关于电力电子装置谐波问题的综述

关于电力电子装置谐波问题的综述

摘要：随着电力电子技术的发展，谐波的危害已越来越严重，谐波治理问题已经迫在眉睫。对电力电子装置谐波源进行了分析和总结，指出了其危害及相应的谐波管理原则和综合治理方法，并对谐波治理工作进行了展望。

关键词：电力电子；谐波；危害；抑制

0    引言

    随着电力电子技术的发展，电力电子装置的广泛应用给电力系统带来了严重的谐波污染。各种电力电子设备在运输、冶金、化工等诸多工业交通领域的广泛应用，使电网中的谐波问题日益严重，许多低功率因数的电力电子装置给电网带来额外负担并影响供电质量，因此，电力电子装置的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍。故抑制谐波污染，提高功率因数的研究已成为电力电子技术中的一个重大课题。本文围绕这一关键问题，通过对电力电子谐波源及其危害的认识和分析，从污染和防治的关系考虑，探讨了综合治理的方法，最后对谐波综合治理的发展趋势进行了展望。

1    电力电子装置——最主要的谐波源

    非线性负荷是个谐波源，它引起电网电压畸变，使电压中带有整数倍基波频率的分量。作为最主要的谐波源的电力电子装置主要为各种交直流变流装置（整流器、逆变器、斩波器、变频器）以及双向晶闸管可控开关设备等，另外还有电力系统内部的变流设备，如直流输电的整流阀和逆变阀等。下面对其产生的谐波情况作一分析。

1.1    整流器

    作为直流电源装置，整流器广泛应用于各种场合。图1(a)及图1(b)分别为其单相和三相的典型电路。在整流装置中，交流电源的电流为矩形波，该矩形波为工频基波电流和为工频基波奇数倍的高次谐波电流的合成波形。由傅氏级数求得矩形波中的高次谐波分量I_n与基波分量I₁之比最大为1/_n，随着触发控制角α的减小和换相重叠角μ的增大，谐波分量有减小的趋势。

(a)单相            (b)三相

图1    AC/DC整流电路

    此外，现有研究结果表明：整流器的运行模式对谐波电流的大小也有直接的影响，因此在考虑调整整流电压电流时，最好要进行重叠角、换相压降以及谐波测算，以便确定安全、经济的运行方式；当控制角α接近40°，重叠角μ在8°左右时的情况往往是谐波最严重的状态，所以要经过计算，尽量通过正确选择调压变压器抽头，避开谐波最严重点[1]。

1.2    交流调压器

    交流调压器多用于照明调光和感应电动机调速等场合。图2(a)及图2(b)分别为其单相和三相的典型电路。交流调压器产生的谐波次数与整流器基本相同。

(a)单相                (b)三相

图2    AC/AC交流调压电路

1.3    频率变换器

频率变换器是AC/AC变换器的代表设备，当用作电动机的调速装置时，它含有随输出频率变化的边频带，由于频率连续变化，出现的谐波含量比较复杂。

1.4    通用变频器

    通用变频器的输入电路通常由二极管全桥整流电路和直流侧电容器所组成，如图3(a)所示，这种电路的输入电流波形随阻抗的不同相差很大。在电源阻抗比较小的情况下，其波形为窄而高的瘦长型波形，如图3(b)实线所示；反之，当电源阻抗比较大时，其波形为矮而宽的扁平型波形，如图3(b)虚线所示。

(a)输入电路                (b)输入电流波形

图3    通用变频器

    除了上述典型变流装置会产生大量的谐波以外，家用电器也是不可忽视的谐波源。例如电视机、电池充电器等。虽然它们单个的容量不大,但由于数量很多,因此它们给供电系统注入的谐波分量也不容忽视。

2    谐波的危害

    谐波对公用电网的危害主要包括：

    1）使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低了发电、输变电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线时，会引起线路过热甚至发生火灾；

    2）影响各种电气设备的正常工作，除了引起附加损耗外，还可使电机产生机械振动、噪声和过电压，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、绝缘老化、寿命缩短，以致损坏；

    3）会引起公用电网中局部并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使前述的危害大大增加，甚至引起严重事故；

    4）会导致继电保护和自动装置误动作，并使电气测量仪表计量不准确；

    5）会对邻近的通信系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通信质量，重者导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

3    谐波的管理原则

    要提高电能质量，必须加强对谐波的管理。本着限制谐波源向公用电网注入谐波电流，将谐波电压限制在允许范围内的原则。首先要掌握系统中的谐波源及其分布，限制其谐波在允许范围内方可入网，未达标的必须采取治理措施，以防谐波扩散。为此国际电工委员会（IEC）和美国IEEE都有推荐标准，如IEEE规定的电流谐波极限标准见表1。我国结合电网实际水平并借鉴其他国家标准制定的电压正弦波形畸变率规定见表2。

