摘要: “圖外三談諧波”共三文：“一談”為“概述”、“二談”為“治理措施”、“三談”為“討論及建議”，總體給出諧波的整體輪廓及綜合治理的理念。本文“二談”系“一談”的繼篇，首先介紹了減小諧波污染的六類主動措施;接著介紹了減小諧波污染的兩大類被動措施，文中涉及正在研發的新技術僅供參考。
此“圖外三談諧波”為繼“圖外談照明”、“圖外再談照明”的姊妹篇，亦系沉思指導實踐環節教學，以“圖外談設計”形式，倡“彈指CAD，勿忘據理論”的工程觀。
關鍵詞:電磁兼容; 諧波抑制; 無功功率補償;功率因數; 電能質量
Abstract：There are three articles of "discussion about harmonics without drawing:"For the “first” article refers to “general overview”, for the “second” refers to “control measures” and for the “third” refers to “discussion and suggestion”, which totally endows philosophy upon overall outline and comprehensive treatment of harmonics. This “second” article refers to the inheriting section of the “first” one, it firstly introduces six kinds of active measures to reduce harmonics pollution; and then introduces two kinds of passive measures to reduce harmonics pollution. The new technologies involved in this article are only for references
This article of the third "discussion about harmonics without drawing” is the sister section in succession of “discussion about lighting without drawing” and “re-discussion about lighting without drawing”, which is also the thinking teaching of instruction and practice. In form of “discussion designed without drawing”, the engineering concept of “advocating both CAD and theory” prevail.
Key words：Electromagnetic compatibility, harmonic suppression, reactive power compensation, power factor, quality of electric energy.
中圖分類號： R187+.7 文獻標識碼：A 文章編號：
1、減小諧波污染的主動措施
主動措施是通過改變非線性負載的電路拓撲結構和控制方法，使之少產生，甚至不產生諧波。
1.1加強系統承受諧波的能力
1.1.1增大系統容量，可以增強系統承受諧波的能力并降低系統的諧波電壓水平，但這有待于電力系統的發展。
1.1.2將諧波源負荷改由容量較大的母線供電，或改由高一等級電壓的電網供電。
1.2中小功率非線性負載在電源和負載級間聯APFC
APFC為校正電源輸出電流波形和相位作用的有源功率因素校正器。它一般采用有源兩級多開關或兩級單開關結構，處理負載消耗的所有功率。有源開關承受較大的電壓、電流應力，開關損耗大。目前單相有源功率因素校正技術已成熟，各公司已推出各種專用芯片，應用己很方便。實際電網中三相電力電子設備占有很大比重，然而三相有源功率因素校正技術卻尚未成熟，因此對APFC的研究將是這一領域今后發展的重點。
1.3大功率非線性負載
因其技術含量高，難度大，普遍存在成本高、效率低，運用尚不普遍。改造方法有三種：
1.3.1改用脈寬調制技術，如PWM整流;
1.3.2多重化技術，如多脈整流;
1.3.3兩者的結合。
1.4變壓器選型
由于電力系統中非正弦交流電壓或電流波形的特點是：其函數的波形在坐標圖上跟時間軸移動半個周期后與原波形相對于橫軸呈鏡像對稱。這種函數經傅立葉變換后的級數中僅含有奇數次諧波。因此，采用Yd或Dy接線后，注入電網的就只有3、5、7、9、11、13、…等次諧波電流。
