【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 和的平方根值，與各分量的初相角無(wú)關(guān)。 某次諧波分量的大小，常以該次諧波的均方根值與基波均方根值的百分比表示，稱為該次諧波的含有率 nHR ， n次諧波電壓的含有率以 nHRU (Harmonic Ratio nU )表示： (1)第 n次諧波電壓含有率 nHRU ： ％1001 ?? UUHRU nn (27) 式 (27)中： nU 為第 n次諧波電壓有效值； 1U 為基波電壓 有效值。 (2)第 n次諧波電流含有率： ％1001 ?? IIHRI nn (28) 式 (28)中： nI 第 n次諧波電壓有效值； 1I 基波電壓有效值。 (3)諧波電壓含有量： 22 )(???? n nH UU (29) (4)諧波電流含有量： 9 22 )(???? n nH II (210) (5)電壓總諧波畸變率： ％1001 ?? UUTHD Hu (211) (6)電流總諧波畸變率： ％1001 ?? IITHD Hi (212) 提高電能質(zhì)量，對(duì)諧波進(jìn)行綜合治理，防止諧波危害，就是要把諧波含有率和總諧波畸變率限制到國(guó)家 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的允許范圍之內(nèi)。實(shí)際上，諧波電壓幾乎是相對(duì)基波電壓而言的。因?yàn)殡妷和挥邪俜种畮椎淖兓?，所以電?THD通常是一個(gè)有意義的數(shù)據(jù)。但對(duì)電流來(lái)說(shuō)，情況有所不同。較小幅值的諧波電流可能導(dǎo)致較大的 THD值，而此時(shí)電力系統(tǒng)受到的威脅并不大。由于系統(tǒng)中大多數(shù)的監(jiān)控裝置是按上述定義和方法給出的 THD值的，這可能使用戶誤認(rèn)為此時(shí)的諧波電流是危險(xiǎn)的。為了解決這一難題，可將 THD中所采用的基波電流改為基波額定電流的峰值。 諧波的抑制方法 對(duì)諧波抑制和消除的方法本文采用的是從改進(jìn)電力電子裝置入手，使注入電網(wǎng)的諧波電流減少，也就是在諧波源上采取措施，最大限度地避免諧波的產(chǎn)生。這類方法可防止諧波影響波及眾多的供用電設(shè)備。電網(wǎng)質(zhì)量的提高可節(jié)省消除諧波影響的大量人力和物力。將高水平的技術(shù)和相對(duì)集中的財(cái)力用到控制諧波源上，則對(duì)電力電子裝置改進(jìn)技術(shù)的突破十分有利，這樣的方法有： 由諧波產(chǎn)生的機(jī)理知，隨著整流相數(shù)的增加，網(wǎng)側(cè)電流諧波成分減少，電流波形接近于正弦波。在晶閘管三相橋式整流電路中，電流只含有 n次奇次諧波，但高次諧波的振幅值只有基波振幅值的 1/n，這說(shuō)明諧波次數(shù)越高，其振幅值越小。在多相整流電路中，諧波 的影響就顯著減少當(dāng)然整流相數(shù)提高，會(huì)使設(shè)備的造價(jià)相應(yīng)提高。 逆變器輸出端的電壓諧波嚴(yán)重地影響了直流到交流變換器的應(yīng)用。但如果用兩臺(tái)逆變器 10 輸出的電壓在副邊疊加，使兩臺(tái)逆變器的輸出波形每半周內(nèi)都保持 6個(gè)間隙，然后第二臺(tái)逆變器輸出波形相對(duì)第一臺(tái)逆變器輸出波形相移 36176。，這樣第一臺(tái)逆變器的輸出波形中的五次諧波和第二臺(tái)逆變器輸出波形中的五次諧波的相位差為 180176。，五次諧波在變壓器副邊互相抵消，達(dá)到了同時(shí)消除三次和五次諧波的目的，逆變器輸出電壓波形接近于正弦波。 采用 PWM在所需的頻率周 期內(nèi)，將直流電壓調(diào)制成等幅不等寬的系列交流輸出電壓脈沖可以達(dá)到抑制諧波的目的。抑制和消除諧波的另一大類方法是在電力電子裝置的交流側(cè)利用LC無(wú)源濾波器和電力有源濾波器對(duì)諧波電流分別提供頻域諧波補(bǔ)償和時(shí)域諧波補(bǔ)償。這類方法屬于對(duì)己產(chǎn)生的諧波進(jìn)行有效抑制的方法。 LC無(wú)源濾波器是一種常用的諧波補(bǔ)償裝置。