羅明陽

【摘要】隨著電力電子器件的廣泛應(yīng)用，電力系統(tǒng)的諧波問題日益嚴重，對于中高壓系統(tǒng)的諧波問題，大容量混合型有源電力濾波器是有效的治理手段。本文對有源電力濾波器、諧波檢測算法、諧波檢測分析系統(tǒng)等做了簡單介紹。

【關(guān)鍵詞】諧波治理；半導(dǎo)體器件；諧波源；有源電力濾波；無源電力濾波

一、課題的背景及意義

（一）諧波的產(chǎn)生

諧波是由與電力系統(tǒng)相連的各種非線性負載產(chǎn)生的。造成系統(tǒng)正弦波形畸變、產(chǎn)生諧波的設(shè)備和負載都稱為諧波源。這些非線性設(shè)備或負載，向系統(tǒng)注入大量的諧波電流，使電力系統(tǒng)的電壓波形也發(fā)生畸變，電能質(zhì)量降低。按照非線性元件的類型，電力系統(tǒng)諧波源可以分為兩大類：

1.含有半導(dǎo)體器件的電力電子裝置諧波源

隨著電力電子裝置的應(yīng)用越來越廣泛，它已成為公用電網(wǎng)最大的諧波源。在目前主要應(yīng)用的各種電力電子裝置中，整流裝置占的比例是相當(dāng)大的。常見的整流電路都是采用晶閘管相控整流或二極管不控整流，其中以三相橋式和單相橋式整流電路較為常見。帶阻感負載的整流電路產(chǎn)生的諧波污染和較低的功率因數(shù)己被人們熟知。而直流側(cè)采用大電容濾波的整流電路也日益成為嚴重的諧波污染源，雖然其輸入電流的基波分量功率因數(shù)接近1，但其中的諧波分量卻很大，給電網(wǎng)造成了嚴重的污染，也使總的功率因數(shù)很低。

2.含有電弧和鐵磁非線性設(shè)備的諧波源

這類設(shè)備主要包括有旋轉(zhuǎn)電機、變壓器、電弧爐和電焊機等。在電力電子裝置大量推廣應(yīng)用之前，公用電網(wǎng)最主要的諧波源是電力變壓器的勵磁電流，其次是發(fā)電機。變壓器的諧波電流是由其勵磁回路的非線性特性引起的。

（二）諧波的危害

理想的公用電網(wǎng)所提供的電壓應(yīng)該是單一且固定的頻率以及規(guī)定的電壓幅值。諧波的出現(xiàn)，對公用電網(wǎng)來說是一種污染，它使用電設(shè)備所處的電網(wǎng)環(huán)境變差，也對周圍的通信系統(tǒng)和設(shè)備帶來一定的危害。

（三）諧波的治理

諧波治理的措施有三種：一是受端治理，即從受到諧波影響的設(shè)備出發(fā)，提高它們抗諧波干擾能力；二是主動治理，即從諧波源本身出發(fā)，使諧波源盡量不產(chǎn)生諧波；三是被動治理，即外加濾波器，阻礙諧波源產(chǎn)生的諧波注入電網(wǎng)或者阻礙電力系統(tǒng)的諧波流入負載。因被動治理是目前應(yīng)用最多的諧波治理方式，這里著重介紹被動治理。被動治理諧波的措施主要有以下幾種：

1.無源電力濾波器

在諧波源附近或公用電網(wǎng)節(jié)點裝設(shè)單調(diào)諧及高通濾波器，可以吸收諧波電流，同時還可以進行無功功率補償，運行維護也簡單。

2.有源電力濾波器

在諧波源附近和公用電網(wǎng)節(jié)點裝設(shè)并聯(lián)型或串聯(lián)型APF，可以有效地起到補償或隔離諧波的作用，并聯(lián)型還可以進行無功功率補償。

3.混合型有源濾波器

HAPF兼具PPF成本低廉和APF性能優(yōu)越的優(yōu)點，屬于APF的分支和發(fā)展。

二、諧波檢測算法的研究現(xiàn)狀

根據(jù)APF和HAPF的工作原理，要控制功率變換電路產(chǎn)生期望的諧波，首先要通過檢測電路獲取諧波作為控制的參考信號，再利用控制電路產(chǎn)生信號去控制功率變換電路。因此，諧波檢測算法的好壞直接影響到補償精度和補償速度，是APF和HAPF的關(guān)鍵環(huán)節(jié)?，F(xiàn)有諧波檢測算法按原理可分為：

（一）基于瞬時無功功率理論的諧波檢測法

（二）基于傅立葉變換的諧波檢測法

（三）基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的諧波檢測法

（四）基于自適應(yīng)對消原理的諧波檢測法

（五）基于小波分析的諧波檢測法

三、諧波監(jiān)測分析系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

為保證供電質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)和用電設(shè)備的安全正常運行，進行諧波治理之前，必須要了解電網(wǎng)中諧波的次數(shù)及其含量，即必須進行諧波的實時監(jiān)測和分析。目前，我國諧波分析儀的研制工作也取得了一定成果。用單臺微機監(jiān)測多條線路，并將諧波檢測、分析及故障錄波集成于一體，實現(xiàn)一臺微機監(jiān)測多條線路的諧波并進行故障錄波，具有價廉、實用的特點。同時，無人監(jiān)控也是現(xiàn)代控制的發(fā)展方向，它使電力監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計必須考慮到無線通信及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用?？梢灶A(yù)計，新一代數(shù)字化、自動化和智能化諧波監(jiān)測分析系統(tǒng)將成為發(fā)展方向。

四、有源電力濾波器的發(fā)展概況

早在70年代初，日本學(xué)者就提出了有源電力濾波器的概念。1976年，美國西屋電氣公司的L.Gyugi提出了用大功率晶閘管組成的PWM逆變器構(gòu)成“有源電力濾波器”來消除電網(wǎng)諧波。其基本原理和電路拓撲結(jié)構(gòu)已確定，但由于受到當(dāng)時功率半導(dǎo)體器件水平及控制策略的限制，有源電力濾波器的研制一直處于試驗階段。直到進入80年代以來，隨著新型電力半導(dǎo)體器件的不斷發(fā)展、脈寬調(diào)制技術(shù)的不斷進步以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出，為有源電力濾波器的實用化提供了必要的條件，使之在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用。近20年來APF技術(shù)得到了長足的改善，越來越多的APF投入運行，不論是實現(xiàn)功能還是運行功率上都有明顯改善。目前，有源電力濾波器已用在提高電能質(zhì)量、電壓波動抑制以及諧波消除和無功補償?shù)葐栴}上，近些年來對有源濾波器的拓撲也進行了較為深入的研究。

在我國，有源電力濾波器的研究起步較晚，對APF的研究始于80年代末期，1989年才見這方面研究的文章。從90年代中期起，我國對APF的研究全面展開，包括諧波檢測、拓撲研究、系統(tǒng)建模、控制方法等都進行了研究。目前，有源電力濾波器研究工作的關(guān)鍵所在是進一步提高有源電力濾波器在生產(chǎn)實踐中的實際應(yīng)用水平，促進科研成果向工業(yè)成型產(chǎn)品的快速轉(zhuǎn)化。

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