摘要: “圖外三談諧波”共三文：“一談”為“概述”、“二談”為“治理措施”、“三談”為“討論及建議”，總體給出諧波的整體輪廓及綜合治理的理念。本文“二談”系“一談”的繼篇，首先介紹了減小諧波污染的六類主動措施;接著介紹了減小諧波污染的兩大類被動措施，文中涉及正在研發(fā)的新技術(shù)僅供參考。

　　此“圖外三談諧波”為繼“圖外談?wù)彰?rdquo;、“圖外再談?wù)彰?rdquo;的姊妹篇，亦系沉思指導(dǎo)實(shí)踐環(huán)節(jié)教學(xué)，以“圖外談設(shè)計”形式，倡“彈指CAD，勿忘據(jù)理論”的工程觀。

　　關(guān)鍵詞:電磁兼容; 諧波抑制; 無功功率補(bǔ)償;功率因數(shù); 電能質(zhì)量

　　Abstract：There are three articles of "discussion about harmonics without drawing:"For the “first” article refers to “general overview”, for the “second” refers to “control measures” and for the “third” refers to “discussion and suggestion”, which totally endows philosophy upon overall outline and comprehensive treatment of harmonics. This “second” article refers to the inheriting section of the “first” one, it firstly introduces six kinds of active measures to reduce harmonics pollution; and then introduces two kinds of passive measures to reduce harmonics pollution. The new technologies involved in this article are only for references

　　This article of the third "discussion about harmonics without drawing” is the sister section in succession of “discussion about lighting without drawing” and “re-discussion about lighting without drawing”, which is also the thinking teaching of instruction and practice. In form of “discussion designed without drawing”, the engineering concept of “advocating both CAD and theory” prevail.

　　Key words：Electromagnetic compatibility, harmonic suppression, reactive power compensation, power factor, quality of electric energy.

　　中圖分類號： R187+.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：

　　1、減小諧波污染的主動措施

　　主動措施是通過改變非線性負(fù)載的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，使之少產(chǎn)生，甚至不產(chǎn)生諧波。

　　1.1加強(qiáng)系統(tǒng)承受諧波的能力

　　1.1.1增大系統(tǒng)容量，可以增強(qiáng)系統(tǒng)承受諧波的能力并降低系統(tǒng)的諧波電壓水平，但這有待于電力系統(tǒng)的發(fā)展。

　　1.1.2將諧波源負(fù)荷改由容量較大的母線供電，或改由高一等級電壓的電網(wǎng)供電。

　　1.2中小功率非線性負(fù)載在電源和負(fù)載級間聯(lián)APFC

　　APFC為校正電源輸出電流波形和相位作用的有源功率因素校正器。它一般采用有源兩級多開關(guān)或兩級單開關(guān)結(jié)構(gòu)，處理負(fù)載消耗的所有功率。有源開關(guān)承受較大的電壓、電流應(yīng)力，開關(guān)損耗大。目前單相有源功率因素校正技術(shù)已成熟，各公司已推出各種專用芯片，應(yīng)用己很方便。實(shí)際電網(wǎng)中三相電力電子設(shè)備占有很大比重，然而三相有源功率因素校正技術(shù)卻尚未成熟，因此對APFC的研究將是這一領(lǐng)域今后發(fā)展的重點(diǎn)。

　　1.3大功率非線性負(fù)載

　　因其技術(shù)含量高，難度大，普遍存在成本高、效率低，運(yùn)用尚不普遍。改造方法有三種：

　　1.3.1改用脈寬調(diào)制技術(shù)，如PWM整流;

　　1.3.2多重化技術(shù)，如多脈整流;

　　1.3.3兩者的結(jié)合。

　　1.4變壓器選型

　　由于電力系統(tǒng)中非正弦交流電壓或電流波形的特點(diǎn)是：其函數(shù)的波形在坐標(biāo)圖上跟時間軸移動半個周期后與原波形相對于橫軸呈鏡像對稱。這種函數(shù)經(jīng)傅立葉變換后的級數(shù)中僅含有奇數(shù)次諧波。因此，采用Yd或Dy接線后，注入電網(wǎng)的就只有3、5、7、9、11、13、…等次諧波電流。

　　1.4.1 10(6)/0.4---0.23kV變壓器選用Dyn11聯(lián)繞組。因其3n次諧波(n為正整數(shù))在三角形接線的一次繞組內(nèi)形成環(huán)流，不致注入公共電網(wǎng)，較之一次繞組接成星形的Yyn0聯(lián)繞組更有力地抑制高次諧波。

