什么是电力公害/电力公害
　　电力公害就是指使用电力电子装置时存在的谐波电流大、电磁干扰严重和网侧功率因数低等问题。随着电力电子技术的不断发展,带非线性负载的电力电子装置的应用日益广泛,电网系统中的谐波污染也日趋严重。电力电子装置已经成为电网最主要的谐波源之一。这些电力电子装置多数通过整流器与电力网接口,在电网中产生大量的电流谐波。这些谐波电流污染了电网系统,干扰了电气设备,增加了功耗,降低了传送容量,成为“电力公害”电力电子装置如整流器、逆变器和斩波器等对于电网来说属于非线性负载，它产生的有害高次谐波电流“注入”电网，造成电网的严重污染。在高频开关器件大量应用的电力电子装置中，由于高电压和大电流脉冲的前后沿很陡峭，会产生频段很宽的电磁干扰信号，这些电磁信号是严重的电磁干扰源，对电力系统的正常运行和其他设备构成相当大的危害。
　　另外，整流器等电力电子装置往往使网侧电流滞后于网侧电压，造成电力电子装置功率因数降低，使电网无功功率增加，给电网带来额外的负担，并影响供电质量。
电力公害的种类/电力公害
1、谐波公害　　1) 使电网供电电压波形畸变，供电质量降低
　　像对基波电流一样，供电系统对谐波也呈现一定阻抗，因此注入供电系统的谐波电流会在电网上产生一定的压降。这些增加到供电电压上，将使电压波形畸变，并使三相交流电的对称性受到影响。
　　2) 产生网侧过电压和过电流
　　在电力系统中常有功率因数补偿电容和电感。在这种情况下，供电系统与补偿电感电容构成谐振回路，从而引起过电压或过电流现象。
　　3) 使统的能量损耗增加，供用电设备的寿命缩短当供电电压为正弦波而负载电流为非正弦波时，谐波电流都是无功电流。2. 电磁干扰公害　　高频开关变换器工作时，内部的高电压或大电流波形以极短的时间上升或下降，这些具有沿的脉冲信号会产生很强的电磁干扰信号。这些电磁干扰信号一方面会污染电网，通过电网干扰其他用电设备；另一方面通过传输线的传导或经过空间进行辐射而对电子设备的正常工作造成威胁。3.功率因素公害　　按照定义，功率因数是变流装置电网侧有功功率与视在功率之比。电网接变流装置之后，功率因数必然降低，导致网侧输入电流有效值增大，使得熔断器、断路器及传输线的规格及电源滤波器的容量增大。在三相四线制整流电源中不但使网侧功率因数降低，而且由于它的三次谐波电流在零线中相位相同，这些谐波电流合成后使增大，有时可能超过各相相电流。因为按安全标准规定，零线不能装设保护装置，所以可能使零线因过热而损坏。
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贡献光荣榜单片机控制的PWM斩波式交流净化稳压电源
15:49:41来源: 电子技术应用 关键字：&&
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mso-hansi-&& 摘要：介绍了传统的正弦能量分配稳压电源的基本原理及如何用高频斩波和技术对其进行改造。
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mso-hansi-&& 关键词：高频
斩波 交流稳压器 AVR
目前，在各种中，采用正弦能量分配技术的交流净化稳压电源是一种技术先进的稳压电源。这种电源主要是通过改变晶闸管的触发角θ，来控制调感支路的等效电感，从而起到稳定输出电压的作用。它具有性价比高、可靠性好等特点。
