篇(1)
摘要：非線性負載的大量應用給電網帶來了嚴重的諧波污染，并由此產生了一系列電能質量問題，而各種敏感負載對電網的供電質量又提出了更高的要求。無源電力濾波器因其結構簡單、設備投資少、運行可靠性高、運行費用低，成為電力系統中最普遍的諧波抑制設備。
Abstract: the nonlinear load of power grid application to brought serious harmonic pollution, and produced a series of power quality problems, and all kinds of sensitive load of power grid power supply quality and to put forward higher request. Passive power filter because of its simple structure, equipment less investment, operation reliability high, low operating cost, be in the power system, the most common harmonic control equipment.
中圖分類號:X503X503 文獻標識碼：A 文章編號：
本文對無源電力濾波器的參數設計方法進行了深入的研究。詳細分析各種無源電力諧波器結構和工作原理，并在其基礎上對影響濾波器性能的有關參數進行了深入分析，重點研究了等值頻偏、品質因數、無功補償容量特性及系統諧波阻抗對單調諧濾波器和高通濾波器性能的影響。以此作為濾波裝置設計的理論基礎，為工程設計提供了理論準則。
本文通過分析濾波裝置設計方案的制定策略，推導最小電容器安裝容量法、無功補償容量分配法及過電壓限制法等工程設計方法設計濾波器參數的流程，并在MATLAB電力系統仿真環境下，通過仿真驗證了工程設計法。
對電力系統無源濾波裝置，在常規調諧濾波器的設計思路上，考慮實際濾波器受電網中的負載和自身元件特性的影響，工作在失諧狀態下，采取最佳偏調諧設計的方法設計單調諧濾波器。在給定容量時，對全調諧、經驗偏調諧、最佳偏調諧設計進行計算，對比結果，得出最佳偏調諧設計所得相對容量較小濾除諧波能力更好的優點。
由于交流調諧濾波器的工作原理及其缺點，針對嚴重影響調諧濾波器濾波效果的失諧問題和單個LC支路只能抑制單次諧波的缺陷，以及交流調諧濾波器不能實現動態補償問題，為了對其進行改進，學習研究了多種可變電抗器。
關鍵詞: 無源電力濾波器;諧波抑制;濾波效益;失諧
1.1諧波的產生及危害
電力系統中，諧波的定義是指對周期性非正弦電量進行傅立葉級數分解后，除了得到與電網基波頻率相同的分量外，還有一系列大于基波頻率的分量，這部分電量被稱為諧波。近年來, 隨著各種整流、換流設備、電弧爐、各種電力電子設備、非線性負荷以及多種家用電器和照明設備等的大量使用，電力系統的諧波問題隨著電力電子裝置的廣泛應用變的越來越突出。相對傳統的電路和電力調節裝置，電力電子裝置具有高功率因數、高功率密度、高可靠性及低噪音、維護成本低等優點，這種裝置提高了電能的利用率，但是其本身的非線形使得電網電壓和電流不再為正弦波，而是畸變為含有各次諧波的電壓和電流。諧波電壓和電流的出現，嚴重危害了功用電網及其他系統的正常工作。
諧波的危害主要體現在以下幾個方面：
(1)諧波對電網的影響
諧波電流在電網線路中會產生附加有功功率損耗。諧波電流雖然通常數值不大，但其頻率較高，導線的集膚效應造成的諧波電阻較大，從而引起的附加損耗增加，降低了發電、輸電及用電設備的效率。諧波電流中的無功分量同時會降低電網的功率因數
(2)引起過電壓和過電流
諧波會引起電網局部的并聯諧振和串聯諧振，這種諧振會使諧波電流放大幾倍至幾十倍，從而危及電容器和其他供用電設備的安全運行。嚴重時會將電容器和電抗器燒毀。
(3)諧波對電機的危害
