降低谐波源谐波含量与电能质量控制装置的研制

随着现代工业与信息技术的飞速发展，电力系统中非线性负载（如变频器、整流设备、电弧炉等）大量增加，产生了严重的谐波污染。谐波不仅导致电能质量下降，还会引发电气设备过热、误动作，增加线路损耗，甚至威胁电网安全稳定运行。因此，如何有效降低谐波源的谐波含量，并研制高效的电能质量控制装置，已成为电力电子与电力系统领域的重要课题。

一、 降低谐波源谐波含量的主要方法

降低谐波含量需从源头治理与末端治理两方面着手，核心在于抑制谐波的产生或补偿已产生的谐波。

1. 优化谐波源设备的设计与选型：

• 采用多脉冲整流技术：如12脉冲、24脉冲整流电路，通过相位叠加抵消特定次数的谐波电流，可显著降低输入电流的谐波畸变率（THDi）。

• 应用功率因数校正（PFC）技术：在开关电源等设备前端加入有源或无源PFC电路，使输入电流波形跟随电压波形，从而降低低次谐波含量。

• 选用低谐波含量的变频器与驱动器：优先选择采用先进调制技术（如SVPWM）和内置输入电抗器或直流电抗器的设备。

1. 安装无源滤波装置：

• 由电容器、电抗器和电阻器适当组合而成，调谐在需要滤除的谐波频率附近，为谐波电流提供低阻抗通路，从而将其吸收。该方法成本较低，但存在可能与系统发生谐振、滤波效果受系统阻抗影响大等缺点。

1. 改变运行方式与系统结构：

• 将产生谐波的负荷与对谐波敏感的负荷由不同母线或变压器供电。

• 增加谐波源的短路容量（如采用更高容量的变压器或缩短供电距离），可以在一定程度上降低谐波电压畸变率。

二、 电能质量控制装置的研制

对于已产生并注入电网的谐波，以及电压波动、闪变、不平衡等问题，需依靠安装在电网中的电能质量控制装置进行集中治理。其研制是电力电子技术、控制理论与数字信号处理技术的综合应用。

1. 核心装置：有源电力滤波器（APF）

• 工作原理：APF通过实时检测负载电流中的谐波和无功分量，生成一个与之大小相等、方向相反的补偿电流注入电网，从而抵消谐波，实现谐波隔离与无功补偿。

• 研制关键技术：

• 谐波检测技术：快速准确的谐波检测是APF有效工作的前提。常用方法有基于瞬时无功功率理论的p-q法、ip-iq法，以及基于傅里叶变换、小波变换的算法。

• 电流跟踪控制技术：如何使补偿电流快速、高精度地跟踪指令电流是关键。滞环比较控制、三角载波PWM控制以及基于空间矢量的预测电流控制是主流技术。

• 主电路拓扑与功率器件：电压型桥式结构是主流。研制需关注大容量、高开关频率的IGBT、SiC MOSFET等功率器件的应用，以提高装置容量与效率。

• 数字控制平台：采用高性能DSP（数字信号处理器）或FPGA作为控制核心，实现复杂算法的快速运算与系统实时控制。

1. 综合解决方案：静止无功发生器（SVG）与统一电能质量调节器（UPQC）

• SVG：专注于动态无功补偿，也能治理部分谐波，响应速度极快，适用于抑制电压波动与闪变。

• UPQC：是APF与动态电压恢复器（DVR）的结合体，串联部分补偿电压质量问题（如跌落、骤升），并联部分补偿电流质量问题（如谐波、无功），是功能最全面的电能质量综合治理装置。其研制复杂度最高，涉及串联与并联变流器的协调控制、双向能量流动管理等技术。

1. 研制趋势与挑战

• 高功率密度与模块化：通过改进散热设计、优化拓扑（如模块化多电平MMC应用于高压场合），实现装置的小型化与容量扩展。

• 智能化与自适应：结合人工智能、机器学习算法，使装置能自动识别电网状态与负载特性，实现控制参数的自整定和运行策略的优化。

• 多功能集成与协同：研制能够同时治理多种电能质量问题，并能与分布式能源、储能系统协同运行的复合型装置。

• 高可靠性设计与成本控制：提高功率器件和关键元件的寿命与可靠性，在保证性能的同时降低制造成本，是推动其大规模应用的关键。

结论

降低谐波含量是一个系统工程，需遵循“预防为主，防治结合”的原则。一方面，应从源头优化用电设备，减少谐波产生；另一方面，应大力发展以有源电力滤波器为核心的电能质量控制装置技术。随着电力电子器件与数字控制技术的进步，更高效、智能、经济的电能质量控制装置将不断涌现，为构建清洁、安全、高效的现代智能电网提供坚实的技术支撑。