諧波的危害與治理概述伴隨著全球工業(yè)化進程的加快，人類對能源的需求日漸攀升，傳統(tǒng)一次能源因其不可再生性成為制約人類發(fā)展的一大隱患；與此同時，大量一次能源燃燒所帶來的環(huán)境問題成為人類亟待解決的課題。光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等新型發(fā)電技術(shù)在這個背景下越來越受到關(guān)注，電力電子技術(shù)自問世以來極大推動了電力新能源的發(fā)展。近年來，電力電子技術(shù)日趨成熟，以晶閘管、IGBT為代表的功率器件大量應(yīng)用于電網(wǎng)中，提升了電網(wǎng)的傳輸效率，并且使電網(wǎng)日趨智能化，但同時也導(dǎo)致了嚴重的諧波和無功注入電網(wǎng)，加之電網(wǎng)中不可避免的非線性負載的存在，這大大惡化了公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行構(gòu)成巨大隱患[1-3]。為了抑制電網(wǎng)諧波，改善電能質(zhì)量，有源電力濾波器（ActivePowerFilter,APF）自上世紀六十年代誕生以來就深受關(guān)注?，F(xiàn)階段，APF已發(fā)展成為一種能夠有效抑制諧波電流、提高電能質(zhì)量的新型電力電子裝備。本文主要針對有源電力濾波器高效穩(wěn)定運行開展研究。1.1諧波的產(chǎn)生在電學(xué)領(lǐng)域中，諧波被定義為一個周期電氣量中頻率為大于1整數(shù)倍基波頻率的正弦波分量，即對電壓或電流進行傅里葉分解后頻率大于基波頻率的部分[4]。電力系統(tǒng)中的諧波一般分為三大類[5]：（1）電力電子裝置：包括整流變流器、交流調(diào)壓裝置等。這是電網(wǎng)中最大的諧波源，帶阻感負載的的整流電路以及周波變流器等也都會造成諧波污染。（2）含電弧的非線性負載：包括電弧爐和電焊機等。其主要時由于起弧的時延和電弧的嚴重非線性引起。（3）鐵磁飽和型非線性負載：主要包括變壓器和電抗器。產(chǎn)生諧波的主要原因是勵磁回路的非線性。1.2諧波的危害理想狀態(tài)下的公用電網(wǎng)電壓應(yīng)是幅值、頻率固定相位相差120度的正弦交流電。電網(wǎng)中的諧波電流和諧波電壓一方面會降低電能質(zhì)量，另一方面也會對周圍通信設(shè)備及電網(wǎng)以外設(shè)備造成危害，主要體現(xiàn)在以下方面[6]：（1）電網(wǎng)中的諧波造成了設(shè)備的附加損耗，不僅降低了設(shè)備的使用壽命，還降低了電能的傳輸效率[7]。大量三次諧波流過中線也會對電網(wǎng)的安全運行帶來隱患。（2）諧波會影響電機、變壓器等設(shè)備正常運行[8]。（3）諧波對電力系統(tǒng)安全性的影響還體現(xiàn)在可能引起電網(wǎng)中局部的串并聯(lián)諧振，造成諧波放大，諧波的危害性也因此放大。（4）諧波導(dǎo)致的電壓電流異?？赡芤l(fā)繼電保護裝置誤動作，不利于電網(wǎng)的平穩(wěn)運行。（5）諧波會干擾臨近的通信系統(tǒng)[9]。1.3諧波的治理目前，諧波治理的主要方案有主動諧波治理和被動諧波治理[10]。（1）主動諧波治理主動諧波治理是從諧波源本身出發(fā)，通過優(yōu)化電力電子裝備在源頭上減少諧波的產(chǎn)生，主要方法有多脈波整流技術(shù)[11-12]、多電平技術(shù)[13-15]和脈寬調(diào)制技術(shù)[16]等。大容量變流器一般采用多脈波整流技術(shù)降低諧波輸出，即利用變壓器將多個變流器適當(dāng)串、并聯(lián)。變流器脈波數(shù)越多，諧波治理效果越好，但電路結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜，大大增加了系統(tǒng)的硬件成本。多電平技術(shù)是將多個方波疊加，從而消除低次諧波，產(chǎn)生接近正弦波的階梯波。電平數(shù)越多，諧波含量越低，但隨著電平數(shù)的增加，電路結(jié)構(gòu)和電路控制越來越復(fù)雜，成本也大幅增加。因而此方法主要用于中高壓大容量場合。隨著PWM技術(shù)的日趨成熟，各類脈寬調(diào)制技術(shù)大量應(yīng)用于整流器中。PWM整流器體積重量小、動態(tài)響應(yīng)快，能大大降低輸出電流的畸變率。但開關(guān)損耗和開關(guān)頻率弱化了脈寬調(diào)制技術(shù)諧波治理的能力。主動抑制方案主要針對電力電子設(shè)備本身進行諧波治理，但電力系統(tǒng)中還存在大量其他非線性負載，因此主動抑制無法完全消除電網(wǎng)中的諧波。另一方面，如果對電力電子設(shè)備逐個改造，成本將急劇增加。所以，被動補償方案采用更多。（2）被動諧波治理被動諧波治理在諧波源與電網(wǎng)的公共連接點PCC處裝設(shè)濾波器[17]，這些濾波器大體可分為三類：無源濾波器、有源濾波器和混合濾波器。無源濾波器是由電感、電容和電阻構(gòu)成的諧振電路。當(dāng)LC電路的諧振頻率和特定諧波電流頻率相同時，即可迫使該次諧波電流流入LC回路，從而達到諧波治理的效果。常見的無源濾波支路如圖1-1。無源濾波器早期因結(jié)構(gòu)簡單、運行成本低、效率高、易于維護等優(yōu)點，使用較為廣泛。但隨著無源濾波器的推廣，它的缺點日漸顯現(xiàn)：諧振頻率由元件參數(shù)決定，因此它只能依據(jù)電網(wǎng)參數(shù)濾除特定次諧波，其余次諧波仍會給系統(tǒng)帶來不良影響；LC回路與系統(tǒng)發(fā)生諧振，導(dǎo)致某次諧波分量被放大；當(dāng)電網(wǎng)狀態(tài)變化時，濾波器的濾波效果會削弱；無源濾波器體積大，損耗高[18]。