關(guān)于電力電子裝置諧波問題的綜述

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(shí)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(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(dòng)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(dòng)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(diǎn)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(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(xiǎn)。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(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。它能對諧波和無功電流進(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)載對系統(tǒng)的影響，以及系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動(dòng)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，所以目前單獨(dú)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(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(jià)比較高。雖然目前還處于試驗(yàn)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(xiàng)關(guān)鍵技術(shù),在日本、美國、德國等工業(yè)發(fā)達(dá)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(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(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。隨著對諧波產(chǎn)生的機(jī)理、諧波現(xiàn)象的進(jìn)一步認(rèn)識，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)。加大對諧波研究的投入將會(huì)大大加快對諧波問題的解決，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)越來越好，價(jià)格會(huì)越來越低。而用于無源濾波的電容和電抗器的價(jià)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(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。