主頁 > 技術文章 > 關於電力電（diàn）子（zǐ）裝置（zhì）諧波治理問題的（de）綜述 2025-08-28

關於電力電子裝置諧（xié）波治理（lǐ）問題的綜述

摘要：電能是現代（dài）工業生產的主要能源和動力，也是現代國（guó）民經濟生（shēng）活不可或缺的重要能源，工（gōng）業用電在整個國民經（jīng）濟用（yòng）電量中約占70%以上，電能質量直接（jiē）關係到國民經濟的總體效益。改善電能質（zhì）量對於電網（wǎng）和電器設備的安全（quán）、經濟運行（háng），保障產品質量以及人民生產生活的正（zhèng）常運行（háng）等均有重要意義。隨著非線（xiàn）性負載在電網中應用的不斷增加，給電網造成的諧波汙染日益嚴重，已成為影響電能質量的重要因素之一。從電能質量（liàng）的角度考慮，深入研（yán）究治（zhì）理諧波的途徑，使（shǐ）其在我國盡早滿足實際需要，已成為當務之急。本文首先介紹了（le）諧波汙染情況及其嚴重的危害性，並對電力係（xì）統諧波汙（wū）染問題、電能質量現狀、諧波對電力係（xì）統的危害及治理諧波的途徑加（jiā）以論述。有源濾波器與無源濾波器相比，具有濾波特性好，受電網（wǎng）阻抗影響小，可同時補（bǔ）償諧（xié）波（bō）和無功等優點，將在治理電網（wǎng）諧波方麵發揮重要作用。對我國（guó）諧波治理和發展有源濾波器技術提出幾點看法。
一、電力電（diàn）子裝置諧波治理問題的綜述：
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係統帶來了嚴重的諧波汙染。各種電力電子設備在運輸、冶金、化工等（děng）諸多工業（yè）交通領域的廣泛應用，使電網中（zhōng）的諧波問題日（rì）益嚴重，許多低功率因數的（de）電力電子裝置給電網帶來額外負擔並影響供電質（zhì）量，因此，電（diàn）力電子裝（zhuāng）置的諧波汙染已成為阻礙電力電子技術發展重大障（zhàng）礙。故抑製諧波（bō）汙染，提高（gāo）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（jiàn）問題，通過對電力電子諧波源及其危害的認識和分析，從汙（wū）染和防治的關係考（kǎo）慮，探討了綜合治理的方法，最後（hòu）對諧波（bō）綜合治理的發展趨勢進行了展（zhǎn）望。
1、電力電子裝（zhuāng）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（yā）中帶有整數倍基波頻率的分（fèn）量。作為最主要的諧波源的電力電子裝置主要為各（gè）種交直（zhí）流變流裝置(整流器、逆變器、斬波器、變頻（pín）器)以及雙向晶閘管可控（kòng）開關設（shè）備等，另（lìng）外還有電力係統內部的變流設備，如直流輸電的整流閥和逆（nì）變（biàn）閥（fá）等（děng）。下麵對其產生的諧波情況作一分析。
1.1 整流器 1.3 頻率變換器 4)會導致繼電保護和電力電子自動裝置誤（wù）動作，並使電氣測量儀表計量不準確; ——多脈波變流技（jì）術大功（gōng）率電力電子裝（zhuāng）置（zhì）常將原來6脈（mò）波的變（biàn）流器設（shè）計成12脈波或24脈波（bō）變流（liú）器以減少交流（liú）側的諧波電流含量。理論上講，脈波（bō）越多，對諧波（bō）的（de）抑製效果愈好，但是（shì）脈（mò）波數越多整流變壓器的結構越複雜，體積越大，變流（liú）器的控製和保（bǎo）護變得困難（nán），成本增加。串-並聯（lián）型APF又（yòu）稱為（wéi）電能質量調節器(UPQC)[3]，它具有串、並聯APF的功能（néng），可解（jiě）決（jué）配電（diàn）係統發生的絕大多（duō）數電能質量問題，性價比較（jiào）高。雖（suī）然目前還處於試（shì）驗階段，但從長遠的角度看，它將是一種很有發展前途的有源濾波裝置。