但是这种方式产生的谐波较多，电感损耗较大，噪音明显，尤其对电网产生很大干扰。为此，笔者用高频PWM斩波技术对其进行改造，用MOSFET或IGBT代替TBIAC，通过调节高频交流斩波器的脉冲宽度来调节等效电感。较好地解决了上述问题。
传统的正弦波交流净化电源原理如图1所示。
图1中T是带气隙的自耦变压器，输入接T的B点，由C点输出稳定的。L、L1和L2是线性电感器，L和双向晶闸管V组成调感支路。L1和C1组成3次谐波滤波器，L2和C2组成5次谐波器波器，减小输出电压的失真度。采用脉冲相位控制技术改变双向晶闸管V和导通角，从而调整L的等效电感值，从T的N2绕组取得补偿电压，达到稳压目的。
用高频斩波技术改造传统的正弦波交流净化电源的关键是用高频交流开关取代双向晶闸管。高频交流开关有两种形式：整流桥+IGBT式和MOSFET反串联式，如图2所示。
整流桥+IGBT式适合于大功率电源，MOSFET反串联式适合中小功率电源。下面具体介绍以整流桥+IGBT为交流功率开关、AVR系列单片机90S8535为控制核心的单片机控制高频斩波调感式交流稳压电源。其原理框图如图3所示。
由于是感性负载，又不能像直流斩波那样加续流回路，所以要给IGBT加开通和关断缓冲电路。高频交流开关控制采用了EPWM直流等电位调制技术。为使波形半波奇对称和四分之一偶对称，以消除中的余弦项和偶次谐波，使载波比N=fc/fs=4k,K=1，2，3…,fc为三角波频率，fs为市电工频；调制M=Δt/TΔ=ΔU/ΔUc，Δt为脉冲宽度，TA=1/fc为三角波周期、Uc为三角波幅值、ΔU为输出电压的偏差，三角波电压的文程式为：
输出电压偏差ΔU为采样电压，触发脉冲起点和终点的方程式为：
式中TΔ=2π/N，各触发脉冲的起点角和终点角的数值为：
α1=(TΔ/2)-(TΔ-2)(ΔU/Uc)=π/N(1-M)
α2=[π/N]（1+M）
α3=[π/N](3-M)
α4=[π/N](3+M)
由于PWM斩波波形是镜对称和原点对称，因此它的级数中将只包含正弦项中的奇次谐波，即：
学计算，当n=KN±1时（K=1,2,3,4…）
当n≠KN±1时，bn≠KN±1=0
对于基波，n=1
由上比可知，N越大谐波频率越高。采用很小的LC滤波器就可以滤掉uLe中的所有高次谐波。
如求等效电感Le，通过使uL=uLe，uL1=ULmsinωt，对于uLe，忽略掉其中的高次谐波时（高次谐波被L、C滤掉）uLe=MUmsinωt，当uL、uLe用有效值表示有：UL=MUle，两边各除以电流的有效值IL,则可得：
ωL1=MωLe,Le=L1/M
EPWM示意波形如图4所示。
AVR90S8535是8位RISC结构单片机，在8MHz晶振5V工作电压时，单指令周期为125ns。内含8MHz晶振5V工作电压时，单指令周期为125ns。内含8路10位ADC，最快转换时间为65μs，带有模拟比较器和两个8/9/10位PWM功能的16位定时器/计数器，以及可编程的看门狗定时器，非常适合做高速PWM控制器。由图3可以看到，AVR90S8535完成交流输入、输出电压和输出电流的采样。同时由调感支路产生的过零同步信号也一起输入单片机，过零同步为100Hz，每当过零同步信号输入单片机时就触发一次中断。在中断子程序中，单片机根据输出采样电压计算EPWM占空比，该占空比赋予单片机的PWM定时器。AVR90S8535的PWM定时器设定为16kHz的PWM输出。PWM斩波频率太低太高都不好。斩波频率太低时，交流开关关断时被控电感续流电流对交流开关并联电容充电，使得交流开关耐压提高；斩波频率太高时，交流开关开通损耗又会过大。单片机同时还完成故障保护、输入输出的数字化设定和显示等功能。程序流程如图5所示。