1.4.1 10(6)/0.4---0.23kV變壓器選用Dyn11聯繞組。因其3n次諧波(n為正整數)在三角形接線的一次繞組內形成環流，不致注入公共電網，較之一次繞組接成星形的Yyn0聯繞組更有力地抑制高次諧波。
1.4.2 三相整流變壓器采用Yd或Dy接線。由于3次及3的倍數次諧波電勢在星形聯結的繞組內不能形成諧波電流，而在三角形聯結的繞組內可形成環流，因此采用Yd或Dy接線的三相整流變壓器，能使注入電網的諧波電流中消除3及3的倍數次諧波。
1.5增加換流器的相數
由分析可知，電網中大量使用的換流設備，其特征諧波次數n為：
n=Kp±1 公式(1)
式中：p—整流電路相數或每周脈沖數; K—整數為1、2、3…。
同時又知：諧波電流
1.6氣體放電光源鎮流器
將電子式和電感式鎮流器混用，可將兩者主要諧波相位錯開，互相抵消，可減少向電網反饋的諧波量。
2、減小諧波污染的被動措施
被動措施則是通過設置各種濾波設備或者其他設備來吸收、補償已產生的諧波。
2.1無源電力濾波器PPF
交流無源濾波器由電力電容、電抗和電阻等無源元件通過適當組合構成，利用其在某一諧波頻率下諧振時的低阻對諧波分流，相當于對此頻率諧波濾波，故常稱為RLC構成的PPF濾波器。除濾波作用外，還兼顧無功補償。迄今為止這種無源濾波器仍是使用最普遍，技術和經濟上都較合理的抑制諧波的方式。PPF常用接線見圖1。
2.1.1 單調諧濾波器 如圖a)，由R、L、C串聯構成，其阻抗值隨頻率變化曲線為有一谷點的倒單峰形。當需濾除n次諧波時，使此串聯組合諧振于n次諧波，濾波器相對于此次諧波的阻抗正處于谷點(最小)，n次諧波將大部分由濾波器分流濾除。其他次數的諧波，濾波器分流卻很少。故單調諧濾波器只對需要濾除的固定次數諧波起濾除作用。
2.1.2雙調諧濾波器 如圖b)，它提供兩個低阻調諧點，同時吸收兩種頻率的諧波,由于結構比較復雜，調諧困難，應用比較少,一般用在大型直流輸電工程中。
2.1.3 高通濾波器 也由R、L、C組合而成，結構形式多樣。當參數選擇適當，濾波器阻抗值隨頻率變化的曲線在很寬的頻率范圍內呈低阻抗，可對較高次的諧波電流形成低阻通路，從而濾除。它又分為：
2.1.3.1 一階減幅型 見圖c)，由于基波功率損耗太大，一般不采用;
2.1.3.2 二階減幅型 見圖d)，基波損耗較小且阻抗頻率特性較好，結構也簡單，故工程上用得最多;
2.1.3.3 三階減幅型 見圖e)，基波損耗更小，但特性不如二階減幅型好，用得也不多;
2.1.3.4 C型濾波器 見圖f)，是一種新型式，特性介于二階和三階之間。C2和L對基波串聯諧振，基波損耗極小，只是它對工頻偏差及元件參數變化較為敏感、C1安裝容量大。
通常將若干單調諧濾波器與一個高通濾波器配成一個濾波裝置后與諧波源并聯連接。單調諧濾波器主要用來濾除諧波源中某特征次諧波，而高通濾波器則濾除余下的更高頻率的諧波。
無源電力濾波器具有結構簡單、成本低、技術成熟、運行費用低等優點，是目前使用最廣泛的電力濾波裝置。其缺點為：諧波濾波頻帶窄，只能消除特定的幾次諧波;抑制電壓偏差和不平衡度、以及由波動性負荷產生的無功倒送難協調;濾波效果與系統運行參數密切相關，常在濾除諧波相鄰低頻和系統阻抗發生諧振，導致高圧、大流、放電、跳閘。
在建筑電氣領域，PPF按電壓又分為兩類：
⑴ 高壓濾波裝置 裝在10kV配電系統的電源公共連接點，各電源母線均安一套，各用戶共用;
?、?低壓濾波裝置 裝在配電變壓器低壓母線及長干線末端用戶配電箱諧波源附近。
2.2有源電力濾波器APF
APF是20世紀80年代迅速發展起來的一種治理諧波污染的濾波新裝置，它能濾除幅值和頻率都變化的諧波，以及對變化的無功進行補償。它具有高度可控和快速響應的特性，能抑制各次諧波、補償無功，其濾波特性不受系統阻抗的影響，具有自適應能力，可自動跟蹤補償變化的諧波。跟蹤諧波電流或電壓的控制策略是決定APF輸出性能和效率的要害。因為求得補償信號參考值后，只有通過反饋環節控制變流器的開關器件，使變流器產生與參考信號相等的實際信號才能補償諧波。
2.2.1原理
圖2為有源電力濾波器的原理結構示意圖。設負荷電流波形為方波(如圖3 a))，可將其分解為正弦基波電流iF和諧波電流iH。有源濾波器首先實時檢測出負荷電流中的諧波分量iH(如圖3 b))，再通過發生器發出與iH大小相等方向相反的補償電流ic(如圖3 c)注入電網以抵銷iH，從而使系統側電流is僅為負荷電流的基波分量iF(如圖3 d))。顯然，要使諧波得到有效補償，有源電力濾波器應滿足：
2.2.1.1諧波電流檢測器應能實時準確的檢測出負荷電流iL中的諧波分量iH.
