谐波对高频开关电源的影响及防范

　　1 前言

　　在电力系统中，直流电源作为继电保护、自动装置以及一二次设备操作电源使用，是发电厂和变电站非常重要的设备。近年来，系统内因直流电源故障而引发的事故时有发生，所以，对直流电源的可靠性、稳定性具有很高的要求。传统的直流电源多数采用可控硅整流型。随着高频开关电源技术的成熟，目前高频开关电源已在电力系统内逐步开始取代传统硅整流充电机。高频开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、工作可靠等优点，广泛应用于电力发电厂、变电站(所)、工业生产、交通等直流系统及相关配套装置中，是断路器分合闸用电、后备电池充电以及二次回路的仪器仪表等低压设备用电设备正常工作的动力核心

　　2 高频开关电源的工作原理

　　交流电源接入整流模块，经滤波及三相全波整流器后变成直流，再接入高频逆变回路，将直流转换为高频交流，最后经高频变压器、整流桥、滤波器后输出平稳直流。

　　高频开关电路主要由整流滤波电路，全桥变换电路，PWM控制电路，稳压、限压电路，稳流、限流电路，保护电路，以及辅助电源电路等组成。

　　三相电网(或单相)电压经电源开关后，进行整流滤波，得到的520Vdc(单相为300Vdc)的平滑直流电压供给逆变电路。

　　逆变电路主要由大功率IGBT模块(或场效应MOSFET模块)组成全桥变换电路。当PWM输出控制信号通过隔离驱动器分别驱动功率模块，两组对角管分别交替导通，在高频变压器初级产生高频脉冲电压，次级电压由高频变压器变压后经整流向负载提供能量。

　　输出端分别接有稳压、限流和稳流、限压等反馈电路。当置于稳压状态时，稳压和限流电路起作用，当输出电压升高或下降时，取样电压通过稳压电路内部电压比较器跟基准电压比较，其误差信号电压加到PWM控制电路，使PWM输出脉宽作相应变化，从而稳定输出电压，如负载电流过高时，限流电路工作，使输出电流限制在限流设定值内。

　　同样，在稳流状态下，稳流电路作用，使输出电流稳定在设定值内，而当过压时，限压电路使输出电压钳位在限压值。当有异常情况(如输入过压或欠压,过流或过热等)产生保护信号加到保护控制电路时，保护电路输出一个电压加到PWM电路，使PWM电路停止输出，从而达到保护目的。

　　图1 工作原理框图

　　3 电力系统谐波的来源

　　电力系统中谐波源是多种多样的。主要有以下几种：

　　⑴系统中的各种非线性用电设备如：换流设备、调压装置、电气化铁道、电弧炉、荧光灯、家用电器以及各种电子节能控制设备等。这些设备即使供给它理想的正弦波电压，取用的电流也是非线性的，即有谐波电流存在。并且这些设备产生的谐波电流也会注入电力系统，使系统各处电压产生谐波分量。这些设备的谐波含量决定于它本身的特性和工作状况，基本上与电力系统参数无关，可视为谐波恒流源。

　　⑵供电系统本身存在的非线性元件是谐波的又一来源。这些非线性元件主要有变压器激磁支路、交直流换流站的可控硅控制元件、可控硅控制的电容器、电抗器组等。

　　⑶如荧光灯、家用电器等的单个容量不大，但数量很大且散布于各处，电力部门又难以管理的用电设备。如果这些设备的电流谐波含量过大，则会对电力系统造成严重影响，对该类设备的电流谐波含量，在制造时即应限制在一定的数量范围之内。

　　⑷发电机发出的谐波电势。发电机发出谐波电势的同时也会有谐波电势产生，其谐波电势取决于发电机本身的结构和工作状况，基本上与外接阻抗无关。故可视为谐波恒压源，但其值很小。

　　电力系统中谐波的出现，对于电力系统运行是一种"污染"。它们极大的降低了系统电压正弦波形的质量，同时对高频开关电源也有很大的影响。

　　4 谐波对高频开关电源影响实例

　　⑴2008年10月，某供电公司110kV变电站进行1#主变压器更换工作，该站接线方式如图2所示。

　　图2 某供电公司110kV变电站接线方式

　　该站充电机电源正常由1#所用主变供电，10kV母联和低压母联均在断开位置，由于10kV I段母线未带钢厂负荷，高频充电机运行正常。在1#主变更换期间，全站10kV负荷和低压负荷全部由2#主变所带，而10kV II母线带有两回钢厂负荷，且该钢厂未装消谐装置，当倒至此方式运行不到10min，该变电站高频电源模块就有两个烧坏，同时也有10kV其他用户反映其高频电源烧坏。

　　⑵2006年，某供电公司220kV变电站所带一大型铝业公司在其滤波装置全部停电进行谐波测试期间，不到2h，该站2#高频充电机6台高频模块全部烧坏。

　　5 谐波对高频开关电源影响的分析和对策

　　由于以计算机和微处理器为基础的智能直流系统通常安装在变电站高压设备的附近，该设备能正常工作的先决条件就是它能够承受变电站中在正常操作或事故情