以高频斩波和单片机技术改造传统的正弦波交流净化电源，成本上虽然增加一些但技术上却带来了突破。它使得产品显示直观、设置方便，电感器和电容器所承受的谐波应力大大减小，功耗减小，特别对输入端的谐波电流分量大大减小，可以满足当前越来越严格的谐波规范要求，要今后电源的发展方向。
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路对电网电能质量的影响及防治措施_图文
导读：但负序影响明显增加，三相接线与三相／－－相平衡接线对负序电流的影响相差不大随着Ｐ的增加特别在复线条件，三相接线的负序影响虽然低于单相接线但明显高于三相／－－相平衡接线，电网相对较强，三相接线和三相／－－相平衡接线对ＩＰ和１９５％ｍａｘ的影响的效果得不到充分体现，提高电力系统短路容量比采用平衡接线对降低牵引负荷负序影响的效果要明显的多，牵引变压器接线对负序影响的抑制效果有限，必须采取综合治理措施
济效益显著，但负序影响明显增加，对电力系统的要求也显著增加，因此单相接线牵引变压器对系统容量要求较高（通常要求２２０ＫＶ），适甩于电力系统较强、外电引入较为方便的场合。
（２）供电臂区间带电概率Ｐ较小时，三相接线与三相／－－相平衡接线对负序电流的影响相差不大随着Ｐ的增加特别在复线条件下，三相接线的负序影响虽然低于单相接线但明显高于三相／－－相平衡接线，对电力系统的要求也随之提高。一方面，三相接线中的Ｙ／Ｖ接线容量利用率高，变压器安装容量小，另一方面，复线沿线地区经济往往相对发达，电网相对较强。因此Ｙ／Ｖ接线使用于单线电气花铁路和外电条件相对较好的复线电气化铁路。
（３）三相／－－相平衡接线在Ｐ较小时对负序电流的抑制作用不明显，但随着Ｐ的增加特别在复线条件下，对负序电流的抑制作用显著增加ｊ对电力系统要求明显降低。因此三相／－－相平衡接线更适用于列车对数较高而外电条件相对较差的复线电气化铁路。
在实际运行中，我国西部单线电气化铁路牵引变压器多采用三相接线和三相／－－相平衡接线，Ｐ通常在０．１．０．２之间。在此范围内，三相接线和三相／－－相平衡接线对ＩＰ和１９５％ｍａｘ的影响的效果得不到充分体现，测试结果表明，提高电力系统短路容量比采用平衡接线对降低牵引负荷负序影响的效果要明显的多。因此，尽管单线电气化铁路往往位于外部电源条件相对薄弱的地区，但由于运量相对较小、带电概率较小，牵引变压器接线对负序影响的抑制效果有限，单线电气化铁路牵引变压器接线形式的选择宜优先考虑技术经济性较好的Ｙ／Ｖ接线。
第三章改善方法
电气化铁道对电力系统的发、供、用各环节均会造成相当严重的危害，涉及面广，必须采取综合治理措施，避免电网及其用户受到严重侵害。尽管铁路设计部门在设计时考虑了电铁谐波及负序分量对电网的影响，采取了一些减少谐波及负序分量影响的措施，但仍有大量的谐波和负序分量注入电力系统。３．１谐波抑制
