諧波問題已經(jīng)引起人們廣泛重視，許多國(guó)家及地區(qū)制定了各自的諧波標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)也分別于1984年及1993年通過了《電力系統(tǒng)諧波管理暫行規(guī)定》及《電能質(zhì)量公 用電網(wǎng)諧波》（GB／T－14549－93），用以限制供電系統(tǒng)及用電設(shè)備的諧波污染。 　　在我國(guó)，雖然目前電力電子裝置應(yīng)用不如發(fā)達(dá)國(guó)家普及，但也有因諧波問題而無(wú)法給多臺(tái)電機(jī)安裝變頻器和無(wú)法使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的事例。而且，諧波污染也勢(shì)必越來(lái)越嚴(yán)重［1～3］。本文將試圖展示我國(guó)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)諧波狀況一斑，并提出一種混合有源濾波器的治理方案。 [b]1　工業(yè)電網(wǎng)諧波測(cè)試 [/b]　　電機(jī)是最典型的耗能設(shè)備之一。變頻調(diào)速器則是典型的非線性設(shè)備和諧波源。通過對(duì)不同容量、不同運(yùn)行頻率時(shí)的測(cè)試表明：變頻器（組）引起的諧波電流相當(dāng)嚴(yán)重。電流總諧波畸變率THDi（相對(duì)于基波I1）為46．5％～157．0％，有的甚至高達(dá)220％，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過IEEE－519標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于配電系統(tǒng)規(guī)定5％～20％的限值。當(dāng)然，注入電網(wǎng)的諧波電流絕對(duì)值也將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)值。 　　一個(gè)典型的變頻器相電流及其頻域分析波形如圖1所示。 [img=569,135]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/59-1.jpg[/img] 　　圖1　變頻器組相電流及其諧波波形 [img=183,286]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/60-1.jpg[/img] 　　圖2　中頻感應(yīng)電源相電流及諧波含量圖 　　由圖可見：工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)變頻器組使相電流波形惡化，雖然隨著輸出頻率和變頻器容量的增加相對(duì)諧波有下降趨勢(shì)，但下降幅度有限。在所有測(cè)試樣本中，電流畸變率THDi均在46．5％以上，相對(duì)于總電流的電流畸變率THDi＿R也在42％以上，仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過標(biāo)準(zhǔn)值。 　　另一類典型非線性負(fù)載——中頻感應(yīng)加熱電源相電流畸變率比變頻調(diào)速器的稍小，但仍然高出有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)值許多。主要諧波參數(shù)和典型波形為：相對(duì)于總電流的電流諧波畸變率THDi＿R＝29、相對(duì)于基波電流的電流諧波畸變率THDi＿F＝30％，其中5次諧波含量（相對(duì)于基波電流）HRI5＝21％。 　　測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)電網(wǎng)電壓諧波較小，如變頻器組電網(wǎng)電壓波形見圖3（a）。圖3（b）為截止頻率fc＝1．5kHz數(shù)字濾波后的電壓波形，接近正弦波。說(shuō)明諧波中以高次諧波為主，其頻域電壓及頻譜分別如圖3（c）和（d）所示。相電壓諧波的主要參數(shù)如下： 　　諧波電壓含量：UH＜8V 　　電壓總畸變率（相對(duì)于基波）：THDu＜3．5％（0．38kV系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)極限值為5％［5］） 　　單次諧波含有率（相對(duì)于基波）：HRUh：＜1％（HRU11最大，其余＜0．5％） 。 　　電網(wǎng)電壓諧波較小，是由于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行負(fù)載相對(duì)供電系統(tǒng)容量較小的緣故。