摘 要： 本文分析了用同步電機進行諧波補償的原理，闡明在同步電機勵磁繞組中注入適當的偶次諧波電流可以補償電網中的奇次諧波電流。介紹了有源和無源諧波勵磁的兩種方法。 關 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的發展,電力系統中增加了大量的非線性負載，導致了多種電力系統運行指標惡化, 其中最主要的是諧波污染和低功率因數問題。當然，電力電子技術的發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。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行動態補償,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重等問題，限制了其在實際工程中的應用[1]。眾所周知，同步電機可以進行無功補償，若能同時利用同步電機進行諧波補償，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行無功、諧波綜合補償的新思路。實際上，國外一些研究者在這方面已進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，轉子通入勵磁電流后形成的磁動勢分布如圖1所示。設轉子以同步角頻率ω旋轉，當勵磁繞組中通入一諧波電流Ihsinhωt時，在空間將產生一脈振磁動勢，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磁動勢。兩旋轉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生（h±1）次諧波電流。可以推知，當在勵磁繞組中注入偶次諧波電流時，將在定子繞組中產生奇次諧波電流，以此原理即可針對電網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。 當然兩奇次諧波是不能僅通過Ih單獨調節的。以補償5、7次諧波為例：為了控制勵磁電流產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中5、7次諧波的幅值來決定。當然如果需要的話，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為用同步電機進行諧波補償的結構框圖，假設非線性負載與無窮大電網相連,其負載電流中含有以5、7次諧波為主的諧波電流，同步電機與非線性負載并聯。整體補償方案是：先檢測出由非線性負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生相應的勵磁電流。使電機產生與負載諧波電流相抵消的電流。 3．產生諧波勵磁源的方案 　　 由上面的分析可知，實現同步電機諧波補償是根據諧波電流的大小通過控制和調節勵磁諧波電流來實現的。勵磁諧波電流的產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 內部勵磁電路諧振法： 　　 文獻[2]中對用諧振勵磁電路來實現諧波抑制進行了論述，其勵磁電路如圖3所示：諧振電容Cd與勵磁繞組相連，當電容與5、7次電樞諧波電流在轉子邊產生的感應電勢發生諧振時，將有6次諧波電流流經勵磁繞組。 電樞阻抗相應變小，由于同步電機與電網并聯，流過兩者的諧波電流與兩者的導納大小成正比，于是，流經電網的諧波電流將變小，從而起到了諧波補償的作用。 　　 從其試驗結果來看：當勵磁回路的電容在6次諧波上發生諧振時,電網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開關電路，以產生相應的諧波勵磁電流。 　　 文獻[3]試驗結果表明：只需通過適當地控制在勵磁繞組中加入的2、4、6次諧波電流，就可以完全補償與同步電機并聯的非線性負載在電網中產生的5、7次諧波電流。該勵磁電路雖然復雜，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電路勵磁，實現并不困難。 　　 4．結論和展望 　　a． 同步電機可以用來進行諧波補償，且其諧波勵磁源也可以象電力電子器件進行諧波補償一樣用有源和無源方法實現。 　　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行相應的改造就可以在進行無功補償的同時對諧波進行補償。也可以設計專用同步調相機來對電網進行無功和諧波綜合補償。 　　c． 用同步電機實現諧波補償尚處于研究和試驗階段，目前還沒有成熟的產品出現。在專用電機設計、諧波與無功功率綜合補償方式等方向上仍有待進一步研究。 　　 參考文獻 　　 　　[1]徐永海，肖湘寧，楊以涵，陳學允.電力系統的研究.電力系統及其自動化學報,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.