電力電子諧波的抑制措施歸納

吳桐

摘 要：電力電子技術(shù)在為人類帶來各種好處的同時(shí)，也存在著諧波危害。文章歸納了多種諧波抑制的措施，并對(duì)其進(jìn)行了分析和探討。希望能夠?qū)窈笾C波抑制的研究起到拋磚引玉的作用。

關(guān)鍵詞：諧波；多重化；脈寬調(diào)制；濾波器；無功補(bǔ)償

中圖分類號(hào)：TM714 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）23-0111-02

近年來，電力電子技術(shù)飛速發(fā)展，越來越多的電力電子裝置被研發(fā)并且廣泛應(yīng)用在電力系統(tǒng)、工業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、節(jié)能環(huán)保、家庭等眾多領(lǐng)域。電力電子技術(shù)已經(jīng)成為國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)生活建設(shè)中不可缺少的技術(shù)之一。然而，在電力電子技術(shù)帶給人們便利的同時(shí)，也帶來了諧波問題。

根據(jù)文獻(xiàn)[1]諧波會(huì)對(duì)各種用電設(shè)備產(chǎn)生不利影響，使其不能正常工作。還會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成污染，引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，使原本較小的諧波放大，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量，甚至發(fā)生嚴(yán)重的事故等?？傊C波的危害不容小覷。因此，對(duì)電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波的抑制技術(shù)是十分重要的，現(xiàn)對(duì)電力電子技術(shù)中的幾種有效的諧波抑制措施作以下探討與分析。

1 削弱諧波源法

電力電子器件是主要的諧波源，改進(jìn)電力電子裝置就是從源頭降低諧波含量，從而降低注入電網(wǎng)的諧波含量，改善供電質(zhì)量。如果電力電子器件產(chǎn)生極其微弱的諧波或者不產(chǎn)生諧波，那么對(duì)諧波補(bǔ)償裝置的要求會(huì)隨之降低，甚至不再需要諧波補(bǔ)償裝置，這樣就會(huì)大大節(jié)省諧波補(bǔ)償方面所需的人力和物力。

1.1 多重化電路法

此方法適用于減少整流和逆變電路中的諧波。

1.1.1 多重化整流電路

對(duì)于整流電路來說，將幾個(gè)整流電路多重化聯(lián)結(jié)可以減少交流側(cè)輸入電流諧波。此方法的關(guān)鍵是利用變壓器二次側(cè)繞組的不同接法，使二次繞組產(chǎn)生移相。例如：根據(jù)文獻(xiàn)[1]使兩組三項(xiàng)交流電源間相位錯(cuò)開30 °，從而使輸出整流電壓ud在每個(gè)交流電源周期中脈動(dòng)12次，故該電路為12脈波整流電路。同理，若使三組交流電源移相20 °，則整流電壓ud在每個(gè)電源周期內(nèi)脈動(dòng)18次，構(gòu)成18脈波整流電路。

以此類推，隨著整流電壓在每個(gè)交流電源周期中脈動(dòng)次數(shù)的增加，交流側(cè)輸入電流中的諧波含量減少。

1.1.2 多重化逆變電路

對(duì)于逆變電路來說，多重化電路法的特點(diǎn)是按照一定的相位差，將若干個(gè)逆變電路的輸出組合起來（組合的方式可以是串聯(lián)，也可以是并聯(lián)，串聯(lián)方式多用于電壓型逆變電路，并聯(lián)方式多用于電流型逆變電路），使它們各自輸出中所含有的部分諧波分量通過相位差相互抵消。

1.2 多電平逆變器法

最早出現(xiàn)的是兩電平逆變器，1981年三電平逆變器被日本長岡大學(xué)教授Nabae A.等人提出，三電平逆變器輸出的諧波可大大少于兩電平逆變器輸出的諧波。隨后隨著級(jí)聯(lián)數(shù)目的增加，輸出電壓或電流的電平數(shù)增加，從而使得輸出電壓或電流中的諧波含量減小。

