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(lái)越嚴(yán)重，諧波治理問題已經(jīng)迫在眉睫。對(duì)電力電子裝置諧波源進(jìn)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(duì)諧波治理工作進(jìn)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(lái)了嚴(yán)重的諧波污染。各種電力電子設(shè)備在運(yùn)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(yán)重，許多低功率因數(shù)的電力電子裝置給電網(wǎng)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)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(gè)重大課題。本文圍繞這一關(guān)鍵問題，通過對(duì)電力電子諧波源及其危害的認(rèn)識(shí)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(duì)諧波綜合治理的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

1    電力電子裝置——最主要的諧波源

    非線性負(fù)荷是個(gè)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(duì)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(chǎng)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(jí)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(shì)。

(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(yùn)行模式對(duì)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(shí)，最好要進(jìn)行重疊角、換相壓降以及諧波測(cè)算，以便確定安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式；當(dāng)控制角α接近40°，重疊角μ在8°左右時(shí)的情況往往是諧波最嚴(yán)重的狀態(tài)，所以要經(jīng)過計(jì)算，盡量通過正確選擇調(diào)壓變壓器抽頭，避開諧波最嚴(yán)重點(diǎn)[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(dòng)機(jī)調(diào)速等場(chǎng)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(dāng)用作電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置時(shí)，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(fù)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(zhǎng)型波形，如圖3(b)實(shí)線所示；反之，當(dāng)電源阻抗比較大時(shí)，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(huì)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(jī)、電池充電器等。雖然它們單個(gè)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。 [!--empirenews.page--]

2    諧波的危害

    諧波對(duì)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(shí)，會(huì)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(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)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(huì)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(yán)重事故；

    4）會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，并使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確；

    5）會(huì)對(duì)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(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無(wú)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(qiáng)對(duì)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(dá)標(biāo)的必須采取治理措施，以防諧波擴(kuò)散。為此國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）和美國(guó)IEEE都有推薦標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE規(guī)定的電流諧波極限標(biāo)準(zhǔn)見表1。我國(guó)結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際水平并借鑒其他國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(guó)電力系統(tǒng)對(duì)諧波的管理呈現(xiàn)“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(nèi)涵，有人認(rèn)為用范圍廣泛、普遍推廣來(lái)描述；也有人認(rèn)為用集合的、一體化的來(lái)表述更實(shí)際；筆者認(rèn)為綜合治理的工作應(yīng)包含以下兩方面:

    ——加強(qiáng)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(qiáng)科學(xué)化、法制化管理

    主要從兩個(gè)方面加強(qiáng)管理：

    ——普遍采用具有法律約束和經(jīng)濟(jì)約束的手段，改變先污染后治理的被動(dòng)局面，即應(yīng)該嚴(yán)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(biāo)，對(duì)其進(jìn)行評(píng)定，如果超過國(guó)家規(guī)定的指標(biāo)，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(qiáng)技術(shù)監(jiān)督與管理，一方面審核尚待投入負(fù)荷的諧波水平，另一方面對(duì)已投運(yùn)的諧波源負(fù)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(dòng)型諧波抑制方案即對(duì)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(jù)需要對(duì)其功率因數(shù)進(jìn)行控制；

    ——被動(dòng)型諧波抑制方案即諧波負(fù)載本身不加改變，而是在電力系統(tǒng)或諧波負(fù)載的交流側(cè)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，通過外加設(shè)備對(duì)電網(wǎng)實(shí)施諧波補(bǔ)償。 [!--empirenews.page--]

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)，通過變流裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(duì)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(fù)雜，體積越大，變流器的控制和保護(hù)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(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)刻，保證四分之一波形的對(duì)稱性。根據(jù)輸出波形的傅立葉級(jí)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(dá)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(jìn)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(duì)各種電力電子變流器（對(duì)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(duì)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(jiǎn)單，可同時(shí)消除高次諧波和補(bǔ)償無(wú)功電流，使電力電子裝置輸入端的功率因數(shù)接近1。

    主動(dòng)型諧波抑制方案的主要問題在于成本高、效率低。同時(shí)，電力電子系統(tǒng)中很高的開關(guān)頻率使PWM載波信號(hào)產(chǎn)生高次諧波，還會(huì)導(dǎo)致高電平的傳導(dǎo)和輻射干擾。因此在設(shè)計(jì)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(hào)從系統(tǒng)中濾除，防止它們作為傳導(dǎo)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(duì)空間產(chǎn)生電磁污染。所以對(duì)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(dāng)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(wú)源濾波器的優(yōu)點(diǎn)是投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠及維護(hù)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(bǔ)償?shù)闹饕侄?。無(wú)源濾波器的缺點(diǎn)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(duì)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(tǒng)發(fā)生諧振；諧波電流增大時(shí)濾波器負(fù)擔(dān)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(cè)電路檢測(cè)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(bǔ)償電流分量,并注入到電網(wǎng)中,以達(dá)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(xiǎn)。與無(wú)源濾波器相比，具有高度可控性和快速響應(yīng)性，不僅能補(bǔ)償各次諧波，還可抑制電壓閃變、補(bǔ)償無(wú)功電流，性價(jià)比較為合理。另外,APF具有自適應(yīng)功能，可自動(dòng)跟蹤補(bǔ)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(fù)載的諧波補(bǔ)償。它能對(duì)諧波和無(wú)功電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，并且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗影響。目前這類APF技術(shù)已相當(dāng)成熟，大多數(shù)工業(yè)運(yùn)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(fù)載對(duì)系統(tǒng)的影響，以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動(dòng)對(duì)敏感負(fù)載的影響。由于此類APF中流過的電流為非線性負(fù)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(hù)也較并聯(lián)APF復(fù)雜，所以目前單獨(dú)使用此類APF的案例較少，國(guó)內(nèi)外的研究多集中在其與LC無(wú)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(dá)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(bǔ)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(jià)比較高。雖然目前還處于試驗(yàn)階段，但從長(zhǎng)遠(yuǎn)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),在日本、美國(guó)、德國(guó)等工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)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(jìn)一步解決的問題，諸如提高補(bǔ)償容量、降低成本和損耗、進(jìn)一步改善補(bǔ)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(tǒng)故障，因此各國(guó)對(duì)此技術(shù)還保持著一定的謹(jǐn)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(xiàn)上都將其等同于APF。其實(shí)，從原理上分析，與APF單節(jié)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(jié)點(diǎn)注入補(bǔ)償電流，通過補(bǔ)償電流在網(wǎng)絡(luò)中一定范圍內(nèi)的流動(dòng)，實(shí)現(xiàn)該范圍內(nèi)所有節(jié)點(diǎn)諧波電壓的綜合抑制。即通過單節(jié)點(diǎn)單裝置的裝設(shè)，達(dá)到多節(jié)點(diǎn)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(dòng)態(tài)、智能、經(jīng)濟(jì)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(yán)重的諧波污染已引起各方面的高度重視。隨著對(duì)諧波產(chǎn)生的機(jī)理、諧波現(xiàn)象的進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，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(biāo)準(zhǔn)。加大對(duì)諧波研究的投入將會(huì)大大加快對(duì)諧波問題的解決，當(dāng)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(guó)民經(jīng)濟(jì)、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(duì)高效利用能源要求的增強(qiáng)，諧波治理問題最終將會(huì)得到妥善的解決。

    隨著電子計(jì)算機(jī)和電力半導(dǎo)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(zhǎng)的趨勢(shì)。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(yǔ)

    諧波的綜合治理工作勢(shì)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(gè)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(jìn)我們國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和用電設(shè)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。