電力電子器件中的諧波問(wèn)題綜述

李橋，吳捷(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東510640)

摘要：隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，諧波的危害越來(lái)越嚴重，諧波控制問(wèn)題迫在眉睫。摘要：對電力電子設備的諧波源進(jìn)行了分析和總結，指出了其危害、相應的諧波管理原則和綜合治理方法，并對諧波治理工作進(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：電力電子；諧波；危害；隨著(zhù)電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件的廣泛應用給電力系統帶來(lái)了嚴重的諧波污染。各種電力電子設備在工業(yè)交通、冶金、化工等諸多交通領(lǐng)域的廣泛應用，使得電網(wǎng)諧波問(wèn)題日益嚴重。許多低功率因數的電力電子設備給電網(wǎng)帶來(lái)額外的負擔，影響供電質(zhì)量。因此，電力電子器件的諧波污染已經(jīng)成為電力電子技術(shù)發(fā)展的主要障礙。因此，抑制諧波污染和提高功率因數的研究已成為電力電子技術(shù)中的一個(gè)重要課題。圍繞這一關(guān)鍵問(wèn)題，從污染與防治的關(guān)系角度，探討了綜合治理的方法，較后展望了諧波綜合治理的發(fā)展趨勢。1電力電子裝置——的主諧波源非線(xiàn)性負載為諧波源，造成電網(wǎng)電壓畸變，使電壓具有整數倍的基頻分量。電力電子器件作為主要諧波源，主要包括各種交流/DC變換器(整流器、逆變器、斬波器、變頻器)、雙向晶閘管可控開(kāi)關(guān)器件等。以及電力系統中的換流器裝置，例如用于DC傳輸的整流器閥和逆變器閥。其產(chǎn)生的諧波分析如下。1.1整流器作為DC供電裝置，整流器廣泛應用于各種場(chǎng)合。圖1(a)和圖1(b)分別是典型的單相和三相電路。整流裝置中，交流電源的電流為矩形波，是工頻基波電流和高次諧波電流的復合波形，高次諧波電流是工頻基波的奇次。根據傅里葉級數，矩形波中的高次諧波分量與基波分量I1之比較多為1/n。隨著(zhù)觸發(fā)控制角的減小和換向重疊角的增大，諧波分量趨于減小。

(a)單相(b)三相圖1AC/DC整流電路另外，現有的研究結果表明，整流器的運行方式對諧波電流的大小也有直接影響，因此在考慮調整整流電壓和電流時(shí)，較好計算交迭角、換相壓降和諧波，從而確定安全經(jīng)濟的運行方式；當控制角接近40，重疊角約為8時(shí)，往往是較嚴重的諧波狀態(tài)。因此，經(jīng)過(guò)計算，正確選擇調壓干式變壓器的抽頭，盡量避免較嚴重的諧波點(diǎn)。1.2交流調壓器交流調壓器主要用于照明調光和感應電機調速。圖2(a)和圖2(b)分別是單相和三相的典型電路。交流調壓器產(chǎn)生的諧波頻率與整流器基本相同。

(a)單相(b)三相圖2AC/AC調壓電路1.3變頻器變頻器是交/交變頻器的代表設備。當用作電機調速裝置時(shí)，它含有隨輸出頻率變化的邊帶。由于頻率的不斷變化，諧波含量更加復雜。

