諧波對高頻開關電源的影響分析及防范

1 前言

在電力系統(tǒng)中，直流電源作為繼電保護、自動裝置以及一二次設備操作電源使用，是發(fā)電廠和變電站非常重要的設備。近年來，系統(tǒng)內(nèi)因直流電源故障而引發(fā)的事故時有發(fā)生，所以，對直流電源的可靠性、穩(wěn)定性具有很高的要求。傳統(tǒng)的直流電源多數(shù)采用可控硅整流型。隨著高頻開關電源技術的成熟，目前高頻開關電源已在電力系統(tǒng)內(nèi)逐步開始取代傳統(tǒng)硅整流充電機。高頻開關電源因具有體積小、重量輕、效率高、工作可靠等優(yōu)點，廣泛應用于電力發(fā)電廠、變電站（所）、工業(yè)生產(chǎn)、交通等直流系統(tǒng)及相關配套裝置中，是斷路器分合閘用電、后備電池充電以及二次回路的儀器儀表等低壓設備用電設備正常工作的動力核心

2 高頻開關電源的工作原理

交流電源接入整流模塊，經(jīng)濾波及三相全波整流器后變成直流，再接入高頻逆變回路，將直流轉換為高頻交流，最后經(jīng)高頻變壓器、整流橋、濾波器后輸出平穩(wěn)直流。

高頻開關電路主要由整流濾波電路，全橋變換電路，PWM控制電路，穩(wěn)壓、限壓電路，穩(wěn)流、限流電路，保護電路，以及輔助電源電路等組成。

三相電網(wǎng)（或單相）電壓經(jīng)電源開關后，進行整流濾波，得到的520Vdc(單相為300Vdc)的平滑直流電壓供給逆變電路。

逆變電路主要由大功率IGBT模塊（或場效應MOSFET模塊）組成全橋變換電路。當PWM輸出控制信號通過隔離驅(qū)動器分別驅(qū)動功率模塊，兩組對角管分別交替導通，在高頻變壓器初級產(chǎn)生高頻脈沖電壓，次級電壓由高頻變壓器變壓后經(jīng)整流向負載提供能量。

輸出端分別接有穩(wěn)壓、限流和穩(wěn)流、限壓等反饋電路。當置于穩(wěn)壓狀態(tài)時，穩(wěn)壓和限流電路起作用，當輸出電壓升高或下降時，取樣電壓通過穩(wěn)壓電路內(nèi)部電壓比較器跟基準電壓比較，其誤差信號電壓加到PWM控制電路，使PWM輸出脈寬作相應變化，從而穩(wěn)定輸出電壓，如負載電流過高時，限流電路工作，使輸出電流限制在限流設定值內(nèi)。

同樣，在穩(wěn)流狀態(tài)下，穩(wěn)流電路作用，使輸出電流穩(wěn)定在設定值內(nèi)，而當過壓時，限壓電路使輸出電壓鉗位在限壓值。當有異常情況(如輸入過壓或欠壓,過流或過熱等)產(chǎn)生保護信號加到保護控制電路時，保護電路輸出一個電壓加到PWM電路，使PWM電路停止輸出，從而達到保護目的。

圖1 工作原理框圖

3 電力系統(tǒng)諧波的來源

電力系統(tǒng)中諧波源是多種多樣的。主要有以下幾種：

⑴系統(tǒng)中的各種非線性用電設備如：換流設備、調(diào)壓裝置、電氣化鐵道、電弧爐、熒光燈、家用電器以及各種電子節(jié)能控制設備等。這些設備即使供給它理想的正弦波電壓，取用的電流也是非線性的，即有諧波電流存在。并且這些設備產(chǎn)生的諧波電流也會注入電力系統(tǒng)，使系統(tǒng)各處電壓產(chǎn)生諧波分量。這些設備的諧波含量決定于它本身的特性和工作狀況，基本上與電力系統(tǒng)參數(shù)無關，可視為諧波恒流源。

⑵供電系統(tǒng)本身存在的非線性元件是諧波的又一來源。這些非線性元件主要有變壓器激磁支路、交直流換流站的可控硅控制元件、可控硅控制的電容器、電抗器組等。

⑶如熒光燈、家用電器等的單個容量不大，但數(shù)量很大且散布于各處，電力部門又難以管理的用電設備。如果這些設備的電流諧波含量過大，則會對電力系統(tǒng)造成嚴重影響，對該類設備的電流諧波含量，在制造時即應限制在一定的數(shù)量范圍之內(nèi)。

