如何防范和解決諧波對高頻開關(guān)電源造成的影響

在電力系統(tǒng)中，直流電源作為繼電保護(hù)、自動裝置以及一二次設(shè)備操作電源使用，是發(fā)電廠和變電站非常重要的設(shè)備。近年來，系統(tǒng)內(nèi)因直流電源故障而引發(fā)的事故時有發(fā)生，所以，對直流電源的可靠性、穩(wěn)定性具有很高的要求。傳統(tǒng)的直流電源多數(shù)采用可控硅整流型。隨著高頻開關(guān)電源技術(shù)的成熟，目前高頻開關(guān)電源已在電力系統(tǒng)內(nèi)逐步開始取代傳統(tǒng)硅整流充電機(jī)。高頻開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于電力發(fā)電廠、變電站(所)、工業(yè)生產(chǎn)、交通等直流系統(tǒng)及相關(guān)配套裝置中，是斷路器分合閘用電、后備電池充電以及二次回路的儀器儀表等低壓設(shè)備用電設(shè)備正常工作的動力核心。

高頻開關(guān)電源的工作原理

交流電源接入整流模塊，經(jīng)濾波及三相全波整流器后變成直流，再接入高頻逆變回路，將直流轉(zhuǎn)換為高頻交流，最后經(jīng)高頻變壓器、整流橋、濾波器后輸出平穩(wěn)直流。

高頻開關(guān)電路主要由整流濾波電路，全橋變換電路，PWM控制電路，穩(wěn)壓、限壓電路，穩(wěn)流、限流電路，保護(hù)電路，以及輔助電源電路等組成。

三相電網(wǎng)(或單相)電壓經(jīng)電源開關(guān)后，進(jìn)行整流濾波，得到的520Vdc(單相為300Vdc)的平滑直流電壓供給逆變電路。

逆變電路主要由大功率IGBT模塊(或場效應(yīng)MOSFET模塊)組成全橋變換電路。當(dāng)PWM輸出控制信號通過隔離驅(qū)動器分別驅(qū)動功率模塊，兩組對角管分別交替導(dǎo)通，在高頻變壓器初級產(chǎn)生高頻脈沖電壓，次級電壓由高頻變壓器變壓后經(jīng)整流向負(fù)載提供能量。

輸出端分別接有穩(wěn)壓、限流和穩(wěn)流、限壓等反饋電路。當(dāng)置于穩(wěn)壓狀態(tài)時，穩(wěn)壓和限流電路起作用，當(dāng)輸出電壓升高或下降時，取樣電壓通過穩(wěn)壓電路內(nèi)部電壓比較器跟基準(zhǔn)電壓比較，其誤差信號電壓加到PWM控制電路，使PWM輸出脈寬作相應(yīng)變化，從而穩(wěn)定輸出電壓，如負(fù)載電流過高時，限流電路工作，使輸出電流限制在限流設(shè)定值內(nèi)。

同樣，在穩(wěn)流狀態(tài)下，穩(wěn)流電路作用，使輸出電流穩(wěn)定在設(shè)定值內(nèi)，而當(dāng)過壓時，限壓電路使輸出電壓鉗位在限壓值。當(dāng)有異常情況(如輸入過壓或欠壓，過流或過熱等)產(chǎn)生保護(hù)信號加到保護(hù)控制電路時，保護(hù)電路輸出一個電壓加到PWM電路，使PWM電路停止輸出，從而達(dá)到保護(hù)目的。電力系統(tǒng)諧波的來源

電力系統(tǒng)中諧波源是多種多樣的。主要有以下幾種：

⑴系統(tǒng)中的各種非線性用電設(shè)備如：換流設(shè)備、調(diào)壓裝置、電氣化鐵道、電弧爐、熒光燈、家用電器以及各種電子節(jié)能控制設(shè)備等。這些設(shè)備即使供給它理想的正弦波電壓，取用的電流也是非線性的，即有諧波電流存在。并且這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流也會注入電力系統(tǒng)，使系統(tǒng)各處電壓產(chǎn)生諧波分量。這些設(shè)備的諧波含量決定于它本身的特性和工作狀況，基本上與電力系統(tǒng)參數(shù)無關(guān)，可視為諧波恒流源。

⑵供電系統(tǒng)本身存在的非線性元件是諧波的又一來源。這些非線性元件主要有變壓器激磁支路、交直流換流站的可控硅控制元件、可控硅控制的電容器、電抗器組等。

⑶如熒光燈、家用電器等的單個容量不大，但數(shù)量很大且散布于各處，電力部門又難以管理的用電設(shè)備。如果這些設(shè)備的電流諧波含量過大，則會對電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重影響，對該類設(shè)備的電流諧波含量，在制造時即應(yīng)限制在一定的數(shù)量范圍之內(nèi)。

⑷發(fā)電機(jī)發(fā)出的諧波電勢。發(fā)電機(jī)發(fā)出諧波電勢的同時也會有諧波電勢產(chǎn)生，其諧波電勢取決于發(fā)電機(jī)本身的結(jié)構(gòu)和工作狀況，基本上與外接阻抗無關(guān)。故可視為諧波恒壓源，但其值很小。

電力系統(tǒng)中諧波的出現(xiàn)，對于電力系統(tǒng)運(yùn)行是一種“污染”。它們極大的降低了系統(tǒng)電壓正弦波形的質(zhì)量，同時對高頻開關(guān)電源也有很大的影響。

諧波對高頻開關(guān)電源影響實(shí)例

⑴2008年10月，某供電公司110kV變電站進(jìn)行1#主變壓器更換工作。

該站充電機(jī)電源正常由1#所用主變供電，10kV母聯(lián)和低壓母聯(lián)均在斷開位置，由于10kV I段母線未帶鋼廠負(fù)荷，高頻充電機(jī)運(yùn)行正常。在1#主變更換期間，全站10kV負(fù)荷和低壓負(fù)荷全部由2#主變所帶，而10kV II母線帶有兩回鋼廠負(fù)荷，且該鋼廠未裝消諧裝置，當(dāng)?shù)怪链朔?