件冲突而不稳定，而意图通过控制方式改进的努力大多存在电压源并联的不稳定问题。其极大的高频工频叠加的共模电压输出更是致命的问题，常造成绝缘击穿，即便是多电平，费用高昂的滤波器作用都有限。
现在大功率工业整流器大多采用高压侧谐波滤波器，不仅自身有一定的能耗，其安全性也存在问题。例如1996 年4 月10 日，已有193 台电解槽投入生产某铝厂，正在有有条不紊地做着启动第四系列最后一批电解槽的准备工作。在动力厂供电车间内，值班员在现场监护员的注视下，严格按照停电指令、程序和操作标准迅速而准确地将整流机组的电源切断，这一切跟以往一样正常。9 时15 分，室外突然传来“轰”的一声炸响，“不好，出事了！”供电车间副主任大叫一声，旋风般冲出室外，只见与4 号整流机组配套的谐波滤波器已经炸裂，近在咫尺的4号整流机组正起火燃烧，几十吨变压器油燃烧时喷出的火焰肆虐地施发着淫威，滚滚浓烟挟着火势如腾空的飞龙直冲云宵……。几天后西南某铝厂的A 公司整流机组同样因谐波开关爆炸起火烧毁。4 月15 日，从ABB 公司总部派来的专家组赶到现场，经过仔细勘察和分析论证，双方共同认定，火灾的直接原因是由谐波开关爆炸引起的。专家们从整流器里发现了较大的不应有的非特性谐波，正是这种幽灵似的谐波在谐波器组和降压变组成的谐振腔内得以严重放大，在谐波开关正常操作过程中，构成一个完全的破坏性谐振，当谐振过流过压，便击毁开关，导致火灾。
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