關于電力電子裝置諧波問題的綜述

摘要：隨著電力電子技術的發展，諧波的危害已越來越嚴重，諧波治理問題已經迫在眉睫。對電力電子裝置諧波源進行了分析和總結，指出了其危害及相應的諧波管理原則和綜合治理方法，并對諧波治理工作進行了展望。

關鍵詞：電力電子；諧波；危害；抑制

0 引言

隨著電力電子技術的發展，電力電子裝置的廣泛應用給電力系統帶來了嚴重的諧波污染。各種電力電子設備在運輸、冶金、化工等諸多工業交通領域的廣泛應用，使電網中的諧波問題日益嚴重，許多低功率因數的電力電子裝置給電網帶來額外負擔并影響供電質量，因此，電力電子裝置的諧波污染已成為阻礙電力電子技術發展的重大障礙。故抑制諧波污染，提高功率因數的研究已成為電力電子技術中的一個重大課題。本文圍繞這一關鍵問題，通過對電力電子諧波源及其危害的認識和分析，從污染和防治的關系考慮，探討了綜合治理的方法，最后對諧波綜合治理的發展趨勢進行了展望。

1 電力電子裝置——最主要的諧波源

非線性負荷是個諧波源，它引起電網電壓畸變，使電壓中帶有整數倍基波頻率的分量。作為最主要的諧波源的電力電子裝置主要為各種交直流變流裝置（整流器、逆變器、斬波器、變頻器）以及雙向晶閘管可控開關設備等，另外還有電力系統內部的變流設備，如直流輸電的整流閥和逆變閥等。下面對其產生的諧波情況作一分析。

1.1 整流器

作為直流電源裝置，整流器廣泛應用于各種場合。圖1(a)及圖1(b)分別為其單相和三相的典型電路。在整流裝置中，交流電源的電流為矩形波，該矩形波為工頻基波電流和為工頻基波奇數倍的高次諧波電流的合成波形。由傅氏級數求得矩形波中的高次諧波分量I_n與基波分量I₁之比最大為1/_n，隨著觸發控制角α的減小和換相重疊角μ的增大，諧波分量有減小的趨勢。

(a)單相 (b)三相

圖1 AC/DC整流電路

此外，現有研究結果表明：整流器的運行模式對諧波電流的大小也有直接的影響，因此在考慮調整整流電壓電流時，最好要進行重疊角、換相壓降以及諧波測算，以便確定安全、經濟的運行方式；當控制角α接近40°，重疊角μ在8°左右時的情況往往是諧波最嚴重的狀態，所以要經過計算，盡量通過正確選擇調壓變壓器抽頭，避開諧波最嚴重點[1]。

1.2 交流調壓器

交流調壓器多用于照明調光和感應電動機調速等場合。圖2(a)及圖2(b)分別為其單相和三相的典型電路。交流調壓器產生的諧波次數與整流器基本相同。

(a)單相 (b)三相

圖2 AC/AC交流調壓電路

1.3 頻率變換器

頻率變換器是AC/AC變換器的代表設備，當用作電動機的調速裝置時，它含有隨輸出頻率變化的邊頻帶，由于頻率連續變化，出現的諧波含量比較復雜。

1.4 通用變頻器

通用變頻器的輸入電路通常由二極管全橋整流電路和直流側電容器所組成，如圖3(a)所示，這種電路的輸入電流波形隨阻抗的不同相差很大。在電源阻抗比較小的情況下，其波形為窄而高的瘦長型波形，如圖3(b)實線所示；反之，當電源阻抗比較大時，其波形為矮而寬的扁平型波形，如圖3(b)虛線所示。

(a)輸入電路 (b)輸入電流波形

圖3 通用變頻器

除了上述典型變流裝置會產生大量的諧波以外，家用電器也是不可忽視的諧波源。例如電視機、電池充電器等。雖然它們單個的容量不大,但由于數量很多,因此它們給供電系統注入的諧波分量也不容忽視。