基于基波諧振原理的諧波電能利用方法研究

廖青華，李璨

（1.河南機(jī)電高等?？茖W(xué)校 電氣工程系，河南 新鄉(xiāng) 453000；2.廣西大學(xué) 電氣工程學(xué)院，廣西 南寧 530004）

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，電力電子產(chǎn)品廣泛地應(yīng)用于電力系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域，整流、逆變、變頻等設(shè)備實(shí)現(xiàn)了變革，拓寬了電能的應(yīng)用，但是在提高用電效率的同時(shí)也造成了電力系統(tǒng)的諧波污染日益嚴(yán)重，直接影響到了電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行［1］。目前，在電力系統(tǒng)中通常采用兩種方法進(jìn)行諧波抑制：一是采取措施減少電力電子設(shè)備自身產(chǎn)生的諧波；二是增設(shè)濾波裝置濾除電網(wǎng)中的諧波。前者會使投資成本大幅度增加，后者一般通過裝設(shè)無源濾波器或有源濾波器進(jìn)行諧波抑制，有源濾波器因具有良好的動態(tài)補(bǔ)償效果，成為目前研究的焦點(diǎn)［2-6］。

從電能利用的角度看，以電力電子設(shè)備為代表的非線性負(fù)載是一種高效、隨意、有選擇的用電方式。在一個(gè)工頻周期內(nèi)，非線性負(fù)載依據(jù)自身特有的用電方式只選擇利用了正弦電能的一部分，剩余部分的電能不符合非線性負(fù)載的用電要求，被當(dāng)作有危害的諧波濾除掉，這顯然是一種不經(jīng)濟(jì)的做法。諧波本身也是一種能源，如果把抑制諧波轉(zhuǎn)變?yōu)槔弥C波電能，不僅可以創(chuàng)造很好的經(jīng)濟(jì)效益，而且也符合國家節(jié)能的方針。

文獻(xiàn)［7-8］提出了利用變壓器提取諧波電能等理論方法，驗(yàn)證了諧波利用的可行性，有很好的利用價(jià)值；文獻(xiàn)［9］提出一種新型的基于基波磁通補(bǔ)償原理與調(diào)諧濾波技術(shù)相結(jié)合，通過三繞組變壓器在不取用基波功率的前提下獲取電網(wǎng)中諧波電能的裝置，不但有效地濾除了電網(wǎng)中的諧波，同時(shí)很好地提取利用了諧波電能。

本文在此基礎(chǔ)上提出一種基于基波諧振原理的諧波電能利用方法，利用電感與電容組合而成的基波諧振電路與直流儲能設(shè)備構(gòu)成諧波電能利用裝置，該方法不僅實(shí)現(xiàn)了高效率的諧波抑制而且有效地利用了諧波電能。

2 諧波電能利用的可行性分析

非線性負(fù)載與傳統(tǒng)的電動機(jī)、白熾燈等用電方式不同，是一種特殊的非線性高效的用電方式，對電能（電壓）具有選擇性。一般情況下在一個(gè)工頻周期內(nèi)，電壓較高時(shí)非線性負(fù)載才消耗電能，就出現(xiàn)了以正弦電壓、畸變甚至間斷電流的形式消耗畸變電能的用電方式，但是這種方式只消耗了正弦電能的一部分。

電網(wǎng)A相正弦電壓、電流表示如下：

A相正弦電能為

以電網(wǎng)中常見的三相二極管整流電路為例，其A相畸變電流可表示為如下形式：

公共電網(wǎng)的電壓一般保持正弦狀態(tài)，則整流電路的A相畸變功率為

結(jié)合式（3）、式（5），則可利用的剩余諧波電能為

通過式（5）、式（6）可知，非線性負(fù)載只消耗了正弦電能的一部分，在電網(wǎng)中一般將剩余部分濾除或補(bǔ)償?shù)簦粌H增大了設(shè)備的投資成本，而且造成了電能的浪費(fèi)。如果在滿足電網(wǎng)電能質(zhì)量的要求下，將濾波轉(zhuǎn)變?yōu)槔弥C波，為社會變廢為寶，將成為循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一個(gè)有益環(huán)節(jié)。

