牟玉瑕

(東北電力大學(xué)電氣工程學(xué)院，吉林 吉林 132012)

智能型快速應(yīng)急電源（Intelligent speedy power supply）簡(jiǎn)稱(chēng)ISPS，與傳統(tǒng)的UPS不間斷電源相比，它具有投切時(shí)間短、用電效率高、安全可靠性高和節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，而節(jié)能環(huán)保是ISPS系統(tǒng)最具代表性的特征之一，主要體現(xiàn)在ISPS系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)諧波的提取利用。ISPS系統(tǒng)內(nèi)部會(huì)有大量的諧波產(chǎn)生，這些諧波對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行以及系統(tǒng)的安全可靠性都具有很大的危害。諧波會(huì)降低電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率，使電氣設(shè)備過(guò)熱、產(chǎn)生振動(dòng)和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可能會(huì)引起系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波的含量放大，致使電容器等設(shè)備被燒毀。對(duì)于電力系統(tǒng)的外部，諧波對(duì)通信設(shè)備和電子設(shè)備會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾。1993年，我國(guó)頒布了《中華人民共和國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-1993》，這對(duì)電網(wǎng)諧波有著明確的限值要求。傳統(tǒng)的諧波處理方式通常是使用濾波器將諧波過(guò)濾掉。近幾年，國(guó)家積極響應(yīng)“綠色電網(wǎng)”的建立，諧波對(duì)電網(wǎng)雖然有害，但其本身也是一種能源，如果對(duì)其進(jìn)行提取利用，這將會(huì)大大減少能源的浪費(fèi)。ISPS可以看做一個(gè)微小的電網(wǎng)系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生諧波的設(shè)備很多，如整流器、逆變器、變壓器等，由于ISPS系統(tǒng)一般都會(huì)處于市電正常工作的狀態(tài)，在這一狀態(tài)下，市電會(huì)對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的蓄電池充電裝置進(jìn)行充電，其中的整流器與其它器件相比，則會(huì)長(zhǎng)時(shí)間處于工作狀態(tài)，所以系統(tǒng)的主要的諧波源是整流電路部分。由于ISPS系統(tǒng)產(chǎn)生諧波畸變的主要是電流，所以，本文將著重對(duì)ISPS系統(tǒng)整流部分的諧波電流進(jìn)行分析和處理。

1 ISPS系統(tǒng)的諧波特性

（1）整流器的諧波分析。ISPS系統(tǒng)采用的是6脈沖三相全控橋式整流電路，這種電路具有易于控制輸出信號(hào)的優(yōu)點(diǎn)，但由于它的電子器件繁多，電路較為復(fù)雜，且工作時(shí)間較長(zhǎng)，所以產(chǎn)生了大量的諧波。

若整流電路是由K個(gè)三相橋式整流電路構(gòu)成的6K脈沖整流電路，那么電路中將產(chǎn)生6K±1（K=1、2、3、……）次諧波，K取1時(shí)，即為6脈沖整流器，產(chǎn)生諧波的次序?yàn)?、7、11等。

（2）交流側(cè)的諧波仿真。首先，要對(duì)ISPS系統(tǒng)的整流電路部分進(jìn)行MATLAB建模，如圖1所示，系統(tǒng)采用的是三相全橋整流電路，脈沖是6，頻率為50Hz，由于是對(duì)蓄電池充電裝置進(jìn)行充電，所以負(fù)載部分用電容和電阻來(lái)代替充電裝置。然后，對(duì)模型進(jìn)行仿真，檢測(cè)出整流器交流側(cè)的電壓電流的波形圖和頻譜圖，本文選取了交流側(cè)A相進(jìn)行檢查，整流器交流側(cè)的諧波電流中5次、7次諧波的含量較高，分別是26.4% 和 9.4%。

2 ISPS系統(tǒng)的諧波提取與利用

（1）高次諧波的過(guò)濾。由于整流器交流側(cè)的諧波電流中5次和7次諧波的含量最高，7次以上的諧波含量非常低，可以忽略不計(jì)，因此，不便對(duì)其進(jìn)行整流處理，但為了保證流入系統(tǒng)的電流不被諧波所影響，先對(duì)電流的高次諧波進(jìn)行過(guò)濾，保留基波、5次諧波和7次諧波即可，在這里選用低通濾波器。然后，再對(duì)處理后的諧波電流進(jìn)行分類(lèi)提取，在這里選取了A相來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，見(jiàn)圖1。圖1不僅是過(guò)濾高次諧波之后的電流仿真圖，也是過(guò)濾掉的高次諧波。