作為直流電源裝置，整流器（qì）廣泛應用於各種場（chǎng）合。在整流裝置中，交流電源的電流為矩形波，該（gāi）矩形（xíng）波為工頻基波電流和為工頻基波奇數倍的高次（cì）諧波電（diàn）流的合成波形。由傅氏級數求得矩形波中的高次諧波分量In與基波分量I1之比（bǐ）最大為（wéi）1/n，隨著觸發（fā）控製角α的（de）減小和換相重疊角（jiǎo）μ的增大，諧波分量有減小（xiǎo）的趨勢。
此外，現有電力電子裝置研究結果表明（míng）：整流器的運行模式對諧波電流的大小也有（yǒu）直接的影響，因此在考慮（lǜ）調整整流電壓電流時，最好要（yào）進行重疊角、換相壓降以及諧波測（cè）算（suàn），以便確定安全、經濟的運行方式;當控（kòng）製角α接近40°，重疊角μ在8°左（zuǒ）右時的情況往往是（shì）諧波最（zuì）嚴重（chóng）的狀態，所以要經過計（jì）算，盡量通過正確選擇調壓變壓器抽頭，避開諧波最（zuì）嚴重點。
1.2 電力電子裝置中交流調壓器：
交流調壓（yā）器多用於照明調光和感應電動機調速等場合。分別為其單相和三相的典型電路。交流調壓器產生的諧（xié）波次數與整流器基本相同。頻率（lǜ）變換器是AC/AC變換器的代表設（shè）備，當用作電動機的調速裝置時，它含有隨（suí）輸出頻率變化的邊頻帶，由於頻率連續變化，出現的諧波（bō）含量比較複雜。
1.4 電力電子裝置中通用變頻器：
通用變頻器的輸入電路通常由二極管全（quán）橋整流電路和直流側電容器所組成（chéng），這種電路的輸入電流波形隨（suí）阻抗的不同相差很大。在電源阻抗比較小的（de）情況下，其波形為窄而（ér）高的瘦長型（xíng）波形，反之，當電源阻抗比較（jiào）大（dà）時，其波形為矮而寬的扁平型波形，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,但由於數量很（hěn）多,因（yīn）此它們給供（gòng）電係統（tǒng）注入的（de）諧波分量也不容忽視。
二、電（diàn）力（lì）電（diàn）子裝置諧波的危害：
諧波對公用電網的危害主要包括（kuò）：
1)使公用電網中的元（yuán）件產生附加的諧波（bō）損耗，降低了發電、輸變電設備的效率（lǜ），大量的3次諧波流過中性線時，會引起線路過熱甚至發生火災;
2)影響各種電氣設備的（de）正常工作（zuò），除了（le）引起附加損耗外，還可使電機產生機械振動、噪聲和過電壓，使（shǐ）變壓器局部嚴重過熱，使電容器、電纜等設備過熱、絕緣老化、壽命縮（suō）短，以致（zhì）損壞;
3)會引起公用電網中局部並聯諧振和（hé）串聯諧振，從而使諧波放大，使前述（shù）的危害大大增加，甚至引起嚴重事故;
5)會對鄰近的通信係統產生幹擾，輕者產（chǎn）生噪聲，降低通信質量，重者導致信息丟（diū）失，使通信（xìn）係（xì）統無法正常工作。
三、諧波的綜合治理：
目前，我（wǒ）國電力係（xì）統對諧波的管理呈（chéng）現“先汙染，後（hòu）治理”的被（bèi）動局（jú）麵，所以如何綜合（hé）治（zhì）理已經成為一個迫在眉睫（jié）的研究課題。關於“綜合”的內涵（hán），有人認為（wéi）用範圍廣泛（fàn）、普（pǔ）遍推廣來描述;也有人認為（wéi）用集合的、一體化的來表述更實際;筆（bǐ）者認為綜合治理（lǐ）的工作（zuò）應包含以下兩方麵:
