在工業(yè)、企業(yè)用電設備中，因為存在大量的非線性負荷，致使電網電流電壓都富含程度不等的紋波份量。并聯(lián)電容器組在電力系統(tǒng)無功補償環(huán)節(jié)起著保證電流質量的重要作用。但實際運行中，電容器常常會出現繼電器發(fā)熱、絕緣增長、電容值變化等故障。剖析其緣由，紋波害處占很大的比例。本文通過剖析紋波對電容器組的害處緣由，提出了采用有源串聯(lián)混頻器限制紋波的方式。此裝置混頻電感小、尺寸小、重量輕、良好的混頻特點和電磁干擾小等優(yōu)點，未來發(fā)展具有寬廣前景。
1、諧波對電容器組的害處
A.紋波電壓造成電容器發(fā)熱
當電容器組投入運行時，其端電流主要存在3、5、7次紋波，其有效值如下：
其中從(1)~(3)公式可以看出,當電網存在紋波時,電壓的有效值比電流的有效值下降要快,高次紋波更顯著。紋波電壓的下降使電容器組的耗損功率降低,而框架式電容器組的介質聚丙烯，其阻值具有負的氣溫系數，即氣溫的上升內阻將變小，這又會使電壓進一步減小，耗損亦減小，最終造成電容器組異常發(fā)熱、介質材料老化、電容值變化，甚至發(fā)生車禍。
B.紋波電流引起介質局放
因為3次、5次、7次紋波的疊加，電網中的電流波形呈圓頂狀。在圓頂狀電流波的作用下，每位周波的局部放電能量明顯降低。而固體介質中的樹葉寬度，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，枝條厚度越長，越易誘發(fā)局部放電。這樣，使介質的絕緣升高，減短了并聯(lián)電容器組的壽命。
2、限制電網紋波的方式
A.有源串聯(lián)混頻器結構及原理
目前電網主要采用并聯(lián)電容器組串聯(lián)一定檢波率及容量的檢波器組成串聯(lián)諧振回路來抑制紋波。串聯(lián)檢波器除了可以抑制電網紋波，還可以限制一定程度的吸合涌流。但其也有不足之處：
可能發(fā)生串、并聯(lián)諧振，造成過電流、過電壓
毀壞電容器和檢波器;因為負荷的可變性，不易實時監(jiān)控電網紋波電容器串聯(lián)和并聯(lián)公式，及時抑制;串聯(lián)檢波器壓低了電容器端電流，而電容器組能承受1.1倍的常年工頻過電流;串聯(lián)檢波器抵消了一部份電容器無功補償的能力，對提升功率質數是不利的。
里面所述發(fā)生串、并聯(lián)諧振對電網的運行最大，也最嚴重。針對串聯(lián)檢波器的不足，文獻[4]提出了有源串聯(lián)電力混頻器在電網中的應用，此裝置包括電力變換器、串聯(lián)的電感和電容、高頻雜訊過濾器。如圖1所示，當電網中富含紋波份量時，電力變換器將補償電流轉換成補償電壓，補償電壓通過串聯(lián)的電感和電容流入電網以抵消紋波電壓成份。電感的作用是過濾電力變換器的開關諧波，電容則是提供穩(wěn)定的無功功率。高頻雜訊過濾器由一系列電容和檢波組成，拿來進一步過濾電力變換器的開關雜訊。
有源串聯(lián)混頻器的等效電路圖，圖中兩個電流源，一個是電網電流源，另一個是電力變換器電流源。圖2可以進一步分成工頻等效電路和紋波等效電路，如圖3所示。圖3(a)所示為工頻等效電路，若電源耗損忽視不計，電力變換器形成的補償電流僅富含紋波成份。因而，工頻下電力變換器的電流源視為漏電，由圖3(a)可以看出，串聯(lián)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)為紋波下的等效電路。因為電力變換器的開關頻度小于串聯(lián)電感和電容的諧振頻度，所以串聯(lián)電感和電容呈感性，整體作為電感過濾電力變換器的開關雜訊。為了抑制紋波電壓，補償電流可以寫為表達式：
其中為負荷紋波電壓，為串聯(lián)電感和電容的阻抗。若電力變換器形成補償電流如表達式(4)，這么這個電流轉化成補償電壓，與電網紋波電壓方向相反，這樣紋波電壓就抵消了。
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壓、電網電壓、電力變換器輸出電壓和直流母線電流四種訊號，相應地控制過程分為四部份：
第一部份為了實現紋波電壓和串聯(lián)阻抗的乘積，即表達式(4)。負荷電壓首先通過帶阻混頻器I得到紋波電壓，之后通過PID控制器就是補償電流。
第二部份是為了修正第一部份所得補償電流的偏差。電網電壓通過帶阻混頻器II得到紋波電壓，之后通過放大器I得到比列放大的紋波電壓。
第三部份是為了防止高頻振蕩，形成一個和電感電容串聯(lián)的虛擬內阻。電力變換器輸出電壓通過帶通混頻器得到其工頻電壓，之后將電力變換器輸出電壓和其工頻電壓經過減法器得到電力變換器紋波電壓。之后經過放大器II得到比列放大的訊號。
第四部份拿來校準直流母線電流。直流母線電流通過低通混頻器濾去直流雜訊。
C.有源串聯(lián)混頻器特性
此有源串聯(lián)混頻器除了可以補償無功改善電流質量，還可以及時抑制電網中變化的紋波。相對于串聯(lián)一定檢波率及容量的檢波器的方式電容器串聯(lián)和并聯(lián)公式，具有顯著優(yōu)勢。并且此裝置的電感小、尺寸小、重量輕、電磁干擾小等優(yōu)點，未來發(fā)展具有寬廣前景。
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