同步电机实现谐波补偿的研究.docx
同步电机实现谐波补偿的研究lihan导语：说明在同步电机励磁绕组中注入适当的偶次谐波电流可以补偿电网中的奇次谐波电流。摘要：本文分析了用同步电机进展谐波补偿的原理，说明在同步电机励磁绕组中注入适当的偶次谐波电流可以补偿电网中的奇次谐波电流。介绍了有源和无源谐波励磁的两种方法。关键词：同步电机；谐波补偿；谐波励磁电路近年来随着电力电子技术的开展,电力系统中增加了大量的非线性负载，导致了多种电力系统运行指标恶化,其中最主要的是谐波污染和低功率因数问题。当然，电力电子技术的开展同时也提出理解决此类问题的新方法,用无源方式或者有源方式均可以实现。象有源电力滤波APF就是一种较好的补偿方法,它能对谐波和无功功率进展动态补偿,且具有较好的补偿特性。但是目前大容量的APF存在造价高、功耗大以及电磁干扰较严重等问题，限制了其在实际工程中的应用1。众所周知，同步电机可以进展无功补偿，假设能同时利用同步电机进展谐波补偿，将为有源滤波开拓一条新途径。本文将从理论上分析同步电机所具有的谐波补偿功能，提供一种用同步电机进展无功、谐波综合补偿的新思路。实际上，国外一些研究者在这方面已进展了一些研究和试验234。1同步电机谐波补偿原理以2极凸极同步电机为模型，转子通入励磁电流后形成的磁动势分布如图1所示。设转子以同步角频率旋转，当励磁绕组中通入一谐波电流Ihsinht时，在空间将产生一脉振磁动势，其角频率为h，此脉振磁动势可以分解为两个方向相反的旋转磁动势。两旋转磁动势将分别按正向和反向以h+1和h-1角频率切割定子绕组，所以定子绕组中将产生h±1次谐波电流。可以推知，当在励磁绕组中注入偶次谐波电流时，将在定子绕组中产生奇次谐波电流，以此原理即可针对电网谐波电流大小在励磁绕组中注入偶次谐波电流来予以补偿。当然两奇次谐波是不能仅通过Ih单独调节的。以补偿5、7次谐波为例：为了控制励磁电流产生的谐波的幅值和相位，可以在励磁电流中注入2、4、6次谐波。假设不考虑气隙空间谐波磁动势，由于定子绕组电感的影响，通入6次谐波产生的7次谐波磁动势幅值要小于5次谐波的，由于非线性形负载中一般5次谐波幅值要大于7次谐波的幅值，为了完全补偿5次谐波，可以再在励磁绕组中参加4次谐波电流，而4次谐波励磁电流又同时会产生三次电枢谐波电流，同样道理，可以在励磁绕组中再注入2次谐波电流来补偿产生的三次电枢谐波，以此方法，到最后气隙中剩下的就是基波了。励磁电流表示为：各次电流的幅值可通过电网中5、7次谐波的幅值来决定。当然假如需要的话，还可以在励磁电流注入其他高次谐波以补偿相应的其他高次谐波。2谐波补偿方案描绘图2为用同步电机进展谐波补偿的构造框图，假设非线性负载与无穷大电网相连,其负载电流中含有以5、7次谐波为主的谐波电流，同步电机与非线性负载并联。整体补偿方案是：先检测出由非线性负载引起的谐波电流的幅值和相位，再计算出所需的谐波补偿电流，最后在励磁电路中产生相应的励磁电流。使电机产生与负载谐波电流相抵消的电流。3产生谐波励磁源的方案由上面的分析可知，实现同步电机谐波补偿是根据谐波电流的大小通过控制和调节励磁谐波电流来实现的。励磁谐波电流的产生可以通过无源和有源两种方式：1通过励磁电路谐振来产生励磁谐波电流；2由外部沟通电源供应励磁谐波电流。31内部励磁电路谐振法：文献2中对用谐振励磁电路来实现谐波抑制进展了阐述，其励磁电路如图3所示：谐振电容Cd与励磁绕组相连，当电容与5、7次电枢谐波电流在转子边产生的感应电势发生谐振时，将有6次谐波电流流经励磁绕组。电枢阻抗相应变小，由于同步电机与电网并联，流过两者的谐波电流与两者的导纳大小成正比，于是，流经电网的谐波电流将变小，进而起到了谐波补偿的作用。从其试验结果来看：当励磁回路的电容在6次谐波上发生谐振时,电网谐波中最主要两种谐波5、7次谐波得到了明显的减小，同时11、13谐波也得到了一定程度的减弱。该方法可用于谐波比拟固定的场合。其实现简单无须额外控制回路，但不能完全消除所有5、7次谐波。3.2外部有源谐波励磁法用外部有源谐波励磁可以到达完全消除指定电流谐波的目的，其励磁电路如图4所示：励磁绕组同时由直流和沟通电源供电，Lb和Cac分别为扼流电感和隔直电容。以完全消除5、7次谐波为例，图5讲明了控制同步电机励磁的方案包含如下步骤：先用快速傅立叶分解检测5、7次谐波的幅值和相位，计算完全消除5、7次谐波所需的参考电流来控制PWM开关电路，以产生相应的谐波励磁电流。文献3试验结果说明：只需通过适当地控制在励磁绕组中参加的2、4、6次谐波电流，就可以完全补偿与同步电机并联的非线性负载在电网中产生的5、7次谐波电流。该励磁电路固然复杂，但可以完全消除指定的谐波电流，而且目前很多同步电机都使用开关电路励磁，实现并不困难。4结论和展望a同步电机可以用来进展谐波补偿，且其谐波励磁源也可以象电力电子器件进展谐波补偿一样用有源和无源方法实现。b此方案可用于已有使用同步电机的场合，只须对同步电机励磁电路进展相应的改造就可以在进展无功补偿的同时对谐波进展补偿。也可以设计专用同步调相机来对电网进展无功和谐波综合补偿。c用同步电机实现谐波补偿尚处于研究和试验阶段，目前还没有成熟的产品出现。在专用电机设计、谐波与无功功率综合补偿方式等方向上仍有待进一步研究。1徐永海，肖湘宁，杨以涵，陈学允.电力系统的研究.电力系统及其自动化学报,第11卷,第3期,1999年8月.2TakaseF,TominagaM,UedaY,TemmaT,GenjiT,OkuK.HarmonicCompensationUsingaSynchronousMachinewithResonantFieldCircuits.EnergyConversion,IEEETransactionsonVolume:122,June1997,Pages:143-150.3AbolhassaniMT,ToliyatHA,EnjetiP.AnElectromechanicalActiveHarmonicFilter.ElectricMachinesandDrivesConference,2001.IEMDC2001.IEEEInternational,2001Pages:349-355.4AbolhassaniMT,ToliyatHA,EnjetiP.Harmoniccompensationusingadvancedelectricmachine.IndustrialElectronicsSociety,2001.IECON01.The27thAnnualConferenceoftheIEEE,Volume:2,29Nov.-2Dec.2001.