多電平逆變電路的相電壓可以輸出多種電平，使其波形更加接近正弦波。多電平逆變電路有中點(diǎn)鉗位型逆變電路、飛跨電容型逆變電路和單元串聯(lián)多電平逆變電路等。其中飛跨電容型逆變電路由于較難控制且電容使用數(shù)目較多，使用得較少。中點(diǎn)鉗位型逆變電路和單元串聯(lián)多電平逆變電路與多重化逆變電路的消諧機(jī)理類似。現(xiàn)以單元串聯(lián)多電平逆變電路為例，介紹多電平電路對(duì)諧波的抑制作用以及優(yōu)缺點(diǎn)。

1.3 三相整流變壓器采用Y，d或D，y的接線方式

此種方法可以抑制3的倍數(shù)次的高次諧波，也可以作為隔離變壓器使用?？梢钥闯?，Y，d和D，y兩種接線方式中都有一邊的繞組采用三角形接線方式。當(dāng)諧波電流通過電力電子器件流到三相整流變壓器時(shí)，會(huì)導(dǎo)致變壓器鐵心內(nèi)產(chǎn)生3的倍數(shù)次的諧波磁通，該磁通在三角形連接的繞組內(nèi)產(chǎn)生3的倍數(shù)次諧波電動(dòng)勢(shì)，從而產(chǎn)生3的倍數(shù)次并且相位相同的高次諧波電流。這些高次諧波電流在三角形繞組內(nèi)產(chǎn)生環(huán)流，并且伴有熱量產(chǎn)生，使大部分的高次諧波電流被消耗。剩余部分的高次諧波電流會(huì)使鐵芯中產(chǎn)生高次磁通，而在三相三柱式變壓器中，沒有能夠?yàn)楦叽沃C波電流引起的高次磁通提供回路的磁路，使得高次磁通只能通過氣隙形成磁回路，從而大大地被消耗。這樣一來，在三角形接線繞組回路中就不會(huì)產(chǎn)生3的倍數(shù)次的高次諧波電動(dòng)勢(shì)。

另外，電力電子器件中產(chǎn)生的諧波電流流到變壓器星形接線方式的繞組中時(shí)，由于星形接線結(jié)構(gòu)無法為3的倍數(shù)次的高次諧波提供通路，所以諧波電流只能通過氣隙形成通路，從而被大大地消耗。

綜上所述可知，通過Y，d或者D，y繞組連接方式的三相整流變壓器，可以使3的倍數(shù)次的諧波被極大地消耗，而不至于使這些諧波注入公共電網(wǎng)，從而提高了電網(wǎng)的供電質(zhì)量。

1.4 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)

脈寬調(diào)制的基本原理是對(duì)電路開關(guān)器件的通斷進(jìn)行控制，使其輸出一系列幅值相等但寬度不等的脈沖，用這些脈沖來代替所需要的波形。通過脈寬調(diào)制技術(shù)也可以達(dá)到抑制諧波的目的，其中較為有效的辦法有：特定消諧法（SHE）和正弦脈寬調(diào)制法（SPWM）。下面分別介紹這兩種方法。

1.4.1 特定消諧法

特定消諧法是Patel H S和Hoft R C于1973年提出的。為了減少諧波，要盡量使輸出波形成為1/4周期對(duì)稱波形。所謂1/4周期對(duì)稱波形要同時(shí)滿足兩個(gè)條件：

①使波形正負(fù)兩半周鏡對(duì)稱；

②使波形在正半周期內(nèi)前后1/4周期以為軸線對(duì)稱。

得到了1/4周期對(duì)稱波形后，就可以消除特定頻率的諧波。消除特定頻率諧波的數(shù)量與輸出波形半個(gè)周期內(nèi)開關(guān)器件開通和關(guān)斷的次數(shù)有關(guān)，開關(guān)器件每開通或關(guān)斷一次，就對(duì)應(yīng)一個(gè)可以控制的開關(guān)時(shí)刻。其中一個(gè)開關(guān)時(shí)刻控制基波幅值，其余的都可以用來消除某個(gè)頻率的特定諧波。