⑷發(fā)電機發(fā)出的諧波電勢。發(fā)電機發(fā)出諧波電勢的同時也會有諧波電勢產(chǎn)生，其諧波電勢取決于發(fā)電機本身的結構和工作狀況，基本上與外接阻抗無關。故可視為諧波恒壓源，但其值很小。

電力系統(tǒng)中諧波的出現(xiàn)，對于電力系統(tǒng)運行是一種污染。它們極大的降低了系統(tǒng)電壓正弦波形的質(zhì)量，同時對高頻開關電源也有很大的影響。

4 諧波對高頻開關電源影響實例

⑴2008年10月，某供電公司110kV變電站進行1＃主變壓器更換工作，該站接線方式如圖2所示。

圖2 某供電公司110kV變電站接線方式

該站充電機電源正常由1＃所用主變供電，10kV母聯(lián)和低壓母聯(lián)均在斷開位置，由于10kV I段母線未帶鋼廠負荷，高頻充電機運行正常。在1＃主變更換期間，全站10kV負荷和低壓負荷全部由2#主變所帶，而10kV II母線帶有兩回鋼廠負荷，且該鋼廠未裝消諧裝置，當?shù)怪链朔绞竭\行不到10min，該變電站高頻電源模塊就有兩個燒壞，同時也有10kV其他用戶反映其高頻電源燒壞。

⑵2006年，某供電公司220kV變電站所帶一大型鋁業(yè)公司在其濾波裝置全部停電進行諧波測試期間，不到2h，該站2＃高頻充電機6臺高頻模塊全部燒壞。

5 諧波對高頻開關電源影響的分析和對策

由于以計算機和微處理器為基礎的智能直流系統(tǒng)通常安裝在變電站高壓設備的附近，該設備能正常工作的先決條件就是它能夠承受變電站中在正常操作或事故情況下產(chǎn)生的極強的電磁干擾。此外，由于現(xiàn)代的高壓開關常常與電子控制和保護設備集成于一體， 因此，對這種強電與弱電設備組合的設備不僅需要進行高電壓、大電流的試驗， 同時還要通過電磁兼容的試驗。GIS的隔離開關操作時，可以產(chǎn)生頻率高達數(shù)MHz的快速暫態(tài)電壓，這種快速暫態(tài)過電壓不僅會危及變壓器等設備的絕緣，而且會通過接地網(wǎng)向外傳播，干擾變電站直流系統(tǒng)、控制設備的正常工作。隨著電力系統(tǒng)自動化水平的提高，電磁兼容技術的重要性日益顯現(xiàn)出來。因此，高頻開關電源要有很強的抗電磁干擾能力，特別是對雷擊、浪涌、電網(wǎng)電壓波動的適應能力，而對靜電干擾、電場、磁場及電磁波等也要有足夠的抗干擾能力，保證自身能夠正常工作以及對直流設備供電的穩(wěn)定性。

另一方面嚴重的諧波電壓電流在開關電源內(nèi)部產(chǎn)生電磁干擾，從而造成開關電源內(nèi)部工作的不穩(wěn)定，使電源的性能降低。還有部分電磁場通過開關電源機殼的縫隙，向周圍空間輻射，與通過電源線、直流輸出線產(chǎn)生的輻射電磁場一起通過空間傳播的方式，對其它高頻設備及對電磁場比較敏感的設備造成干擾，引起其它設備工作異常。 因此，對高頻開關電源要限制由負載線、電源線產(chǎn)生的傳導干擾以及由輻射傳播的電磁場干擾，使處于同一電磁環(huán)境中的設備均能夠正常工作，互不干擾。

高頻開關電源因工作在高電壓大電流的開關狀態(tài)下，其引起的電磁兼容性問題是相當復雜的。從整機的電磁兼容性講，主要有共阻抗耦合、線間耦合、電場耦合、磁場耦合和電磁波耦合幾種。電磁兼容產(chǎn)生的三個要素為：干擾源、傳播途徑及受干擾體。磁場耦合主要是大電流的脈沖電源線附近產(chǎn)生的低頻磁場對干擾對象產(chǎn)生的耦合。而電磁波耦合，主要是由于脈動的電壓或電流產(chǎn)生的高頻電磁波，通過空間向外輻射，對相應的受干擾體產(chǎn)生的耦合。實際上，每一種耦合方式是不能嚴格區(qū)分的，只是側重點不同而已。