有源電力濾波器是一種可以實現(xiàn)動態(tài)抑制諧波、補償無功的新型電力電子設(shè)備[19-20]，其基本原理是通過向電網(wǎng)中注入與諧波電流大小相等、方向相反的補償電流實現(xiàn)對諧波的實時動態(tài)補償。與無源濾波器只能吸收特定次諧波電流相比，APF能動態(tài)補償大小和頻率都變化的諧波及無功，現(xiàn)已成為研究熱點。(a)(b)(c)(d)(e)(f)(a)單調(diào)諧濾波器(b)雙調(diào)諧濾波器(c)一階濾波器(d)二階濾波器(e)三階濾波器(f)阻尼濾波器圖1-1常見的無源濾波支路有源電力濾波器主要有以下優(yōu)點：響應(yīng)速度快，補償特性優(yōu)良；有源電力濾波器開關(guān)頻率高，即使對高次諧波都有很好的補償能力；APF的濾波性能不受電網(wǎng)參數(shù)和工況的影響，適應(yīng)性好；APF不僅能治理諧波，還能夠進行無功補償。但APF也存在價格昂貴、維護困難、單臺容量較小等缺點。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的不斷進步以及大功率高速開關(guān)器件的性能提升，APF無疑具備更廣闊的應(yīng)用前景。參考文獻AkagiH.Trendsinactivepowerlineconditioners[J].PowerElectronics，IEEETransactionson，1994，9(3):263-268.DepenbrockM.TheFBD-method，agenerallyapplicabletoolforanalyzingpowerrelations[J].PowerSystems，IEEETransactionson，1993，8(2):381-387.ChangGW，ChenSK，ChuM.Anefficienta-b-creferenceframe-basedcompensationstrategyforthree-phaseactivepowerfiltercontrol[J].ElectricPowerSystemsResearch，2002，60(3):161-166.SasakiH，MachidaT.Anewmethodtoeliminateacharmoniccurrentsbymagneticfluxcompensation–considerationonbasicdesign[J].IEEETrans.PowerApp&Syst，1971，90(5):2009-2019.GeorgeJ.Wakileh，喬治，徐政.電力系統(tǒng)諧波――基本原理、分析方法和濾波器設(shè)計[M]，2011，機械工業(yè)出版社，北京，P8-10.肖樂明.船舶電力系統(tǒng)高次諧波危害與抑制研究[J]，中國航海,2006,(1):86-90.HendersonRD，RosePJ.Harmonics:theeffectsonpowerqualityandtransformers[J].IEEETransactionsonIndustryApplications，1993，30(3):528-532.吳競昌.供電系統(tǒng)諧波[M]，1998，中國電力出版社，北京，P20-24.高倩.電力系統(tǒng)諧波檢測與抑制方法的研究[D]，遼寧工業(yè)大學(xué)，2016.羅安.電網(wǎng)諧波治理和無功補償技術(shù)及裝備[M]，2006，中國電力出版社，北京，P15-17.SinghB，GairolaS，SinghBN，etal.MultipulseAC–DCConvertersforImprovingPowerQuality:AReview[J].IEEETransactionsonPowerElectronics，2008，23(1):260-281.孟凡剛，楊世彥，楊威.多脈波整流技術(shù)綜述[J]，電力自動化設(shè)備，2012，32(2):9-22.吳鳳江.四象限級聯(lián)型多電平逆變器拓撲及控制策略的研究[D]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2007.許建中，李承昱，熊巖，等.模塊化多電平換流器高效建模方法研究綜述[J]，中國電機工程學(xué)報，2015，35(13):3381-3392.KouroS，MalinowskiM，GopakumarK，etal.RecentAdvancesandIndustrialApplicationsofMultilevelConverters[J].IndustrialElectronicsIEEETransactionson，2010，57(8):2553-2580.楊貴杰，孫力，崔乃政，等.空間矢量脈寬調(diào)制方法的研究[J]，中國電機工程學(xué)報，2001，21(5):79-83.李承，鄒云屏.有源電力濾波器抑制諧波的機理分析[J]，電力系統(tǒng)自動化，2003，27(20):31-34.孫佳越.一種新型無源濾波器的研究與設(shè)計[D]，哈爾濱理工大學(xué)，2016.王兆安，楊君，劉進軍.諧波抑制和無功功率補償[M]，2004，機械工業(yè)出版社,北京，P30-34.陳堅，電力電子學(xué)：電力電子變換和控制技術(shù)（第二版）[M]，2002，高等教育出版社,北京，P27-30.SasakiH，MachidaT.ANewMethodtoEliminateACHarmonicCurrentsbyMagneticFluxCompensation-ConsiderationsonBasicDesign[J].IEEETransactionsonPowerApparatus&Systems，1