諧波問題和現(xiàn)狀研究王兆安

1、第1章緒論諧波抑制和無功補償是涉及電力電子技術(shù)、電力系統(tǒng)、自動化技術(shù)、理論電工等領(lǐng)域的重大課題。由于電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，使得諧波和無功問題引起人們越來越大的關(guān)注。同時,也由于電力電子技術(shù)的飛速進步，在諧波抑制和無功補償方面也取得了一些突破性的進展。本章首先介紹諧波及無功問題的研究歷史和現(xiàn)狀，并扼要敘述諧波抑制和無功補償?shù)闹饕侄?，然后介紹編寫本書的基本指導(dǎo)思想和各章主要內(nèi)容。1.1諧波問題及研究現(xiàn)狀“諧波”一詞起源于聲學。有關(guān)諧波的數(shù)學分析在18世紀和19世紀已經(jīng)奠定了良好的基礎(chǔ)。傅里葉等人提出的諧波分析方法至今仍被廣泛應(yīng)用。電力系統(tǒng)的諧波問題早在20世紀50年代和60年代就引起了人們

2、的注意。當時在德國由于使用汞弧靜止變流器而造成了電壓電流波形的畸變。1945年J.C.Read發(fā)表的有關(guān)變流器諧波的論文是早期有關(guān)諧波研究的經(jīng)典論文1。到了50年代和60年代，由于高壓直流輸電技術(shù)的發(fā)展，發(fā)表了有關(guān)變流器引起電力系統(tǒng)諧波問題的大量論文。E.W.Kimbark在其著作中對此進行了總結(jié)。70年代以來，由于電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，各種電力電子裝置在電力系統(tǒng)、工業(yè)、交通及家庭中的應(yīng)用日益廣泛，諧波所造成的危害也日趨嚴重。世界各國都對諧波問題予以充分的關(guān)注。國際上召開了多次有關(guān)諧波問題的學術(shù)會議，不少國家和國際學術(shù)組織都制定了限制電力系統(tǒng)諧波和用電設(shè)備諧波的標準和規(guī)定。我國對諧波問題的研

3、究起步較晚。吳竟昌等人1988年出版的電力系統(tǒng)諧波一書是我國有關(guān)諧波問題較有影響的著作3。夏道止等1994年出版的高壓直流輸電系統(tǒng)的諧波分析及濾波是近年出版的彳t表性著作4。此外，唐統(tǒng)一等人和容健綱等人分別獨立番S譯了J.Arrillaga等的電力系統(tǒng)諧波一書6,也在國內(nèi)有較大的影響。諧波研究的意義首先是因為諧波的危害十分嚴重。諧波使電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，使電氣裝備過熱、產(chǎn)生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發(fā)生故障或燒毀。諧波可引起電力系統(tǒng)局部并聯(lián)諧振或串聯(lián)諧振，使諧波含量放大，造成電容器等設(shè)備燒毀。諧波還會引起繼電保護和自動裝置誤動作，使電能計量出現(xiàn)混亂。對于電力系統(tǒng)

4、外部，諧波對通信設(shè)備和電子設(shè)備會產(chǎn)生嚴重干擾。諧波研究的意義還在于其對電力電子技術(shù)自身發(fā)展的影響。電力電子技術(shù)是未來科學技術(shù)發(fā)展的重要支柱。有人預(yù)言電力電子連同運動控制將和計算機技術(shù)一起成為21世紀最重要的兩大技術(shù)7。然而，電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙，它迫使電力電子領(lǐng)域的研究人員必須對諧波問題進行更為有效的研究。諧波研究的意義更可以上升到治理環(huán)境污染、維護綠色環(huán)境的角度來認識。對電力系統(tǒng)這個環(huán)境來說，無諧波就是“綠色”的主要標志之一8,9。在電力電子技術(shù)領(lǐng)域，要求實施“綠色電力電子”的呼聲也日益高漲。目前，對地球環(huán)境的保護已成為全人類的共識。對電力系統(tǒng)諧波

