电力电子器件中的谐波问题综述

李桥，吴捷(华南理工大学电力学院，广东510640)

摘要：随着电力电子技术的发展，谐波的危害越来越严重，谐波控制问题迫在眉睫。摘要：对电力电子设备的谐波源进行了分析和总结，指出了其危害、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；随着电力电子技术的发展，电力电子器件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工业交通、冶金、化工等诸多交通领域的广泛应用，使得电网谐波问题日益严重。许多低功率因数的电力电子设备给电网带来额外的负担，影响供电质量。因此，电力电子器件的谐波污染已经成为电力电子技术发展的主要障碍。因此，抑制谐波污染和提高功率因数的研究已成为电力电子技术中的一个重要课题。围绕这一关键问题，从污染与防治的关系角度，探讨了综合治理的方法，较后展望了谐波综合治理的发展趋势。1电力电子装置——的主谐波源非线性负载为谐波源，造成电网电压畸变，使电压具有整数倍的基频分量。电力电子器件作为主要谐波源，主要包括各种交流/DC变换器(整流器、逆变器、斩波器、变频器)、双向晶闸管可控开关器件等。以及电力系统中的换流器装置，例如用于DC传输的整流器阀和逆变器阀。其产生的谐波分析如下。1.1整流器作为DC供电装置，整流器广泛应用于各种场合。图1(a)和图1(b)分别是典型的单相和三相电路。整流装置中，交流电源的电流为矩形波，是工频基波电流和高次谐波电流的复合波形，高次谐波电流是工频基波的奇次。根据傅里叶级数，矩形波中的高次谐波分量与基波分量I1之比较多为1/n。随着触发控制角的减小和换向重叠角的增大，谐波分量趋于减小。

(a)单相(b)三相图1AC/DC整流电路另外，现有的研究结果表明，整流器的运行方式对谐波电流的大小也有直接影响，因此在考虑调整整流电压和电流时，较好计算交迭角、换相压降和谐波，从而确定安全经济的运行方式；当控制角接近40，重叠角约为8时，往往是较严重的谐波状态。因此，经过计算，正确选择调压干式变压器的抽头，尽量避免较严重的谐波点。1.2交流调压器交流调压器主要用于照明调光和感应电机调速。图2(a)和图2(b)分别是单相和三相的典型电路。交流调压器产生的谐波频率与整流器基本相同。

(a)单相(b)三相图2AC/AC调压电路1.3变频器变频器是交/交变频器的代表设备。当用作电机调速装置时，它含有随输出频率变化的边带。由于频率的不断变化，谐波含量更加复杂。

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DC侧电容组成。如图3(a)所示，该电路的输入电流波形随阻抗变化很大。当电源阻抗比较小时，其波形窄而高，如图3(b)实线所示；相反，当电源的阻抗相对较大时，其波形短而宽，如图3(b)中的虚线所示。(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的变频器装置外，还会产生大量谐波，家电也是不可忽视的谐波源。比如电视机、电池充电器等。虽然它们的单个容量不大，但它们注入供电系统的谐波成分数量庞大，不容忽视。谐波的危害谐波对公共电网的危害主要包括：1)对公共电网中的元件造成额外的谐波损耗，降低发电和输变电设备的效率。当大量三次谐波流经中性线时，会引起过热甚至火灾；2)影响各类电气设备的正常工作，除造成额外损失外，还会使电机产生机械振动、噪声和过电压，造成干式变压器局部严重过热，电容器、电缆等设备过热，绝缘老化，使用寿命缩短，造成损坏；3)会在公共电网中引起局部并联谐振和串联谐振，从而放大谐波，大大增加前述危害，甚至引发严重事故；4)会导致继电保护和自动装置的误动作，使电气测量仪表的测量不准确；5)会对相邻的通信系统造成干扰，轻的会产生噪声，降低通信质量，重的会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。3谐波管理原则要提高电能质量，必须加强谐波管理。基于限制谐波源注入公共电网的谐波电流和将谐波电压限制在允许范围内的原则。先先要掌握谐波源及其在系统中的分布，将其谐波限制在允许的范围内，才能进入电网。如果不符合标准，必须采取措施防止谐波扩散。所以际电工委员会(IEC)和美IEEE都有推荐标准。例如，IEEE规定的电流谐波限制标准如表1所示。我根据电网实际水平和其他家标准制定的电压正弦波失真率规定见表2。表1谐波电流限值(IEEE 519-1992)ISC/ilh 111h 1717h 2323h 35h 35 th 204 . 02 . 01 . 50 . 60 . 35 . 020-507 . 03 . 52 . 51 . 00 . 58 . 050-。 #p#分页标题#e#

电源电压四次谐波综合治理/千伏电压正弦波畸变率限值/%0.3856或1043531101.5

目前，我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干式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技术有较优脉宽调制、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。#p#分页标题#e#

——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4APF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，所以目前单先使用此类APF的案例较少，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]。#p#分页标题#e#

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、德等工业发达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5APLC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，当然谐波问题的较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，谐波治理问题较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。#p#分页标题#e#

作者简介

李乔(1977－),女，博士生，研究方向为电力电子技术及其在电力系统中的应用，非线性控制理论在电力电子技术中的应用。

吴捷(1937－)，男，教授，博士生导师，主要研究领域为自组织、自适应控制，电力系统自动化，电力电子技术及新能源的研究开发。