諧波對旋轉電機會引起附加損耗和過熱。諧波電流通過定子繞組由于集膚效應會造成諧波損耗。另外，諧波電流會產生與諧波頻率相對應的旋轉磁場，在轉子繞組中感應出諧波電流，從而在轉子中產生損耗和過熱現象。諧波同時會引起機械振動，對電機也有很大的危害。其中，正負序的諧波電流在電動機中會產生N倍基頻的諧波轉矩，它的平均轉矩雖然可以忽略，但其產生的脈動轉矩會引起電機的機械振動和噪音諧波對變壓器的影響主要是發生諧振時，電流過大，鐵心嚴重飽和，可危及變壓器的安全。諧波電流流過變壓器，還會增加其銅耗和鐵耗。
(4)諧波對電纜線路絕緣的影響
對電纜線路，非正弦，電壓使絕緣老化加速，泄漏電流加大，當出現并聯諧振過電壓時，可能引起放炮并擊穿電纜。
(5)諧波對繼電保護和電力測量的影響
許多電能儀表和繼電保護設備是針對正弦波及其過零點校驗設計的，諧波容易引起繼電保護和自動裝置誤動作或拒絕動作。不同類型的繼電器設計性能和工作原理不同，故諧波的影響有較大差別。諧波對大多數繼電器的影響并不大，但對部分晶體管型繼電器可能有很大影響。在存在諧波的情況下，由于沒有統一的表征功率的定義，同一儀表對同一電氣量進行測量時，按照不同定義所的得的結果可能會相差20%~30%。另外，對于采用平均值測量法的儀表，由于需要按正弦波轉換成有效值，當存在諧波時，結果有誤差。
(6)諧波對通信系統的干擾
諧波干擾會引起通信系統的噪音，降低通信的清晰度，干擾嚴重時會引起通信信號的丟失。在諧波和基波共同作用下引起的電話鈴響，甚至會危及設備和人身安全。
(7)諧波對整流裝置的影響
高次諧波對脈沖——相位控制的可控硅(晶閘管)整流裝置有較大影響，可能造成脈沖丟失而燒壞可控硅管。
1.3諧波的抑制
要解決配電系統的諧波和無功補償問題必須綜合考慮濾波和補償這兩方面的因素，能滿足要求的實現方法有很多，經過學習比較，這里主要研究兩種常見的濾波裝置。一種是無源濾波器;一種是有源濾波器。
1、無源濾波器
無源電力濾波器是傳統的補償無功和抑制諧波的主要手段，是一種用并聯濾波器濾除諧波的典型電路結構，通常是根據所要實現的功能由電力電容器，電抗器和電阻組合而成。一個簡單的串聯LC電路與諧波源并聯，應用其諧振原理，使某一次諧波在這個支路發生諧振，呈現低阻狀態，使該次諧波電流不再流入電網，達到抑制諧波的目的。如果要濾除若干次諧波，就用若干個單調諧LC濾波器并聯接到電網。無源電力濾波器還可以設計成雙諧振的，同時濾除兩種頻率的諧波，還可以設計成高通濾波器，以濾除某一次上的諧波。
無源濾波器的優點：因其結構簡單，電壓和容量可以做的很大，在吸收諧波的基礎上還可以補償無功，改善功率因素;維護方便;造價低，運行費用也低;對某一次高次諧波的吸收效果明顯;設計制造經驗成熟。因此成為傳統的補償無功和抑制諧波的主要手段。
無源濾波器雖然存在上述諸多優點，但它也有不足之處。無源濾波器的濾波原理是在系統中為諧波提供一并聯低阻通路，因此由于結構原理上的原因，在應用中存在著一些難以克服的缺點：
(1)只能抑制按設計要求規定的諧波成分，抑制較低次諧波的單調諧濾波器只對調諧點的濾波效果明顯，而對偏離調諧點的諧波無明顯效果。而實際工程設計時考慮到設計投資，不可能依靠增加濾波器的辦法解決。
(2)濾波特性受系統參數影響較大，濾波效果隨系統運行情況而變化，當系統阻抗和頻率波動時，濾波效果變差。特別是對電網阻抗和頻率的變化十分敏感，在一個復雜的電力系統中，這兩個參數的變化規律很難精確預知，因此一個實際的濾波器要達到理想的濾波效果是很難的。
(3)當系統阻抗和頻率變化時，可能與系統發生串聯或者并聯諧振，從而會產生諧波放大現象，使裝置無法運行，甚至使整個濾波系統無法正常運行。
(4)當系統中諧波電流增大時，無源濾波器可能過載，甚至損壞設備。
(5)裝置體積大，損耗大。
(6)濾波要求和無功補償、調壓要求有時難以協調。
基于上述無源濾波器設計和運行中存在的問題，國內外的設計研究人員研究出若干解決辦法，通過采取優化設計，在一定程度上提高了無源濾波器的使用效果。但無源濾波器由于原理上帶來的缺點是無法徹底克服的，因此，有必要采用其它濾波方式來抑制諧波。
2、有源電力濾波器
有源電力濾波器是一種能夠彌補無源濾波器不足的一種新型諧波抑制設備，是一種用于動態抑制諧波、補償無功的新型電力電子裝置，它能對大小變化的諧波以及變化的無功進行補償。它的基本原理是從補償對象中檢測出諧波電流，由補償裝置產生一個與該諧波電流大小相等而極性相反的補償電流，從而使電網電流只含基波分量。其應用可克服LC無源濾波器等傳統諧波抑制和無功補償方法的缺點，與傳統無源濾波器相比，具有突出的優點，概括起來主要有：
