電力電子諧波的抑制措施歸納

吳桐

摘 要：電力電子技術在為人類帶來各種好處的同時，也存在著諧波危害。文章歸納了多種諧波抑制的措施，并對其進行了分析和探討。希望能夠對今后諧波抑制的研究起到拋磚引玉的作用。

關鍵詞：諧波；多重化；脈寬調制；濾波器；無功補償

中圖分類號：TM714 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）23-0111-02

近年來，電力電子技術飛速發展，越來越多的電力電子裝置被研發并且廣泛應用在電力系統、工業生產、交通運輸、節能環保、家庭等眾多領域。電力電子技術已經成為國民經濟建設和社會生活建設中不可缺少的技術之一。然而，在電力電子技術帶給人們便利的同時，也帶來了諧波問題。

根據文獻[1]諧波會對各種用電設備產生不利影響，使其不能正常工作。還會對電網造成污染，引起電網中局部的并聯諧振和串聯諧振，使原本較小的諧波放大，影響電網的供電質量，甚至發生嚴重的事故等。總之，諧波的危害不容小覷。因此，對電力電子裝置所產生的諧波的抑制技術是十分重要的，現對電力電子技術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，從而降低注入電網的諧波含量，改善供電質量。如果電力電子器件產生極其微弱的諧波或者不產生諧波，那么對諧波補償裝置的要求會隨之降低，甚至不再需要諧波補償裝置，這樣就會大大節省諧波補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

對于整流電路來說，將幾個整流電路多重化聯結可以減少交流側輸入電流諧波。此方法的關鍵是利用變壓器二次側繞組的不同接法，使二次繞組產生移相。例如：根據文獻[1]使兩組三項交流電源間相位錯開30 °，從而使輸出整流電壓ud在每個交流電源周期中脈動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在每個電源周期內脈動18次，構成18脈波整流電路。

以此類推，隨著整流電壓在每個交流電源周期中脈動次數的增加，交流側輸入電流中的諧波含量減少。

1.1.2 多重化逆變電路

對于逆變電路來說，多重化電路法的特點是按照一定的相位差，將若干個逆變電路的輸出組合起來（組合的方式可以是串聯，也可以是并聯，串聯方式多用于電壓型逆變電路，并聯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

最早出現的是兩電平逆變器，1981年三電平逆變器被日本長岡大學教授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。隨后隨著級聯數目的增加，輸出電壓或電流的電平數增加，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鉗位型逆變電路、飛跨電容型逆變電路和單元串聯多電平逆變電路等。其中飛跨電容型逆變電路由于較難控制且電容使用數目較多，使用得較少。中點鉗位型逆變電路和單元串聯多電平逆變電路與多重化逆變電路的消諧機理類似。現以單元串聯多電平逆變電路為例，介紹多電平電路對諧波的抑制作用以及優缺點。

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的倍數次的高次諧波，也可以作為隔離變壓器使用。可以看出，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。當諧波電流通過電力電子器件流到三相整流變壓器時，會導致變壓器鐵心內產生3的倍數次的諧波磁通，該磁通在三角形連接的繞組內產生3的倍數次諧波電動勢，從而產生3的倍數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產生環流，并且伴有熱量產生，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使鐵芯中產生高次磁通，而在三相三柱式變壓器中，沒有能夠為高次諧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產生3的倍數次的高次諧波電動勢。

另外，電力電子器件中產生的諧波電流流到變壓器星形接線方式的繞組中時，由于星形接線結構無法為3的倍數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，從而提高了電網的供電質量。

1.4 脈寬調制（PWM）技術

脈寬調制的基本原理是對電路開關器件的通斷進行控制，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。通過脈寬調制技術也可以達到抑制諧波的目的，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周期對稱波形。所謂1/4周期對稱波形要同時滿足兩個條件：

①使波形正負兩半周鏡對稱；

②使波形在正半周期內前后1/4周期以為軸線對稱。

得到了1/4周期對稱波形后，就可以消除特定頻率的諧波。消除特定頻率諧波的數量與輸出波形半個周期內開關器件開通和關斷的次數有關，開關器件每開通或關斷一次，就對應一個可以控制的開關時刻。其中一個開關時刻控制基波幅值，其余的都可以用來消除某個頻率的特定諧波。

1.4.2 正弦波脈寬調制法

正弦波脈寬調制法是將每一正弦周期內的多個脈沖做自然或規則的寬度調制，使其依次調制出相當于正弦函數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的控制可以通過計算法（包括自然采樣法、規則采樣法、直接PWM法）、模擬法和專用SPWM集成電路法實現。

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

2 諧波補償裝置法

諧波補償就是將產生諧波的非正弦波電信號進行補償，使之成為正弦波電信號，從而消除諧波。諧波補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、電阻的組合設計構成的濾波器，是應用最早的諧波補償裝置。無源濾波器具有成本低廉、結構簡單、運行可靠等優點。無源濾波器又分為調諧濾波器和高通濾波器。

2.1.1 諧調濾波器

調諧濾波器又分為單調諧濾波器和雙調諧濾波器。根據文獻[3]雙調諧濾波器可以等效為兩個單調諧濾波器并聯，可按兩個單調諧濾波器分別設計。兩個濾波器的調諧頻率不同，使其調諧比較困難，應用受到限制。單調諧濾波器在設計時，需要確定濾波電容、濾波電感、濾波電阻的參數，還要選擇合適的調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用最為廣泛。高通濾波器的設計一要確定所要濾除諧波的諧波次數，二要確定濾波器的各個參數。濾波器參數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諧濾波器并用，一般選擇略高于單調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。有源濾波器可以實現動態跟蹤補償，既能補償諧波，又能補償無功功率。

2.3 靜止無功補償器

靜止無功補償器是采用全控型電力電子器件組成變流器來進行無功補償的裝置，也稱靜止無功發生器，于20世紀70年代興起，現在被廣泛用于電力系統負荷補償、消除電網諧波等方面。

3 結 語

本文介紹了多種諧波的治理措施，對改進電力電子裝置和增設濾波器兩大類中的多種方法進行了分析和探討。這些抑制諧波的措施各有優點和不足，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，雖然這樣的電路結構比較復雜，但是這樣綜合了不同消諧措施的優點，彌補了各自的不足，使消諧效果更好。

參考文獻：

[1] 王兆安，劉進軍.電力電子技術（第5版）[M].北京：機械工業出版社，

2009.

[2] 王立喬.正弦波逆變器脈寬調制技術的調制模型分析[J].電力系統自 動化，2008，32（17）：45-49.

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[4] 鄭同江.電力電子裝置的諧波危害及其抑制對策[J].天津理工學院學 報，1999，15（1）：26-29.

[5] 高聰哲，姜新建，李永東.基于級聯有源濾波器與靜止無功補償器的綜 合補償控制方案[J].電力系統自動化，2012，36（7）：92-98.