一、引言

　　當(dāng)今世界，電能已經(jīng)成為人類生產(chǎn)和生活不可須臾或缺的能源，它便于傳輸，能夠方便地轉(zhuǎn)化為其它能源，十分清潔。電能的供應(yīng)需要由電網(wǎng)傳輸。理想的公用電網(wǎng)的電壓應(yīng)該是單一而固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。由于電器的使用會產(chǎn)生諧波電流和諧波電壓，注入到電網(wǎng)中，就成為電網(wǎng)的一種污染，它會導(dǎo)致電網(wǎng)中的電流和電壓波形畸變，電能質(zhì)量下降，使電器設(shè)備的使用環(huán)境惡化，危害電網(wǎng)及電網(wǎng)中的其它設(shè)備。

　　近幾十年來，各種非線性負(fù)荷的廣泛使用，使得諧波污染的問題變得日益突出。而各種復(fù)雜、精密、對電能質(zhì)量敏感的用電設(shè)備的不斷普及，人們對電能質(zhì)量及可靠性的要求越來越高，這使得電能質(zhì)量問題對電網(wǎng)和配電系統(tǒng)造成的直接危害和可能對人類生活和生產(chǎn)造成的損失也就越來越大。電能源應(yīng)用在世界范圍內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)不斷升級的大規(guī)模停電等事故和頻繁的城市火災(zāi)，其中大部分與諧波污染和不恰當(dāng)?shù)奶幚聿煌潭认嚓P(guān)。

　　我們經(jīng)過多年研究和實踐，提出了一種抑制諧波污染的新技術(shù)： “阻斷相填補整流(BPCP)技術(shù)”。與現(xiàn)存各類抑制諧波的技術(shù)相比，這一技術(shù)在穩(wěn)定性、可靠性、高頻變換功率容量以及高低頻共模干擾問題上具有突出特點和優(yōu)勢。

　　二、三相供電系統(tǒng)的諧波污染及其治理的現(xiàn)狀

　　伴隨著電網(wǎng)中整流負(fù)荷的比重越來越大，大范圍停電事故以及城市火災(zāi)頻發(fā)，使得人們對供電系統(tǒng)的諧波問題給予了更多的關(guān)注，并且致力于找到解決方案。然而，10KW 到1MW 的三相低壓整流技術(shù)全世界依然沒有任何有效的辦法。高脈波整流器非常昂貴，單調(diào)諧濾波裝置是供電系統(tǒng)中的不穩(wěn)定源頭，而且現(xiàn)在已經(jīng)成為大范圍停電事故的重要原因。即便是在法治、標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范十分嚴(yán)格的美國，夜晚城市中超過半數(shù)居民區(qū)的5 次和7 次諧波還是超出了IEEE 519 標(biāo)準(zhǔn)，并且情況在持續(xù)惡化。諧波會產(chǎn)生二次效應(yīng)，當(dāng)電流渡過線路阻抗時，造成諧波電壓降，使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生畸變并降低了發(fā)電和輸變電設(shè)備的效率，并可引起公用電網(wǎng)中局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，危害大大增加甚至引起嚴(yán)重事故；另一方面，使電源輸入功率因數(shù)下降。它們還會造成電路故障，損壞變電設(shè)備，如變壓器過熱、火災(zāi)、LC 振蕩、測試儀器頻繁誤動作、對附近設(shè)備造成干擾、高次諧波電流渡過電容，誘使其過熱爆炸。對于諧波最不具備抗性的設(shè)備包括通訊和數(shù)據(jù)處理設(shè)備，恰好是北美大停電后最終調(diào)查結(jié)果所確定的幾種設(shè)備。因此，降低電力電子設(shè)備諧波(THD)，提高功率因數(shù)(PF)，已成為學(xué)術(shù)界研究的熱點。

圖1 擊穿燒毀的升壓變壓器

　　幾十年來，各種不同方法均存在較大的缺陷而沒有能很好的推廣。三相PWM 整流技術(shù)成本高，且系統(tǒng)不穩(wěn)定，甚至有人再加第四路PWM 去平衡。三相電三線輸入只有兩個獨立電流回路，整流器的輸出如果是有源負(fù)荷，其輸出電流也是規(guī)范的，這樣輸入電流回路只有一個可以被有源規(guī)范，否則系統(tǒng)會因條件沖突而不穩(wěn)定，而意圖通過控制方式改進(jìn)的努力大多存在電壓源并聯(lián)的不穩(wěn)定問題。其極大的高頻工頻疊加的共模電壓輸出更是致命的問題，常造成絕緣擊穿，即便是多電平，費用高昂的濾波器作用都有限。