5、污染的治理也已成為電工科學技術(shù)界所必須解決的問題。有關(guān)諧波問題的研究可以劃分為以下四個方面：1）與諧波有關(guān)的功率定義和功率理論的研究；2）諧波分析以及諧波影響和危害的分析；3）諧波的補償和抑制；4）與諧波有關(guān)的測量問題和限制諧波標準的研究。當電壓或電流中含有諧波時，如何定義各種功率是一個至今尚未得到圓滿解決的問題。如何使定義科學嚴謹，又能滿足各種工程和管理需要，還有許多問題需要研究。本書將不在這一問題上展開討論，但在第2.2節(jié)對研究現(xiàn)狀作簡要介紹，在第6章介紹對諧波補償有很大使用價值的瞬時無功功率理論。諧波分析包括諧波源分析和電力系統(tǒng)諧波分析。在電力電子裝置普及以前，變壓器是主要的諧波源。目前

6、變壓器諧波已退居很次要的地位，各種電力電子裝置成為最主要的諧波源。在電力電子裝置的諧波分析中，對電容濾波整流電路等的研究還不充分。在本書第3章中將對各種電力電子電路進行諧波分析。電力系統(tǒng)的諧波分析是以電力系統(tǒng)為對象，當系統(tǒng)中有一個或多個諧波源時，計算和分析系統(tǒng)中各處的諧波電壓和諧波電流的分布情況。高壓直流輸電工程的建立及靜止無功補償器（StaticVarCompensator,縮寫為SVC）的應(yīng)用有力地推動了這方面研究的進展，我國學者夏道止在這一領(lǐng)域的研究在國際上產(chǎn)生了廣泛的影響4,1013O其研究的主要特點是把交直流電力系統(tǒng)一直作為一個整體統(tǒng)一求解，使得分析結(jié)果更為準確。目前這一領(lǐng)域還有一些

7、問題有待進一步研究解決4,14,15。例如，當系統(tǒng)的諧波源為時變或同時存在多個諧波源時，如何進行建模和分析；如何計算或估計負荷及系統(tǒng)的等值諧波阻抗；如何對待背景諧波等。有關(guān)電力系統(tǒng)諧波分析的問題已超出了本書的討論范圍，有興趣的讀者可參I文獻3,4和有關(guān)論文。在諧波危害及影響的分析方面有關(guān)文獻已很多35,16。但隨著諧波源種類和分布的變化，又有新的問題不斷出現(xiàn)。本書在2.4節(jié)對這一問題進行簡要的敘述。諧波抑制是本書的核心內(nèi)容之一，在1.2節(jié)對其進行扼要介紹之后，將在第4章4.2節(jié)、第6章和第7章進行詳細的論述。電力系統(tǒng)中諧波的實際測量結(jié)果是諧波問題研究的主要依據(jù)，也常常是研究分析問題的出發(fā)點。由

8、于電子技術(shù)，特別是數(shù)字電子技術(shù)的進步，已有許多儀器能對諧波進行連續(xù)的測量，提供必要的信息。但如何合理地選擇采樣時間、測量間隔及測量位置，如何處理波形瞬態(tài)畸變和閃變等問題還需要深入研究。在有諧波時各種電量的測量中，以功率和電能的測量最為重要。這項工作除與諧波標準有關(guān)外，更和存在諧波時功率的分類和定義直接相關(guān)。數(shù)字采樣測量技術(shù)的發(fā)展正在突破以前存在的各種技術(shù)限制，但因為缺少統(tǒng)一的功率分解和定義，這一問題尚未得到合理的解決17。制定限制諧波的標準是解決電力系統(tǒng)諧波危害和影響的重要措施。世界上許多國家都已制定了限制諧波的國家標準或全國性規(guī)定1821。我國也先后于1984年和1993年分別制定了限制諧波

9、的規(guī)定和國家標準22,23。在國際上，各個國際組織如國際電氣電子工程師協(xié)會（IEEE）、國際電工委員會（IEC）和國際大電網(wǎng)國際會議（CIGRE）也紛紛推出了各自建議的諧波標準。其中較有影響的是IEEE519-1992和IEC555-224,25。前者是修訂后第二次發(fā)表，后者正在修訂之中。本書在第2.1節(jié)將介紹我國的現(xiàn)行諧波標準。近年來，國際上有關(guān)諧波的研究十分活躍，每年都有大量的論文發(fā)表。這一方面說明了這一研究的重要性，另一方面也預(yù)示著這一領(lǐng)域的研究將取得重大突破。1.2 諧波抑制為解決電力電子裝置和其他諧波源的諧波污染問題，基本思路有兩條。一條是裝設(shè)諧波補償裝置來補償諧波，這對各種諧波源都