(1)實現了動態補償，可對頻率和大小都變化的諧波以及變化的無功功率進行補償，對補償對象的變化有極快的響應。
(2)可同時對諧波和無功功率進行補償，補償無功功率時不需要儲能元件，補償諧波時所需要儲能元件容量也不大，且補償無功功率的大小可做到連續調節。
(3)即使補償電流過大，有源電力濾波器也不會發生過載，并能正常發揮補償用。
(4)受電網阻抗的影響不大，不容易和電網阻抗發生諧振。
(5)能跟蹤電網頻率的變化，故補償性能不受電網頻率變化的影響。
(6)既可對一個諧波和無功源單獨補償，也可對多個諧波和無功源集中補償。
基于有源濾波器的上述優點，采用有源電力濾波器是對諧波進行抑制的一個發展趨勢，因而受到廣泛的重視，對于保證電力系統運行的安全性、可靠性和經濟性具有重要意義，具有廣闊的應用前景。
但目前國內的有源濾波器還處于研發階段技術還不夠成熟，應用的有源濾波器大都是國外進口產品，如ABB公司，價格昂貴，只有少數的工廠和企業在用。因此在這里選用無源濾波裝置。
從工作原理來看，濾波裝置可分為兩類。一類為有源濾波器，即該濾波器本身為一諧波源，其發生的諧波與負荷產生的諧波大小相等，但方向相反，正好抵消了負荷產生的諧波，從而達到消除諧波的目的。這類濾波器目前僅有小容量的裝置投人使用，尚須進一步研究。另外一類是無源濾波器，它是采用電容、電感諧振的原理來達到“吸收”諧波的目的。由于其中有電容器，所以可以實現濾波兼并補雙重作用。
無源電力濾波器以其結構簡單、設備投資少、運行可靠性高、運行費用低等優點，成為電力系統中最普遍的諧波抑制設備。
參考文獻：
(1) 胡治國, 張靜, 何銀永. 帶諧波的無功補償系統[J] 東北電力技術; 2005, (6) 19～21
(2) 徐金亮低壓變頻器的諧波治理和無功功率補償[A] 電力電容器、無功補償技術論文集[C], 654 內蒙古石油化工2006.
(3)王兆安,楊君,劉進軍.諧波抑制和無功功率補償.機械工業出版社,1999:1-49 138-162
(4)吳競昌,孫樹勤,宋文南等.電力系統諧波.北京:水利電力出版社，1998
篇(2)
摘要：當前電力電子變換器、分布式電源以及非線性負載應用較多，將為分布式發電的電能質量帶來一定影響，特別是諧波問題日益嚴重，如何抑制微電網諧波將成為重點研究的內容。本文主要探討了PWM技術在微電網諧波抑制中的應用，并分析了滯環帶寬的影響。
關鍵詞：PWM技術;微電網諧波抑制;應用
隨著微電網的不斷發展，解決了大電網運行中控制難度大、成本較高和可靠性不強等不足。當前微電網發電將應用分布式電源、輸配電系統、負載等，均需要進行能量控制與轉換的電力電子裝置接入，將產生大量微電網諧波。在電網內形成諧波后，電網內電壓、電流以及無功功率均將出現畸變。因此我們要注重運用PWM技術，提升微電網諧波抑制效果，提升電力系統運行穩定性。
1.微電網諧波產生原因分析
光伏發電系統是微電網的重要微電源，其原因在于光伏發電安裝靈活、無污染、可再生、發展到今天已經非常完善與成熟。光伏發電存在很多現實問題，包括能源危機向題、環境污染問題，將新能源作用充分發揮出來，這是全球能源互聯網的基礎能源等。光伏發電系統在創造較大經濟效益時，也將出現大量諧波，為微電網質量造成極大的影響，劉此我們應該作出全面剖析，將相關治理措施做到位[1]。光伏發電系統諧波形成原因為運用了很多電力電子裝置，如直流變直流變換器、直流變交流逆變器和選擇了電力電子技術形成的非線性負載，會會形成三相不平衡電流及諧波，為大電網造成制約。
2.基于PWM的在微電網諧波抑制方法
2.1 運用PWM技術的APF
諧波源來源于微電網內非線性負載、分布式電源、電力電子變換器等，在產生諧波后會消耗無功，且APF在自身電力電子器件下會形成補償電流，與諧波電流幅值樣，而極性不同，疊加至系統內會讓諧波消除[2]。APF工作原理圖如圖1所示，有源濾波器構成部分包括指令電流運算電路、電流跟蹤控制電路、驅動電路以及主電路等。指令電流運算電路能夠對電流進行檢測，該電流為主電路進行補償電流的，選擇PWM型電壓型逆變器，APF能夠動態實現諧波治理。
2.2 三相瞬時無功功率理論