　　1.4.2 三相整流變壓器采用Yd或Dy接線。由于3次及3的倍數(shù)次諧波電勢在星形聯(lián)結(jié)的繞組內(nèi)不能形成諧波電流，而在三角形聯(lián)結(jié)的繞組內(nèi)可形成環(huán)流，因此采用Yd或Dy接線的三相整流變壓器，能使注入電網(wǎng)的諧波電流中消除3及3的倍數(shù)次諧波。

　　1.5增加換流器的相數(shù)

　　由分析可知，電網(wǎng)中大量使用的換流設(shè)備，其特征諧波次數(shù)n為：

　　n=Kp±1 公式(1)

　　式中：p—整流電路相數(shù)或每周脈沖數(shù); K—整數(shù)為1、2、3…。

　　同時又知：諧波電流

。因此，當(dāng)相數(shù)p增加時，n增大，諧波電流就可減小。但增加相數(shù)將增加設(shè)備成本，且換流變壓器接線復(fù)雜、利用系數(shù)低?？刹捎闷渌慕泳€方式，如：當(dāng)有多臺換流器相等地在同一處分擔(dān)負(fù)載時，可在換流變壓器二次繞組之間設(shè)置固定的某相位移，理論上可消除某幾次諧波。

 

　　1.6氣體放電光源鎮(zhèn)流器

　　將電子式和電感式鎮(zhèn)流器混用，可將兩者主要諧波相位錯開，互相抵消，可減少向電網(wǎng)反饋的諧波量。

　　2、減小諧波污染的被動措施

　　被動措施則是通過設(shè)置各種濾波設(shè)備或者其他設(shè)備來吸收、補(bǔ)償已產(chǎn)生的諧波。

　　2.1無源電力濾波器PPF

　　交流無源濾波器由電力電容、電抗和電阻等無源元件通過適當(dāng)組合構(gòu)成，利用其在某一諧波頻率下諧振時的低阻對諧波分流，相當(dāng)于對此頻率諧波濾波，故常稱為RLC構(gòu)成的PPF濾波器。除濾波作用外，還兼顧無功補(bǔ)償。迄今為止這種無源濾波器仍是使用最普遍，技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上都較合理的抑制諧波的方式。PPF常用接線見圖1。

　　2.1.1 單調(diào)諧濾波器 如圖a)，由R、L、C串聯(lián)構(gòu)成，其阻抗值隨頻率變化曲線為有一谷點(diǎn)的倒單峰形。當(dāng)需濾除n次諧波時，使此串聯(lián)組合諧振于n次諧波，濾波器相對于此次諧波的阻抗正處于谷點(diǎn)(最小)，n次諧波將大部分由濾波器分流濾除。其他次數(shù)的諧波，濾波器分流卻很少。故單調(diào)諧濾波器只對需要濾除的固定次數(shù)諧波起濾除作用。

　　2.1.2雙調(diào)諧濾波器 如圖b)，它提供兩個低阻調(diào)諧點(diǎn)，同時吸收兩種頻率的諧波,由于結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，調(diào)諧困難，應(yīng)用比較少,一般用在大型直流輸電工程中。

　　2.1.3 高通濾波器 也由R、L、C組合而成，結(jié)構(gòu)形式多樣。當(dāng)參數(shù)選擇適當(dāng)，濾波器阻抗值隨頻率變化的曲線在很寬的頻率范圍內(nèi)呈低阻抗，可對較高次的諧波電流形成低阻通路，從而濾除。它又分為：

　　2.1.3.1 一階減幅型 見圖c)，由于基波功率損耗太大，一般不采用;

　　2.1.3.2 二階減幅型 見圖d)，基波損耗較小且阻抗頻率特性較好，結(jié)構(gòu)也簡單，故工程上用得最多;

　　2.1.3.3 三階減幅型 見圖e)，基波損耗更小，但特性不如二階減幅型好，用得也不多;

　　2.1.3.4 C型濾波器 見圖f)，是一種新型式，特性介于二階和三階之間。C2和L對基波串聯(lián)諧振，基波損耗極小，只是它對工頻偏差及元件參數(shù)變化較為敏感、C1安裝容量大。

　　通常將若干單調(diào)諧濾波器與一個高通濾波器配成一個濾波裝置后與諧波源并聯(lián)連接。單調(diào)諧濾波器主要用來濾除諧波源中某特征次諧波，而高通濾波器則濾除余下的更高頻率的諧波。

　　無源電力濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、技術(shù)成熟、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，是目前使用最廣泛的電力濾波裝置。其缺點(diǎn)為：諧波濾波頻帶窄，只能消除特定的幾次諧波;抑制電壓偏差和不平衡度、以及由波動性負(fù)荷產(chǎn)生的無功倒送難協(xié)調(diào);濾波效果與系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)密切相關(guān)，常在濾除諧波相鄰低頻和系統(tǒng)阻抗發(fā)生諧振，導(dǎo)致高圧、大流、放電、跳閘。

