在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中，隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種非線性用電設(shè)備廣泛應(yīng)用，如變頻器、整流器、開關(guān)電源等。這些設(shè)備在運(yùn)行過程中會向電網(wǎng)注入大量的高次諧波，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、電能質(zhì)量以及電氣設(shè)備的正常工作都帶來了嚴(yán)重威脅。因此，研究和應(yīng)用抑制電源高次諧波的先進(jìn)技術(shù)具有至關(guān)重要的現(xiàn)實(shí)意義。

高次諧波的產(chǎn)生與危害

高次諧波的產(chǎn)生

高次諧波主要源于電力系統(tǒng)中的非線性負(fù)荷。當(dāng)正弦波電壓施加于非線性負(fù)荷時(shí)，其電流不再是正弦波，除了基波成分外，還包含一系列頻率為基波整數(shù)倍的高次諧波。以常見的整流裝置為例，二極管或晶閘管整流器在工作時(shí)，電流呈脈沖狀，導(dǎo)致輸入電流波形嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生大量高次諧波。此外，電弧爐、電焊機(jī)等設(shè)備在運(yùn)行過程中也會因自身的非線性特性產(chǎn)生高次諧波。

高次諧波的危害

高次諧波對電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備的危害是多方面的。首先，高次諧波會使電力電容器以及與之相串聯(lián)的電抗器過電流、過熱，發(fā)出異常聲響，甚至損壞，嚴(yán)重影響電容器和電抗器的使用壽命。其次，高次諧波會使變壓器和電機(jī)產(chǎn)生附加損耗、局部過熱，產(chǎn)生附加力矩而造成振動，發(fā)出異常聲響，降低設(shè)備的運(yùn)行效率和可靠性。再者，高次諧波幅值過大會引起繼電器、控制電器和計(jì)算機(jī)誤動作，影響電力系統(tǒng)的正常控制和保護(hù)功能。此外，高次諧波還會干擾鄰近的通信系統(tǒng)，使電磁兼容性問題變得更加突出，同時(shí)引起計(jì)量儀表計(jì)量誤差，造成電費(fèi)收費(fèi)不合理。

抑制電源高次諧波的先進(jìn)技術(shù)

有源濾波器(APF)

有源濾波器是一種可動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置。其工作原理是通過實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)中的諧波電流，然后利用可控的功率半導(dǎo)體器件(如 IGBT)產(chǎn)生與諧波電流大小相等、方向相反的補(bǔ)償電流，注入到電網(wǎng)中，從而抵消諧波電流，使電網(wǎng)電流只含基波分量。與傳統(tǒng)的無源濾波器相比，有源濾波器具有高度可控性和響應(yīng)性，能對頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，補(bǔ)償性能不受電網(wǎng)阻抗的影響。此外，有源濾波器還具備一機(jī)多能的特點(diǎn)，既能補(bǔ)償各次諧波，亦能抑制閃變、補(bǔ)償無功。在實(shí)際應(yīng)用中，有源濾波器可根據(jù)不同的負(fù)載特性和諧波情況，采用并聯(lián)型、串聯(lián)型或混合型等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)最佳的諧波抑制效果。

無源濾波器

無源濾波器由電容、電感和電阻等無源器件組成，通過對特定頻率諧波進(jìn)行旁路或阻斷，達(dá)到抑制諧波的目的。常見的無源濾波器有單調(diào)諧濾波器、雙調(diào)諧濾波器和高通濾波器。單調(diào)諧濾波器對某次諧波呈低電阻，因而僅對某次諧波調(diào)諧，其品質(zhì)因數(shù)一般為 30 - 100;雙調(diào)諧濾波器的阻抗特性與兩個(gè)并聯(lián)的單調(diào)諧濾波器的阻抗特性相近似，比較經(jīng)濟(jì)，但調(diào)諧較難;高通濾波器在高于某一頻率的很寬的頻率范圍內(nèi)呈低阻抗，適用于抑制高次諧波。無源濾波器結(jié)構(gòu)簡單、成本低，但只能補(bǔ)償固定頻率諧波，對系統(tǒng)阻抗變化敏感，且可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，無源濾波器通常與有源濾波器配合使用，以取長補(bǔ)短，提高諧波抑制效果。

多脈沖整流器

多脈沖整流器通過增加整流器的脈沖數(shù)，使輸出電流更接近正弦波，從而減少低次諧波的含量。例如，采用 12 脈波或 24 脈波整流器替代 6 脈波整流器，可將諧波含量降低 50% 以上。多脈沖整流器的原理是利用變壓器的不同繞組連接方式，使多個(gè)整流器輸出的直流電壓在相位上相互錯(cuò)開，然后疊加在一起，從而使合成的直流電流中的諧波成分大大減少。多脈沖整流器具有結(jié)構(gòu)相對簡單、可靠性高、成本較低等優(yōu)點(diǎn)，在一些對諧波要求較高的場合得到了廣泛應(yīng)用。

有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)

有源功率因數(shù)校正技術(shù)主要用于改善用電設(shè)備的功率因數(shù)，同時(shí)抑制高次諧波。對于頻繁產(chǎn)生高頻諧波的設(shè)備，如大功率電源、開關(guān)電源等，采用有源功率因數(shù)校正設(shè)備，可在減少諧波產(chǎn)生的同時(shí)提高功率因數(shù)。APFC 技術(shù)通常采用 Boost 升壓電路 + PWM 控制，通過主動調(diào)節(jié)輸入電流，使其跟隨電網(wǎng)電壓波形，達(dá)到接近 1.0 的功率因數(shù)。該技術(shù)具有諧波抑制能力強(qiáng)、能提高輸入電壓利用率、減少對大電容的依賴、降低紋波等優(yōu)點(diǎn)。在實(shí)際應(yīng)用中，APFC 技術(shù)可有效降低用電設(shè)備對電網(wǎng)的諧波污染，提高電力系統(tǒng)的整體運(yùn)行效率。

抑制電源高次諧波的先進(jìn)技術(shù)對于保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行、提高電能質(zhì)量、降低電氣設(shè)備損耗具有重要意義。有源濾波器、無源濾波器、多脈沖整流器和有源功率因數(shù)校正等技術(shù)各有特點(diǎn)和優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體的諧波情況、負(fù)載特性和經(jīng)濟(jì)成本等因素，選擇合適的技術(shù)方案或多種技術(shù)的組合。隨著電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和材料技術(shù)的不斷發(fā)展，相信會有更多先進(jìn)、高效、經(jīng)濟(jì)的諧波抑制技術(shù)涌現(xiàn)，為電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。