1.4.2 正弦波脈寬調(diào)制法

正弦波脈寬調(diào)制法是將每一正弦周期內(nèi)的多個(gè)脈沖做自然或規(guī)則的寬度調(diào)制，使其依次調(diào)制出相當(dāng)于正弦函數(shù)值的相位角和面積等效于正弦波的脈沖序列，形成等幅不等寬的正弦化輸出。SPWM的控制可以通過計(jì)算法（包括自然采樣法、規(guī)則采樣法、直接PWM法）、模擬法和專用SPWM集成電路法實(shí)現(xiàn)。

對(duì)于單相全橋逆變器而言，SPWM技術(shù)有3種基本的調(diào)制方式：雙極性SPWM、單極性SPWM和倍頻式SPWM。通過文獻(xiàn)[2]可得：雙極性SPWM的特點(diǎn)是：基波成分與調(diào)制波完全相同，不含偶數(shù)次載波諧波；倍頻式SPWM的特點(diǎn)是：在開關(guān)頻率不變的情況下，等效輸出頻率倍增，奇數(shù)倍諧波被消除；單極性SPWM的特點(diǎn)是：基波成分與調(diào)制波完全相同，諧波出現(xiàn)在載波頻率附近，不含載波諧波。

2 諧波補(bǔ)償裝置法

諧波補(bǔ)償就是將產(chǎn)生諧波的非正弦波電信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，使之成為正弦波電信號(hào)，從而消除諧波。諧波補(bǔ)償裝置大體上可分為三類：一是無源濾波器，二是有源濾波器，三是靜止無功補(bǔ)償器。

2.1 無源濾波器

無源濾波器又稱LC濾波器，是利用電容、電感、電阻的組合設(shè)計(jì)構(gòu)成的濾波器，是應(yīng)用最早的諧波補(bǔ)償裝置。無源濾波器具有成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。無源濾波器又分為調(diào)諧濾波器和高通濾波器。

2.1.1 諧調(diào)濾波器

調(diào)諧濾波器又分為單調(diào)諧濾波器和雙調(diào)諧濾波器。根據(jù)文獻(xiàn)[3]雙調(diào)諧濾波器可以等效為兩個(gè)單調(diào)諧濾波器并聯(lián)，可按兩個(gè)單調(diào)諧濾波器分別設(shè)計(jì)。兩個(gè)濾波器的調(diào)諧頻率不同，使其調(diào)諧比較困難，應(yīng)用受到限制。單調(diào)諧濾波器在設(shè)計(jì)時(shí)，需要確定濾波電容、濾波電感、濾波電阻的參數(shù)，還要選擇合適的調(diào)諧銳度值以獲得最佳濾波效果。

2.1.2 高通濾波器

在各種高通濾波器中，二階高通濾波器的應(yīng)用最為廣泛。高通濾波器的設(shè)計(jì)一要確定所要濾除諧波的諧波次數(shù)，二要確定濾波器的各個(gè)參數(shù)。濾波器參數(shù)的選擇包括諧波電容、諧波電感、諧波電阻的選擇。

由于高通濾波器通常與單調(diào)諧濾波器并用，一般選擇略高于單調(diào)諧濾波器的最高特征諧波頻率為高通濾波器的截止頻率。

2.2 有源濾波器

含有有源器件的濾波器叫做有源濾波器。有源濾波器可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)跟蹤補(bǔ)償，既能補(bǔ)償諧波，又能補(bǔ)償無功功率。

2.3 靜止無功補(bǔ)償器

靜止無功補(bǔ)償器是采用全控型電力電子器件組成變流器來進(jìn)行無功補(bǔ)償?shù)难b置，也稱靜止無功發(fā)生器，于20世紀(jì)70年代興起，現(xiàn)在被廣泛用于電力系統(tǒng)負(fù)荷補(bǔ)償、消除電網(wǎng)諧波等方面。

3 結(jié) 語

本文介紹了多種諧波的治理措施，對(duì)改進(jìn)電力電子裝置和增設(shè)濾波器兩大類中的多種方法進(jìn)行了分析和探討。這些抑制諧波的措施各有優(yōu)點(diǎn)和不足，使用的場合也不盡相同，要視具體情況采取不同的措施。不同的抑制措施之間配合使用的情況也很普遍，雖然這樣的電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，但是這樣綜合了不同消諧措施的優(yōu)點(diǎn)，彌補(bǔ)了各自的不足，使消諧效果更好。

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