　　在建筑電氣領(lǐng)域，PPF按電壓又分為兩類：

　?、?高壓濾波裝置 裝在10kV配電系統(tǒng)的電源公共連接點(diǎn)，各電源母線均安一套，各用戶共用;

　?、?低壓濾波裝置 裝在配電變壓器低壓母線及長干線末端用戶配電箱諧波源附近。

　　2.2有源電力濾波器APF

　　APF是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來的一種治理諧波污染的濾波新裝置，它能濾除幅值和頻率都變化的諧波，以及對變化的無功進(jìn)行補(bǔ)償。它具有高度可控和快速響應(yīng)的特性，能抑制各次諧波、補(bǔ)償無功，其濾波特性不受系統(tǒng)阻抗的影響，具有自適應(yīng)能力，可自動跟蹤補(bǔ)償變化的諧波。跟蹤諧波電流或電壓的控制策略是決定APF輸出性能和效率的要害。因?yàn)榍蟮醚a(bǔ)償信號參考值后，只有通過反饋環(huán)節(jié)控制變流器的開關(guān)器件，使變流器產(chǎn)生與參考信號相等的實(shí)際信號才能補(bǔ)償諧波。

　　2.2.1原理

　　圖2為有源電力濾波器的原理結(jié)構(gòu)示意圖。設(shè)負(fù)荷電流波形為方波(如圖3 a))，可將其分解為正弦基波電流iF和諧波電流iH。有源濾波器首先實(shí)時檢測出負(fù)荷電流中的諧波分量iH(如圖3 b))，再通過發(fā)生器發(fā)出與iH大小相等方向相反的補(bǔ)償電流ic(如圖3 c)注入電網(wǎng)以抵銷iH，從而使系統(tǒng)側(cè)電流is僅為負(fù)荷電流的基波分量iF(如圖3 d))。顯然，要使諧波得到有效補(bǔ)償，有源電力濾波器應(yīng)滿足：

　　2.2.1.1諧波電流檢測器應(yīng)能實(shí)時準(zhǔn)確的檢測出負(fù)荷電流iL中的諧波分量iH.

　　2.2.1.2諧波電流發(fā)生器應(yīng)能及時準(zhǔn)確地產(chǎn)生補(bǔ)償電流iC并注入電網(wǎng)。

　　目前，諧波電流檢測普遍采用基于瞬時無功理論的瞬時諧波電流檢測法，而電流發(fā)生器主回路則采用基于電流跟蹤控制的PWM逆變器。

　　有源電力濾波器既可與諧波源設(shè)備配套使用，用于消除特定設(shè)備的集中諧波污染，也可獨(dú)立用于配電網(wǎng)消除某些分散性諧波源(如家用電器等)造成的電網(wǎng)諧波。目前，國內(nèi)外已有單臺容量達(dá)數(shù)百千伏安的有源電力濾波器投入使用。

　　2.2 分類

　　2.2.1按控制方法分 有單周控制、無差拍控制、差拍控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、定時控制、滯環(huán)控制等;

　　2.2.2按電壓等級和響應(yīng)速度分 電壓等級和響應(yīng)速度有相應(yīng)關(guān)系，是選擇濾波器的重要依據(jù)，而系統(tǒng)的成本又與響應(yīng)速度成正比。

　　2.2.2.1低功率系統(tǒng) 功率小于100kVA，大量減少所聯(lián)電容，其響應(yīng)速度相對快(10微秒到幾毫秒)。

　　2.2.2.1.1單相系統(tǒng) 使低功高頻的功率器件具更好的操作性，但缺乏強(qiáng)制性規(guī)章一般用戶不大可能投資于此;

　　2.2.2.1.2三相系統(tǒng) 三相平衡負(fù)載用三相APF，三相不平衡負(fù)載(尤其三相四線制系統(tǒng))宜用三臺單相APF。

　　2.2.2.2中功率系統(tǒng) 功率100kVA～10MVA，包括可忽略三相不平衡的中高壓動力設(shè)備。其響應(yīng)時間一般在10ms以內(nèi)，鑒于高壓及其絕緣，主要用于消諧。