　　現(xiàn)在大功率工業(yè)整流器大多采用高壓側(cè)諧波濾波器，不僅自身有一定的能耗，其安全性也存在問題。例如1996 年4 月10 日，已有193 臺電解槽投入生產(chǎn)某鋁廠，正在有有條不紊地做著啟動第四系列最后一批電解槽的準(zhǔn)備工作。在動力廠供電車間內(nèi)，值班員在現(xiàn)場監(jiān)護(hù)員的注視下，嚴(yán)格按照停電指令、程序和操作標(biāo)準(zhǔn)迅速而準(zhǔn)確地將整流機組的電源切斷，這一切跟以往一樣正常。9 時15 分，室外突然傳來“轟”的一聲炸響，“不好，出事了！”供電車間副主任大叫一聲，旋風(fēng)般沖出室外，只見與4 號整流機組配套的諧波濾波器已經(jīng)炸裂，近在咫尺的4號整流機組正起火燃燒，幾十噸變壓器油燃燒時噴出的火焰肆虐地施發(fā)著淫威，滾滾濃煙挾著火勢如騰空的飛龍直沖云宵……。幾天后西南某鋁廠的A 公司整流機組同樣因諧波開關(guān)爆炸起火燒毀。4 月15 日，從ABB 公司總部派來的專家組趕到現(xiàn)場，經(jīng)過仔細(xì)勘察和分析論證，雙方共同認(rèn)定，火災(zāi)的直接原因是由諧波開關(guān)爆炸引起的。專家們從整流器里發(fā)現(xiàn)了較大的不應(yīng)有的非特性諧波，正是這種幽靈似的諧波在諧波器組和降壓變組成的諧振腔內(nèi)得以嚴(yán)重放大，在諧波開關(guān)正常操作過程中，構(gòu)成一個完全的破壞性諧振，當(dāng)諧振過流過壓，便擊毀開關(guān)，導(dǎo)致火災(zāi)。

圖2 ASVGA與被處理電源震蕩時的相電流波形

　　現(xiàn)在開始在國內(nèi)流行的ASVGA 技術(shù)早在上個世紀(jì)80 年代，日本就做了大量的實驗和產(chǎn)品化工作，并發(fā)展了一整套的瞬態(tài)付立葉分析理論和算法，實際推廣不好。而不恰當(dāng)?shù)闹卫砑夹g(shù)可能引發(fā)更大的災(zāi)難。例如，中國南方某廠的一臺電解鋁自安裝工作以來一直溫升高，其臨近電器也不同程度發(fā)熱。電源供貨商與用戶共同測試分析，2013 年10 月20 晚20 時16 分，開關(guān)電源三相電輸入端口電壓電流波形如圖2所示，三相電壓Va=389.5V，Vb=389.8V，Vc=389.6V，電流Ia=612.0A， Ib=669.1A，Ic=660.0A， 輸出 P=355.9KW， 輸入 P=435.5KVA，功率因數(shù)0.81，輸出18000A/17V。該電源在三相380VAC 網(wǎng)側(cè)裝有ASVG 諧波濾波器，從電壓電流波形圖上可以明顯的觀測到電源和網(wǎng)側(cè)諧波濾波器發(fā)生了嚴(yán)重的15 次諧波震蕩，諧波的電流和電壓之間的相移已經(jīng)非常接近于180 度，情況非常危險，接近于發(fā)生災(zāi)難。從輸入和輸出功率之比可以看出電源的實際效率為86%，該電源的效率出廠測試為89%。15 次諧波諧振使電源的熱損耗增加了27%，即產(chǎn)生了10KW的凈熱損耗，而這部分的熱損耗會集中在機內(nèi)的幾個部件，是未預(yù)定的，很容易導(dǎo)致該機自身爆炸起火。網(wǎng)上與該電源和諧波濾波器臨近的電器有同樣的危險。

