關(guān)于電力電子裝置諧波問題的綜述

摘要：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，諧波的危害已越來越嚴重，諧波治理問題已經(jīng)迫在眉睫。對電力電子裝置諧波源進行了分析和總結(jié)，指出了其危害及相應(yīng)的諧波管理原則和綜合治理方法，并對諧波治理工作進行了展望。

關(guān)鍵詞：電力電子；諧波；危害；抑制

0??? 引言

??? 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的廣泛應(yīng)用給電力系統(tǒng)帶來了嚴重的諧波污染。各種電力電子設(shè)備在運輸、冶金、化工等諸多工業(yè)交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使電網(wǎng)中的諧波問題日益嚴重，許多低功率因數(shù)的電力電子裝置給電網(wǎng)帶來額外負擔并影響供電質(zhì)量，因此，電力電子裝置的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙。故抑制諧波污染，提高功率因數(shù)的研究已成為電力電子技術(shù)中的一個重大課題。本文圍繞這一關(guān)鍵問題，通過對電力電子諧波源及其危害的認識和分析，從污染和防治的關(guān)系考慮，探討了綜合治理的方法，最后對諧波綜合治理的發(fā)展趨勢進行了展望。

1??? 電力電子裝置——最主要的諧波源

??? 非線性負荷是個諧波源，它引起電網(wǎng)電壓畸變，使電壓中帶有整數(shù)倍基波頻率的分量。作為最主要的諧波源的電力電子裝置主要為各種交直流變流裝置（整流器、逆變器、斬波器、變頻器）以及雙向晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等，另外還有電力系統(tǒng)內(nèi)部的變流設(shè)備，如直流輸電的整流閥和逆變閥等。下面對其產(chǎn)生的諧波情況作一分析。

1.1??? 整流器

??? 作為直流電源裝置，整流器廣泛應(yīng)用于各種場合。圖1(a)及圖1(b)分別為其單相和三相的典型電路。在整流裝置中，交流電源的電流為矩形波，該矩形波為工頻基波電流和為工頻基波奇數(shù)倍的高次諧波電流的合成波形。由傅氏級數(shù)求得矩形波中的高次諧波分量I_n與基波分量I₁之比最大為1/_n，隨著觸發(fā)控制角α的減小和換相重疊角μ的增大，諧波分量有減小的趨勢。

(a)單相??????????? (b)三相

圖1??? AC/DC整流電路

??? 此外，現(xiàn)有研究結(jié)果表明：整流器的運行模式對諧波電流的大小也有直接的影響，因此在考慮調(diào)整整流電壓電流時，最好要進行重疊角、換相壓降以及諧波測算，以便確定安全、經(jīng)濟的運行方式；當控制角α接近40°，重疊角μ在8°左右時的情況往往是諧波最嚴重的狀態(tài)，所以要經(jīng)過計算，盡量通過正確選擇調(diào)壓變壓器抽頭，避開諧波最嚴重點[1]。

1.2??? 交流調(diào)壓器

??? 交流調(diào)壓器多用于照明調(diào)光和感應(yīng)電動機調(diào)速等場合。圖2(a)及圖2(b)分別為其單相和三相的典型電路。交流調(diào)壓器產(chǎn)生的諧波次數(shù)與整流器基本相同。

(a)單相??????????????? (b)三相

圖2??? AC/AC交流調(diào)壓電路

1.3??? 頻率變換器

頻率變換器是AC/AC變換器的代表設(shè)備，當用作電動機的調(diào)速裝置時，它含有隨輸出頻率變化的邊頻帶，由于頻率連續(xù)變化，出現(xiàn)的諧波含量比較復雜。

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直流側(cè)電容器所組成，如圖3(a)所示，這種電路的輸入電流波形隨阻抗的不同相差很大。在電源阻抗比較小的情況下，其波形為窄而高的瘦長型波形，如圖3(b)實線所示；反之，當電源阻抗比較大時，其波形為矮而寬的扁平型波形，如圖3(b)虛線所示。

(a)輸入電路??????????????? (b)輸入電流波形

圖3??? 通用變頻器

??? 除了上述典型變流裝置會產(chǎn)生大量的諧波以外，家用電器也是不可忽視的諧波源。例如電視機、電池充電器等。雖然它們單個的容量不大,但由于數(shù)量很多,因此它們給供電系統(tǒng)注入的諧波分量也不容忽視。

