電力電子裝置的諧波危害及抑制方法

隨著電力電子技術的快速發(fā)展，電力電子裝置越來越多地應用于冶金、化工、煤炭和運輸等諸多領域，已成為實現生產自動化的重要基礎設備。然而，隨著這些電力電子裝置的廣泛應用，將大量的諧波和無功功率注入電網，使電網的電能質量下降，引起“電網污染”問題，這已成為阻礙電力電子技術發(fā)展的重大障礙之一。因此，認識和分析電力電子裝置諧波產生的原因及其危害，探討綜合治理的方法，抑制諧波污染，提高電網功率因數已成為電力電子技術中的一個重大研究課題。

諧波的危害

電網中日益嚴重的諧波污染常常對設備的工作產生嚴重的影響，其危害一般表現為：

1)諧波電流使輸電電纜損耗增大，輸電能力降低，絕緣加速老化，泄漏電流增大，嚴重的甚至引起放電擊穿。

2)使電動機損耗增大，發(fā)熱增加，過載能力、壽命和效率降低，甚至造成設備損壞。

3)容易使電網與用作補償電網無功功率的并聯(lián)電容器發(fā)生諧振，造成過電壓或過電流，使電容器絕緣老化甚至燒壞。

4)諧波電流流過變壓器繞組，增大附加損耗，使繞組發(fā)熱，加速絕緣老化，并發(fā)出噪聲。

5)使大功率電動機的勵磁系統(tǒng)受到干擾而影響正常工作。

6)影響電子設備的正常工作，如：使某些電氣測量儀表受諧波的影響而造成誤差，導致繼電保護和自動裝置誤動作，對鄰近的通信系統(tǒng)產生干擾，非整數和超低頻諧波會使一些視聽設備受到影響，使計算機自動控制設備受到干擾而造成程序運行不正常等。

電力電子裝置中的諧波產生

電網中的諧波主要是由各種大容量功率變換器以及其他非線性負載產生的，其中主要的諧波源是各種電力電子裝置，如整流裝置、交流調壓裝置等，這其中，整流裝置所占的比例最大，它幾乎都是采用帶電容濾波的二極管不控整流或晶閘管相控整流，它們產生的諧波污染和消耗的無功功率是眾所周知的;除整流裝置外，斬波和逆變裝置的應用也很多，而其輸入直流電源也來自整流裝置，因此其諧波問題也很嚴重，尤其是由直流電壓源供電的斬波和逆變裝置，其直流電壓源大多是由二極管不控整流后經電容濾波得到的，這類裝置對電網的諧波污染日益突出。

諧波的抑制

為了抑制電網中的諧波，減小諧波的危害，在加強科學化、法制化管理的同時，要采取積極有效的技術措施，盡量減少電力電子設備的諧波含量，安裝有效的濾波裝置。

1.采取主動措施，減少電力電子設備的諧波含量

減少諧波含量主要是從變流裝置本身出發(fā)，通過變流裝置的結構設計和增加輔助控制策略來減少或消除諧波，目前采用的技術主要有：

1)多脈波變流技術 對于大功率電力電子裝置，常將原來6脈波的變流器設計成12脈波或24脈波變流器，以減少交流側的諧波電流含量。

2)脈寬調制技術 其基本思想是控制PWM輸出波形的各個轉換時刻，保證四分之一波形的對稱性。使需要消除的諧波幅值為零，基波幅值為給定量，達到消除指定諧波和控制基波幅值的目的。

3)多電平變流技術 針對各種電力電子變流器采用移相多重法、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，使得變流器在交流電網側產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系。

2.安裝電力濾波器，提高濾波性能

(1)無源電力濾波器

無源電力濾波器(PPF)即利用電容和電抗器組成LC調諧電路，在系統(tǒng)中能夠為諧波提供并聯(lián)低阻通路，起到濾波作用;同時，利用電容還能補償無功功率，改善電網的功率因數。由于結構簡單，造價低，運行損耗小以及技術要求不高等特點，PPF成為改善電能質量的最常見設備。但由于結構和原理上的原因，使用無源濾波裝置來解決諧波問題也存在一些難以克服的缺點，如：只能濾除特定次諧波，諧波補償頻帶較窄，過載能力小，對系統(tǒng)阻抗和頻率變化的適應性較差，穩(wěn)定性較差，體積大，損耗大等。

(2)有源電力濾波器

圖l為有源濾波器(APF)的原理框圖。它通過檢測電網中的諧波電流，然后控制逆變電路產生相應的補償電流分量并注入電網，以達到消除諧波的目的。APF按與系統(tǒng)的連接方式不同可分為串聯(lián)型、并聯(lián)型和串—并聯(lián)混合型。并聯(lián)型APF主要適用于感性電流源負載的諧波補償，串聯(lián)型APF主要用于消除帶電容的二極管整流電路等電壓型諧波源負載對系統(tǒng)的影響，串—并聯(lián)型APF兼有串、并聯(lián)APF的功能。

APF濾波特性不受系統(tǒng)阻抗影響，不會與電網阻抗產生串聯(lián)和并聯(lián)諧振的現象，且對外電路的諧振具有阻尼的作用。此外，APF具有高度可控性和快速響應性，不僅能補償各次諧波，還可抑制電壓閃變，補償無功電流，性價比較為合理。另外，APF具有自適應功能，能對幅值和頻率變化的諧波以及變化的無功進行自動跟蹤，實時補償。

(3)混合型電力濾波器

混合型電力濾波器將無源濾波器與有源濾波器組合起來，其結構如圖2所示。其中有源濾波器不直接承受電網電壓和負載的基波電流，僅起負載電流和電網電壓的高次諧波隔離器的作用，因而有源濾波器的容量可以設計得較小，利用串聯(lián)的有源濾波器增加高次諧波阻抗而對基波無影響的特性，可以改善無源濾波器的濾波效果，防止與電網之間發(fā)生諧振，但其缺陷是有源濾波器的性能很大程度上決定于電流互感器的特性。因此，又有人提出一種新型混合有源電力濾波器方案，其結構如圖3所示。它采用開關頻率較低的IGBT構成的逆變器來進行無功補償，由開關頻率高，耐壓較低的MOSFET構成的逆變器進行諧波電流補償，高頻逆變器的輸出側采用變壓器隔離，可消除大部分干擾。

日益嚴重的諧波污染已引起各方面的高度重視。隨著對諧波現象的進一步認識，將會找到更加有效的方法抑制和消除諧波，同時也有助于制定更加合理的諧波管理標準。為了更好地達到抑制諧波的效果，對不同的諧波源負載應該采用相應結構的濾波裝置，如級聯(lián)型大功率APF、基于DSP的智能型APF等的研究都標志著低損耗、大功率、高頻率、智能化的APF是其發(fā)展方向。

隨著諧波污染綜合治理工作的逐步深入，電力電子技術的推廣和應用必將有更加廣闊的前景。