2.2.1.2諧波電流發生器應能及時準確地產生補償電流iC并注入電網。
目前，諧波電流檢測普遍采用基于瞬時無功理論的瞬時諧波電流檢測法，而電流發生器主回路則采用基于電流跟蹤控制的PWM逆變器。
有源電力濾波器既可與諧波源設備配套使用，用于消除特定設備的集中諧波污染，也可獨立用于配電網消除某些分散性諧波源(如家用電器等)造成的電網諧波。目前，國內外已有單臺容量達數百千伏安的有源電力濾波器投入使用。
2.2 分類
2.2.1按控制方法分 有單周控制、無差拍控制、差拍控制、滑模變結構控制、定時控制、滯環控制等;
2.2.2按電壓等級和響應速度分 電壓等級和響應速度有相應關系，是選擇濾波器的重要依據，而系統的成本又與響應速度成正比。
2.2.2.1低功率系統 功率小于100kVA，大量減少所聯電容，其響應速度相對快(10微秒到幾毫秒)。
2.2.2.1.1單相系統 使低功高頻的功率器件具更好的操作性，但缺乏強制性規章一般用戶不大可能投資于此;
2.2.2.1.2三相系統 三相平衡負載用三相APF，三相不平衡負載(尤其三相四線制系統)宜用三臺單相APF。
2.2.2.2中功率系統 功率100kVA～10MVA，包括可忽略三相不平衡的中高壓動力設備。其響應時間一般在10ms以內，鑒于高壓及其絕緣，主要用于消諧。
2.2.2.3高功率系統 缺乏能控大電流的高頻電力電子器件，此系統應用較少。
2.2.3按與電網的連接方式(拓撲結構)分 參見圖4：
2.2.3.1 并聯型 最重要、最廣泛的應用類型，應用于電流源型非線性負載抑諧、補償無功及平衡三相。由于交流電源基波電壓直接加在變流器上，補償電流基由變流器提供，故要求變流器容量大。見圖4a)，又分兩種：
2.2.3.1.1不需要檢測負載諧波電流類：近提出的尚處于實驗研發的新型，單周控制屬此。優點是開關調制頻率恒定、控制系統簡單(僅由RS觸發器或D觸發器構成的控制器、比較器、積分器及時鐘電路等幾部分組成)、可在一個周期內消除開關變量和控制參考信號間的穩態和動態誤差。缺點是系統性能易受外界條件的影響、抗干擾性能差、難以穩定工作、補償后的電源輸出電流波形有畸變、輕載時畸變較嚴重、系統對電路參數要求十分精確、否則電網側電路上有電流直流分量產生。這些缺點極大地阻礙了它的推廣應用。目前研究的單周控制APF僅適合于中小功率負荷。
2.2.3.1.2需要檢測負載諧波電流類：理論研究及技術開發最為成熟，國外已大量投入使用的新型。憑其突出的補償性能和優點，具有極大的開發和應用前景，成為電力諧波抑制技術發展的主流。主要類型為：
?、艧o差拍控制---根據系統的狀態方程和當前的狀態信息推算出下一周期的開關控制量，最終使輸出量跟蹤輸入量，從而使電流誤差為零的全數字化控制。優點是動態響應很快，易于計算機執行。缺點是對系統參數依賴性大、魯棒性較差、瞬態響應的超調量大、計算的實時性強、計算量很大，造成延遲，對硬件要求高。但隨著高性能DSP應用的不斷普及，基于這種控制方法的APF研究成果不斷出現。
?、撇钆目刂?--取消無差拍控制環節中的電流預測環節，克服了無差拍控制量大的缺點，使APF在第k+1時刻輸出的補償電流跟蹤第k時刻檢測到的實際諧波電流。但基于差拍控制方法的APF尚限于理論研究。
⑶滯環控制---根據給定的補償信號與測得的逆變器輸出電流的誤差來控制逆變器開關的動作，是目前使用十分廣泛的一種閉環控制方法。當誤差超過滯環的上、下限時開關即動作，使實際電流始終保持在滯環帶內，圍繞參考信號上下波動。控制方式簡單、動態響應快、開關損耗小、對負載的適應能力強、具有內在的電流限制能力、輸出電壓中不含特定頻率的諧波分量。但開關頻率變化較大，易引起脈動電流和開關噪聲，且系統的開關頻率、響應速度和電流的跟蹤精度受滯環帶寬影響。減少環寬可提高電流跟蹤性能，但功率開關的頻率變化大，開關損耗增加。反之則電流跟蹤性能變差，電流脈動增加。