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流負(fù)載在電網(wǎng)中的比重由 2000 年的30%升至現(xiàn)在的60%，到2020 年會上升到90%左右。大部分的直流負(fù)載電源都是恒壓的，因此整流和濾波裝置被認(rèn)為是必不可少的原則。但是，三相電源的瞬時功率是平衡的，濾波組件不停地在吸收和返還能量以輸出恒定的電壓。所有的這些能量的來來去去變成了諧波輻射到三相電源網(wǎng)中。使恒定的能量流由電網(wǎng)傳遞到直流用電器，整流但不濾波，就是我們所要做也是所希望做的事情。(同歷史上多次的重大技術(shù)進(jìn)步類似，它們的產(chǎn)生和發(fā)展常帶來一些甚至能威脅其自身生存的問題。)整流諧波污染已在世界范圍內(nèi)造成不斷升級的大規(guī)模停電等事故和頻繁的城市火災(zāi)。統(tǒng)計表明美國平均每4 個月就要發(fā)生一次50 萬用戶以上的大范圍停電事故，其中大部分與諧波污染和不恰當(dāng)?shù)奶幚聿煌潭认嚓P(guān)。一個一般性的并且對世界范圍有如此重大影響的技術(shù)問題能持續(xù)幾十年得不到解決，是很少見的。人類已經(jīng)到了不得不面對而不能再漠視供電質(zhì)量，諧波污染已經(jīng)成為了電力電子技術(shù)甚至整個技術(shù)生產(chǎn)體系發(fā)展的巨大障礙。制造商責(zé)任的思想是現(xiàn)代社會發(fā)展的趨勢，生產(chǎn)的電器產(chǎn)品就不應(yīng)該有諧波輻射污染。如果越來越多的高諧波輻射設(shè)備接入電網(wǎng)，靠網(wǎng)上質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系無法規(guī)范的ASVGA 來補償，不僅是社會資源的浪費，最終還會導(dǎo)致電網(wǎng)的崩潰。

　　三、阻斷相電流填補整流技術(shù)的基本原理

　　減低諧波的各種電路拓?fù)湓缇统尸F(xiàn)出來了，問題在于還是在強制的、無用且有害的能量吞吐。阻斷相電流填補整流技術(shù)(BPCP)技術(shù)的特點就在于自然，合理和本原。它使得三相有源功率因數(shù)校正和整流輸出變得簡單明了。并且，它沒有對應(yīng)于交流基波和諧波頻率的儲能元件，甚至直流也無需儲能濾波，只需要旁路總輸出功率的22%就可以工作，這部分功率可以直接輸出與主變換輸出并聯(lián)或串聯(lián)。簡單明晰的工作原理，輕松的實現(xiàn)方法就決定了它在電源制造上廣闊的前景。因為兩相分別在π/6 進(jìn)行通斷時，主路和輔路具有相同的電壓電流，因此零電壓軟開關(guān)就是自然的了，而在一相的零點時另外兩相通斷，因此零電流的軟開關(guān)就是自然的了。

圖3

　　如圖(3)所示，在BPCP 技術(shù)中我們使用并聯(lián)的輔助補償電路，使各相在橋式整流器中被阻斷的±π/6 區(qū)間，在BOOST 電路的控制下，有了合適的電流。例如在0 到π/6 區(qū)間被阻斷的A 相，

　　在濾波電容可以不計的情況下，進(jìn)入主整流器中的與A 同極性B 相電流為：

　　則C 相總電流為：

　　因此，在此區(qū)間內(nèi)我們獲得了三相完美的波形。而整個的工作過程如此類推。那么，通過這樣一個輔助的BPCP Boost 整流器，我們得到了一個不使用任何儲能元件的完美的APFC。而輔助電路所處理的功率僅僅為：

　　在每個π/6 的瞬間，同極性的兩相具有相同的電流和電壓，并且將要在主要和輔助整流器中分別地被開通或關(guān)斷，雙向開關(guān)自然地零電壓軟開關(guān)，另一個換相點低相間整流器的電流為零，雙向開關(guān)就自然地零電流軟開關(guān)，這就保證了設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。與三相PWM 整流相比，僅僅以PWM 形式處理了電流強度最小的一路，處理功率大大減少，并且無共模電壓和穩(wěn)定性問題。對感性、阻性和電容不是很大的容性負(fù)荷，諧波也可以明顯減低，符合IEC63000 標(biāo)準(zhǔn)。