2??? 諧波的危害

??? 諧波對公用電網(wǎng)的危害主要包括：

??? 1）使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸變電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線時，會引起線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)；

??? 2）影響各種電氣設(shè)備的正常工作，除了引起附加損耗外，還可使電機產(chǎn)生機械振動、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞；

??? 3）會引起公用電網(wǎng)中局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使前述的危害大大增加，甚至引起嚴重事故；

??? 4）會導致繼電保護和自動裝置誤動作，并使電氣測量儀表計量不準確；

??? 5）會對鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。

3??? 諧波的管理原則

??? 要提高電能質(zhì)量，必須加強對諧波的管理。本著限制諧波源向公用電網(wǎng)注入諧波電流，將諧波電壓限制在允許范圍內(nèi)的原則。首先要掌握系統(tǒng)中的諧波源及其分布，限制其諧波在允許范圍內(nèi)方可入網(wǎng)，未達標的必須采取治理措施，以防諧波擴散。為此國際電工委員會（IEC）和美國IEEE都有推薦標準，如IEEE規(guī)定的電流諧波極限標準見表1。我國結(jié)合電網(wǎng)實際水平并借鑒其他國家標準制定的電壓正弦波形畸變率規(guī)定見表2。

表1??? 諧波電流極限值（IEEE519－1992規(guī)定）

表2??? 電壓正弦波形畸變率限值

4??? 諧波的綜合治理

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

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

??? ——加強科學化、法制化管理；

??? ——采取有效技術(shù)措施防范和抑制諧波。

4.1??? 加強科學化、法制化管理

??? 主要從兩個方面加強管理：

??? ——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局面，即應(yīng)該嚴格按照各類電力設(shè)備、電力電子設(shè)備的技術(shù)規(guī)范中規(guī)定的諧波含量指標，對其進行評定，如果超過國家規(guī)定的指標，不得出廠和投入電力系統(tǒng)使用；

??? ——供電部門應(yīng)從全局出發(fā)，全面規(guī)劃，采取有力措施加強技術(shù)監(jiān)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(shè)備諧波污染的主要技術(shù)途徑有兩條：

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

??? ——被動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(tǒng)或諧波負載的交流側(cè)加裝無源濾波器（PF）、有源濾波器（APF）或者混合濾波器（HAPF）等裝置，通過外加設(shè)備對電網(wǎng)實施諧波補償。

4.2.1??? 主動型諧波抑制方案

??? 主要是從變流裝置本身出發(fā)，通過變流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計和增加輔助控制策略來減少或消除諧波，目前采用的技術(shù)主要有一下幾個方面。

??? ——多脈波變流技術(shù)大功率電力電子裝置常將原來6脈波的變流器設(shè)計成12脈波或24脈波變流器以減少交流側(cè)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(shù)越多整流變壓器的結(jié)構(gòu)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(diào)制技術(shù)脈寬調(diào)制技術(shù)的基本思想是控制PWM輸出波形的各個轉(zhuǎn)換時刻，保證四分之一波形的對稱性。根據(jù)輸出波形的傅立葉級數(shù)展開式，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)有最優(yōu)脈寬調(diào)制、改進正弦脈寬調(diào)制、Δ調(diào)制、跟蹤型PWM調(diào)制和自適應(yīng)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(cè)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。

??? ——功率因數(shù)預(yù)調(diào)整器在電力電子裝置中加入高功率因數(shù)預(yù)調(diào)整器，在預(yù)調(diào)整器的直流側(cè)通過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。此方法控制簡單，可同時消除高次諧波和補償無功電流，使電力電子裝置輸入端的功率因數(shù)接近1。

??? 主動型諧波抑制方案的主要問題在于成本高、效率低。同時，電力電子系統(tǒng)中很高的開關(guān)頻率使PWM載波信號產(chǎn)生高次諧波，還會導致高電平的傳導和輻射干擾。因此在設(shè)計主動型諧波抑制方案時，必須用EMI濾波器將高次諧波信號從系統(tǒng)中濾除，防止它們作為傳導干擾進入電網(wǎng)；還要利用屏蔽防止它們作為輻射干擾進入自由空間，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，一般除了采用主動型諧波抑制方法以外，還要輔以無源或有源濾波器加以抑制高次諧波。