限制电铁谐波的主要原则有：１、把电网中的谐波电压控制在允许的范围内。２、限制谐波源注入电网的谐波电流及其在电网连接点产生的谐波电压。３、防止谐波对电网发供电设备的干扰，特别要防止高压电网发生谐振或谐波放大，维护电网安全经济运行。４、保证供电质量，使接入电网的各种用电设备免受谐波干扰，保持正常工作。解决谐波污染的思路有两个，一是设置滤波装置；一是对电力电子装置自身进行改造，使其不产生谐波，并且功率因数可控制为１：这两种思路派生出两个研究方向：电力滤波器及单位功率因数变流器。
ＬＣ滤波器
这一技术比较成熟，电压可以做得很高，容量也可以做得很大：可兼顾无功补偿。改善功率因数；结构简单，成本较低。但ＬＣ滤波器存在固有缺陷，如：滤波特性依赖于系统参数；只能消除特定的谐波；易出现串、并联谐振，引起谐波放大、滤波器过载现象；体积庞大等。
有源电力滤波器
有源电力滤波器是用全控型电力电子器件构成的ＰＷＭ逆变器，其优点是可以对快速变化的谐波及无功进行连续补偿，并且响应迅速，此外，在ＡＰＦ中贮能元件容量小。在ｌ９６９年，Ｂｉｒｄ和Ｍａｒｓｈ等人提出了向电网中注入三次谐波电流以减少电源系统中电流的谐波成分，这是ＡＰＦ思想的萌芽。之后，Ｇｙｕｇｙｉ等人的工作完善了这一思想。２０世纪８０年代由于大功率全控型功率器件的成熟，脉宽调制控制技术的进步，以及基于瞬时无功功率理论的谐波电流实时检测方法的提出，使ＡＰＦ得以迅猛发展。ＡＰＦ通过向电网注入谐波及无功或改变电网的综合阻抗频率特性，以改善波形。但由于全控型功率器件的成本及性能，制约了ＡＰＦ的实际应用。目前，只有在日本得到较广泛的推广。此外，采用混合滤波（ＨｙｂｒｉｄＦｉｌｔｅｒ）的方法，兼顾两种滤波器的优势，取长补短，从而得到提高整个滤波装置的性能价格比的目的，和其他类型的电力滤波器相比更受青睐。
单位功率因数变流器
单位功率因数变流器是指功率因数为ｌ，并且进线无谐波的变流装置。设计单位功率因数变流器是减少电网的无功与谐波的另一种重要的措施。大容量变流器提高功率因数和减少谐波的主要途径是采用多重化技术，即将多个１９
方波叠加，以消除次数较低的谐波，从而得到接近正弦的波形。如果要求功率因数为１，一般需使用自换相变流器，再配合ＰＷＭ控制技术，将会得到更好的效果。对于中等容量的单位功率因数变流器主要采用ＰＷＭ技术，一般需要使用自关断器件。对电流型ＰＷＭ整流器，可以直接对各开关器件进行正弦的ＰＷＭ控制，使其输入电流接近正弦，并且与电源电压同相。对电压型的整流器有两种实现途径：一是使其输入的电流跟踪一个与电源电压同相位的正弦参考波形；一是直接对整流器进行ＰＷＭ调制，使其输入端电压为正弦ＰＷＭ波形，并保持一定的相位，通过进线电抗器使输入电流为与电源电压同相的正弦波。目前，出现ＰＷＭ整流器与ＰＷＭ逆变器组合构成的可四象限运行的变流器，也可以实现单位功率因数。
在小容量的变流器中，为了实现低谐波与高功率因数，通常采用二极管加ＰＷＭ斩波的方式，这种电路就是功率因数校正电路，目前在开关电源中得到广泛的应用。此外采用多电平技术、组合相移的ＰＷＭ技术也可实现低谐波的目的。通过矩阵式变频电路可实现高功率因数：采用优化特定消谐ＰＷＭ技术，可进一步改善变流器的波形。采用单位功率因数变流器是一种主动的消谐与改善功率因数的措施，这方面的研究工作有很大的意义。
谐波与无功是两个相对独立的问题，但两者之间有紧密的联系。在正弦系统中，谐波与无功各有固定的概念和定义。在畸变系统中，谐波同时影响了系统的无功功率和功率因数，并且产生谐波的装置一般也要消耗基波无功，补偿谐波的装置一般也是补偿基波无功的装置。因此谐波与无功密不可分。３．２无功补偿