在開關電源中，主功率開關管在很高的電壓下以高頻開關方式工作，開關電壓及開關電流均為方波，該方波所含的高次諧波的頻譜可達方波頻率的1000次以上。同時，由于電源變壓器的漏電感及分布電容，以及主功率開關器件的工作狀態(tài)并非理想，在高頻開或關時，常常產(chǎn)生高頻高壓的尖峰諧波振蕩，該諧波振蕩產(chǎn)生的高次諧波，通過開關管與散熱器間的分布電容傳入內(nèi)部電路或通過散熱器及變壓器向空間輻射。用于整流及續(xù)流的開關二極管，也是產(chǎn)生高頻干擾的一個重要原因。因整流及續(xù)流二極管工作在高頻開關狀態(tài)，由于二極管的引線寄生電感、結電容的存在以及反向恢復電流的影響，使之工作在很高的電壓及電流變化率下，產(chǎn)生高頻振蕩。因整流及續(xù)流二極管一般離電源輸出線較近，其產(chǎn)生的高頻干擾最容易通過直流輸出線傳出。

圖3 高頻開關電源工作原理簡圖

開關電源為了提高功率因數(shù)，均采用了功率因數(shù)校正電路。同時，為了提高電路的效率及可靠性，減小功率器件的電應力，大量采用了軟開關技術。其中零電壓、零電流或零電壓零電流開關技術應用最為廣泛。該技術極大地降低了開關器件所產(chǎn)生的電磁干擾。但是，軟開關無損吸收電路多利用L、C進行能量轉移，利用二極管的單向?qū)щ娦阅軐崿F(xiàn)能量的單向轉換，因而，該諧振電路中的二極管成為電磁干擾的一大干擾源。

要解決開關電源諧波，可從以下三個方面入手。

⑴減小干擾源產(chǎn)生的干擾信號；

⑵切斷干擾信號的傳播途徑；

⑶增強受干擾體的抗干擾能力。

通過上述對電磁兼容性的研究和分析可知，首先要針對電源線諧波電流、電源線傳導干擾、電磁場輻射干擾等問題，對輸入輸出濾波電路進行改進。調(diào)整了輸出整流二極管的連接方式和濾波電路的位置，使濾波電路更接近端口。加大了電源的輸入EMI濾波器的絕緣耐壓等級，切斷了干擾信號的傳播途徑。

其次，對于靜電放電，在均流端口及控制端口的小信號電路中，采用TVS管及相應的接地保護、加大小信號電路與機殼等的電距離。快速瞬變信號含有很寬的頻譜，很容易以共模的方式傳入控制電路內(nèi)，采用防靜電相同的方法并減小共模電感的分布電容、加強輸入電路的共模信號濾波即加共模電容來提高系統(tǒng)的抗擾性能。雷擊、浪涌是對開關電源及其系統(tǒng)造成毀滅性傷害的重要因素，因此，優(yōu)化交流輸入及直流輸出端口的防雷能力也是相當必要的。對1.2/50μs開路電壓及8/20μs短路電流的組合雷擊波形，因能量較小，采用氧化鋅壓敏電阻與相應的吸收電路組合方法來解決。為保證系統(tǒng)的安全運行，在系統(tǒng)的交流進線和直流輸出母線上也配備了共摸、差摸組合浪涌抑制器。

減小開關電源的內(nèi)部干擾，實現(xiàn)其自身的電磁兼容性，提高開關電源的穩(wěn)定性及可靠性，主要從適當增加相鄰線間和相鄰引腳間的距離，避免產(chǎn)生串擾和在高壓串入時相互間放電。減小高壓大電流電路特別是變壓器原邊與開關管、電源濾波電容電路所包圍的面積；減小輸出整流電路及續(xù)流二極管電路與直流濾波電路所包圍的面積，從而減小了變壓器的漏電感和濾波電感的分布電容對開關電源的影響，改善了開關電源的內(nèi)部工作的穩(wěn)定性。具有良好的穩(wěn)定性和電磁兼容性，適合于直流系統(tǒng)用直流操作電源或單機電源使用。

6 總結

綜上所述，我國電力系統(tǒng)在直流電源設計上主要采用高頻開關電源。高頻開關電源作為繼電保護、自動裝置以及一二次設備操作電源使用，是發(fā)電廠和變電站非常重要的設備。如何把諧波對高頻開關電源的影響降低到最小，保證電力系統(tǒng)的安全可靠運行，對運行人員及專業(yè)維護人員提出了更高的要求。我們要在實踐中摸索符合實際的維護方法。本文系統(tǒng)的對如何把諧波對高頻開關電源的影響降低到最小提出了自己的見解，為業(yè)內(nèi)同行在設計、驗收和維護方面提供了有益的參考，歡迎同行提出寶貴意見。

參考文獻：

1 DL/T 724-2000《電力系統(tǒng)用蓄電池直流電源裝置運行與維護技術規(guī)程》中國電力出版社

2 DL/T 5044-2004《電力工程直流系統(tǒng)設計技術規(guī)程》 中國電力出版社