李橋，吳捷(華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東510640)

摘要：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，諧波的危害越來越嚴(yán)重，諧波控制問題迫在眉睫。摘要：對電力電子設(shè)備的諧波源進(jìn)行了分析和總結(jié)，指出了其危害、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(jìn)行了展望。關(guān)鍵詞：電力電子；諧波；危害；隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子器件的廣泛應(yīng)用給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染。各種電力電子設(shè)備在工業(yè)交通、冶金、化工等諸多交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使得電網(wǎng)諧波問題日益嚴(yán)重。許多低功率因數(shù)的電力電子設(shè)備給電網(wǎng)帶來額外的負(fù)擔(dān)，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(shù)的研究已成為電力電子技術(shù)中的一個重要課題。圍繞這一關(guān)鍵問題，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——的主諧波源非線性負(fù)載為諧波源，造成電網(wǎng)電壓畸變，使電壓具有整數(shù)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)、雙向晶閘管可控開關(guān)器件等。以及電力系統(tǒng)中的換流器裝置，例如用于DC傳輸?shù)恼髌鏖y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(yīng)用于各種場合。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(fù)合波形，高次諧波電流是工頻基波的奇次。根據(jù)傅里葉級數(shù)，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(xiàn)有的研究結(jié)果表明，整流器的運(yùn)行方式對諧波電流的大小也有直接影響，因此在考慮調(diào)整整流電壓和電流時，較好計算交迭角、換相壓降和諧波，從而確定安全經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式；當(dāng)控制角接近40，重疊角約為8時，往往是較嚴(yán)重的諧波狀態(tài)。因此，經(jīng)過計算，正確選擇調(diào)壓干式變壓器的抽頭，盡量避免較嚴(yán)重的諧波點。1.2交流調(diào)壓器交流調(diào)壓器主要用于照明調(diào)光和感應(yīng)電機(jī)調(diào)速。圖2(a)和圖2(b)分別是單相和三相的典型電路。交流調(diào)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(diào)壓電路1.3變頻器變頻器是交/交變頻器的代表設(shè)備。當(dāng)用作電機(jī)調(diào)速裝置時，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(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DC側(cè)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(dāng)電源阻抗比較小時，其波形窄而高，如圖3(b)實線所示；相反，當(dāng)電源的阻抗相對較大時，其波形短而寬，如圖3(b)中的虛線所示。(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的變頻器裝置外，還會產(chǎn)生大量諧波，家電也是不可忽視的諧波源。比如電視機(jī)、電池充電器等。雖然它們的單個容量不大，但它們注入供電系統(tǒng)的諧波成分?jǐn)?shù)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(shè)備的效率。當(dāng)大量三次諧波流經(jīng)中性線時，會引起過熱甚至火災(zāi)；2)影響各類電氣設(shè)備的正常工作，除造成額外損失外，還會使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動、噪聲和過電壓，造成干式變壓器局部嚴(yán)重過熱，電容器、電纜等設(shè)備過熱，絕緣老化，使用壽命縮短，造成損壞；3)會在公共電網(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(yán)重事故；4)會導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動裝置的誤動作，使電氣測量儀表的測量不準(zhǔn)確；5)會對相鄰的通信系統(tǒng)造成干擾，輕的會產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重的會導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。3諧波管理原則要提高電能質(zhì)量，必須加強(qiáng)諧波管理。基于限制諧波源注入公共電網(wǎng)的諧波電流和將諧波電壓限制在允許范圍內(nèi)的原則。先先要掌握諧波源及其在系統(tǒng)中的分布，將其諧波限制在允許的范圍內(nèi)，才能進(jìn)入電網(wǎng)。如果不符合標(biāo)準(zhǔn)，必須采取措施防止諧波擴(kuò)散。所以際電工委員會(IEC)和美IEEE都有推薦標(biāo)準(zhǔn)。例如，IEEE規(guī)定的電流諧波限制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。我根據(jù)電網(wǎng)實際水平和其他家標(biāo)準(zhǔn)制定的電壓正弦波失真率規(guī)定見表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#分頁標(biāo)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(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(rèn)為用范圍廣泛、普遍推廣來描述；也有人認(rèn)為用集合的、一體化的來表述更實際；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)，對其進(jìn)行評定，如果超過家規(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(jù)需要對其功率因數(shù)進(jìn)行控制；

——被動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(bǔ)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)越多整流干式變壓器的結(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(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)有較優(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。#p#分頁標(biāo)題#e#

——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(bǔ)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(dǎo)致高電平的傳導(dǎo)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(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(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。無源濾波器的優(yōu)點是投資少、效率高、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠及維護(hù)方便，因此無源濾波是目前廣泛采用的抑制諧波及進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)闹饕侄?。無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(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(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。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(bǔ)償各次諧波，還可抑制電壓閃變、補(bǔ)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(bǔ)償變化著的諧波。

圖4APF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。它能對諧波和無功電流進(jìn)行動態(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(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，所以目前單先使用此類APF的案例較少，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]。#p#分頁標(biāo)題#e#

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濾波器用來消除高次諧波，APF用來補(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，性價比較高。雖然目前還處于試驗階段，但從長遠(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)量的一項關(guān)鍵技術(shù),在日本、美、德等工業(yè)發(fā)達(dá)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APF的故障還容易引發(fā)系統(tǒng)故障，因此各對此技術(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，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(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，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(dá)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(jì)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(yán)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(jī)理、諧波現(xiàn)象的進(jìn)一步認(rèn)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(biāo)準(zhǔn)。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(dāng)然諧波問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)一步完善和對高效利用能源要求的增強(qiáng)，諧波治理問題較終將會得到妥善的解決。

隨著電子計算機(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(jìn)我們民經(jīng)濟(jì)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。#p#分頁標(biāo)題#e#

作者簡介

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(tǒng)中的應(yīng)用，非線性控制理論在電力電子技術(shù)中的應(yīng)用。

吳捷(1937－)，男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究領(lǐng)域為自組織、自適應(yīng)控制，電力系統(tǒng)自動化，電力電子技術(shù)及新能源的研究開發(fā)。