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(yán)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(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(rèn)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(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(yùn)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(jìn)行重疊角、換相壓降以及諧波測算，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°左右時的情況往往是諧波最嚴(yán)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(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)電動機(jī)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(dāng)用作電動機(jī)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(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型波形，如圖3(b)實(shí)線所示；反之，當(dāng)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(jī)、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。