ｌ、同步调相机和静电电容器
同步调相机实质是空载运行的同步电动机，其技术己陈ＩＥｌ。这种措施投资大，并且由于机组的惯性，影响了调节速度。静电电容器可串联或并联接入电网，提高系统稳定，补偿无功，改善电压质量。
２、灵活输电（ＦＡＣＴＳ）技术的无功补偿
所谓ＦＡＣＴＳ，即装有电力电子型或其他静止型控制器以加强可控性及增大电力传输能力的交流输电系统。第一代ＦＡＣＴＳ的典型代表是静止无功补偿器（ＳｔａｔｉｃＶａｒＣｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ―ｓｖｃ）及可控硅控制的串联电容器。ＳＶＣ是并联补偿装置，主要由固定电容器组加可控硅控制的电抗器构成。国外对其研究始于７０年代，目前对ＳＶＣ的研究集中在控制策略上，模糊控制、人工神经网络和专家系统等智能控制手段被引入ＳＶＣ控制系统中，大大提高系统的性能。ＴＣＳＣ属于串联补偿，安装在输电线路中间，改善供电系统的潮流分布，提高系统的暂态稳定。第二代ＦＡＣＴＳ装置是静止无功发生器（ＳＶＣ）和静止同步串联补偿器
（ｓｓｓｃ）。ＳＶＧ将电压源逆变技术应用到无功补偿领域中，它并联于电网中，与ＳＶＣ相比，不需要大容量的电容和电感贮能元件，谐波含量小。国内外对ＳＶＧ的建模、控制模式、结构设计及不对称控制等做了很多研究，但目前仍有很多理论与实际运行问题有待解决。ＳＳＳＣ的结构与ＳＶＧ类似，不同之处ＳＳＳＣ是串联在电网中，通过控制换流器改变其输出电压的幅值或相位，从而改变线路两端的电压，实现对线路的有功、无功潮流的控制。
第三代ＦＡＣＴＳ的典型代表是由ＳＶＧ及ＳＳＳＣ复合成统一潮流控制器（ＵＰＦＣ）。ＵＰＦＣ集并联补偿、串联补偿、移相等多种功能于一身，既能稳定系统电压，又能保证输电线路的有功和无功潮流的双向流动，增大系统的稳定性和提高输电能力。目前，ＵＰＦＣ尚处于研制阶段。
现代工业系统中，诸如炼钢电弧炉、电气化铁道、可逆式大型轧钢机等均属于动态变化的非线性负荷。这类负荷的特点是有功与无功功率随时间作快速变化，导致供电电压的波动和闪变、供电电压的波形畸变、功率因数恶化以及不平衡负荷引起三相供电电压的动态不平衡。因此在电网中大功率波动性负荷，其无功功率变动是导致电压幅值波动的主要因素。常用的无功补偿器，在电力部门多称其ＳＶＣ，它是一种可以控制无功功率的补偿装置。通常是由并联电容器组（或滤波器）和一个可调节电感量的电感元件组成。它是针对过去采用旋转的同步调相机而命名的，要用于对冲击性负荷用户的就地补偿和用于对电力系统的无功补偿与一般的并联电容器补偿装置的区别是能够跟踪电网或负荷的无功波动，进行无功的适时补偿，从而维持电压的稳定。在冶金部门一般以其补偿的功能，多称其为动态无功补偿器。在改变电网电能质量及在电力电子技术与ＳＶＣ研究的基础上研制的静止无功发生器（ＳｔａｔｕｅＶａｒＧｅｎｅｒａｔｏｒ，简称ＳＶＧ），它使用大功率可关断晶闸（ＧＴＯ）器件代替普通的晶闸管，是一种更先进、更可靠、更灵活的无功补偿装置。根据ＳＶＣ和ＳＶＧ装置的优劣指标分析，结合不同的电炉装备特点，决定不同的供电系统配套装置，以实现无功补偿、稳定系统电压、治理闪变、谐波等来改善电网质量。
３．３静止无功补偿器（ＳＶＣ）
在现在的高电能质量的供电系统，无功补偿广泛采用矢量控制。它的主要思路是，假定三相供电系统为平衡的正弦交流电压供电，通过矢量变换，用撇除负荷电流有功基波电流、将其余电流归结为补偿电流矢量作为可控变量，来实时补偿三相负荷的无功电流和无功变动量，以抑制电力网的电压波动、三相不平衡和谐波“污染”，从而提高电能质量。
