摘 要： 本文分析了用同步電機進(jìn)行諧波補償?shù)脑?，闡明在同步電機勵磁繞組中注入適當(dāng)?shù)呐即沃C波電流可以補償電網(wǎng)中的奇次諧波電流。介紹了有源和無源諧波勵磁的兩種方法。 關(guān) 鍵 詞： 同步電機；諧波補償；諧波勵磁電路 　　 0．引言 　　 近年來隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展,電力系統(tǒng)中增加了大量的非線性負(fù)載，導(dǎo)致了多種電力系統(tǒng)運行指標(biāo)惡化, 其中最主要的是諧波污染和低功率因數(shù)問題。當(dāng)然，電力電子技術(shù)的發(fā)展同時也提出了解決此類問題的新方法, 用無源方式或有源方式均可以實現(xiàn)。象有源電力濾波（APF）就是一種較好的補償方法, 它能對諧波和無功功率進(jìn)行動態(tài)補償,且具有較好的補償特性。但是目前大容量的APF存在造價高、功耗大以及電磁干擾較嚴(yán)重等問題，限制了其在實際工程中的應(yīng)用[1]。眾所周知，同步電機可以進(jìn)行無功補償，若能同時利用同步電機進(jìn)行諧波補償，將為有源濾波開辟一條新途徑。本文將從理論上分析同步電機所具有的諧波補償功能，提供一種用同步電機進(jìn)行無功、諧波綜合補償?shù)男滤悸?。實際上，國外一些研究者在這方面已進(jìn)行了一些研究和試驗[2][3][4]。 　　 1．同步電機諧波補償原理 　　 以2極凸極同步電機為模型，轉(zhuǎn)子通入勵磁電流后形成的磁動勢分布如圖1所示。設(shè)轉(zhuǎn)子以同步角頻率ω旋轉(zhuǎn)，當(dāng)勵磁繞組中通入一諧波電流Ihsinhωt時，在空間將產(chǎn)生一脈振磁動勢，其角頻率為hω，此脈振磁動勢可以分解為兩個方向相反的旋轉(zhuǎn)磁動勢。兩旋轉(zhuǎn)磁動勢將分別按正向和反向以（h+1）ω和（h-1）ω角頻率切割定子繞組，所以定子繞組中將產(chǎn)生（h±1）次諧波電流?？梢酝浦?，當(dāng)在勵磁繞組中注入偶次諧波電流時，將在定子繞組中產(chǎn)生奇次諧波電流，以此原理即可針對電網(wǎng)諧波電流大小在勵磁繞組中注入偶次諧波電流來予以補償。 當(dāng)然兩奇次諧波是不能僅通過Ih單獨調(diào)節(jié)的。以補償5、7次諧波為例：為了控制勵磁電流產(chǎn)生的諧波的幅值和相位，可以在勵磁電流中注入2、4、6次諧波。若不考慮氣隙空間諧波磁動勢，由于定子繞組電感的影響，通入6次諧波產(chǎn)生的7次諧波磁動勢幅值要小于5次諧波的，由于非線性形負(fù)載中一般5次諧波幅值要大于7次諧波的幅值，為了完全補償5次諧波，可以再在勵磁繞組中加入4次諧波電流，而4次諧波勵磁電流又同時會產(chǎn)生三次電樞諧波電流，同樣道理，可以在勵磁繞組中再注入2次諧波電流來補償產(chǎn)生的三次電樞諧波，以此方法，到最后氣隙中剩下的就是基波了。勵磁電流表示為： 各次電流的幅值可通過電網(wǎng)中5、7次諧波的幅值來決定。當(dāng)然如果需要的話，還可以在勵磁電流注入其他高次諧波以補償相應(yīng)的其他高次諧波。 　　 2．諧波補償方案描述 　　 圖2為用同步電機進(jìn)行諧波補償?shù)慕Y(jié)構(gòu)框圖，假設(shè)非線性負(fù)載與無窮大電網(wǎng)相連,其負(fù)載電流中含有以5、7次諧波為主的諧波電流，同步電機與非線性負(fù)載并聯(lián)。整體補償方案是：先檢測出由非線性負(fù)載引起的諧波電流的幅值和相位，再計算出所需的諧波補償電流，最后在勵磁電路中產(chǎn)生相應(yīng)的勵磁電流。使電機產(chǎn)生與負(fù)載諧波電流相抵消的電流。 3．產(chǎn)生諧波勵磁源的方案 　　 由上面的分析可知，實現(xiàn)同步電機諧波補償是根據(jù)諧波電流的大小通過控制和調(diào)節(jié)勵磁諧波電流來實現(xiàn)的。勵磁諧波電流的產(chǎn)生可以通過無源和有源兩種方式：1）通過勵磁電路諧振來產(chǎn)生勵磁諧波電流；2）由外部交流電源供給勵磁諧波電流。 　　 3．