——加強科學化、法製化管理，——采取有效（xiào）技術措施防範和抑製諧波。
3.1 加強科（kē）學化、法製（zhì）化管理（lǐ），主（zhǔ）要從兩個方麵加強管理：
——普遍采用具有法律約（yuē）束和經濟約束的手段，改變先汙染後治理的被動（dòng）局麵，即應該嚴格按照各類電力設備、電力電子設備的技術（shù）規範中（zhōng）規定（dìng）的諧波含量指標，對其進行評定，如果超（chāo）過（guò）國家規定的（de）指標，不得出廠和（hé）投入電力係統使用;
——供電部門應從全局出發，全麵規劃，采取有力措施加強技術監督與管理，一方麵（miàn）審核尚待投入負（fù）荷（hé）的諧波水（shuǐ）平，另（lìng）一方麵對已投運的（de）諧波源（yuán）負載，要求用戶加（jiā）裝濾波（bō）裝置。
3.2 采取有效的技術措施
目前解決電力電子設備諧波汙染的（de）主要技術（shù）途徑有兩條：
——主動型諧波抑製方案即對電力電子裝置本身進行改進,使其不產生諧波（bō）,或根據需（xū）要對其功率因數進行控製;
——被動型諧（xié）波抑製方案（àn）即諧波負載本身（shēn）不加改變，而是在電力係統或諧波負載的交流側加（jiā）裝無源濾波器（qì）(PF)、有源濾波器(APF)或者混合濾波器(HAPF)等裝置，通過外加設（shè）備對電網實施諧波補償。
3.2.1 主動型諧波抑製方案
主要是從變流（liú）裝置本身出發，通過變流裝置的結構設計和增加輔助控製策略來（lái）減少（shǎo）或消除諧（xié）波（bō），目前采用的（de）技術主（zhǔ）要有一（yī）下幾個方麵。
——脈寬調製技術脈寬調（diào）製技術的基本思想是控製PWM輸出波形的各個轉換時刻，保證四分（fèn）之一波形的對稱性。根據輸出波形的傅立葉級數展開式，使需（xū）要消除的諧波幅值為（wéi）零（líng）、基波幅值為給定量，達到消除指（zhǐ）定諧（xié）波和控製基（jī）波幅值的目的，目前采用的（de）PWM技（jì）術（shù）有最優脈寬調製、改進正弦脈寬調（diào）製、Δ調製、跟蹤型PWM調製和（hé）自適（shì）應PWM控製等。
——多電平變流技（jì）術針對各種電力電子變流器(對於電壓型的變流器必須用聯接電感與交（jiāo）流電源相連)，采（cǎi）用移相多重法、順序控製和非對稱控製多（duō）重化等方法，將方波電流或電壓疊加，使得變流器在（zài）網（wǎng）側產生的電流或電壓（yā）為接近正弦的階梯波，且（qiě）與電源電壓保持一定的相位關係。
——功率（lǜ）因數（shù）預調整器在電力電子裝置中加入高功率因數預調整器，在預調整器的直（zhí）流側通過DC/DC變換控製入端電流（liú），保證電力電子裝置從電網中獲取的電流為正弦電（diàn）流並與（yǔ）電網電壓同相。此方法控製簡單，可同時消除（chú）高次（cì）諧（xié）波和補（bǔ）償無功電流，使（shǐ）電力電子裝置輸入（rù）端（duān）的功率因數接近1。
主動型（xíng）諧波抑製方案的（de）主要問題在於（yú）成本高、效率低（dī）。同時，電力電子係統中很高的開關頻率使PWM載波信號產生高次諧波，還會導致高電平的（de）傳導和輻射幹擾。因此在設計主動型諧波抑製方案時，必須用EMI濾波器將高次諧波信號從（cóng）係統中濾除，防止它們作為傳導幹擾進入電網;還（hái）要（yào）利用屏蔽防止它們作為輻射幹擾進入自由（yóu）空間（jiān），對空間產生電磁汙（wū）染。所以對於較大功率的（de）電