3 諧波電能利用方法設(shè)計(jì)

諧波電能利用裝置設(shè)計(jì)如圖1所示，在電網(wǎng)三相電路中串入一組電感和電容，使其對基波電流產(chǎn)生串聯(lián)諧振組成基波諧振電路，該電路對基波電流無影響，但對諧波電流產(chǎn)生高阻抗。再在基波諧振電路與非線性負(fù)載之間并聯(lián)一直流儲能設(shè)備，其通過3個(gè)正向二極管與3個(gè)反向二極管與線路相連，正、反向二極管的作用是分別提取非線性負(fù)載不消耗的正、負(fù)半周期的剩余諧波電能。由于基波諧振電路的作用，迫使諧波電能以正、負(fù)直流電能的形式流向直流儲能設(shè)備，儲存的直流電能經(jīng)平波后可直接供直流負(fù)載或逆變后送入電網(wǎng)。

圖1 諧波電能利用裝置設(shè)計(jì)圖Fig.1 Design diagram of device for harmonic electric energy using

通過建立等值電路來說明基波諧振電路的重要性，未串聯(lián)基波諧振電路時(shí)的等值電路如圖2所示，其中非線性負(fù)載等值為一諧波電流源，為諧波源的n次諧波電流，為流入電力系統(tǒng)的諧波電流，為流入儲能設(shè)備的諧波電流，nXS為電力系統(tǒng)的諧波阻抗，Rfn為儲能設(shè)備的等效諧波電阻，Xfc/n為儲能設(shè)備的等效諧波容抗。

圖2 未串聯(lián)基波諧振電路時(shí)的等值電路Fig.2 Equivalent circuit with no series fundamental resonance circuit

可求出流向電網(wǎng)與儲能設(shè)備的諧波電流分別為

諧波電能利用的多少決定于nXS與Rfn-XfC/n的大小關(guān)系，nXS越大，流向儲能設(shè)備的諧波電能越多，但是電網(wǎng)的等效阻抗XS是一個(gè)非常小的值，而且隨著系統(tǒng)容量的不斷增大，XS會不斷減小。會出現(xiàn)(Rfn-XfC/n)＞nXS，則 ISn＞Ifn，此時(shí)的諧波利用率較低，而且諧波電流會大量的流向電網(wǎng)，對電網(wǎng)產(chǎn)生危害。需在三相線路中串入基波諧振電路迫使諧波電流流向儲能裝置，其等值電路如圖3所示。

圖3 串聯(lián)基波諧振電路時(shí)的等值電路Fig.3 Equivalent circuit with series fundamental resonance circuit

此時(shí)流向電網(wǎng)與儲能設(shè)備的諧波電流分別為

通過調(diào)節(jié)基波諧振電路的參數(shù)，可滿足：

則

串聯(lián)基波諧振電路后，諧波電流幾乎全部流入儲能設(shè)備，不僅能較好地抑制諧波而且可以有效地利用諧波電能。儲存諧波電能的裝置采用直流儲能裝置，將諧波電能的正、負(fù)半周分別儲存，不需分頻提取，大大降低了諧波電能利用的成本。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證諧波電能利用的可行性，電路圖如圖4所示。實(shí)驗(yàn)中以三相二極管整流電路作為非線性負(fù)載，電感L和電容C組成基波諧振電路，由于是驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，以3個(gè)25 W白熾燈來模擬儲能設(shè)備并入線路中，白熾燈的作用是消耗二極管整流電路不利用的諧波電能。

圖4 諧波電能利用實(shí)驗(yàn)電路圖Fig.4 Experiment circuit diagram of harmonic electric energy using