1 內(nèi)部勵磁電路諧振法： 　　 文獻(xiàn)[2]中對用諧振勵磁電路來實現(xiàn)諧波抑制進(jìn)行了論述，其勵磁電路如圖3所示：諧振電容Cd與勵磁繞組相連，當(dāng)電容與5、7次電樞諧波電流在轉(zhuǎn)子邊產(chǎn)生的感應(yīng)電勢發(fā)生諧振時，將有6次諧波電流流經(jīng)勵磁繞組。 電樞阻抗相應(yīng)變小，由于同步電機與電網(wǎng)并聯(lián)，流過兩者的諧波電流與兩者的導(dǎo)納大小成正比，于是，流經(jīng)電網(wǎng)的諧波電流將變小，從而起到了諧波補償?shù)淖饔谩? 　　 從其試驗結(jié)果來看：當(dāng)勵磁回路的電容在6次諧波上發(fā)生諧振時,電網(wǎng)諧波中最主要兩種諧波5、7次諧波得到了明顯的減小，同時11、13諧波也得到了一定程度的減弱。該方法可用于諧波比較固定的場合。其實現(xiàn)簡單無須額外控制回路，但不能完全消除所有5、7次諧波。 　　 3.2 外部有源諧波勵磁法 　　 用外部有源諧波勵磁可以達(dá)到完全消除指定電流諧波的目的，其勵磁電路如圖4所示：勵磁繞組同時由直流和交流電源供電，Lb和Cac分別為扼流電感和隔直電容。 以完全消除5、7次諧波為例，圖5說明了控制同步電機勵磁的方案包含如下步驟：先用快速傅立葉分解檢測5、7 次諧波的幅值和相位，計算完全消除5、7次諧波所需的參考電流來控制PWM開關(guān)電路，以產(chǎn)生相應(yīng)的諧波勵磁電流。 　　 文獻(xiàn)[3]試驗結(jié)果表明：只需通過適當(dāng)?shù)乜刂圃趧畲爬@組中加入的2、4、6次諧波電流，就可以完全補償與同步電機并聯(lián)的非線性負(fù)載在電網(wǎng)中產(chǎn)生的5、7次諧波電流。該勵磁電路雖然復(fù)雜，但可以完全消除指定的諧波電流，而且目前許多同步電機都使用開關(guān)電路勵磁，實現(xiàn)并不困難。 　　 4．結(jié)論和展望 　　a． 同步電機可以用來進(jìn)行諧波補償，且其諧波勵磁源也可以象電力電子器件進(jìn)行諧波補償一樣用有源和無源方法實現(xiàn)。 　　b． 此方案可用于已有使用同步電機的場合，只須對同步電機勵磁電路進(jìn)行相應(yīng)的改造就可以在進(jìn)行無功補償?shù)耐瑫r對諧波進(jìn)行補償。也可以設(shè)計專用同步調(diào)相機來對電網(wǎng)進(jìn)行無功和諧波綜合補償。 　　c． 用同步電機實現(xiàn)諧波補償尚處于研究和試驗階段，目前還沒有成熟的產(chǎn)品出現(xiàn)。在專用電機設(shè)計、諧波與無功功率綜合補償方式等方向上仍有待進(jìn)一步研究。 　　 參考文獻(xiàn) 　　 　　[1]徐永海，肖湘寧，楊以涵，陳學(xué)允.電力系統(tǒng)的研究.電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報,第11卷,第3期,1999年8月. 　　[2]Takase F,Tominaga M, Ueda Y, Temma T, Genji T, Oku K. Harmonic Compensation Using a Synchronous Machine with Resonant Field Circuits .Energy Conversion, IEEE Transactions on Volume: 122, June 1997,Page（s）:143 -150. 　　[3]Abolhassani M T, Toliyat H A, Enjeti P. An Electromechanical Active Harmonic Filter.Electric Machines and Drives Conference, 2001. IEMDC 2001.IEEE International, 2001 Pages:349-355. 　　[4] Abolhassani M T, Toliyat H A, Enjeti P. Harmonic compensation using advanced electric machine. Industrial Electronics Society, 2001. IECON 01. The 27th Annual Conference of the IEEE, Volume: 2,29 Nov.-2 Dec.2001.