還有，如滑模變結構控制、定時控制方法、空間矢量PWM控制、相移SPWM等。
2.2.3.2串聯型 通過變壓器串聯在電網和負載間，APF相當一個受控電壓源，主要用于消除帶容性負載的二極管整流電路等電壓諧波源對系統的影響，消除系統側電壓諧波與電壓波動對敏感負載的影響。它的優點是能補償電網諧波電壓和三相不平衡電壓，對電壓敏感性負載尤為適應。缺點是流過很高的負載電流，使得變壓器的額定參數上升，體積變大，損耗變大。此外串聯型APF投切、故障后的退出及各種保護也較為復雜，故目前實際投入使用仍較少。主要用于補償視為電壓源的諧波源，應用于改進電網諧波電壓質量，及為電壓敏感型設備提供正弦電壓，見圖4b)。
2.2.3.3混合型
2.2.3.3.1串并混合型：結合串聯型及并聯型之優點，能觧決電力系統大多數電能質量問題，故有稱電能質量綜合補償器(UPQC)。但控制復雜，造價高，見圖4c);
2.2.3.3.2串有源后并無源混合型：高阻抗串聯有源電力濾波器回路并聯無源濾波回路，以消除負載的高次諧波電流，諧波電流基由無源濾波器提供，而有源電力濾波器則改善無源濾波器的濾波特性，見圖4d);
2.2.3.3.3并有源與無源混合型：有源電力濾波器用于消除低頻諧波部分，而無源濾波器用于消除負載諧波電流。其損耗較少，但含較多儲能元件(尤無源濾波器部分)，只適用于諧波已定的單個負載，見圖4e)
2.2.3.3.4有源與并無源串混型：其無源濾波器用于降低有源電力濾波器的容量(以L、C構成泣入回路，利用LC諧振特性，使有源電力濾波器僅承擔極小部基波電壓)，主要用于中高電壓設備，見圖4f)。
2.2.4按補償參數分
2.2.4.1諧波補償
2.2.4.1.1諧波電壓補償---用戶公共連接點端壓限制在一定的諧波失真和電壓偏差范圍，且多不隨負載而變化。諧波電壓與諧波電流補償相互關聯，公共連接點諧波電壓的減小有利于諧波電流降低，尤適用于固有頻率在諧振頻率附近的非線性負荷。但此并不能解決非線性負荷的諧波電流問題;
2.2.4.1.2諧波電流補償---電流的大小和波形決定了電力系統的狀態，極大地降低用戶公共連接點電壓的失真。
2.2.4.2無功補償：雖適用于低功率系統，但市場有廉價、慢速，也有動態的此類補償裝置，有源電力濾波器極少用于功率因素修正。
2.2.4.3三相系統平衡
2.2.4.3.1主電壓平衡---不平衡程度取決于電流不平衡程度和電源電抗大小，并導致電壓不平衡，相位差不是120°。此法給各相加相應的瞬時電壓，使相電圧接近參考正弦波形。中高功率設備電抗不致對系統性能影響太大，故其常用于低功率系統;
2.2.4.3.2主電流平衡---流入大功率管柵極電流取決于系統不平衡程度，此法多用于住宅配電系統裝置低功率三相設備額定電流內。
2.2.4.4綜合補償
2.2.4.4.1諧波電流和無功的補償---采用一臺有源電力濾波器綜合補償諧波電流和無功，且使電壓、電流同相，限于電力開關器件參數，僅用于低功率系統;
2.2.4.4.2諧波電壓和無功的補償---抑制諧波電壓時，通過合理反饋，間接補償無功功率。亦僅用于低功率系統，且少用;
2.2.4.4.3諧波電壓和諧波電流的補償---采用串并聯結構，有利于網側和用戶端同時解決諧波問題;
2.2.4.4.4諧波電壓、諧波電流和無功的補償---亦需采用串并聯結構有源電力濾波器，結構、控制復雜，尚在研究、開發中。