表1    谐波电流极限值（IEEE519－1992规定）

表2    电压正弦波形畸变率限值

4    谐波的综合治理

    目前，我国电力系统对谐波的管理呈现“先污染，后治理”的被动局面，所以如何综合治理已经成为一个迫在眉睫的研究课题。

    关于“综合”的内涵，有人认为用范围广泛、普遍推广来描述；也有人认为用集合的、一体化的来表述更实际；笔者认为综合治理的工作应包含以下两方面:

    ——加强科学化、法制化管理；

    ——采取有效技术措施防范和抑制谐波。

4.1    加强科学化、法制化管理

    主要从两个方面加强管理：

    ——普遍采用具有法律约束和经济约束的手段，改变先污染后治理的被动局面，即应该严格按照各类电力设备、电力电子设备的技术规范中规定的谐波含量指标，对其进行评定，如果超过国家规定的指标，不得出厂和投入电力系统使用；

    ——供电部门应从全局出发，全面规划，采取有力措施加强技术监督与管理，一方面审核尚待投入负荷的谐波水平，另一方面对已投运的谐波源负载，要求用户加装滤波装置。

4.2    采取有效的技术措施

    目前解决电力电子设备谐波污染的主要技术途径有两条：

    ——主动型谐波抑制方案即对电力电子装置本身进行改进,使其不产生谐波,或根据需要对其功率因数进行控制；

    ——被动型谐波抑制方案即谐波负载本身不加改变，而是在电力系统或谐波负载的交流侧加装无源滤波器（PF）、有源滤波器（APF）或者混合滤波器（HAPF）等装置，通过外加设备对电网实施谐波补偿。

4.2.1    主动型谐波抑制方案

    主要是从变流装置本身出发，通过变流装置的结构设计和增加辅助控制策略来减少或消除谐波，目前采用的技术主要有一下几个方面。

    ——多脉波变流技术大功率电力电子装置常将原来6脉波的变流器设计成12脉波或24脉波变流器以减少交流侧的谐波电流含量。理论上讲，脉波越多，对谐波的抑制效果愈好，但是脉波数越多整流变压器的结构越复杂，体积越大，变流器的控制和保护变得困难，成本增加。

    ——脉宽调制技术脉宽调制技术的基本思想是控制PWM输出波形的各个转换时刻，保证四分之一波形的对称性。根据输出波形的傅立叶级数展开式，使需要消除的谐波幅值为零、基波幅值为给定量，达到消除指定谐波和控制基波幅值的目的，目前采用的PWM技术有最优脉宽调制、改进正弦脉宽调制、Δ调制、跟踪型PWM调制和自适应PWM控制等。

    ——多电平变流技术针对各种电力电子变流器（对于电压型的变流器必须用联接电感与交流电源相连），采用移相多重法、顺序控制和非对称控制多重化等方法，将方波电流或电压叠加，使得变流器在网侧产生的电流或电压为接近正弦的阶梯波，且与电源电压保持一定的相位关系。

    ——功率因数预调整器在电力电子装置中加入高功率因数预调整器，在预调整器的直流侧通过DC/DC变换控制入端电流，保证电力电子装置从电网中获取的电流为正弦电流并与电网电压同相。此方法控制简单，可同时消除高次谐波和补偿无功电流，使电力电子装置输入端的功率因数接近1。

    主动型谐波抑制方案的主要问题在于成本高、效率低。同时，电力电子系统中很高的开关频率使PWM载波信号产生高次谐波，还会导致高电平的传导和辐射干扰。因此在设计主动型谐波抑制方案时，必须用EMI滤波器将高次谐波信号从系统中滤除，防止它们作为传导干扰进入电网；还要利用屏蔽防止它们作为辐射干扰进入自由空间，对空间产生电磁污染。所以对于较大功率的电力电子装置，一般除了采用主动型谐波抑制方法以外，还要辅以无源或有源滤波器加以抑制高次谐波。

4.2.2    被动型谐波抑制方案

    ——无源滤波器(PF)无源滤波器通常采用电力电容器、电抗器和电阻器按功能要求适当组合，在系统中为谐波提供并联低阻通路，起到滤波作用。无源滤波器的优点是投资少、效率高、结构简单、运行可靠及维护方便，因此无源滤波是目前广泛采用的抑制谐波及进行无功补偿的主要手段。无源滤波器的缺点在于其滤波特性是由系统和滤波器的阻抗比所决定，只能消除特定的几次谐波，而对其它次谐波会产生放大作用，在特定情况下可能与系统发生谐振；谐波电流增大时滤波器负担随之加重，可能造成滤波器过载；有效材料消耗多，体积大。