1.4通用變頻器通用變頻器的輸入電路通常由二極管全橋整流電路和DC側電容組成。如圖3(a)所示，該電路的輸入電流波形隨阻抗變化很大。當電源阻抗比較小時(shí)，其波形窄而高，如圖3(b)實(shí)線(xiàn)所示；相反，當電源的阻抗相對較大時(shí)，其波形短而寬，如圖3(b)中的虛線(xiàn)所示。(a)輸入電路(b)輸入電流波形圖3通用變頻器除了上述典型的變頻器裝置外，還會(huì )產(chǎn)生大量諧波，家電也是不可忽視的諧波源。比如電視機、電池充電器等。雖然它們的單個(gè)容量不大，但它們注入供電系統的諧波成分數量龐大，不容忽視。諧波的危害諧波對公共電網(wǎng)的危害主要包括：1)對公共電網(wǎng)中的元件造成額外的諧波損耗，降低發(fā)電和輸變電設備的效率。當大量三次諧波流經(jīng)中性線(xiàn)時(shí)，會(huì )引起過(guò)熱甚至火災；2)影響各類(lèi)電氣設備的正常工作，除造成額外損失外，還會(huì )使電機產(chǎn)生機械振動(dòng)、噪聲和過(guò)電壓，造成干式變壓器局部嚴重過(guò)熱，電容器、電纜等設備過(guò)熱，絕緣老化，使用壽命縮短，造成損壞；3)會(huì )在公共電網(wǎng)中引起局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而放大諧波，大大增加前述危害，甚至引發(fā)嚴重事故；4)會(huì )導致繼電保護和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，使電氣測量?jì)x表的測量不準確；5)會(huì )對相鄰的通信系統造成干擾，輕的會(huì )產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重的會(huì )導致信息丟失，使通信系統無(wú)法正常工作。3諧波管理原則要提高電能質(zhì)量，必須加強諧波管理?；谙拗浦C波源注入公共電網(wǎng)的諧波電流和將諧波電壓限制在允許范圍內的原則。先先要掌握諧波源及其在系統中的分布，將其諧波限制在允許的范圍內，才能進(jìn)入電網(wǎng)。如果不符合標準，必須采取措施防止諧波擴散。所以際電工委員會(huì )(IEC)和美IEEE都有推薦標準。例如，IEEE規定的電流諧波限制標準如表1所示。我根據電網(wǎng)實(shí)際水平和其他家標準制定的電壓正弦波失真率規定見(jiàn)表2。表1諧波電流限值(IEEE 519-1992)ISC/ilh 111h 1717h 2323h 35h 35 th 204 . 02 . 01 . 50 . 60 . 35 . 020-507 . 03 . 52 . 51 . 00 . 58 . 050-。 #p#分頁(yè)標題#e#

電源電壓四次諧波綜合治理/千伏電壓正弦波畸變率限值/%0.3856或1043531101.5

目前，我電力系統對諧波的管理呈現“先污染，后治理”的被動(dòng)局面，所以如何綜合治理已經(jīng)成為一個(gè)迫在眉睫的研究課題。

關(guān)于“綜合”的內涵，有人認為用范圍廣泛、普遍推廣來(lái)描述；也有人認為用集合的、一體化的來(lái)表述更實(shí)際；筆者認為綜合治理的工作應包含以下兩方面:

——加強科學(xué)化、法制化管理；

——采取有效技術(shù)措施防范和抑制諧波。

4.1加強科學(xué)化、法制化管理

主要從兩個(gè)方面加強管理：

——普遍采用具有法律約束和經(jīng)濟約束的手段，改變先污染后治理的被動(dòng)局面，即應該嚴格按照各類(lèi)電力設備、電力電子設備的技術(shù)規范中規定的諧波含量指標，對其進(jìn)行評定，如果超過(guò)家規定的指標，不得出廠(chǎng)和投入電力系統使用；

——供電部門(mén)應從全局出發(fā)，全面規劃，采取有力措施加強技術(shù)監督與管理，一方面審核尚待投入負荷的諧波水平，另一方面對已投運的諧波源負載，要求用戶(hù)加裝濾波裝置。

4.2采取有效的技術(shù)措施

目前解決電力電子設備諧波污染的主要技術(shù)途徑有兩條：

——主動(dòng)型諧波抑制方案即對電力電子裝置本身進(jìn)行改進(jìn),使其不產(chǎn)生諧波,或根據需要對其功率因數進(jìn)行控制；

——被動(dòng)型諧波抑制方案即諧波負載本身不加改變，而是在電力系統或諧波負載的交流側加裝無(wú)源濾波器（PF）、有源濾波器（APF）或者混合濾波器（HAPF）等裝置，通過(guò)外加設備對電網(wǎng)實(shí)施諧波補償。

4.2.1主動(dòng)型諧波抑制方案

主要是從變流裝置本身出發(fā)，通過(guò)變流裝置的結構設計和增加輔助控制策略來(lái)減少或消除諧波，目前采用的技術(shù)主要有一下幾個(gè)方面。

——多脈波變流技術(shù)大功率電力電子裝置常將原來(lái)6脈波的變流器設計成12脈波或24脈波變流器以減少交流側的諧波電流含量。理論上講，脈波越多，對諧波的抑制效果愈好，但是脈波數越多整流干式變壓器的結構越復雜，體積越大，變流器的控制和保護變得困難，成本增加。