當(dāng)使用大量變頻器之類的非線性負(fù)載后，將會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)電壓的明顯畸變。 [img=548,125]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/60-2.jpg[/img] 　　圖3　變頻器組相電壓及諧波波形 [b]2　綜合控制HAPF的變頻器諧波治理 [/b]　　為了解決電力電子等非線性負(fù)載所帶來(lái)的日益嚴(yán)重的諧波問題［1～3］，近年來(lái)，提出了許多有源電力濾波器（APF）方案，并逐步地得到應(yīng)用，以克服無(wú)源濾波（PF）的許多不足［4，7～10］。其中，F(xiàn)．Z．PENG提出的串聯(lián)混合型濾波器（sHAPF ）［4］，以其卓越的濾波性能、較小的APF容量（典型值為負(fù)載的5％）及較低的造價(jià)而得到廣泛關(guān)注。然而，由于電網(wǎng)諧波影響、負(fù)載變化、保護(hù)困難等因素，這種濾波器僅美國(guó)有用于實(shí)際電力系統(tǒng)的報(bào)道［7］。 　　本文針對(duì)一臺(tái)50kVA變頻調(diào)速器的諧波，提出一種性能優(yōu)、成本低、易實(shí)現(xiàn)、工作可靠的綜合控制的綜合有源電力濾波器（HAPF）。它改進(jìn)了F．Z．PENG提出的結(jié)構(gòu)和控制方法，其原理如圖4所示。圖中Ish為電網(wǎng)側(cè)諧波電流；IFh為PF支路諧波電流；Vsh為電網(wǎng)諧波電壓；Vc為APF輸出電壓；ZF為濾波支路阻抗；ZS為電網(wǎng)支路阻抗。 　　一般的諧波抑制系統(tǒng)以抑制非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流對(duì)電網(wǎng)支路的污染和電網(wǎng)的諧波電壓對(duì)負(fù)載的影響為目的，這可表達(dá)為 　[img=255,73]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/60-3.jpg[/img]?。?）、（2） 　　式中　ILh為非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流；VLh為負(fù)載側(cè)的諧波電壓。 [align=left][img=501,135]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/61-1.jpg[/img] 　　Lsh為網(wǎng)側(cè)諧波電流； IFh為PF為支路諧波電流；Vsh為電網(wǎng)諧波電壓； 　　Vc為APF輸出電壓；ZF為濾波支路阻抗；Zs為電網(wǎng)支路阻抗； 　　圖4　一種混合有源濾波器及其諧波等效電路 　　當(dāng)Vc＝K×Ish（僅諧波電流控制），且K＞＞｜ZS+ZF｜時(shí)，式（1）可寫為[/align][img=276,126]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/61-2.jpg[/img] 　　從式（3）和（4）可見：在電網(wǎng)電壓存在嚴(yán)重畸變時(shí)，較大的Vsh將使HAPF諧波抑制性能變壞，并增大PF容量。這是因?yàn)橄到y(tǒng)諧波是電壓源，較小的諧波電壓會(huì)在PF上產(chǎn)生較大諧波電流。 　　采用綜合控制，即采用①無(wú)源濾波器（PF）降低濾波支路阻抗；②一個(gè)電壓控制電壓源（VCVS）有源單元，使電網(wǎng)支路對(duì)Vrh呈無(wú)限大阻抗（開路），以阻止其對(duì)負(fù)載側(cè)的傳遞，受控源輸出電壓VC1＝G×Vrh（G＝－1）；③一個(gè)電流控制電壓源（CCVS）單元，使電網(wǎng)支路對(duì)Ish的阻抗增大（有限阻抗），減小非線性負(fù)載諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染，受控源輸出電壓VC2＝K×Ish。VCVS與CCVS可疊加成一個(gè)受控電　壓源，即Vc＝Vc1＋Vc2＝K（s）Ish＋GVrh。當(dāng)K＞＞｜ZS+ZF｜和G＝－1時(shí)，有 [img=205,84]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/61-3.jpg[/img] 　?。?）、（6） 　　比較式（5）（6）與式（3）（4），這種綜合控制方案有良好的諧波抑制性能（Ish≈0）和較小容量的無(wú)源濾波器（｜IF｜較?。?。 　　需要指出的是，雖然當(dāng)K＞＞1時(shí)，式（3）與式（4）、式（5）與（6）等價(jià)。