静止无功补偿器是电网中控制无功功率的装置，它根据无功功率的需求自动补偿。所谓静止无功补偿的静止是指它没有机械运动部件，与同步调相机相比较ＳＶＣ是完全静止的设备。但它的补偿是动态的，即根据无功的需求或电压２ｌ
的变化自动跟踪补偿。静止无功补偿系统中的各种无功补偿器都是用无功器件（电容器和电抗器）产生无功功率，并且根据需要调节容性或感性电流。这种调节可能采用连续调节或投切的方法进行。静补的另一个特点是依靠晶闸管等电力电子器件完成调节或投切功能，它们可以频繁地调节，其动作速度是毫秒级的。
ＳＶＣ中较为简单的有晶闸管投切电容器（ＴｈｙｒｉｓｔｏｒＳｗｉｔｃｈｅｄＣａｐａｃｉｔｏｒ缩写ＴＳＣ），由反向并联的晶闸管控制无触点快速投切电容器组，实现容性无功功率的分级调节。为使无功补偿功率快速可调，多以可控电抗与固定电容器组（ＦｉｘｅｄＣａｐａｃｉｔｏｒ，ＦＣ）并联使用，可将无功补偿的范围扩大到超前和滞后两个可连续调节的范围。目前常用的可控电抗ＳＶＣ有：晶闸管相控电抗器（Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ
Ｒｅａｃｔｏｒ缩写ＴＣＲ）和磁控电抗器（Ｍａｇｎｅｔｉｃ
ＭＣＲ）。下面将对上述几种类型分别作介绍。ＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄＣｏｎｔｒｏｌｌｅｄｐｈａｓｅＲｅａｃｔｏｒ缩写
３．３．１固定电容器伊Ｃ）
固定电容器就是传统的采用机械式开关投切电容器。它虽不是动态补偿装置，但它在动态补偿中作为平均（不变）无功功率的补偿设备是很有必要的。当无功负荷较小、不需要那么多补偿电容器时，?般由电抗电流动态地抵消电容电流，因此固定电容也是配合其他静止补偿器的必要设备。固定电容器在设备上常串联一组电抗器以限制投入涌流。在和静补配套使用时多接成滤波器的形式。滤波器的电抗器与电容器的电容量配合在要滤除的频率谐振。谐振时阻抗最小，可以形成谐波的独特通路。滤波器原理和设计的参考资料很多。和静补配套的滤波器要抑制的谐波包括系统存在的原有谐波（即背景谐波）和由静止补偿器本身产生的谐波。由于可能存在几种不同次数的谐波，滤波器也要分成几组，每组滤一种或几种谐波。固定电容在作滤波器时担负双重功能，即提供无功功率补偿和滤去高次谐波的双重作用。对容量较小的静止补偿系统，滤波器以滤除３，５，７次谐波和高通滤波结合的较普遍。在设计固定电容器时，应使它的投切次数在一天之内减少到最少。
３．３．２晶闸管投切电容器（ＴＳＣ）或滤波器（ＴＳＦ）
用机械开关（断路器、接触器或继电器）投切电容器主要缺点是投切时有冲击电流和电压，这对电容器的使用寿命和电网安全都是不利的，此外还受机械开关本身寿命（包括机械寿命和电气寿命）的限制，因此发展了晶闸管投切电容器技术。ＴＳＣ型式的ＳＶＣ，由若干个并联的电容器组构成，而每个电容器组由两个极性相反并联的晶闸管投切。根据所要求补偿的无功功率决定电容器组的额定容量。为减低投切时电容器充放电引起电流和电压的冲击，电容器需在供电点电压等于或非常接近于其预充电电压时投入而这种情况在工频电压的
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