工业电力系统中的谐波问题及其解决方案：整流装置的影响与应对策略

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    随着工业生产和电力电子技术的快速发展，电力设备和电力电子变换装置在钢铁、冶金、石油、化工等工业领域的应用日益普及。在功率变换装置中，广泛采用AC/DC变换，即整流。如变频器、逆变电源、高频开关电源等，这些变换器大多需要整流环节来获得直流电压。二极管整流、滤波装置的接入，向电网注入了大量的电力谐波。电力谐波干扰导致电气设备异常和事故逐年增加。电力系统谐波已成为威胁电力系统及其他电力负荷安全运行的“电公害”。

    目前解决电网污染主要有两种途径：

    (1)对于电网来说，在电力系统中添加补偿器，以补偿电网中的谐波。可以采用有源滤波器（APF），但其成本较高且控制过程复杂。近年来，静态无功补偿(SVC)被应用于负载无功补偿，但在补偿无功的同时，无法抑制谐波，甚至由于晶闸管的相控工作方式而成为新的谐波源。

    (2)设计输入电流、电压同相、谐波含量低、功率因数高的整流器。

    前者是在谐波产生后进行补偿，后者是消除谐波源，是解决谐波问题的根本措施。将逆变电路中的PWM技术应用到由IGBT、IGBT等全控器件组成的整流电路中，可以对运行时的网侧电流进行正弦运算，获得单位功率因数，甚至可以让能量双向流动，真正实现绿色功率转换。这种整流器称为PWM整流器，也称为单位功率因数变换器。

    1. PWM整流器拓扑

    就PWM整流器拓扑而言，根据直流储能形式可分为电压型和电流型；按电网相数可分为单相电路、三相电路和多相电路； PWM开关调制可分为硬开关调制和软开关调制；按桥式结构可分为半桥电路和全桥电路；按调制电平可分为两电平电路、三电平电路和多电平电路；但最基本的是根据直流存储电路。能量形式分为电流型和电压型两类。电压型PWM整流器(VSR)的显着拓扑特点是直流侧采用电容进行直流储能，使得VSR的直流侧具有低阻抗电压源特性。主要拓扑结构有：单相半桥、全桥VSR拓扑；三相半桥、全桥VSR拓扑；三电平VSR拓扑；基于软开关调制的VSR拓扑。电流型PWM整流器（CSR）拓扑的显着特点是直流侧采用电感进行直流储能，使得CSR的直流侧具有高阻抗电流源特性。常用的 CSR 拓扑包括单相和三相。 。针对不同功率等级和不同用途，可以研究各种PWM整流器拓扑结构。在小功率应用中，PWM整流器拓扑的研究主要集中在减少功率开关和提高直流输出性能上。在大功率应用中，其拓扑结构的研究主要集中在多电平拓扑结构、变换器组合和软开关技术等方面。

    2. PWM整流控制技术

    控制技术是决定PWM整流器发展的关键因素。 PWM整流器的控制对象是输入电流和输出电压，其中输入电流控制是整流器控制的关键。这是因为应用 PWM 整流器的目的是使输入电流正弦化并以单位功率因数运行。有效控制输入电流的实质是控制电力电子变换器的能量流向，进而控制输出电压；反之，控制变换器的有功功率和无功功率的流向，可以控制输出直流电压和输入电流，使系统处于单位功率因数运行状态。目前，电压型PWM整流器网侧电流控制策略主要分为两类：一类是“间接电流控制”策略；另一类是“间接电流控制”策略。另一种是目前占主导地位的“直接电流控制”策略。 “间接电流控制”实际上就是所谓的“幅相”电流控制，通过控制电压型PWM整流器交流侧电压基波的幅值和相位来间接控制网侧电流。由于“间接电流控制”对网侧电流的动态响应较慢且对系统参数变化敏感，因此这种控制策略已逐渐被“直接电流控制”策略所取代。直接电流控制的主要特点是电流环的引入，显着提高了系统的动态性能。电压外环输出电流指令，电流内环控制输入电流快速跟踪电流指令。动态响应快，限流容易，控制精度高。研究了各种不同的解决方案，主要包括以下几种：

