移相多脉波容性整流装置简介
镇江菲斯特电力新技术有限公司 尢大千教授级高工
江苏南自通华集团高级顾问 吴济安
一、整流装置产生高次谐波的原因和治理的必要性
用传统的交流变直流的三相整流技术，通常会引起交流电源回路中产生大量的高次谐波电流。原因是：三相交流电流波形经过整流以后，其负半波电流都变成正值，在整流装置的直流输出端形成了每个周期含有六个脉动波形的直流电流。为了减少这种脉动交流成分，通常在整流输出端采取并联滤波电容的办法，利用电容充放电的原理，使直流电流中的脉动波形得以部分削平。然而，滤波电容的存在却又产生了新的弊端。当电容器受到充电以后，极板两端便具有较高的充电电压。只有脉动直流电压瞬时值高于电容器极板电压时，整流装置才能导通，而各相交流电压瞬时值低于电容器极板电压时，电流将被整流装置截断，无法导通。于是，三相交流电流便具有不连续的弧形脉冲波形。这种电流波形可以用傅里叶级数数学分析方法将其分解成具有基波（50赫兹）及一系列整数倍于基波频率的连续正弦波形，即所谓高次谐波电流，简称谐波电流。实测数据表明，采用电容滤波的三相整流装置其总谐波电流含量通常可能达到40%以上。整流装置成了电网中重要的污染源。
直流和交流电路中谐波电流的存在，除了会引起许多用电设备产生振动、发热造成工作失常、电能损耗增大等危害，严重的引发火灾，还会对各种通讯、信号、控制电子装置产生干扰。如果有大量的零序谐波电流的存在，会使低压电网中性线严重过载，酿成严重事故。因此抑制整流装置交流电源侧的高次谐波电流，防治其对电网的污染，成了当前十分必要和紧迫的课题。
二、目前抑制谐波的理念、常用手段及其存在的问题 1、抑制谐波的理念和常用手段
目前国内外从事治理谐波的业界普遍持有的观点为：电力系统中谐波电势的存在是源于用户用电设备中产生的谐波电流注入电网所引起。因此要治理电网谐波污染，应该从抑制用户用电设备所产生的谐波电流注入公共电网入手。现在国内外普遍采用的无源滤波和有源滤波技术都是基于这一理念之上。
1）、无源滤波装置 其基本原理为：将用户端含有谐波电流的用电设备视作谐波源，而将电力系统的综合等值阻抗视作该谐波源的负载。根据注入电力系统的各次谐波电流的频率和数量，通常在用户连接公共电网的入口处并联若干组由固定电容和电感相串联的滤波器（或作L-C滤波器），每一组滤波器有其固定的谐振频率，使之
1
接近某次需要受抑制的谐波频率。因为电力系统的综合等值阻抗总是呈感性的。所以L-C滤波器的设计应该使其在该谐波频率下的合成阻抗畧呈感性并接近于零，或者说要远低于系统综合等值感抗。根据并联阻抗的分流原理，由用户侧谐波源发出的谐波电流，大部分就被该组滤波器所吸收，注入公共电网的谐波电流就很小了。
2）、有源滤波装置 其基本原理为：在用户端含有谐波电流的用电设备的馈电线路中接入一谐波电流数据采样器，根据采集到的各次谐波电流的频率和数量通过放大、逆变、调相等诸多环节，使有源滤波装置产生与主电路中频率和数量相同的谐波电流反馈到馈电线路中，使用电设备的电流中所含有的谐波电流几乎全由有源滤波装置来提供，从而基本消除了公共电网中的谐波电流。 2、存在的问题 1）、无源滤波装置属单频道滤波，需要抑制的谐波次数越多，滤波器的组数也越多；某次谐波电流数量越大，需要的电容量也越大。往往抑制谐波所需要的电容量大大超过补偿无功功率所需要的电容量，有时能达到全部用电负荷的90%左右。经常会造成无功功率过补偿，不利于节能。如果为了避免过补偿，切掉一些电容器，反而会引起谐波放大。
2）电容器、空心电抗器数量多，体积大，有时滤波装置占用的建筑面积比变电室还大。 3）通常无源滤波装置只针对含量较高的几个频道设置，所以抑制谐波的水平不会太高，要达到较高的抑制水平就要投入很多设备和经费。
4）有源滤波装置可以自动跟踪和反馈谐波电流，消谐率可达80-90%。然而由于价格昂贵、可靠性低、调试维修麻烦，市场前景并不好。 5）目前常用的无源滤波和有源滤波技术，只具有单向抑制用户端产生的谐波电流对电源系统的干扰的能力，而不具备同时能抑制电源系统存在的谐波电势对用户电气设备产生干扰的能力，即双向抗干扰的能力。
治理谐波污染从抑制用户终端用电设备产生的谐波电流入手，这种理念和措施就多数情况来说，是基本正确的。然而如果电网中本已存在较强的谐波电势干扰源，想依靠上述无源滤波或有源滤波技术来防止其对用户用电设备产生干扰，就无能为力了。在某些场合，恰恰会不可避免地遇到这种情况。例如电气化铁路系统，均采用单相交流高压滑触线供电，牵引机车经单相降压整流后用直流电动机调速牵引。单相整流装置交流侧谐波电流含量原本远较三相整流装置高，何况机车内空间有限，很难装下体积庞大的无源或有源滤波设备和防雷装置。所以电气列车本身既是脆弱的易受外界侵扰的移动用电设备，又是对供电电网产生强烈干扰的谐波干扰源。每当电气列车通过，沿线各站场的调度、信号、通讯设施往往受到强烈的谐波干扰而无应对良策。
三、新技术介绍——移相多脉波容性整流谐波治理装置
2
1、多脉波整流技术 利用移相技术，可以使整流装置交流电源线路中6n次及以下谐波电流基本消除（谐波残存量只是因设计制造中误差引起）。整流装置的相数越多，交流电源侧的谐波成分就越少。例如三相整流装置，其输出直流电流中含有6个连续弧形脉波，六相整流装置的输出直流电流中含有12个连续弧形脉波，以此类推。相数越多，直流电流中脉波数越多，波形越平整，所含的交流成分就越少。本技术可以设计成24、36甚至60脉波整流。 2、消谐无功补偿容性变压器技术
在装置内的变压器中设计安装一组以上容性绕组。该容性绕组具有足够的电容量，巧妙利用电容和变压器的电感形成宽带滤波器。根据用电负荷的性质和需要设计成具有单向滤波或双向滤波的能力，来抑制用户侧谐波电流注入公共电网和公共电网中含有的谐波电势对用户用电设备的谐波干扰。设计中同时加入无功功率分组自动补偿功能。 3、防雷技术
在设计中使装置同时具有防止雷击损坏负载的功能。 4、综合优势
将上述多项技术结合在一起，根据用户负荷性质和需要，设计成同时兼具防雷、无功功率分级自动补偿、单向或双向抑制谐波、多脉波整流电源装置。 本装置没有弱电电子元器件，使用寿命较长，不需要增加屏柜场地。 同现有的其它技术相比，具有安全可靠、高效节能、体积小成本低等突出优势。是我公司独创的新技术。
2011年8月1日
3