10、是適用的。另一條是對電力電子裝置本身進行改造，使其不產(chǎn)生諧波，且功率因數(shù)可控制為1,這當然只適用于作為主要諧波源的電力電子裝置。裝設(shè)諧波補償裝置的傳統(tǒng)方法就是采用LC調(diào)諧濾波器。這種方法既可補償諧波，又可補償無功，而且結(jié)構(gòu)簡單，一直被廣泛使用。這種方法的主要缺點是補償特性受電網(wǎng)阻抗和運行狀態(tài)影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過載甚至燒毀。此外，它只能補償固定頻率的諧波，補償效果也不甚理想。盡管如此，LC濾波器當前仍是補償諧波的最主要手段。目前，諧波抑制的一個重要趨勢是采用電力有源濾波器(ActivePowerFilter,縮寫為APF)。電力有源濾波器也是一種電力電子裝置。其

11、基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產(chǎn)生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，且補償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響，因而受到廣泛的重視，并且已在日本等國獲得廣泛應(yīng)用9,26,27O電力有源濾波器的基本思想在六、七十年代就已經(jīng)形成2830。80年代以來，由于大中功率全控型半導(dǎo)體器件的成熟，PWM(PulseWidthModulation)控制技術(shù)的進步，以及基于瞬時無功功率理論的諧波電流瞬時檢測方法的提出3133,電力有源濾波器才得以迅速發(fā)展9,26。電力有源濾波器的變流電路可分為電壓型和電流型，目前實際應(yīng)

12、用的裝置中90%以上是電壓型。從與補償對象的連接方式來看，又可分為并聯(lián)型和串聯(lián)型，目前運行的裝置幾乎都是并聯(lián)型26,列。上述類型都可以單獨使用，也可以和LC濾波器混合使用。有關(guān)內(nèi)容將在第7章中介紹。對于作為主要諧波源的電力電子裝置來講，除了采用補償裝置對其諧波進行補償外，還有一條抑制諧波的途徑，就是開發(fā)新型變流器，使其不產(chǎn)生諧波且功率因數(shù)為1。這種變流器被稱為單位功率因數(shù)變流器(UnityPowerFactorConverter)。高功率因數(shù)變流器可挖看成單位功率因數(shù)變流器3438。大容量變流器減少諧波的主要方法是采用多重化技術(shù)，即將多個方波疊加以消除次數(shù)較低的諧波，從而得到接近正弦波的階梯波

13、。重數(shù)越多，波形越接近正弦，當然電路結(jié)構(gòu)也越復(fù)雜。因此這種方法一般只用于大容量場合。多重化技術(shù)如果能與PWM技術(shù)相配合，可取得更為理想的結(jié)果。從幾千瓦到幾百千瓦的高功率因數(shù)整流器主要采用PWM整流技術(shù)。迄今為止，對PWM逆變器的研究已經(jīng)很充分，但對PWM整流器的研究則較少。對于電流型PWM整流器，可以直接對各開關(guān)器件進行正弦PWM調(diào)制，使得輸入電流接近正弦且和電源電壓同相位。這樣，輸入電流中就只含與開關(guān)頻率有關(guān)的高次諧波，這些諧波頻率很高因而容易濾除。同時，也得到接近1的功率因數(shù)。對于電壓型PWM整流器，需要通過電抗器與電源相連。其控制方法有直接電流控制和間接電流控制兩種。直接電流控制就是設(shè)法

14、得到與電源電壓同相位、由負載電流大小決定其幅值的電流指令信號，并據(jù)此信號對PWM整流器進行電流跟蹤控制。間接電流控制就是控制整流器的入端電壓，使其為接近正弦的PWM波形，并和電源電壓保持合適的相位，從而使流過電抗器的輸入電流波形為與電源電壓同相位的正弦波。PWM整流器配合PWM逆變器可構(gòu)成理想的四象限交流調(diào)速用變流器，即雙PWM變流器7。這種變流器不但輸出電壓電流均為正弦波，輸入電流也為正弦波，且功率因數(shù)為1,還可實現(xiàn)能量的雙向傳送，代表了這一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展方向。小容量整流器為了實現(xiàn)低諧波和高功率因數(shù)，通常采用二極管加PWM斬波的方式。這種電路通常稱為PFC(PowerFactorCorrec