    (1)空间电压矢量控制

    空间电压矢量脉宽调制（SVPWM）是目前广泛应用的数字高频调制方法。其优点是易于使用微处理器实现，易于实现功率因数为1的交流侧输入电流的正弦化；直流侧输出电压纹波小；直流电压利用率高。在相同的交流线电流THD要求下，开关频率远低于其他控制方式。但其缺点是计算量巨大。首先需要进行复杂的坐标变换来选择向量，然后需要单独计算每个向量的持续时间。然后将各分区的时间相加，成为三相脉宽调制时间，从而需要双微控制器和DSP等高速处理器来实时控制三相PWM整流器。另外，计算环节过多也容易造成控制失误甚至出错。空间电压矢量调制本质上是一种基于规则采样的正弦脉宽调制算法，最终目标是优化开关功能。

    (2)SPWM调制控制

    移相采样SPWM是早期应用于PWM整流控制的技术，包括规则采样和自然采样。其开关频率固定，有明显的载波。用模拟和数字电路很容易实现，但无法克服其直流电源利用率。缺点低。采用模拟电路实现时，脉冲切换时间很短，几乎是瞬时的，但硬件投资较大，不够灵活。参数修改和系统调试比较复杂。采用数字电路实现时，基于软件，投资少，灵活性好。缺点是计算脉冲宽度时需要一定的延迟和响应时间。但随着高速、高精度微处理器的发展，数字SPWM技术已占据主导地位，SPWM输出电压的谐波主要是开关频率及其倍数的谐波，很容易滤除。

    (3)开关逻辑表控制

    该控制方法主要利用优化的开关逻辑表来实现控制目标，基于直接功率控制和电流控制。该过程主要依靠瞬时有功和无功功率控制环，不需要电流内环和PWM调制模块。通过估计有功功率和无功功率值与给定值之间的瞬时误差来选择切换逻辑，与电流滞环控制有些类似，只不过电流滞环切换输出与误差直接相关，而电流滞环控制输出与误差直接相关。开关逻辑输出不仅与功率滞环带和误差有关，还与电压矢量所在的扇区有关。与电压导向控制方法相比，无需坐标变换，无需计算切换动作时间，实时性要求低。其缺点是开关频率不固定，需要高速处理器。

    (4) 电流滞环控制

    该控制方法的开关逻辑输出由迟滞带宽和电流误差决定。其优点是结构简单、工作可靠、响应速度快、谐波相对较小、工艺容易实现。其最大缺点是在固定带宽内，对于给定的参考电流，一个周期内PWM脉冲频率变化很大，且开关频率不固定。在低频段，电流跟踪性能比高频段差，并且当参考电流变化率接近于零时，功率开关管的工作频率升高，加剧开关损耗，甚至超过功率器件的安全工作区域。输入电流频谱随机分布，给交流侧滤波器设计带来困难。

    3、PWM整流控制技术展望

    近年来，PWM整流控制的研究主要集中在以下几个方面：

    (1)降低交流侧输入电流谐波畸变率，减少其对电网的负面影响。

    (2)提高功率因数，降低整流器的非线性，使其相当于电网的纯阻性负载。

    (3)提高系统动态响应能力，减少系统动态响应时间。

    (4)降低开关损耗，提高整个装置的效率。

    (5)降低直流侧纹波系数，减小直流侧滤波器的尺寸，减轻重量。

    (6)提高直流侧电压、电流利用率，扩大调制波的控制范围。

    根据上述控制要求，随着PWM整流器控制策略研究的不断深入，其控制技术主要有以下几个方面发展：

    (1)电网不平衡条件下PWM整流器控制技术研究

    目前，当电网处于不平衡状态时，PWM整流器的研究主要集中在整流器电网侧电感和直流侧电容的设计准则，或者改善和抑制输入上的不平衡因素。整流器侧通过控制系统本身。为了保证PWM整流器在电网不平衡状态下仍能正常工作，必须提出相应的控制策略。

    (2)将非线性控制理论应用于PWM整流控制技术

    为了提高PWM整流器的性能，研究人员开始将非线性状态反馈控制、非线性大信号方法和无源控制理论应用到PWM整流器控制中。主要研究的问题是最优能量函数和反馈控制率的确定方法。

    (3)智能控制技术研究

    为了进一步提高PWM整流器的性能，将模糊控制与神经网络控制相结合，利用模糊控制进一步提高PWM整流器的性能。逻辑的智能推理机制和神经网络的自学习能力将形成更好的控制方案。

    4. 结论

    本文主要讨论了PWM整流控制技术，分析了几种控制策略，最后对PWM整流控制技术的发展进行了展望。随着电力电子技术的不断发展，PWM整流器技术将不断发展和深化，从而推动PWM整流器在更广泛的领域得到广泛应用。