諧波問題已經(jīng)引起人們廣泛重視，許多國家及地區(qū)制定了各自的諧波標準。我國也分別于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)及用電設備的諧波污染。 　　在我國，雖然目前電力電子裝置應用不如發(fā)達國家普及，但也有因諧波問題而無法給多臺電機安裝變頻器和無法使用計算機網(wǎng)絡的事例。而且，諧波污染也勢必越來越嚴重［1～3］。本文將試圖展示我國工業(yè)現(xiàn)場電網(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)諧波測試 [/b]　　電機是最典型的耗能設備之一。變頻調速器則是典型的非線性設備和諧波源。通過對不同容量、不同運行頻率時的測試表明：變頻器（組）引起的諧波電流相當嚴重。電流總諧波畸變率THDi（相對于基波I1）為46．5％～157．0％，有的甚至高達220％，遠遠超過IEEE－519標準關于配電系統(tǒng)規(guī)定5％～20％的限值。當然，注入電網(wǎng)的諧波電流絕對值也將遠遠超過國家標準值。 　　一個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　中頻感應電源相電流及諧波含量圖 　　由圖可見：工業(yè)現(xiàn)場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諧波有下降趨勢，但下降幅度有限。在所有測試樣本中，電流畸變率THDi均在46．5％以上，相對于總電流的電流畸變率THDi＿R也在42％以上，仍然遠遠超過標準值。 　　另一類典型非線性負載——中頻感應加熱電源相電流畸變率比變頻調速器的稍小，但仍然高出有關標準值許多。主要諧波參數(shù)和典型波形為：相對于總電流的電流諧波畸變率THDi＿R＝29、相對于基波電流的電流諧波畸變率THDi＿F＝30％，其中5次諧波含量（相對于基波電流）HRI5＝21％。 　　測試現(xiàn)場電網(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（相對于基波）：THDu＜3．5％（0．38kV系統(tǒng)標準極限值為5％［5］） 　　單次諧波含有率（相對于基波）：HRUh：＜1％（HRU11最大，其余＜0．5％） 。 　　電網(wǎng)電壓諧波較小，是由于現(xiàn)場運行負載相對供電系統(tǒng)容量較小的緣故。當使用大量變頻器之類的非線性負載后，將會導致電網(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載所帶來的日益嚴重的諧波問題［1～3］，近年來，提出了許多有源電力濾波器（APF）方案，并逐步地得到應用，以克服無源濾波（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（典型值為負載的5％）及較低的造價而得到廣泛關注。然而，由于電網(wǎng)諧波影響、負載變化、保護困難等因素，這種濾波器僅美國有用于實際電力系統(tǒng)的報道［7］。 　　本文針對一臺50kVA變頻調速器的諧波，提出一種性能優(yōu)、成本低、易實現(xiàn)、工作可靠的綜合控制的綜合有源電力濾波器（HAPF）。它改進了F．Z．PENG提出的結構和控制方法，其原理如圖4所示。圖中Ish為電網(wǎng)側諧波電流；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)以抑制非線性負載產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)支路的污染和電網(wǎng)的諧波電壓對負載的影響為目的，這可表達為 　[img=255,73]http://zszl.cepee.com/cepee_kjlw_pic/files/wx/dwjs/2000-5/60-3.jpg[/img]?。?）、（2） 　　式中　ILh為非線性負載產(chǎn)生的諧波電流；VLh為負載側的諧波電壓。 [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Vc＝K×Ish（僅諧波電流控制），且K＞＞｜ZS+ZF｜時，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)電壓存在嚴重畸變時，較大的Vsh將使HAPF諧波抑制性能變壞，并增大PF容量。這是因為系統(tǒng)諧波是電壓源，較小的諧波電壓會在PF上產(chǎn)生較大諧波電流。 　　采用綜合控制，即采用①無源濾波器（PF）降低濾波支路阻抗；②一個電壓控制電壓源（VCVS）有源單元，使電網(wǎng)支路對Vrh呈無限大阻抗（開路），以阻止其對負載側的傳遞，受控源輸出電壓VC1＝G×Vrh（G＝－1）；③一個電流控制電壓源（CCVS）單元，使電網(wǎng)支路對Ish的阻抗增大（有限阻抗），減小非線性負載諧波電流對電網(wǎng)的污染，受控源輸出電壓VC2＝K×Ish。VCVS與CCVS可疊加成一個受控電　壓源，即Vc＝Vc1＋Vc2＝K（s）Ish＋GVrh。當K＞＞｜ZS+ZF｜和G＝－1時，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）和較小容量的無源濾波器（｜IF｜較?。? 　　需要指出的是，雖然當K＞＞1時，式（3）與式（4）、式（5）與（6）等價。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，針對變頻器負載變化范圍大、兼顧無功容量與諧波容量、抑制效果與穩(wěn)定性，對無源濾波器組進行了特殊設計；同時，控制系數(shù)K根據(jù)負載輕重自適應調節(jié)，也是筆者對F．Z．Peng結構實用化的重要改進。 [b]3　仿真和模型實驗 [/b]　　對上述治理方案進行了PSIM及SABER仿真，主要仿真參數(shù)如下： 　　負載：50kVA／380V，三相不控整流，電容濾波。電網(wǎng)諧波電壓嚴重畸變（見圖5），相對于基波總畸變率THDv為12％，其中V5＝10．6％，V7＝5．5％。 　　圖5左一、左二分別為HAPF開啟前后負載（及無源濾波器）輸入電壓，右二、右一為其相應頻譜?？梢奌APF開啟前電網(wǎng)諧波電壓全部傳遞到負載端（THDv＝12％） ；而開啟后相對基波總畸變率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對非線性負載產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)污染的抑制作用，左一、左二分別為HAPF開啟前后電網(wǎng)側輸入電流，右二、右一為其相應頻譜?？梢奌APF開啟前電網(wǎng)諧波電流即為負載電流（ZS＜＜ZF）,因而含有大量諧波,相對基波總畸變率THDi＝85％；而開啟HAPF后，由于有源單元和無源單元的共同作用，其THDi下降為小于1．7％。 　　如果不采用復合控制，僅對電流控制（F．Z．Peng方案），則應增加PF容量，而且，電流諧波難以得到很好抑制。圖7結果就說明了這一點，其THDi≈17．2％。 　　同時，模型實驗與仿真波形吻合得較好，波形如下：電網(wǎng)電流Is和負載電壓VL接近于正弦波，諧波指標符合國家標準GB／T 14549－93和IEEE－519，表明這種HAPF能夠較好地抑制電網(wǎng)的諧波電壓對負載端的影響和非線性負載諧波電流對電網(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HAPE前（上）后（下）負載電壓VL波形 （b）啟動HAPE前網(wǎng)側電流IS波形 　?。–）啟動HAPE后網(wǎng)側電流IS波形 　　圖8　HAPF的諧波抑制實驗波形 [b]4　結論 [/b]　　按照相關標準［5，6］中諧波測試方法、儀器和數(shù)據(jù)處理的要求，對具有廣泛代表性的工業(yè)用變頻調速器組和中頻感應加熱電源的諧波進行了測試，得出了電流諧波THDi在42％以上的定量結論。圍繞一50kVA負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。仿真和實驗結果表明：其諧波抑制性能好、對負載變化范圍大和電網(wǎng)嚴重畸變情形適應性強。[/align]