它的基本工作原理是利用 LC諧振回路的特點(diǎn)抑制向電網(wǎng)注入的諧波電流。當(dāng)諧振回路的諧振頻率和某一高次諧波電流頻率相同時(shí)，則可將該次諧波電流濾除，使其不會(huì)進(jìn)入電網(wǎng)。多個(gè)不同諧振頻率的諧振回路可溥除多個(gè) 高次諧波電流，這種方法簡(jiǎn)單易行。 在網(wǎng)側(cè)投入無(wú)功補(bǔ)償裝置是用來(lái)補(bǔ)償由諧波造成的無(wú)功功率，提高功率因數(shù)。另外，無(wú)功補(bǔ)償裝置中電感和電容的合理設(shè)置，可在某次頻率產(chǎn)生諧振，即可對(duì)該頻率的諧波實(shí)現(xiàn)濾波。傳統(tǒng)的固定電容器和晶閘管控制電抗器的無(wú)功補(bǔ)償裝置已經(jīng)落后，近年來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是采用 GTO構(gòu)成的換向變流器，通常稱為靜止無(wú)功發(fā)生器 (SVG)，它既可提供滯后的無(wú)功功率，又可提供超前的無(wú)功功率。如果單純用于補(bǔ)償無(wú)功，可用移相多重聯(lián)結(jié)的方法來(lái)降低其補(bǔ)償電流中的諧波。再使用適當(dāng)?shù)目刂品椒?，別可在補(bǔ)償無(wú)功功率的 同時(shí)對(duì)諧波電流進(jìn)行補(bǔ)償。 如上所述的 LC濾波器及靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置雖然能減少諧波分量，抑制某些諧波，但卻不能對(duì)變化的高次諧波動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，人們將濾波研究方向逐步轉(zhuǎn)向有源濾波器。早在 1971年日本 ，由當(dāng)時(shí)是采用線性放大器來(lái)抑制諧波電流，效率低，在實(shí)際電力系統(tǒng)中并無(wú)實(shí)用價(jià)值。之后于1976年，美國(guó)西屋電氣公司的 PMW變流器構(gòu)成的電力有源濾波器，并確立了有源補(bǔ)償抑制無(wú)功與高 次諧波的概念。這些采用 PWM變流器構(gòu)成的電力諧波抑制裝置已成為當(dāng)今有源濾波器基本結(jié)構(gòu)。然而，在 70年代由于缺少大功率快速器件，因此對(duì)電力有 11 源濾波器的研究，幾乎沒有超出實(shí)驗(yàn)室的范圍。進(jìn)入 80年代以來(lái)，隨著大功率晶體管 (GRT)、大功率門極可關(guān)斷晶閘管 (GTO)和靜電感應(yīng)閘管 (ST)等器件的快速發(fā)展，電力有源濾波器的研究開始活躍起來(lái)，并且正朝著實(shí)用化的方向發(fā)展。在發(fā)展過(guò)程中取得的有代表意義的成果有： 1983年日本長(zhǎng)崗科技大學(xué)的 ，這一理論為電壓型有源濾波器的控制提供了一個(gè)諧波補(bǔ)償 電流的基本算法，并研制出 7KVA的瞬時(shí)無(wú)功和高次諧波補(bǔ)償器。采用 4個(gè)三相 PWM電壓型四象限變流器四重聯(lián)接，以提高系統(tǒng)的工作頻率。用于補(bǔ)償20KVA三相整流器在交流側(cè)所產(chǎn)生的高次諧波和無(wú)功電流，補(bǔ)償效果較好，證明了有源高次諧波補(bǔ)償器的可行性和實(shí)用性。 無(wú)源電力濾波器分類 無(wú)源電力濾波器 (Passive Power Filter， PPF， PF)又稱 LC濾波器，是由電容元件、電感元件和電阻元件按照一定的參數(shù)配置，一定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接而成。無(wú)源電力濾波器是目前廣泛采用的諧波抑制手段。濾除諧波原理實(shí)質(zhì)是為電路中的 諧波提供一條釋放路徑，即保留基波而使諧波短路，使諧波可以通過(guò)濾波器直接流回諧波源而不注入系統(tǒng)。濾波器設(shè)置在需要濾除的諧波頻率上使感抗和容抗相等而抵消，通常稱為調(diào)諧。無(wú)源濾波器分為單調(diào)諧濾波器、高通濾波器及雙調(diào)諧濾波器。 圖 (a)為單調(diào)諧濾波器原理圖，濾波器對(duì) n次諧波 )( sn n?? ? 