　　2.2.2.3高功率系統(tǒng) 缺乏能控大電流的高頻電力電子器件，此系統(tǒng)應(yīng)用較少。

　　2.2.3按與電網(wǎng)的連接方式(拓?fù)浣Y(jié)構(gòu))分 參見圖4：

　　2.2.3.1 并聯(lián)型 最重要、最廣泛的應(yīng)用類型，應(yīng)用于電流源型非線性負(fù)載抑諧、補(bǔ)償無功及平衡三相。由于交流電源基波電壓直接加在變流器上，補(bǔ)償電流基由變流器提供，故要求變流器容量大。見圖4a)，又分兩種：

　　2.2.3.1.1不需要檢測負(fù)載諧波電流類：近提出的尚處于實(shí)驗(yàn)研發(fā)的新型，單周控制屬此。優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)調(diào)制頻率恒定、控制系統(tǒng)簡單(僅由RS觸發(fā)器或D觸發(fā)器構(gòu)成的控制器、比較器、積分器及時鐘電路等幾部分組成)、可在一個周期內(nèi)消除開關(guān)變量和控制參考信號間的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)誤差。缺點(diǎn)是系統(tǒng)性能易受外界條件的影響、抗干擾性能差、難以穩(wěn)定工作、補(bǔ)償后的電源輸出電流波形有畸變、輕載時畸變較嚴(yán)重、系統(tǒng)對電路參數(shù)要求十分精確、否則電網(wǎng)側(cè)電路上有電流直流分量產(chǎn)生。這些缺點(diǎn)極大地阻礙了它的推廣應(yīng)用。目前研究的單周控制APF僅適合于中小功率負(fù)荷。

　　2.2.3.1.2需要檢測負(fù)載諧波電流類：理論研究及技術(shù)開發(fā)最為成熟，國外已大量投入使用的新型。憑其突出的補(bǔ)償性能和優(yōu)點(diǎn)，具有極大的開發(fā)和應(yīng)用前景，成為電力諧波抑制技術(shù)發(fā)展的主流。主要類型為：

　　⑴無差拍控制---根據(jù)系統(tǒng)的狀態(tài)方程和當(dāng)前的狀態(tài)信息推算出下一周期的開關(guān)控制量，最終使輸出量跟蹤輸入量，從而使電流誤差為零的全數(shù)字化控制。優(yōu)點(diǎn)是動態(tài)響應(yīng)很快，易于計算機(jī)執(zhí)行。缺點(diǎn)是對系統(tǒng)參數(shù)依賴性大、魯棒性較差、瞬態(tài)響應(yīng)的超調(diào)量大、計算的實(shí)時性強(qiáng)、計算量很大，造成延遲，對硬件要求高。但隨著高性能DSP應(yīng)用的不斷普及，基于這種控制方法的APF研究成果不斷出現(xiàn)。

　　⑵差拍控制---取消無差拍控制環(huán)節(jié)中的電流預(yù)測環(huán)節(jié)，克服了無差拍控制量大的缺點(diǎn)，使APF在第k+1時刻輸出的補(bǔ)償電流跟蹤第k時刻檢測到的實(shí)際諧波電流。但基于差拍控制方法的APF尚限于理論研究。

　　⑶滯環(huán)控制---根據(jù)給定的補(bǔ)償信號與測得的逆變器輸出電流的誤差來控制逆變器開關(guān)的動作，是目前使用十分廣泛的一種閉環(huán)控制方法。當(dāng)誤差超過滯環(huán)的上、下限時開關(guān)即動作，使實(shí)際電流始終保持在滯環(huán)帶內(nèi)，圍繞參考信號上下波動?？刂品绞胶唵?、動態(tài)響應(yīng)快、開關(guān)損耗小、對負(fù)載的適應(yīng)能力強(qiáng)、具有內(nèi)在的電流限制能力、輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量。但開關(guān)頻率變化較大，易引起脈動電流和開關(guān)噪聲，且系統(tǒng)的開關(guān)頻率、響應(yīng)速度和電流的跟蹤精度受滯環(huán)帶寬影響。減少環(huán)寬可提高電流跟蹤性能，但功率開關(guān)的頻率變化大，開關(guān)損耗增加。反之則電流跟蹤性能變差，電流脈動增加。

　　還有，如滑模變結(jié)構(gòu)控制、定時控制方法、空間矢量PWM控制、相移SPWM等。

　　2.2.3.2串聯(lián)型 通過變壓器串聯(lián)在電網(wǎng)和負(fù)載間，APF相當(dāng)一個受控電壓源，主要用于消除帶容性負(fù)載的二極管整流電路等電壓諧波源對系統(tǒng)的影響，消除系統(tǒng)側(cè)電壓諧波與電壓波動對敏感負(fù)載的影響。它的優(yōu)點(diǎn)是能補(bǔ)償電網(wǎng)諧波電壓和三相不平衡電壓，對電壓敏感性負(fù)載尤為適應(yīng)。缺點(diǎn)是流過很高的負(fù)載電流，使得變壓器的額定參數(shù)上升，體積變大，損耗變大。此外串聯(lián)型APF投切、故障后的退出及各種保護(hù)也較為復(fù)雜，故目前實(shí)際投入使用仍較少。主要用于補(bǔ)償視為電壓源的諧波源，應(yīng)用于改進(jìn)電網(wǎng)諧波電壓質(zhì)量，及為電壓敏感型設(shè)備提供正弦電壓，見圖4b)。

