基于基波谐振原理的谐波电能利用方法研究

廖青华，李璨

（1.河南机电高等专科学校 电气工程系，河南 新乡 453000；2.广西大学 电气工程学院，广西 南宁 530004）

1 引言

随着电力电子技术的迅速发展，电力电子产品广泛地应用于电力系统的各个领域，整流、逆变、变频等设备实现了变革，拓宽了电能的应用，但是在提高用电效率的同时也造成了电力系统的谐波污染日益严重，直接影响到了电力系统的安全运行［1］。目前，在电力系统中通常采用两种方法进行谐波抑制：一是采取措施减少电力电子设备自身产生的谐波；二是增设滤波装置滤除电网中的谐波。前者会使投资成本大幅度增加，后者一般通过装设无源滤波器或有源滤波器进行谐波抑制，有源滤波器因具有良好的动态补偿效果，成为目前研究的焦点［2-6］。

从电能利用的角度看，以电力电子设备为代表的非线性负载是一种高效、随意、有选择的用电方式。在一个工频周期内，非线性负载依据自身特有的用电方式只选择利用了正弦电能的一部分，剩余部分的电能不符合非线性负载的用电要求，被当作有危害的谐波滤除掉，这显然是一种不经济的做法。谐波本身也是一种能源，如果把抑制谐波转变为利用谐波电能，不仅可以创造很好的经济效益，而且也符合国家节能的方针。

文献［7-8］提出了利用变压器提取谐波电能等理论方法，验证了谐波利用的可行性，有很好的利用价值；文献［9］提出一种新型的基于基波磁通补偿原理与调谐滤波技术相结合，通过三绕组变压器在不取用基波功率的前提下获取电网中谐波电能的装置，不但有效地滤除了电网中的谐波，同时很好地提取利用了谐波电能。

本文在此基础上提出一种基于基波谐振原理的谐波电能利用方法，利用电感与电容组合而成的基波谐振电路与直流储能设备构成谐波电能利用装置，该方法不仅实现了高效率的谐波抑制而且有效地利用了谐波电能。

2 谐波电能利用的可行性分析

非线性负载与传统的电动机、白炽灯等用电方式不同，是一种特殊的非线性高效的用电方式，对电能（电压）具有选择性。一般情况下在一个工频周期内，电压较高时非线性负载才消耗电能，就出现了以正弦电压、畸变甚至间断电流的形式消耗畸变电能的用电方式，但是这种方式只消耗了正弦电能的一部分。

电网A相正弦电压、电流表示如下：

A相正弦电能为

以电网中常见的三相二极管整流电路为例，其A相畸变电流可表示为如下形式：

公共电网的电压一般保持正弦状态，则整流电路的A相畸变功率为

结合式（3）、式（5），则可利用的剩余谐波电能为

通过式（5）、式（6）可知，非线性负载只消耗了正弦电能的一部分，在电网中一般将剩余部分滤除或补偿掉，不仅增大了设备的投资成本，而且造成了电能的浪费。如果在满足电网电能质量的要求下，将滤波转变为利用谐波，为社会变废为宝，将成为循环经济发展中的一个有益环节。

3 谐波电能利用方法设计

谐波电能利用装置设计如图1所示，在电网三相电路中串入一组电感和电容，使其对基波电流产生串联谐振组成基波谐振电路，该电路对基波电流无影响，但对谐波电流产生高阻抗。再在基波谐振电路与非线性负载之间并联一直流储能设备，其通过3个正向二极管与3个反向二极管与线路相连，正、反向二极管的作用是分别提取非线性负载不消耗的正、负半周期的剩余谐波电能。由于基波谐振电路的作用，迫使谐波电能以正、负直流电能的形式流向直流储能设备，储存的直流电能经平波后可直接供直流负载或逆变后送入电网。

