新型变流式柴油机试验电能回收系统的谐波治理研究

摘 要：在现有机械式回收系统即采用原动机拖动发电机发电回收系统的基础上，提出新型变流式柴油机试验电能回收系统，经有源逆变器将试验中的直流电逆变成50Hz的交流电，再由变压器转换成10kV高压电，回馈电网。在柴油机试验电能逆变回收装置中必须加入高次谐波吸收电路，来消除一部分高次谐波。在实际电网中，谐波吸收电路中的电容器还有改善功率因数的作用，不合理的单调谐滤波器参数会严重影响滤波器组的技术经济效应，因此需要选择恰当的电容器参数。

关键词：电能逆变回收装置；整流器；逆变器；谐波

引言

当前我国各大、中型企业都把生产过程中的节约能源作为技术改造的重点来抓。对于大中型铁路机车厂，柴油发电机厂，大中型电动机生产企业来说，在生产过程中需要对生产的各种大中型发电机、电动机进行性能试验。该试验以前大多采用水电阻消耗法，试验中柴油机、电动机所产生的能量全部消耗在水电阻上。整个过程就是消耗能量的过程，不仅浪费能源，同时还消耗了大量的工业用水，非常不环保，加上水电阻极板的更新维护，每年还需要投资大量资金在该设备更新上。如果以绿色工业建筑设计的方法，把这部分能量回收利用起来，转化为电力自给自足或反馈到电网，则可以收到一举多得的好处，就好比为建筑设置了太阳能光伏发电系统一样，即能提供减少自身能源消耗又绿色环保。

1.新型柴油机试验电能回收系统组成及工作原理

本系统分为主电路和控制电路两大部分，如图1所示。其中主电路由柴油发电机组、不可控整流器、LC滤波器、PWM 逆变器和变压器组成。柴油机发电机组作为发电设备，所发出的三相交流电经过不可控整流器整流成为脉动的直流电，经LC滤波电路处理后，再通过PWM逆变器产生正弦波交流电，最终由变压器将正弦波交流电转换成和电网电压特性相同的交流电后逆变到电网，实现柴油机输出能量的再生利用。

控制电路包括输出电压反馈控制器、PWM驱动电路部分。其中80C196可检测出电压反馈控制指令，使输出电压与与给定值一样，它同时产生PWM驱动信号，通过驱动电路，使输出电压的幅值和频率与设定值保持一致，另外，80C196MC也同时检测系统运行状态和监控状态。

本系统采用有源逆变器，有源逆变器的双桥结构大功率逆变器由大功率可控硅组成，它将试验中的直流电逆变成50Hz的交流电，再经变压器升压到10kV，输送到电网，供给各用电单位。

电力系统谐波的来源主要发电环节、送电环节、用电环节和电力电子变换设备，如各种整流器、逆变器、调速和调压装置以及大容量的电力晶闸管可控开关设备。在柴油机试验电能逆变回收装置中，有大功率的整流器和有源逆变器，它们在运行时会产生大量谐波。

2.谐波治理

2.1 谐波影响

谐波对本系统的影响主要体现在以下几个方面。

（1）对电动机的影响。谐波会引起附加损耗，产生附加温升，另外还产生机械振动、噪声和谐振过电压。

（2）对变压器的影响。谐波电流除了引起变压器绕组损耗增加外，也引起外壳和一些紧固件的发热，并可能引起局部严重过热，同时谐波会使变压器振动噪声增大。

（3）对自动化装置的影响。谐波对自动化装置的影响可以用整流电路触发为例说明， 谐波将引起同步电压信号畸变，影响脉冲产生的过零点，使晶闸管触发产生相位偏差，这时整流器除产生特征谐波外，还产生特征谐波，这时谐波反过来使电压畸变更严重，这样的恶性循环，可能造成由谐波引起的不稳定原因。

（4）谐波也对通信及测量仪表、继电保护等有比较大的影响。

2.2 抑制谐波措施

抑制谐波的根本主要是采取措施减少电力电子装置产生的谐波。如增加整流器相数减小整流器输出电压的脉动，逆变器采取PWM高频调制或多重化措施，减少输出电压的谐波等；采取输入输出滤波的方法。

滤波包括输入、输出滤波，输入滤波主要减小谐波对电网的影响，输出滤波主要减小滤波对负载的影响。LC滤波器使用最广泛，在抑制谐波的同时也能起无功补偿的作用，是常用的措施。LC滤波器有分为单调谐滤波器、高通滤波器等等。

针对5次、7次、11次、13次等低次谐波，本系统采用分别装设单调谐滤波器来进行抑制。单调谐滤波器对特定频率有低阻抗，每个滤波器都由串联的RLC短路组成。在谐振时，谐振频率 和谐振电抗 ，电路的品质因数为 。

在实际电网中， 谐波吸收电路中的电容器还有改善功率因数的作用，不合理的单调谐滤波器参数会严重影响滤波器组的技术经济效应，因此需要选择恰当的电容器参数。

2.2.1由单调谐滤波器的谐波电流和滤波电容器的额定电压来确定滤波器电容器的额定容量

从上式可知，当谐波电流不同时，可得出滤波电容器额定容量与校验电压的关系。

另外，输出变压器采用△/Y 连法，它一方面起到阻抗匹配的作用，另一方面起到隔离直流作用。另外，绕组联结选用△/Y 时，可使三次谐波磁通大大削弱，磁通波形和感应电动势非常接近正弦波，在一次绕组和二次绕组中都不可能有三次谐波分量。

结论

为抑制谐波对用户和电网产生危害，在柴油机试验电能逆变回收装置中必须加入高次谐波吸收电路，来消除高次谐波，限制注入电网的谐波电流，把电网电压谐波控制在允许的范围内，使电网中的其他地区设备免受谐波的干扰而正常工作。

参考文献：

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