15、tor)電路，已在開關(guān)電源中獲得了廣泛的應(yīng)用。因為辦公和家用電器中使用的開關(guān)電源數(shù)量極其龐大，因此這種方式必將對諧波污染的治理作出巨大貢獻。除上述各種高功率因數(shù)變流器外，采用矩陣式變頻器也可以使得輸入電流為正弦波且功率因數(shù)接近1。有關(guān)各種高功率因數(shù)變流器的內(nèi)容將在第8章敘述。1.3 無功補償人們對有功功率的理解非常容易，而要深刻認識無功功率卻并不是輕而易舉的。在正弦電路中，無功功率的概念是清楚的，而在含有諧波時，至今尚無獲得公認的無功功率定義。但是，對無功功率這一概念的重要性，對無功補償重要性的認識卻是一致的。無功補償應(yīng)包含對基波無功功率的補償和對諧波產(chǎn)生的無功功率的補償。后者實際上就是上一節(jié)

16、中所述的諧波補償，有關(guān)這一概念將在2.2節(jié)中闡述。因此本節(jié)主要簡述對基波無功功率的補償。無功功率對供電系統(tǒng)和負荷的運行都是十分重要的。電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)元件的阻抗主要是電感性的。因此，粗略地說，為了輸送有功功率，就要求送電端和受電端的電壓有一相位差，這在相當寬的范圍內(nèi)可以實現(xiàn)；而為了輸送無功功率，則要求兩端電壓有一幅值差，這只能在很窄的范圍內(nèi)實現(xiàn)。不僅大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)元件消耗無功功率，大多數(shù)負荷也需要消耗無功功率。網(wǎng)絡(luò)元件和負荷所需要的無功功率必需從網(wǎng)絡(luò)中某個地方獲得。顯然，這些所需的無功功率如果都要由發(fā)電機提供并經(jīng)過長距離傳送是不合理的，通常也是不可能的。合理的方法應(yīng)是在需要消耗無功功率的地方產(chǎn)生無功功

17、率，這就是本書所討論的無功補償。無功補償?shù)淖饔弥饕幸韵聨c：1）提高供用電系統(tǒng)及負荷的功率因數(shù)，降低設(shè)備容量，減少功率損耗。2）穩(wěn)定受電端及電網(wǎng)的電壓，提高供電質(zhì)量。在長距離輸電線中合適的地點設(shè)置動態(tài)無功補償裝置還可以改善輸電系統(tǒng)的穩(wěn)定性，提高輸電能力。3）在電氣化鐵道等三相負荷不對稱的場合，通過適當?shù)臒o功補償可以平衡三相的有功及無功負荷39。早期無功補償裝置的典型代表是同步調(diào)相機。同步調(diào)相機不僅能補償固定的無功功率，對變化的無功功率也能進行動態(tài)補償。至今在無功補償領(lǐng)域中這種裝置還在使用，而且隨著控制技術(shù)的進步其控制性能還有所改善。由于從總體上說這種補償手段已顯陳舊，在有關(guān)著作中已有較詳細論

18、述，所以本書不再對其詳細討論。并聯(lián)電容器的成本較低。把并聯(lián)電容器和同步調(diào)相機比較，在調(diào)節(jié)效果相近的條件下，前者的費用要節(jié)省得多。因此，電容器的迅速發(fā)展幾乎取代了輸電系統(tǒng)中的同步調(diào)相機。但是和同步調(diào)相機相比，電容器只能補償固定的無功功率，在系統(tǒng)中有諧波時還有可能發(fā)生并聯(lián)諧振使諧波放大，電容器因此而燒毀的事故也時有發(fā)生。靜止無功補償裝置近年來獲得了很大發(fā)展，已被廣泛用于輸電系統(tǒng)波阻抗補償及長距離輸電的分段補償，也大量用于負荷無功補償。其典型代表是固定電容器+晶閘管控制電抗器（FixedCapacitor+ThyristorControlledReactor,縮寫為FC+TCR）。晶閘管投切電容器（