图1 谐波电能利用装置设计图Fig.1 Design diagram of device for harmonic electric energy using

通过建立等值电路来说明基波谐振电路的重要性，未串联基波谐振电路时的等值电路如图2所示，其中非线性负载等值为一谐波电流源，为谐波源的n次谐波电流，为流入电力系统的谐波电流，为流入储能设备的谐波电流，nXS为电力系统的谐波阻抗，Rfn为储能设备的等效谐波电阻，Xfc/n为储能设备的等效谐波容抗。

图2 未串联基波谐振电路时的等值电路Fig.2 Equivalent circuit with no series fundamental resonance circuit

可求出流向电网与储能设备的谐波电流分别为

谐波电能利用的多少决定于nXS与Rfn-XfC/n的大小关系，nXS越大，流向储能设备的谐波电能越多，但是电网的等效阻抗XS是一个非常小的值，而且随着系统容量的不断增大，XS会不断减小。会出现(Rfn-XfC/n)＞nXS，则 ISn＞Ifn，此时的谐波利用率较低，而且谐波电流会大量的流向电网，对电网产生危害。需在三相线路中串入基波谐振电路迫使谐波电流流向储能装置，其等值电路如图3所示。

图3 串联基波谐振电路时的等值电路Fig.3 Equivalent circuit with series fundamental resonance circuit

此时流向电网与储能设备的谐波电流分别为

通过调节基波谐振电路的参数，可满足：

则

串联基波谐振电路后，谐波电流几乎全部流入储能设备，不仅能较好地抑制谐波而且可以有效地利用谐波电能。储存谐波电能的装置采用直流储能装置，将谐波电能的正、负半周分别储存，不需分频提取，大大降低了谐波电能利用的成本。

4 实验验证

通过实验来验证谐波电能利用的可行性，电路图如图4所示。实验中以三相二极管整流电路作为非线性负载，电感L和电容C组成基波谐振电路，由于是验证性实验，以3个25 W白炽灯来模拟储能设备并入线路中，白炽灯的作用是消耗二极管整流电路不利用的谐波电能。

图4 谐波电能利用实验电路图Fig.4 Experiment circuit diagram of harmonic electric energy using

利用示波器测量未利用谐波电能时的A相电压、电流波形，如图5所示，由于二极管的单向导通性使其电流间断。

图5 未利用谐波电能时的A相电压、电流波形图Fig.5 A phase voltage and circuit waveforms not using harmonic electric energy

在线路中串联基波谐振电路与白炽灯负载后，用示波器测量A相的电压、电流波形如图6所示，A相电流分别流向整流电路与白炽灯的电流，如图7所示。谐波利用前后的电流比较如表1所示。表1中比较了电流的总畸变率THD与各次谐波百分比。

图6 利用谐波电能时的A相电压、电流波形图Fig.6 A phase voltage and circuit waveforms using harmonic electric energy

图7 两负载电流波形图Fig.7 Circuit waveforms with two loads

表1 谐波电能利用前后的电流比较Tab.1 Compare of current before and after using harmonic electric energy

由图5、图6与表1可知，基波谐振电路与白炽灯负载投入运行后，电流畸变率下降为1.01%，由间断的波形变为比较接近正弦的波形。图7中的i1为流向整流电路的电流，i2为流向白炽灯的电流，将这两条曲线叠加后是图6的电流波形曲线，这就说明了此时电网的正弦电能被分为了2部分，一部分被整流负载消耗，剩余部分被白炽灯消耗。这种方式不仅有效地抑制了非线性负载的谐波，同时很好地利用了谐波电能。

白炽灯与整流负载相互配合的用电方式验证了谐波电能利用的可行性，在工程应用时可将白炽灯消耗的谐波电能以正、负直流电能的形式储存起来，供直流负载使用或逆变后送回电网。

5 结论

本文提出一种基波谐振电路与直流储能设备相结合的谐波电能利用方法，通过理论分析与实验验证该方法的正确性，不仅可以有效地进行谐波抑制，而且较好地利用了谐波电能，符合国家的节能方针，不仅节省了装设滤波装置的成本，而且可创造更多的经济效益。在能源日益紧张的局势下，该方法有广阔的应用前景。

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