　　四、市場應(yīng)用前景

　　BPCP 技術(shù)的基本理念十多年前就已經(jīng)提出，并已經(jīng)獲得世界主要發(fā)達(dá)國家的專利。人們預(yù)測到2020 年世界電網(wǎng)的容量將擴充將近一倍，而整流性負(fù)荷的比重也會由現(xiàn)在的40%擴充至90%，高功率因數(shù)整流器的迫切需求和巨大前景不言而喻。

　　全球可再生能源發(fā)電裝機容量中風(fēng)電占有壓倒性優(yōu)勢，今后可望成為歐洲、亞洲、北美的重要電力來源。2011 年中國以62GW 的累計裝機容量蟬聯(lián)世界第一， 按照我國“ 十二o五” 規(guī)劃目標(biāo)， 預(yù)計到 2015 年風(fēng)電裝機容量將達(dá)到1×108kW，年發(fā)電量1900×108kWoh。GWEC 和Greenpeace 預(yù)測，今后20 年風(fēng)力發(fā)電將成為世界主力電源，2030 年裝機容量有可能達(dá)到23×108kW，可供應(yīng)世界電力需求的22%。歐美正大力開發(fā)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)。歐洲是世界海上風(fēng)電發(fā)展的先驅(qū)和產(chǎn)業(yè)中心，歐洲企業(yè)不僅擁有自己的核心技術(shù)，而且還向世界各地輸出技術(shù)，早在2004 年變速恒頻和雙饋變換器就已經(jīng)成為主流。但至今雙PWM技術(shù)的共模電壓輸出和穩(wěn)定性問題依然嚴(yán)重影響世界風(fēng)力發(fā)電機組的穩(wěn)定運行。隨著并網(wǎng)風(fēng)電和光伏的快速發(fā)展，其固有的間歇性、波動性對電網(wǎng)安全穩(wěn)定帶來一定的影響，也極大的限制了它們的運行。儲能技術(shù)是解決這些問題的有效手段，其中， 電池儲能系統(tǒng)因其響應(yīng)速度快、不受地域限制等特點必將迅速發(fā)展。電池儲能變流器是儲能系統(tǒng)的核心部件，它本質(zhì)上就是一個雙饋AC-DC 變換器，其調(diào)制方法的選擇對輸出電能的諧波質(zhì)量、直流電壓利用率和開關(guān)損耗有重要影響。與一般的用電器端的變流器相比它常有更大的功率容量，常年工作，頻繁的變換功率容量和工作狀態(tài)，并且其增長速度會越來越快，器諧波問題如果不徹底解決，則肯定會成為電網(wǎng)穩(wěn)定的巨大危害。

　　資料表明，在美國、德國、英國、日本等發(fā)達(dá)國家，電機驅(qū)動占電網(wǎng)總負(fù)荷的50%以上，我國的在用電機約10 億臺，驅(qū)動占電網(wǎng)總負(fù)荷也在50%左右，其中絕大部分為交流異步電機。因此設(shè)計合理的變頻調(diào)速驅(qū)動器的推廣應(yīng)用具有極大的經(jīng)濟和社會效益，有資料表明在美國和日本，諧波問題已經(jīng)成為變頻調(diào)速推廣應(yīng)用的最大障礙。雙饋BPCP 技術(shù)不僅可以適應(yīng)于各種交流電機的能量回饋驅(qū)動，也完全適應(yīng)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機組。與雙PWM 技術(shù)相比，共同點是無諧波，但克服了開關(guān)頻率和工頻共模電壓輸出以及系統(tǒng)不穩(wěn)定兩個致命缺陷，整流部分高頻開關(guān)處理的平均功率從2 降至0.224，峰值功率從2 降至0.5；整流部分的PWM 調(diào)制僅為一路完全獨立的電流跟蹤模式。當(dāng)變頻器控制負(fù)載降速時直流側(cè)的電壓上沖是變頻器失效的重要原因。雙饋BPCP 技術(shù)在有限的成本增加基礎(chǔ)上維持了負(fù)載與三相電的通透，達(dá)成節(jié)能和提高可靠性雙重目的。高壓變頻器的市場也已經(jīng)達(dá)到100 億的規(guī)模，由于功率大，價格高和標(biāo)準(zhǔn)約束，大都采用了不同的措施降低諧波。因此從高壓變頻器入手，充分發(fā)揮本項目方案的變革性的優(yōu)勢不失為項目運作一個合理的方案。