的阻抗為： )1( CnLnjRZ ssfnfn ?? ??? (213) 式 (213)中：下標(biāo) nf 表示第 n次單調(diào)諧濾波器。 (a) (b) 圖 單調(diào)諧濾波器電路原理圖及阻抗特性 12 由式 (213)畫出濾波器阻抗隨頻率變化的關(guān)系曲線，如圖 (b)所示。單調(diào)諧濾波器是利用串聯(lián) L、 C諧振原理構(gòu)成的，諧振次數(shù) n為： LCsn ?1? (214) 在諧振點(diǎn)處， fnfn RZ ? ，因 fnR 很小， n次諧波電流主要由 fnR 分流，很少流入電網(wǎng)中。而對(duì)于其他次數(shù)的諧波， fnfn RZ ?? ，諧波器分流很少。因此，簡(jiǎn)單地說(shuō)，只要將濾波器的諧振次數(shù)設(shè)定為需要濾除的諧波次數(shù)一樣，則該次諧波將大部分流入濾波器，從而起到濾除該次諧波的目的。 雙調(diào)諧濾波器如圖 。它有兩個(gè)諧振頻率，能同時(shí)吸收兩個(gè)頻率的諧波，其作用等效于兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器。雙調(diào)諧濾波器的阻抗特性可以看作由上段 L C Z1組成串聯(lián)阻抗 Z1和下段 L R2與 C R3組成并聯(lián)阻抗 Z2，則濾波器阻抗為 21 ZZZ ?? 。采用雙調(diào)諧濾波器代替兩個(gè)單調(diào)諧濾波器，可以減少基波損耗，降低 L2上的沖擊電壓。 雙調(diào)諧濾波器正常運(yùn)行時(shí)，由于并聯(lián)支路的基波阻抗比串聯(lián)支路的基波阻抗小得多，因此并聯(lián)支路所承受的基波電壓遠(yuǎn)小于串聯(lián)支路所承受的基波電壓。 由于雙調(diào)諧濾波器比兩個(gè)單調(diào)諧濾波器成本低，近年來(lái)在一些高壓直流輸電工程得到了應(yīng)用。目前已有國(guó)外公司開發(fā)出三調(diào)諧濾波器并在高壓直流輸電工程應(yīng)用。 圖 雙調(diào)諧濾波器原理圖 電網(wǎng)中高次諧波含量較低，同時(shí)由于高次諧波遇到的諧波阻抗大 (系統(tǒng)阻抗一般是感性的 )，因此濾除高次諧波時(shí)不采用調(diào)諧濾波器，為了降低成本，通常采用高通濾波器濾除諧波， 13 高通濾波器對(duì)所有的高 次諧波阻抗均較小，可以將某一頻率以上的諧波濾除。高通濾波器又稱減幅濾波器可分為：一階高通濾波器、二階高通濾波器、三階高通濾波器和 C型高通濾波器，如圖 。 圖 各種型式的高通濾波器 有源電力濾波器分類 ， APF可以分為直流 APF和交流 APF兩大類：直流 APF主要用來(lái)消除高壓直流輸電系統(tǒng)換流站直流側(cè)的諧波，其研究較少，應(yīng)用也較少；交流 APF主要用于交流電力系統(tǒng)，是目前研究主要對(duì)象。 ，可以分為單個(gè)主電路有源電力濾波器和多重化即混合型主電路有源電力 濾波器。后者可以增大有源電力濾波器的容量，提高等效開關(guān)頻率，減小單個(gè)器件的開關(guān)損耗，改善補(bǔ)償電流的跟隨特性 . 由于電網(wǎng)與 APF及 APF與 PPF之間存在著諧波通道，特別是 APF與 PPF之間諧波通道，可能使 APF注入的諧波電流又流入 PPF和系統(tǒng)中，特別是在公共連接點(diǎn) (PCC)的電網(wǎng)諧波電壓較高，即背景諧波較大時(shí)尤甚， PPF有過(guò)載燒壞的危險(xiǎn)。所以較好方法是 APF和 PPF按頻率分段完成濾波功能，即由 PPF濾除低次 ,APF濾除高次諧波，或者反之。 PPF由多組單調(diào)諧濾波器及高通濾波器組成 ,用于濾除負(fù)載中占主要成分的低次 諧波； APF采用高頻變流器，濾除剩余的高次諧波電流，由于高次諧波電流幅值較小，故 APF容量可以大大降低。 、串聯(lián)型、串并聯(lián)型以及混合型。并聯(lián)型 APF可以看作電流源，它通過(guò)注入補(bǔ)償電流來(lái)補(bǔ)償電流型負(fù)載的諧波、無(wú)功和負(fù)序電流；串聯(lián)型APF主要消除電壓型諧波源對(duì)系統(tǒng)的影響。