19、ThyristorSwitchingCapacitor,縮寫為TSC）也獲得了廣泛的應(yīng)用。靜止無功補償器的重要特性是它能連續(xù)調(diào)節(jié)補償器的無功功率，這種連續(xù)調(diào)節(jié)是依靠調(diào)節(jié)TCR中晶閘管的控制角a得以實現(xiàn)的。TSC只能分組投切，不能連續(xù)調(diào)節(jié)無功功率，它只有和TCR配合使用，才能實現(xiàn)補償裝置整體無功功率的連續(xù)調(diào)節(jié)。由于具有連續(xù)調(diào)節(jié)的性能且響應(yīng)迅速，因此SVC可以對無功功率進行動態(tài)補償，使補償點的電壓接近維持不變。因TCR裝置采用相控原理，在動態(tài)調(diào)節(jié)基波無功功率的同時，也產(chǎn)生大量的諧波，所以，固定電容器通常和電抗器串聯(lián)構(gòu)成諧波濾波器，以濾除TCR中的諧波。比SVC更為先進的現(xiàn)代補償裝置是靜止無功發(fā)生器

20、（StaticVarGenerator,縮寫為SVG）。SVG也是一種電力電子裝置。其最基本的電路仍是三相橋式電壓型或電流型變流電路，目前使用的主要是電壓型。SVG和SVC不同，SVC需要大容量的電抗器、電容器等儲能元件，而SVG在其直流側(cè)只需要較小容量的電容維持其電壓即可。SVG通過不同的控制，既可使其發(fā)出無功，呈電容性，也可使其吸收無功，呈電感性。采用PWM控制，即可使其輸入電流接近正弦波。有關(guān)無功補償電容器和靜止無功補償裝置，將分別在第4.1節(jié)和第5章論述。1.4 本書內(nèi)容概述諧波問題和無功問題對電力系統(tǒng)和電力用戶都是十分重要的問題，也是近年來各方面關(guān)注的熱點之一。諧波和無功問題的涉及面

21、都較廣。諧波問題包括：畸變波形的分析方法、諧波源分析、諧波的影響及危害、電網(wǎng)諧波潮流計算、諧波測量及有諧波時各種電量的測量方法及手段、諧波補償和抑制、諧波限制標準等問題。無功問題包括：無功功率理論及負荷補償理論、輸電系統(tǒng)中穩(wěn)態(tài)及動態(tài)無功功率控制理論、無功功率對供用電系統(tǒng)的影響、各種無功補償裝置、無功功率測量及收費、無功功率的調(diào)度和管理等。本書不可能包括上述全部內(nèi)容，而是把重點放在諧波抑制和無功補償方面。對于作為諧波源且功率因數(shù)低的電力電子裝置，本書也專設(shè)一章進行較為詳細的分析。對于諧波和無功的基本理論、非電力電子裝置諧波源、無功功率的影響和諧波的危害等問題，本書只作扼要的敘述，對近年出現(xiàn)的與諧

22、波補償有關(guān)的瞬時無功功率理論，則專設(shè)一章進行介紹。諧波抑制和無功補償是兩個相對獨立的問題，但二者之間有又有非常緊密的聯(lián)系。這是因為：(1)在沒有諧波的情況下，無功功率有其固定的概念和定義。而在含有諧波的情況下，無功功率的定義和諧波有密切的關(guān)系，諧波除其本身的問題之外，也影響負荷和電網(wǎng)的無功功率，影響功率因數(shù)。(2)產(chǎn)生諧波的裝置同時大都也是消耗基波無功功率的裝置，如各種電力電子裝置、電弧爐和變壓器等。(3)補償諧波的裝置通常也都是補償基波無功功率的裝置，如LC濾波器、電力有源濾波器中的許多類型都可補償無功功率，高功率因數(shù)整流器既限制了諧波，也提高了功率因數(shù)。正因為二者之間有如此密切的聯(lián)系，才把諧波抑制和無功補償結(jié)合起來寫成本書。諧波抑制和無功補償都與電力電子技術(shù)有著密切的聯(lián)系。這首先是因為各種電力電子裝置目前已成為供用電系統(tǒng)中最為重要的諧波源，同時其功率因數(shù)也很低，消耗大量的無功功率。其次,現(xiàn)代諧波抑制裝置和無功補償裝置也幾乎都是不同性質(zhì)的電力電子裝置。正因為如此，本書研究的內(nèi)容可以看成是電力電子技術(shù)的一個重要分支。當然，本書也和電力系統(tǒng)、電工理論等有密切的關(guān)系。本書第2章首先介紹諧波和諧波分析、無功功率和功率因數(shù)的基本概念，以及有關(guān)定義和計算。這些內(nèi)容是全