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關(guān)于電力電子裝置諧波問題的綜述
摘要：隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，諧波的危害已越來越嚴(yán)重，諧波治理問題已經(jīng)迫在眉睫。對(duì)電力電子裝置諧波源進(jìn)行了分析和總結(jié)，指出了其危害及相應(yīng)的諧波管理原則和綜合治理方法，并對(duì)諧波治理工作進(jìn)行了展望。引言
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子裝置的廣泛應(yīng)用給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染。各種電力電子設(shè)備在運(yùn)輸、冶金、化工等諸多工業(yè)交通領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，使電網(wǎng)中的諧波問題日益嚴(yán)重，許多低功率因數(shù)的電力電子裝置給電網(wǎng)帶來額外負(fù)擔(dān)并影響供電質(zhì)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(shù)發(fā)展的重大障礙。故抑制諧波污染，提高功率因數(shù)的研究已成為電力電子技術(shù)中的一個(gè)重大課題。本文圍繞這一關(guān)鍵問題，通過對(duì)電力電子諧波源及其危害的認(rèn)識(shí)和分析，從污染和防治的關(guān)系考慮，探討了綜合治理的方法，最后對(duì)諧波綜合治理的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。
1 電力電子裝置——最主要的諧波源
非線性負(fù)荷是個(gè)諧波源，它引起電網(wǎng)電壓畸變，使電壓中帶有整數(shù)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(guān)設(shè)備等，另外還有電力系統(tǒng)內(nèi)部的變流設(shè)備，如直流輸電的整流閥和逆變閥等。下面對(duì)其產(chǎn)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(yīng)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(shù)倍的高次諧波電流的合成波形。由傅氏級(jí)數(shù)求得矩形波中的高次諧波分量In與基波分量I1之比最大為1/n，隨著觸發(fā)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(shì)。
此外，現(xiàn)有研究結(jié)果表明：整流器的運(yùn)行模式對(duì)諧波電流的大小也有直接的影響，因此在考慮調(diào)整整流電壓電流時(shí)，最好要進(jìn)行重疊角、換相壓降以及諧波測算，以便確定安全、經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式；當(dāng)控制角α接近40°，重疊角μ在8°左右時(shí)的情況往往是諧波最嚴(yán)重的狀態(tài)，所以要經(jīng)過計(jì)算，盡量通過正確選擇調(diào)壓變壓器抽頭，避開諧波最嚴(yán)重點(diǎn)[1]。
1.2 交流調(diào)壓器
交流調(diào)壓器多用于照明調(diào)光和感應(yīng)電動(dòng)機(jī)調(diào)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(diào)壓器產(chǎn)生的諧波次數(shù)與整流器基本相同。
1.3 頻率變換器
頻率變換器是AC/AC變換器的代表設(shè)備，當(dāng)用作電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置時(shí)，它含有隨輸出頻率變化的邊頻帶，由于頻率連續(xù)變化，出現(xiàn)的諧波含量比較復(fù)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(cè)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(shí)線所示；反之，當(dāng)電源阻抗比較大時(shí)，其波形為矮而寬的扁平型波形，如圖3(b)虛線所示。
除了上述典型變流裝置會(huì)產(chǎn)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(jī)、電池充電器等。雖然它們單個(gè)的容量不大,但由于數(shù)量很多,因此它們給供電系統(tǒng)注入的諧波分量也不容忽視。
2 諧波的危害
諧波對(duì)公用電網(wǎng)的危害主要包括：
1）使公用電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低了發(fā)電、輸變電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過中性線時(shí)，會(huì)引起線路過熱甚至發(fā)生火災(zāi)；
2）影響各種電氣設(shè)備的正常工作，除了引起附加損耗外，還可使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過電壓，使變壓器局部嚴(yán)重過熱，使電容器、電纜等設(shè)備過熱、絕緣老化、壽命縮短，以致?lián)p壞；
3）會(huì)引起公用電網(wǎng)中局部并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，使前述的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故；
4）會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，并使電氣測量儀表計(jì)量不準(zhǔn)確；
5）會(huì)對(duì)鄰近的通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通信質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通信系統(tǒng)無法正常工作。
3 諧波的管理原則
要提高電能質(zhì)量，必須加強(qiáng)對(duì)諧波的管理。本著限制諧波源向公用電網(wǎng)注入諧波電流，將諧波電壓限制在允許范圍內(nèi)的原則。首先要掌握系統(tǒng)中的諧波源及其分布，限制其諧波在允許范圍內(nèi)方可入網(wǎng)，未達(dá)標(biāo)的必須采取治理措施，以防諧波擴(kuò)散。為此國際電工委員會(huì)（IEC）和美國IEEE都有推薦標(biāo)準(zhǔn)，如IEEE規(guī)定的電流諧波極限標(biāo)準(zhǔn)見表1。我國結(jié)合電網(wǎng)實(shí)際水平并借鑒其他國家標(biāo)準(zhǔn)制定的電壓正弦波形畸變率規(guī)定見表2。
表1諧波電流極限值（IEEE519－1992規(guī)定）
Isc/IL
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