圖1 過(guò)濾高次諧波之后的電流仿真圖

（2）諧波的提取。過(guò)濾掉高次諧波之后，要提取5次、7次諧波，在這里利用無(wú)源濾波器的諧振原理，將5次、7次諧波從電流中分離，工作原理見(jiàn)圖2，圖中IS是交流側(cè)總電流，I是過(guò)濾掉高次諧波后的電流，I（1）、I（5）、I（7）分別是基波、5次諧波和7次諧波，I=I（1）+I（5）+I（7），C5、L5在250Hz下發(fā)生諧振，對(duì)5次諧波呈低阻態(tài)，C7、L7在350Hz下發(fā)生諧振，對(duì)7次諧波呈低阻態(tài)，因此，I（5）可以從C5、L5處流過(guò)，I（7）從C7、L7處流過(guò)，兩條諧波分別進(jìn)入不同的整流電路中進(jìn)行整流處理。

圖2 諧波分離提取的工作原理圖

對(duì)電流I進(jìn)行諧波分離，分離出流入負(fù)載的電流I（1）、5次諧波I（5）、7次諧波I（7）的MATLAB仿真圖，見(jiàn)圖3。

圖3 基波、5次諧波、7次諧波的仿真圖

而諧波分離之后，流入負(fù)載的電流的I（1）頻譜圖，系統(tǒng)電流的畸變率從29.4%下降到了1.98%。

（3）諧波的整流處理。由于以上的操作過(guò)程都只是在A相的基礎(chǔ)上進(jìn)行，提取出來(lái)的諧波都是在A相上進(jìn)行提取，但實(shí)際中，提取出來(lái)的諧波都是三相的，各相諧波也都相差120°，所以，對(duì)于諧波的處理，也要選用三相橋整流電路，由于諧波的處理對(duì)相位控制沒(méi)有要求，而且由于5次和7次諧波的頻率較高，晶閘管對(duì)波形的頻率有所要求，二極管的工作頻率可達(dá)到幾十MHz，所以，在這里將晶閘管替換成二極管。5次和7次諧波提取成功之后，要對(duì)這兩種諧波進(jìn)行整流處理，由于兩種諧波的頻率不同，因此要選用兩種不同頻率下的整流電路，對(duì)諧波進(jìn)行整流處理。

由于在A相中提取出的諧波電流的大小分別為I（5）=10.56A，I（7）=3.76A，為了使 Rf1、Rf2所分的諧波電流盡可能的少，這兩個(gè)電阻取值應(yīng)該盡可能的大，在這里兩個(gè)電阻的大小都選為10k?，那么，Rf1、Rf2所分得的諧波電流非常小，可以忽略不計(jì)，而這時(shí)流入整流系統(tǒng)的電流分別是10.56A和3.76A。而且，諧波整流電路交流側(cè)的電壓U(5)和U(7)都要在220V以下，此時(shí)，U(5)約為59V，U(7)約為26V，5次、7次諧波進(jìn)行三相整流之后，流入充電裝置部分的電壓和電流分別是104V、10.4A和36.4V、3.65A。由以上兩圖可知，5次、7次諧波整流處理之后流入蓄電池充電裝置的電壓大約為 104V 和 36.4V，電流大約是 10.4A 和 3.65A，那么蓄電池充電裝置吸收的功率分別為1082W和132.86W，而Rf1、Rf2處的電流是mA或μA級(jí)別，所以二者消耗的能量可以忽略不計(jì)。那么，在一年的時(shí)間里，實(shí)際流入充電裝置的電能大約是10643.4kW·h，而如果直接將諧波過(guò)濾掉，那1年浪費(fèi)掉的能量大約是58551kW·h，此次，對(duì)諧波的提取和再利用的效率約為18.2%。

3 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)諧波的治理方面提出了一種諧波提取利用的方法，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波能源的再次利用，本文對(duì)這一方法進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，其中重點(diǎn)描述了諧波的提取和它的整流處理的方法，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了MATLAB建模和仿真，驗(yàn)證該方法的可行性。本文根據(jù)傳統(tǒng)無(wú)源濾波器的諧振原理，對(duì)諧波含量較高的5次和7次諧波進(jìn)行了分離提取，并且將系統(tǒng)中高次諧波過(guò)濾掉，使得流入負(fù)載的電流的畸變率由原來(lái)的29.4%下降到了1.98%。然后，對(duì)提取成功后的5次和7次諧波進(jìn)行三相整流處理，并且將整流電路中的晶閘管替換成工作頻率更高的二極管，最后，將處理后的諧波直接存儲(chǔ)到蓄電池充電裝置中。這樣，便可以實(shí)現(xiàn)諧波能源的利用了。