與并聯(lián)型 APF相比，由于串聯(lián)型 APF中流過(guò)的是正常負(fù)載電流，因此損耗較大。為了提高 APF的容量、提高其性能降低其成本，可將并聯(lián)型 14 或串聯(lián)型有源電力濾波器與無(wú)源 LC濾波器混合使用，組成混合型有源電力濾波器。由 赤木泰文等提出的統(tǒng)一電能調(diào)節(jié)器 (Unified Power Quality Conditioner，縮寫 UPQC)，它實(shí)際上是并聯(lián)型 APF、串聯(lián)型 APF和 LC調(diào)諧波濾波器三者的組合，在該使用方式中，串聯(lián)型有源電力濾波器起到調(diào)整電源電壓和諧波隔離的作用；并聯(lián)型有源電力濾波器則主要起到諧波電流和無(wú)功補(bǔ)償作用。統(tǒng)一電能質(zhì)量調(diào)節(jié)器在柔性交流輸電 (FACTS)中得到廣泛應(yīng)用。 ，有源電力濾波器可分為電壓型和電流型，電壓型有源電力濾波器的主電路直流側(cè)接有大電容，在正常工作時(shí)，其電壓基本保 持不變；電流型有源電力濾波器的主電路直流側(cè)接有大電感，在正常工作時(shí)，其電流基本保持不變。與電壓型APF 相比，電流型 APF 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是，不會(huì)由于主電路開關(guān)器件的直通而發(fā)生斷路故障，但是，電流型 APF 的直流側(cè)大電感上始終有電流流過(guò)，該電流將在大電感的內(nèi)阻上產(chǎn)生較大的損耗，因此目前較少使用。 電流型 PWM 逆變電路和電壓型 PWM 逆變電路的作用是產(chǎn)生非正弦電流來(lái)補(bǔ)償非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流。電壓型 PWM 變流器在它的直流側(cè)有一個(gè)大電容，由于其輕便且特性較好，所以應(yīng)用較為廣泛。結(jié)構(gòu)如圖 和圖 所示，本文采用圖 所示的結(jié)構(gòu)。 電流型有源電力濾波器和電壓型有源電力濾波器主要區(qū)別是直流側(cè)的儲(chǔ)能件不同。在大容量時(shí)，電壓型有源電力濾波器的電容型儲(chǔ)能元件的體積和成本隨補(bǔ)償器視在功率的增大而顯著增加，電流型有源電力濾波器的電感型儲(chǔ)能元 件的體積和成本隨補(bǔ)償器視在功率的增加變化不大。所以電壓型有源電力濾波器主要適用于低壓配電系統(tǒng)中進(jìn)行無(wú)功和諧波補(bǔ)償，電流型有源電力濾波器則可用于高壓供電系統(tǒng)的無(wú)功和諧波補(bǔ)償。 圖 三相電壓型 PWM變流器 圖 三相電流型 PWM變流器 ，可以分為單相有源電力濾波器和三相有源電力濾波器，三相有源電力濾波器又可分為三相三線制有源電力濾波器和三相四線制有源電力濾波器。 15 非線性負(fù)荷諧波源分析 所謂“諧波源”，通常是指各類特定的用電設(shè)備，即非線性設(shè)備，或稱非線性電力負(fù)荷，諧波源分為諧波電流源和諧波電壓源，這是諧波產(chǎn)生的根本原因。 電力系統(tǒng)中，正弦供電電壓加在非線性設(shè)備上就會(huì)產(chǎn)生非正弦電流或者正弦供電電流通過(guò)非線性設(shè)備也會(huì)導(dǎo)致非正弦電壓。舉個(gè)例子：有個(gè)正弦電壓 tVtv m ?sin)( ? ，當(dāng)該電壓加在電感 L上時(shí)，就會(huì)有 dtLditv ?)( ，如果 L不是常數(shù)，那么 )(ti 就是非正弦電流，即有諧波電流存在。 諧波源通?？梢苑譃閮纱箢悾阂活愂呛须娀『丸F磁的非線性諧波源，如電氣化鐵道、電弧爐、變壓器及數(shù)量很大的電子節(jié)能設(shè)備，家用電器等典型非線性負(fù)載，即使供給理想的正弦波電壓，它們也將產(chǎn)生非正弦電流。且諧波成分基本上只與其固有的非線 性及工況有關(guān)，而與這些負(fù)載的內(nèi)部阻抗的變化幾乎無(wú)關(guān)；另一類是含有半導(dǎo)體元件的各種電力電子設(shè)備，如整流器、逆變器、靜止無(wú)功補(bǔ)償器、變頻器、高壓直流輸