——脈寬調制技術(shù)脈寬調制技術(shù)的基本思想是控制PWM輸出波形的各個(gè)轉換時(shí)刻，保證四分之一波形的對稱(chēng)性。根據輸出波形的傅立葉級數展開(kāi)式，使需要消除的諧波幅值為零、基波幅值為給定量，達到消除指定諧波和控制基波幅值的目的，目前采用的PWM技術(shù)有較優(yōu)脈寬調制、改進(jìn)正弦脈寬調制、Δ調制、跟蹤型PWM調制和自適應PWM控制等。

——多電平變流技術(shù)針對各種電力電子變流器（對于電壓型的變流器必須用聯(lián)接電感與交流電源相連），采用移相多重法、順序控制和非對稱(chēng)控制多重化等方法，將方波電流或電壓疊加，使得變流器在網(wǎng)側產(chǎn)生的電流或電壓為接近正弦的階梯波，且與電源電壓保持一定的相位關(guān)系。#p#分頁(yè)標題#e#

——功率因數預調整器在電力電子裝置中加入高功率因數預調整器，在預調整器的直流側通過(guò)DC/DC變換控制入端電流，保證電力電子裝置從電網(wǎng)中獲取的電流為正弦電流并與電網(wǎng)電壓同相。此方法控制簡(jiǎn)單，可同時(shí)消除高次諧波和補償無(wú)功電流，使電力電子裝置輸入端的功率因數接近1。

主動(dòng)型諧波抑制方案的主要問(wèn)題在于成本高、效率低。同時(shí)，電力電子系統中很高的開(kāi)關(guān)頻率使PWM載波信號產(chǎn)生高次諧波，還會(huì )導致高電平的傳導和輻射干擾。因此在設計主動(dòng)型諧波抑制方案時(shí)，必須用EMI濾波器將高次諧波信號從系統中濾除，防止它們作為傳導干擾進(jìn)入電網(wǎng)；還要利用屏蔽防止它們作為輻射干擾進(jìn)入自由空間，對空間產(chǎn)生電磁污染。所以對于較大功率的電力電子裝置，一般除了采用主動(dòng)型諧波抑制方法以外，還要輔以無(wú)源或有源濾波器加以抑制高次諧波。

4.2.2被動(dòng)型諧波抑制方案

——無(wú)源濾波器(PF)無(wú)源濾波器通常采用電力電容器、電抗器和電阻器按功能要求適當組合，在系統中為諧波提供并聯(lián)低阻通路，起到濾波作用。無(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是投資少、效率高、結構簡(jiǎn)單、運行可靠及維護方便，因此無(wú)源濾波是目前廣泛采用的抑制諧波及進(jìn)行無(wú)功補償的主要手段。無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)在于其濾波特性是由系統和濾波器的阻抗比所決定，只能消除特定的幾次諧波，而對其它次諧波會(huì )產(chǎn)生放大作用，在特定情況下可能與系統發(fā)生諧振；諧波電流增大時(shí)濾波器負擔隨之加重，可能造成濾波器過(guò)載；有效材料消耗多，體積大。

——有源濾波器(APF)圖4為APF原理圖，APF通過(guò)檢測電路檢測出電網(wǎng)中的諧波電流，然后控制逆變電路產(chǎn)生相應的補償電流分量,并注入到電網(wǎng)中,以達到消諧的目的。APF濾波特性不受系統阻抗影響,可消除與系統阻抗發(fā)生諧振的危險。與無(wú)源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應性，不僅能補償各次諧波，還可抑制電壓閃變、補償無(wú)功電流，性?xún)r(jià)比較為合理。另外,APF具有自適應功能，可自動(dòng)跟蹤補償變化著(zhù)的諧波。

圖4APF原理圖

APF按與系統連接方式分類(lèi),可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型、混合型和串－并聯(lián)型。

并聯(lián)型APF可等效為一受控電流源，主要適用于感性電流源負載的諧波補償。它能對諧波和無(wú)功電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)補償，并且補償特性不受電網(wǎng)阻抗影響。目前這類(lèi)APF技術(shù)已相當成熟，大多數工業(yè)運行的APF多屬此類(lèi)濾波器。

串聯(lián)型APF可等效為一受控電壓源，主要用于消除帶電容濾波的二極管整流電路等電壓型諧波源負載對系統的影響，以及系統側電壓諧波與電壓波動(dòng)對敏感負載的影響。由于此類(lèi)APF中流過(guò)的電流為非線(xiàn)性負載電流，因此損耗較大；此外串聯(lián)APF的投切、故障后的退出等各種保護也較并聯(lián)APF復雜，所以目前單先使用此類(lèi)APF的案例較少，內外的研究多集中在其與LC無(wú)源濾波器構成的混合型APF上[2]。#p#分頁(yè)標題#e#