　　2.2.3.3混合型

　　2.2.3.3.1串并混合型：結(jié)合串聯(lián)型及并聯(lián)型之優(yōu)點(diǎn)，能觧決電力系統(tǒng)大多數(shù)電能質(zhì)量問題，故有稱電能質(zhì)量綜合補(bǔ)償器(UPQC)。但控制復(fù)雜，造價高，見圖4c);

　　2.2.3.3.2串有源后并無源混合型：高阻抗串聯(lián)有源電力濾波器回路并聯(lián)無源濾波回路，以消除負(fù)載的高次諧波電流，諧波電流基由無源濾波器提供，而有源電力濾波器則改善無源濾波器的濾波特性，見圖4d);

　　2.2.3.3.3并有源與無源混合型：有源電力濾波器用于消除低頻諧波部分，而無源濾波器用于消除負(fù)載諧波電流。其損耗較少，但含較多儲能元件(尤無源濾波器部分)，只適用于諧波已定的單個負(fù)載，見圖4e)

　　2.2.3.3.4有源與并無源串混型：其無源濾波器用于降低有源電力濾波器的容量(以L、C構(gòu)成泣入回路，利用LC諧振特性，使有源電力濾波器僅承擔(dān)極小部基波電壓)，主要用于中高電壓設(shè)備，見圖4f)。

　　2.2.4按補(bǔ)償參數(shù)分

　　2.2.4.1諧波補(bǔ)償

　　2.2.4.1.1諧波電壓補(bǔ)償---用戶公共連接點(diǎn)端壓限制在一定的諧波失真和電壓偏差范圍，且多不隨負(fù)載而變化。諧波電壓與諧波電流補(bǔ)償相互關(guān)聯(lián)，公共連接點(diǎn)諧波電壓的減小有利于諧波電流降低，尤適用于固有頻率在諧振頻率附近的非線性負(fù)荷。但此并不能解決非線性負(fù)荷的諧波電流問題;

　　2.2.4.1.2諧波電流補(bǔ)償---電流的大小和波形決定了電力系統(tǒng)的狀態(tài)，極大地降低用戶公共連接點(diǎn)電壓的失真。

　　2.2.4.2無功補(bǔ)償：雖適用于低功率系統(tǒng)，但市場有廉價、慢速，也有動態(tài)的此類補(bǔ)償裝置，有源電力濾波器極少用于功率因素修正。

　　2.2.4.3三相系統(tǒng)平衡

　　2.2.4.3.1主電壓平衡---不平衡程度取決于電流不平衡程度和電源電抗大小，并導(dǎo)致電壓不平衡，相位差不是120°。此法給各相加相應(yīng)的瞬時電壓，使相電圧接近參考正弦波形。中高功率設(shè)備電抗不致對系統(tǒng)性能影響太大，故其常用于低功率系統(tǒng);

　　2.2.4.3.2主電流平衡---流入大功率管柵極電流取決于系統(tǒng)不平衡程度，此法多用于住宅配電系統(tǒng)裝置低功率三相設(shè)備額定電流內(nèi)。

　　2.2.4.4綜合補(bǔ)償

　　2.2.4.4.1諧波電流和無功的補(bǔ)償---采用一臺有源電力濾波器綜合補(bǔ)償諧波電流和無功，且使電壓、電流同相，限于電力開關(guān)器件參數(shù)，僅用于低功率系統(tǒng);

　　2.2.4.4.2諧波電壓和無功的補(bǔ)償---抑制諧波電壓時，通過合理反饋，間接補(bǔ)償無功功率。亦僅用于低功率系統(tǒng)，且少用;

　　2.2.4.4.3諧波電壓和諧波電流的補(bǔ)償---采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)，有利于網(wǎng)側(cè)和用戶端同時解決諧波問題;

　　2.2.4.4.4諧波電壓、諧波電流和無功的補(bǔ)償---亦需采用串并聯(lián)結(jié)構(gòu)有源電力濾波器，結(jié)構(gòu)、控制復(fù)雜，尚在研究、開發(fā)中。