电力电子谐波的抑制措施归纳

吴桐

摘 要：电力电子技术在为人类带来各种好处的同时，也存在着谐波危害。文章归纳了多种谐波抑制的措施，并对其进行了分析和探讨。希望能够对今后谐波抑制的研究起到抛砖引玉的作用。

关键词：谐波；多重化；脉宽调制；滤波器；无功补偿

中图分类号：TM714 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）23-0111-02

近年来，电力电子技术飞速发展，越来越多的电力电子装置被研发并且广泛应用在电力系统、工业生产、交通运输、节能环保、家庭等众多领域。电力电子技术已经成为国民经济建设和社会生活建设中不可缺少的技术之一。然而，在电力电子技术带给人们便利的同时，也带来了谐波问题。

根据文献[1]谐波会对各种用电设备产生不利影响，使其不能正常工作。还会对电网造成污染，引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，使原本较小的谐波放大，影响电网的供电质量，甚至发生严重的事故等。总之，谐波的危害不容小觑。因此，对电力电子装置所产生的谐波的抑制技术是十分重要的，现对电力电子技术中的几种有效的谐波抑制措施作以下探讨与分析。

1 削弱谐波源法

电力电子器件是主要的谐波源，改进电力电子装置就是从源头降低谐波含量，从而降低注入电网的谐波含量，改善供电质量。如果电力电子器件产生极其微弱的谐波或者不产生谐波，那么对谐波补偿装置的要求会随之降低，甚至不再需要谐波补偿装置，这样就会大大节省谐波补偿方面所需的人力和物力。

1.1 多重化电路法

此方法适用于减少整流和逆变电路中的谐波。

1.1.1 多重化整流电路

对于整流电路来说，将几个整流电路多重化联结可以减少交流侧输入电流谐波。此方法的关键是利用变压器二次侧绕组的不同接法，使二次绕组产生移相。例如：根据文献[1]使两组三项交流电源间相位错开30 °，从而使输出整流电压ud在每个交流电源周期中脉动12次，故该电路为12脉波整流电路。同理，若使三组交流电源移相20 °，则整流电压ud在每个电源周期内脉动18次，构成18脉波整流电路。

以此类推，随着整流电压在每个交流电源周期中脉动次数的增加，交流侧输入电流中的谐波含量减少。

1.1.2 多重化逆变电路

对于逆变电路来说，多重化电路法的特点是按照一定的相位差，将若干个逆变电路的输出组合起来（组合的方式可以是串联，也可以是并联，串联方式多用于电压型逆变电路，并联方式多用于电流型逆变电路），使它们各自输出中所含有的部分谐波分量通过相位差相互抵消。

1.2 多电平逆变器法

最早出现的是两电平逆变器，1981年三电平逆变器被日本长冈大学教授Nabae A.等人提出，三电平逆变器输出的谐波可大大少于两电平逆变器输出的谐波。随后随着级联数目的增加，输出电压或电流的电平数增加，从而使得输出电压或电流中的谐波含量减小。

多电平逆变电路的相电压可以输出多种电平，使其波形更加接近正弦波。多电平逆变电路有中点钳位型逆变电路、飞跨电容型逆变电路和单元串联多电平逆变电路等。其中飞跨电容型逆变电路由于较难控制且电容使用数目较多，使用得较少。中点钳位型逆变电路和单元串联多电平逆变电路与多重化逆变电路的消谐机理类似。现以单元串联多电平逆变电路为例，介绍多电平电路对谐波的抑制作用以及优缺点。

1.3 三相整流变压器采用Y，d或D，y的接线方式

此种方法可以抑制3的倍数次的高次谐波，也可以作为隔离变压器使用。可以看出，Y，d和D，y两种接线方式中都有一边的绕组采用三角形接线方式。当谐波电流通过电力电子器件流到三相整流变压器时，会导致变压器铁心内产生3的倍数次的谐波磁通，该磁通在三角形连接的绕组内产生3的倍数次谐波电动势，从而产生3的倍数次并且相位相同的高次谐波电流。这些高次谐波电流在三角形绕组内产生环流，并且伴有热量产生，使大部分的高次谐波电流被消耗。剩余部分的高次谐波电流会使铁芯中产生高次磁通，而在三相三柱式变压器中，没有能够为高次谐波电流引起的高次磁通提供回路的磁路，使得高次磁通只能通过气隙形成磁回路，从而大大地被消耗。这样一来，在三角形接线绕组回路中就不会产生3的倍数次的高次谐波电动势。

另外，电力电子器件中产生的谐波电流流到变压器星形接线方式的绕组中时，由于星形接线结构无法为3的倍数次的高次谐波提供通路，所以谐波电流只能通过气隙形成通路，从而被大大地消耗。