混合型APF就是將常規APF上承受的基波電壓移去，使有源裝置只承受諧波電壓，從而可顯著(zhù)降低有源裝置的容量，達到降低成本、提高效率的目的。其中LC濾波器用來(lái)消除高次諧波，APF用來(lái)補償低次諧波分量。

串－并聯(lián)型APF又稱(chēng)為電能質(zhì)量調節器(UPQC)[3]，它具有串、并聯(lián)APF的功能，可解決配電系統發(fā)生的絕大多數電能質(zhì)量問(wèn)題，性?xún)r(jià)比較高。雖然目前還處于試驗階段，但從長(cháng)遠的角度看，它將是一種很有發(fā)展前途的有源濾波裝置。

有源濾波技術(shù)作為改善供電質(zhì)量的一項關(guān)鍵技術(shù),在日本、美、德等工業(yè)發(fā)達家已得到了高度重視和日益廣泛的應用。但是有源濾波器還有一些需要進(jìn)一步解決的問(wèn)題，諸如提高補償容量、降低成本和損耗、進(jìn)一步改善補償性能、提高裝置的可靠性等。同時(shí)APF的故障還容易引發(fā)系統故障，因此各對此技術(shù)還保持著(zhù)一定的謹慎態(tài)度[4]。

——有源電路調節器(APLC)圖5為有源線(xiàn)路調節器(APLC)的原理圖，其結構與APF相似，因此過(guò)去很多文獻上都將其等同于A(yíng)PF。其實(shí)，從原理上分析，與APF單節點(diǎn)諧波抑制相比較,APLC是向網(wǎng)絡(luò )中某個(gè)(幾個(gè))優(yōu)選節點(diǎn)注入補償電流，通過(guò)補償電流在網(wǎng)絡(luò )中一定范圍內的流動(dòng)，實(shí)現該范圍內所有節點(diǎn)諧波電壓的綜合抑制。即通過(guò)單節點(diǎn)單裝置的裝設，達到多節點(diǎn)諧波電壓綜合治理的功能，APLC的出現，表明電力系統諧波治理正朝著(zhù)動(dòng)態(tài)、智能、經(jīng)濟效益好的方向發(fā)展。

圖5APLC原理圖

5諧波綜合治理的展望

日益嚴重的諧波污染已引起各方面的高度重視。隨著(zhù)對諧波產(chǎn)生的機理、諧波現象的進(jìn)一步認識，將會(huì )找到更加有效的方法抑制和消除諧波，同時(shí)也有助于制定更加合理的諧波管理標準。加大對諧波研究的投入將會(huì )大大加快對諧波問(wèn)題的解決，當然諧波問(wèn)題的較終解決將取決于相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，特別是電力電子技術(shù)的發(fā)展。隨著(zhù)民經(jīng)濟、諧波抑制技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展、法制的進(jìn)一步完善和對高效利用能源要求的增強，諧波治理問(wèn)題較終將會(huì )得到妥善的解決。

隨著(zhù)電子計算機和電力半導體器件的發(fā)展，有源電力濾波器的性能會(huì )越來(lái)越好，價(jià)格會(huì )越來(lái)越低。而用于無(wú)源濾波的電容和電抗器的價(jià)格卻呈增長(cháng)的趨勢。因此有源電力濾波器將是今后諧波抑制裝置的主要發(fā)展方向。另外，電力電子技術(shù)中的有源功率因數校正技術(shù)也是極具生命力的。

6結語(yǔ)

諧波的綜合治理工作勢在必行。消除電力電子裝置諧波污染的工作，可稱(chēng)之為電力電子技術(shù)應用的“綠色工程”。電力電子技術(shù)的發(fā)展必須和這個(gè)工程同步，這樣才能為高效、低污染地利用電能開(kāi)辟重要途徑，促進(jìn)我們民經(jīng)濟的發(fā)展和用電設備的革新。同時(shí),電力電子技術(shù)的推廣和利用才能有更為廣闊的發(fā)展前景。#p#分頁(yè)標題#e#

作者簡(jiǎn)介

李喬(1977－),女，博士生，研究方向為電力電子技術(shù)及其在電力系統中的應用，非線(xiàn)性控制理論在電力電子技術(shù)中的應用。

吳捷(1937－)，男，教授，博士生導師，主要研究領(lǐng)域為自組織、自適應控制，電力系統自動(dòng)化，電力電子技術(shù)及新能源的研究開(kāi)發(fā)。