力電子裝置，一般除了采用主動型諧波抑製方法以（yǐ）外，還要輔以無源或有源濾波器加以抑製高（gāo）次諧（xié）波。
3.2.2 被動型諧波抑（yì）製方案：
——無源濾波器(PF)無源濾波器通常采用電力電（diàn）容器、電抗器和電阻器按功能要求（qiú）適當組合，在係統中為諧波提供並聯低阻通路，起到濾波作用。無（wú）源濾波器的優點是投資少、效率高、結構簡單、運行可靠及維護（hù）方（fāng）便，因此無源濾波（bō）是目前廣泛采用的抑製諧波及進行無功補償的主要手段（duàn）。無源濾波（bō）器的缺點在於其濾波特性是由係統和濾波器的阻（zǔ）抗比所決定，隻能消除特定的幾（jǐ）次諧波，而對其（qí）它次諧波會產生放大作用，在特定情況（kuàng）下可能與係統發（fā）生諧振;諧波電流增大時濾波器負擔隨之加（jiā）重，可能造成濾波器過載;有效材料消耗多，體積大。APF按與係統連接方式分（fèn）類（lèi）,可分為串聯型、並聯型、混合型和串-並聯型。並聯型APF可等效為一受控電流源，主要適用於感性電流源負載的諧波補償。它能對諧波和無功電流進行（háng）動態補償，並且補償特性不受電網（wǎng）阻抗影響。目前（qián）這類APF技術已相當成熟，大多數工業運行的APF多屬此類濾波器。串聯型APF可等效為一受控電壓源，主要用於消除帶電容濾波的二極管整流電路等電壓型諧波源負載對係統的（de）影響，以及（jí）係統側電壓諧波與（yǔ）電壓波動對敏感負載的影響。由於此類APF中流過的電（diàn）流為非線性負載（zǎi）電流，因此損（sǔn）耗較大;此（cǐ）外串（chuàn）聯APF的（de）投切、故障後的退出等各種保護也較並聯APF複雜，所以目前單獨使用（yòng）此類APF的案例較少，國內外的研究多集中在（zài）其與LC無源濾波器構成的混合型APF上。
混合型APF就是將常規APF上承受的基波電壓移去，使有源（yuán）裝置（zhì）隻承受諧（xié）波電壓，從而（ér）可（kě）顯著降低有源裝置的（de）容量，達到（dào）降低成本、提高效（xiào）率的目的。其中LC濾（lǜ）波器用（yòng）來消除高次諧波，APF用來補償（cháng）低次諧波分量。
四、電力電子裝（zhuāng）置諧波綜（zōng）合治理的展望：
日益嚴（yán）重的諧波（bō）汙染已引（yǐn）起各方麵的高度重視。隨著對諧波產生的機（jī）理、諧波現象的進一步認識，將會找到更加有（yǒu）效的方法抑製和消除諧波，同（tóng）時也有助於（yú）製定更（gèng）加合（hé）理的諧波管理標準。加大對諧波研究的投入將會（huì）大大（dà）加快對諧波問題的解決，當然諧波問題的最終解決將取決於相關技術的發展，特別（bié）是電力電子技術的發展。隨著國民經濟、諧波抑（yì）製技術的進一步發展、法（fǎ）製的進一步完（wán）善和對高效利（lì）用能源要求（qiú）的增強，電力電子裝置諧波治理問題最終將會得到妥（tuǒ）善的解決。
五、結語：
諧波的綜合治理工作（zuò）勢在必（bì）行。消除電力電子裝置諧波汙染的工作，可（kě）稱之為電力電子技術（shù）應用的“綠色工程”。電力電子技術的發展必須和這個工程同步，這樣才能為高效、低汙（wū）染地（dì）利用電能開辟重要途徑，隨（suí）著國民經濟，抑製諧波，法律製度，進一步完善和加強高效利用的能源需求的進一步發（fā）展，諧波治理問題終將得到妥善解決。同時,電力電子技術的推廣和利用才能有更為廣闊的發展前景。

上一篇：關於行星減（jiǎn）速機基礎性（xìng）能知識
下一篇：關於中職機電一體化專業（yè）學生技能實訓（xùn）探索

關於電力電子裝置諧（xié）波治理（lǐ）問題的綜述

我（wǒ）們的優勢：