综上所述可知，通过Y，d或者D，y绕组连接方式的三相整流变压器，可以使3的倍数次的谐波被极大地消耗，而不至于使这些谐波注入公共电网，从而提高了电网的供电质量。

1.4 脉宽调制（PWM）技术

脉宽调制的基本原理是对电路开关器件的通断进行控制，使其输出一系列幅值相等但宽度不等的脉冲，用这些脉冲来代替所需要的波形。通过脉宽调制技术也可以达到抑制谐波的目的，其中较为有效的办法有：特定消谐法（SHE）和正弦脉宽调制法（SPWM）。下面分别介绍这两种方法。

1.4.1 特定消谐法

特定消谐法是Patel H S和Hoft R C于1973年提出的。为了减少谐波，要尽量使输出波形成为1/4周期对称波形。所谓1/4周期对称波形要同时满足两个条件：

①使波形正负两半周镜对称；

②使波形在正半周期内前后1/4周期以为轴线对称。

得到了1/4周期对称波形后，就可以消除特定频率的谐波。消除特定频率谐波的数量与输出波形半个周期内开关器件开通和关断的次数有关，开关器件每开通或关断一次，就对应一个可以控制的开关时刻。其中一个开关时刻控制基波幅值，其余的都可以用来消除某个频率的特定谐波。

1.4.2 正弦波脉宽调制法

正弦波脉宽调制法是将每一正弦周期内的多个脉冲做自然或规则的宽度调制，使其依次调制出相当于正弦函数值的相位角和面积等效于正弦波的脉冲序列，形成等幅不等宽的正弦化输出。SPWM的控制可以通过计算法（包括自然采样法、规则采样法、直接PWM法）、模拟法和专用SPWM集成电路法实现。

对于单相全桥逆变器而言，SPWM技术有3种基本的调制方式：双极性SPWM、单极性SPWM和倍频式SPWM。通过文献[2]可得：双极性SPWM的特点是：基波成分与调制波完全相同，不含偶数次载波谐波；倍频式SPWM的特点是：在开关频率不变的情况下，等效输出频率倍增，奇数倍谐波被消除；单极性SPWM的特点是：基波成分与调制波完全相同，谐波出现在载波频率附近，不含载波谐波。

2 谐波补偿装置法

谐波补偿就是将产生谐波的非正弦波电信号进行补偿，使之成为正弦波电信号，从而消除谐波。谐波补偿装置大体上可分为三类：一是无源滤波器，二是有源滤波器，三是静止无功补偿器。

2.1 无源滤波器

无源滤波器又称LC滤波器，是利用电容、电感、电阻的组合设计构成的滤波器，是应用最早的谐波补偿装置。无源滤波器具有成本低廉、结构简单、运行可靠等优点。无源滤波器又分为调谐滤波器和高通滤波器。

2.1.1 谐调滤波器

调谐滤波器又分为单调谐滤波器和双调谐滤波器。根据文献[3]双调谐滤波器可以等效为两个单调谐滤波器并联，可按两个单调谐滤波器分别设计。两个滤波器的调谐频率不同，使其调谐比较困难，应用受到限制。单调谐滤波器在设计时，需要确定滤波电容、滤波电感、滤波电阻的参数，还要选择合适的调谐锐度值以获得最佳滤波效果。

2.1.2 高通滤波器

在各种高通滤波器中，二阶高通滤波器的应用最为广泛。高通滤波器的设计一要确定所要滤除谐波的谐波次数，二要确定滤波器的各个参数。滤波器参数的选择包括谐波电容、谐波电感、谐波电阻的选择。

由于高通滤波器通常与单调谐滤波器并用，一般选择略高于单调谐滤波器的最高特征谐波频率为高通滤波器的截止频率。

2.2 有源滤波器

含有有源器件的滤波器叫做有源滤波器。有源滤波器可以实现动态跟踪补偿，既能补偿谐波，又能补偿无功功率。

2.3 静止无功补偿器

静止无功补偿器是采用全控型电力电子器件组成变流器来进行无功补偿的装置，也称静止无功发生器，于20世纪70年代兴起，现在被广泛用于电力系统负荷补偿、消除电网谐波等方面。

3 结 语

本文介绍了多种谐波的治理措施，对改进电力电子装置和增设滤波器两大类中的多种方法进行了分析和探讨。这些抑制谐波的措施各有优点和不足，使用的场合也不尽相同，要视具体情况采取不同的措施。不同的抑制措施之间配合使用的情况也很普遍，虽然这样的电路结构比较复杂，但是这样综合了不同消谐措施的优点，弥补了各自的不足，使消谐效果更好。

参考文献：

[1] 王兆安，刘进军.电力电子技术（第5版）[M].北京：机械工业出版社，

2009.

[2] 王立乔.正弦波逆变器脉宽调制技术的调制模型分析[J].电力系统自 动化，2008，32（17）：45-49.

[3] 曲学基，曲敬铠，于明扬，等.电力电子滤波技术及其应用[M].北京：电子 工业出版社，2008.

[4] 郑同江.电力电子装置的谐波危害及其抑制对策[J].天津理工学院学 报，1999，15（1）：26-29.

[5] 高聪哲，姜新建，李永东.基于级联有源滤波器与静止无功补偿器的综 合补偿控制方案[J].电力系统自动化，2012，36（7）：92-98.