但研究表明：大的K值將引起APF容量增加及系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 　　此外，針對(duì)變頻器負(fù)載變化范圍大、兼顧無(wú)功容量與諧波容量、抑制效果與穩(wěn)定性，對(duì)無(wú)源濾波器組進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)；同時(shí)，控制系數(shù)K根據(jù)負(fù)載輕重自適應(yīng)調(diào)節(jié)，也是筆者對(duì)F．Z．Peng結(jié)構(gòu)實(shí)用化的重要改進(jìn)。 [b]3　仿真和模型實(shí)驗(yàn) [/b]　　對(duì)上述治理方案進(jìn)行了PSIM及SABER仿真，主要仿真參數(shù)如下： 　　負(fù)載：50kVA／380V，三相不控整流，電容濾波。電網(wǎng)諧波電壓嚴(yán)重畸變（見圖5），相對(duì)于基波總畸變率THDv為12％，其中V5＝10．6％，V7＝5．5％。 　　圖5左一、左二分別為HAPF開啟前后負(fù)載（及無(wú)源濾波器）輸入電壓，右二、右一為其相應(yīng)頻譜?？梢奌APF開啟前電網(wǎng)諧波電壓全部傳遞到負(fù)載端（THDv＝12％） ；而開啟后相對(duì)基波總畸變率THDv下降為2．7％，其中5次、7次諧波含量分別為V5＝1．7％和V7＝1．15％。 　　圖6反映了HAPF對(duì)非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波電流對(duì)電網(wǎng)污染的抑制作用，左一、左二分別為HAPF開啟前后電網(wǎng)側(cè)輸入電流，右二、右一為其相應(yīng)頻譜?？梢奌APF開啟前電網(wǎng)諧波電流即為負(fù)載電流（ZS＜＜ZF）,因而含有大量諧波,相對(duì)基波總畸變率THDi＝85％；而開啟HAPF后，由于有源單元和無(wú)源單元的共同作用，其THDi下降為小于1．7％。 　　如果不采用復(fù)合控制，僅對(duì)電流控制（F．Z．Peng方案），則應(yīng)增加PF容量，而且，電流諧波難以得到很好抑制。圖7結(jié)果就說(shuō)明了這一點(diǎn)，其THDi≈17．2％。 　　同時(shí)，模型實(shí)驗(yàn)與仿真波形吻合得較好，波形如下：電網(wǎng)電流Is和負(fù)載電壓VL接近于正弦波，諧波指標(biāo)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB／T 14549－93和IEEE－519，表明這種HAPF能夠較好地抑制電網(wǎng)的諧波電壓對(duì)負(fù)載端的影響和非線性負(fù)載諧波電流對(duì)電網(wǎng)的污染。 [img=511,239]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/62-1.jpg[/img] 　　圖6　電網(wǎng)電流Is在HAPF啟 [img=308,120]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/62-2.jpg[/img] 　　圖7　電網(wǎng)電流Is波形及頻譜圖（非復(fù)合控制HAPF，THDv＝12％） [align=left][img=488,95]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/62-3.jpg[/img] 　?。╝）啟動(dòng)HAPE前（上）后（下）負(fù)載電壓VL波形 （b）啟動(dòng)HAPE前網(wǎng)側(cè)電流IS波形 　　（C）啟動(dòng)HAPE后網(wǎng)側(cè)電流IS波形 　　圖8　HAPF的諧波抑制實(shí)驗(yàn)波形 [b]4　結(jié)論 [/b]　　按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［5，6］中諧波測(cè)試方法、儀器和數(shù)據(jù)處理的要求，對(duì)具有廣泛代表性的工業(yè)用變頻調(diào)速器組和中頻感應(yīng)加熱電源的諧波進(jìn)行了測(cè)試，得出了電流諧波THDi在42％以上的定量結(jié)論。圍繞一50kVA負(fù)載的諧波抑制裝置的研制，提出了一種混合有源電力濾波器（HAPF）的諧波治理方案。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：其諧波抑制性能好、對(duì)負(fù)載變化范圍大和電網(wǎng)嚴(yán)重畸變情形適應(yīng)性強(qiáng)。[/align]