關(guān)于電力電子裝置諧波問題的綜述

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(fù)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?。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(fù)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。