利用示波器測量未利用諧波電能時(shí)的A相電壓、電流波形，如圖5所示，由于二極管的單向?qū)ㄐ允蛊潆娏鏖g斷。

圖5 未利用諧波電能時(shí)的A相電壓、電流波形圖Fig.5 A phase voltage and circuit waveforms not using harmonic electric energy

在線路中串聯(lián)基波諧振電路與白熾燈負(fù)載后，用示波器測量A相的電壓、電流波形如圖6所示，A相電流分別流向整流電路與白熾燈的電流，如圖7所示。諧波利用前后的電流比較如表1所示。表1中比較了電流的總畸變率THD與各次諧波百分比。

圖6 利用諧波電能時(shí)的A相電壓、電流波形圖Fig.6 A phase voltage and circuit waveforms using harmonic electric energy

圖7 兩負(fù)載電流波形圖Fig.7 Circuit waveforms with two loads

表1 諧波電能利用前后的電流比較Tab.1 Compare of current before and after using harmonic electric energy

由圖5、圖6與表1可知，基波諧振電路與白熾燈負(fù)載投入運(yùn)行后，電流畸變率下降為1.01%，由間斷的波形變?yōu)楸容^接近正弦的波形。圖7中的i1為流向整流電路的電流，i2為流向白熾燈的電流，將這兩條曲線疊加后是圖6的電流波形曲線，這就說明了此時(shí)電網(wǎng)的正弦電能被分為了2部分，一部分被整流負(fù)載消耗，剩余部分被白熾燈消耗。這種方式不僅有效地抑制了非線性負(fù)載的諧波，同時(shí)很好地利用了諧波電能。

白熾燈與整流負(fù)載相互配合的用電方式驗(yàn)證了諧波電能利用的可行性，在工程應(yīng)用時(shí)可將白熾燈消耗的諧波電能以正、負(fù)直流電能的形式儲存起來，供直流負(fù)載使用或逆變后送回電網(wǎng)。

5 結(jié)論

本文提出一種基波諧振電路與直流儲能設(shè)備相結(jié)合的諧波電能利用方法，通過理論分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的正確性，不僅可以有效地進(jìn)行諧波抑制，而且較好地利用了諧波電能，符合國家的節(jié)能方針，不僅節(jié)省了裝設(shè)濾波裝置的成本，而且可創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益。在能源日益緊張的局勢下，該方法有廣闊的應(yīng)用前景。

［1］徐宏雷，鄭偉，周喜超，等.特高壓直流輸電系統(tǒng)對電網(wǎng)諧波污染的仿真分析［J］. 電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010，38（23）:192－195.

［2］湯賜,羅安,范瑞祥,等.新型注入式混合有源濾波器應(yīng)用中的問題［J］. 中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2008,28（18）:47－ 53.

［3］徐永海，劉書銘，朱永強(qiáng)，等.并聯(lián)型有源濾波器的補(bǔ)償策略研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2010，38（8）：71－74.

［4］李海洋，楊 勇，陳 杰，等.一種單相并聯(lián)混合型有源電力濾波器的研究［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制,2010,38（3）:53－ 57.

［5］王軍飛，趙國生，白蓉.一種新型的基于磁通補(bǔ)償?shù)牟⒙?lián)混合型有源電力濾波器［J］.電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2008，36（13）：38－42.

［6］李達(dá)義，陳喬夫，薛建科，等.基于基波磁通補(bǔ)償?shù)娜嘤性措娏V波器［J］.電力系統(tǒng)自動化，2003，27（11）：48－51.

［7］葛玉敏，李寶樹，梁爽.多諧波源系統(tǒng)中利用諧波抑制諧波初探［J］.電氣技術(shù)，2008（9）：119－121.

［8］滕福生.諧波電能利用的可行性研究［J］.四川電力技術(shù)，2006，29（6）：1－3.

［9］楊新志，焦留成，李偉,等.基于調(diào)諧技術(shù)的諧波電能提取利用裝置［J］.電力自動化設(shè)備，2011，31（1）：67－70