4.2.2??? 被動型諧波抑制方案

??? ——無源濾波器(PF)無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(tǒng)中為諧波提供并聯(lián)低阻通路，起到濾波作用。無源濾波器的優(yōu)點是投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠及維護方便，因此無源濾波是目前廣泛采用的抑制諧波及進行無功補償?shù)闹饕侄巍o源濾波器的缺點在于其濾波特性是由系統(tǒng)和濾波器的阻抗比所決定，只能消除特定的幾次諧波，而對其它次諧波會產(chǎn)生放大作用，在特定情況下可能與系統(tǒng)發(fā)生諧振；諧波電流增大時濾波器負擔隨之加重，可能造成濾波器過載；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(yīng)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(tǒng)阻抗影響,可消除與系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振的危險。與無源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，不僅能補償各次諧波，還可抑制電壓閃變、補償無功電流，性價比較為合理。另外,APF具有自適應(yīng)功能，可自動跟蹤補償變化著的諧波。

圖4??? APF原理圖

??? APF按與系統(tǒng)連接方式分類,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。它能對諧波和無功電流進行動態(tài)補償，并且補償特性不受電網(wǎng)阻抗影響。目前這類APF技術(shù)已相當成熟，大多數(shù)工業(yè)運行的APF多屬此類濾波器。

??? 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(tǒng)的影響，以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動對敏感負載的影響。由于此類APF中流過的電流為非線性負載電流，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，所以目前單獨使用此類APF的案例較少，國內(nèi)外的研究多集中在其與LC無源濾波器構(gòu)成的混合型APF上[2]。

??? 混合型APF就是將常規(guī)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濾波器用來消除高次諧波，APF用來補償?shù)痛沃C波分量。

??? 串－并聯(lián)型APF又稱為電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器(UPQC)[3]，它具有串、并聯(lián)APF的功能，可解決配電系統(tǒng)發(fā)生的絕大多數(shù)電能質(zhì)量問題，性價比較高。雖然目前還處于試驗階段，但從長遠的角度看，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、美國、德國等工業(yè)發(fā)達國家已得到了高度重視和日益廣泛的應(yīng)用。但是有源濾波器還有一些需要進一步解決的問題，諸如提高補償容量、降低成本和損耗、進一步改善補償性能、提高裝置的可靠性等。同時APF的故障還容易引發(fā)系統(tǒng)故障，因此各國對此技術(shù)還保持著一定的謹慎態(tài)度[4]。

??? ——有源電路調(diào)節(jié)器(APLC)圖5為有源線路調(diào)節(jié)器(APLC)的原理圖，其結(jié)構(gòu)與APF相似，因此過去很多文獻上都將其等同于APF。其實，從原理上分析，與APF單節(jié)點諧波抑制相比較,APLC是向網(wǎng)絡(luò)中某個(幾個)優(yōu)選節(jié)點注入補償電流，通過補償電流在網(wǎng)絡(luò)中一定范圍內(nèi)的流動，實現(xiàn)該范圍內(nèi)所有節(jié)點諧波電壓的綜合抑制。即通過單節(jié)點單裝置的裝設(shè)，達到多節(jié)點諧波電壓綜合治理的功能，APLC的出現(xiàn)，表明電力系統(tǒng)諧波治理正朝著動態(tài)、智能、經(jīng)濟效益好的方向發(fā)展。

圖5??? APLC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。隨著對諧波產(chǎn)生的機理、諧波現(xiàn)象的進一步認識，將會找到更加有效的方法抑制和消除諧波，同時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大大加快對諧波問題的解決，當然諧波問題的最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。隨著國民經(jīng)濟、諧波抑制技術(shù)的進一步發(fā)展、法制的進一步完善和對高效利用能源要求的增強，諧波治理問題最終將會得到妥善的解決。

??? 隨著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越來越好，價格會越來越低。而用于無源濾波的電容和電抗器的價格卻呈增長的趨勢。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(shù)校正技術(shù)也是極具生命力的。

6??? 結(jié)語

??? 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，可稱之為電力電子技術(shù)應(yīng)用的“綠色工程”。電力電子技術(shù)的發(fā)展必須和這個工程同步，這樣才能為高效、低污染地利用電能開辟重要途徑，促進我們國民經(jīng)濟的發(fā)展和用電設(shè)備的革新。同時,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。