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(wǎng)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(zhì)量的重要作用。但實際運行中，電容器常常會出現(xiàn)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(wǎng)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(zhì)聚丙烯，其阻值具有負的氣溫系數(shù)，即氣溫的上升內(nèi)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(zhì)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(zhì)局放
因為3次、5次、7次紋波的疊加，電網(wǎng)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(zhì)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(zhì)的絕緣升高，減短了并聯(lián)電容器組的壽命。
2、限制電網(wǎng)紋波的方式
A.有源串聯(lián)混頻器結構及原理
目前電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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?shù)哪芰Γ瑢μ嵘β寿|(zhì)數(shù)是不利的。
里面所述發(fā)生串、并聯(lián)諧振對電網(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(wǎng)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(xiàn)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(wǎng)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(nèi)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(jīng)過減法器得到電力變換器紋波電壓。之后經(jīng)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(zhì)量，還可以及時抑制電網(wǎng)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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