    ——有源滤波器(APF)图4为APF原理图，APF通过检测电路检测出电网中的谐波电流，然后控制逆变电路产生相应的补偿电流分量,并注入到电网中,以达到消谐的目的。APF滤波特性不受系统阻抗影响,可消除与系统阻抗发生谐振的危险。与无源滤波器相比，具有高度可控性和快速响应性，不仅能补偿各次谐波，还可抑制电压闪变、补偿无功电流，性价比较为合理。另外,APF具有自适应功能，可自动跟踪补偿变化着的谐波。

图4    APF原理图

    APF按与系统连接方式分类,可分为串联型、并联型、混合型和串－并联型。

    并联型APF可等效为一受控电流源，主要适用于感性电流源负载的谐波补偿。它能对谐波和无功电流进行动态补偿，并且补偿特性不受电网阻抗影响。目前这类APF技术已相当成熟，大多数工业运行的APF多属此类滤波器。

    串联型APF可等效为一受控电压源，主要用于消除带电容滤波的二极管整流电路等电压型谐波源负载对系统的影响，以及系统侧电压谐波与电压波动对敏感负载的影响。由于此类APF中流过的电流为非线性负载电流，因此损耗较大；此外串联APF的投切、故障后的退出等各种保护也较并联APF复杂，所以目前单独使用此类APF的案例较少，国内外的研究多集中在其与LC无源滤波器构成的混合型APF上[2]。

    混合型APF就是将常规APF上承受的基波电压移去，使有源装置只承受谐波电压，从而可显著降低有源装置的容量，达到降低成本、提高效率的目的。其中LC滤波器用来消除高次谐波，APF用来补偿低次谐波分量。

    串－并联型APF又称为电能质量调节器(UPQC)[3]，它具有串、并联APF的功能，可解决配电系统发生的绝大多数电能质量问题，性价比较高。虽然目前还处于试验阶段，但从长远的角度看，它将是一种很有发展前途的有源滤波装置。

    有源滤波技术作为改善供电质量的一项关键技术,在日本、美国、德国等工业发达国家已得到了高度重视和日益广泛的应用。但是有源滤波器还有一些需要进一步解决的问题，诸如提高补偿容量、降低成本和损耗、进一步改善补偿性能、提高装置的可靠性等。同时APF的故障还容易引发系统故障，因此各国对此技术还保持着一定的谨慎态度[4]。

    ——有源电路调节器(APLC)图5为有源线路调节器(APLC)的原理图，其结构与APF相似，因此过去很多文献上都将其等同于APF。其实，从原理上分析，与APF单节点谐波抑制相比较,APLC是向网络中某个(几个)优选节点注入补偿电流，通过补偿电流在网络中一定范围内的流动，实现该范围内所有节点谐波电压的综合抑制。即通过单节点单装置的装设，达到多节点谐波电压综合治理的功能，APLC的出现，表明电力系统谐波治理正朝着动态、智能、经济效益好的方向发展。

图5    APLC原理图

5    谐波综合治理的展望

    日益严重的谐波污染已引起各方面的高度重视。随着对谐波产生的机理、谐波现象的进一步认识，将会找到更加有效的方法抑制和消除谐波，同时也有助于制定更加合理的谐波管理标准。加大对谐波研究的投入将会大大加快对谐波问题的解决，当然谐波问题的最终解决将取决于相关技术的发展，特别是电力电子技术的发展。随着国民经济、谐波抑制技术的进一步发展、法制的进一步完善和对高效利用能源要求的增强，谐波治理问题最终将会得到妥善的解决。

    随着电子计算机和电力半导体器件的发展，有源电力滤波器的性能会越来越好，价格会越来越低。而用于无源滤波的电容和电抗器的价格却呈增长的趋势。因此有源电力滤波器将是今后谐波抑制装置的主要发展方向。另外，电力电子技术中的有源功率因数校正技术也是极具生命力的。

6    结语

    谐波的综合治理工作势在必行。消除电力电子装置谐波污染的工作，可称之为电力电子技术应用的“绿色工程”。电力电子技术的发展必须和这个工程同步，这样才能为高效、低污染地利用电能开辟重要途径，促进我们国民经济的发展和用电设备的革新。同时,电力电子技术的推广和利用才能有更为广阔的发展前景。