p、q法檢測的框圖如圖2所示：
該方案主要在三相對稱、無畸變電網中運用，其原理：(1)將p、q分別計算出來;(2)通過LPF獲得與基波有關的p、q直流分量是p、q。這里面p是有功的平均功率，q是無功的平均功率。(3)按照下述公式將被檢測電路ia、ib、ic的基波分量分別為iaf、ibf、ibf。
則路ia、ib、ic的諧波分量分別為iah、iah、iah其計算方式如下：
1ah=ia-iaf
1bh=ib-ibf
1ch=ic-icf
3.滯環帶寬的影響
如圖3所示為補償前電網電流波形與電流諧波含量，補償前為24.72%。滯環帶寬在補償效果影響上，在其寬度上按照0.1、2、3作出調整，其補償后電網電流與補償電流仿真結果如圖4、圖5、圖6所示。
由圖5、圖6，圖7可知，當滯環帶寬分別為0.1、2、5時，補償電流波形紋波越來越多，補償后電流諧波含量將逐步增加，THD值是1.02%、1.28%、4.32%。分析其原因可知，在帶寬增加以后，開關頻率會降低，跟蹤精度也越來越小。基于此我們應該加強滯環帶寬的控制，這樣才能實現滯環控制效果的提升。
4.結語
總之，今后世界將朝著可持續的潔凈、清潔能源方向發展，清潔能源將逐步取代化石能源終。電網的發展也將多元化，在科學技術推動下，微電網將成為主要發電方式，研究微電網諧波治理就顯得尤為重要。今后我們需要進一步研究PW剛技術的應用，不斷提升微電網諧波抑制效果。
參考文獻
[1]孫瑞.PWM技術在電機驅動控制中的應用[J].科學技術創新，2017(28)：54-55.
[2]陶璐，李良光.基于PWM技術逆變器的諧波的研究[J].科技視界，2017(08)：138.
推薦閱讀：《電子科技文摘》堅持為社會主義服務的方向，堅持以馬克思列寧主義、毛澤東思想和鄧小平理論為指導，貫徹“百花齊放、百家爭鳴”和“古為今用、洋為中用”的方針，堅持實事求是。
篇(3)
摘要：電機驅動系統的母線使用大電解電容會降低壽命和可靠性，使用小容值薄膜電容來替代大電解電容，可以提高系統可靠性，除去功率因數糾正(PFC)電路以降低成本，但要求在網側具有高功率因數以及足夠低的電流諧波，因此需要準確地控制逆變器輸出功率以實現這種訴求。提出一種修正指令電流的方法控制逆變器輸出功率。選擇PIR控制器，以無靜差跟隨兩倍工頻波動的理想輸出功率。另外，針對電流環響應頻率以上的噪聲，通過電壓前饋的方式補償，能夠彌補電流環響應頻率的不足。通過仿真以及實驗驗證有效性，使網側功率因數達到0.988 8，網側電流諧波畸變率0.148 9，網側電流各次諧波均控制在EN 61000-3-2標準以下。
關鍵詞：諧波抑制;無電解電容;高功率因數;電流修正;電壓前饋
《大電機技術》(雙月刊)創刊于1971年，由哈爾濱大電機研究所主辦。
0 引 言
近年來，永磁同步電機的應用越來越廣泛，但是在傳統雙閉環控制系統中，母線大電解電容存在壽命短、穩定性差、體積大的缺點。在對系統性能要求不高的場合，如空調壓縮機，使用小薄膜電容代替母線大電解電容，可以在有效提高系統可靠性與使用壽命的同時，免去網側功率因數糾正電路以降低成本。為適應拓撲結構的改變，需要新的控制策略來實現對電機的控制，并滿足高功率因數、網側電流低諧波的控制訴求。
因小容值薄膜電容不能存儲能量以提供穩定的母線電壓，母線電壓基本跟隨網側電壓產生大幅度波動而直接帶來電壓不足，難以支撐電機的高速穩定運行的問題，文獻[1]根據電機在一個電壓波動周期內需要的平均電壓計算弱磁電流來保證電機云頂運行，并給出兩倍工頻頻率波動的q軸電流控制方式，以減小電壓不足的影響。文獻[2]添加一個功率閉環，通過重復控制器和試湊PI控制器來重新生成q軸電流指令控制逆變器輸出功率。文獻[3-4]在轉速環與電流環之間添加一個轉矩環，提出轉矩控制器來實現對逆變器功率的控制，并在電壓不足時，開環輸出電壓以滿足功率輸出要求以抑制母線電壓迸升。文獻[5]給出了逆變器零輸出時的電機電流畸變抑制方法。文獻[6-7]綜合考慮電壓與功率的約束條件，離線計算理想的d-q軸電流指令，并在過程中加入少量的電壓矢量修正，得到幾乎理想的實驗波形。文獻[8]不加入額外控制環路，通過合理調節d-q軸電流指令，實現調速與網側諧波要求。文獻[9-10]在網側輸入端加入一個小電感，利用電感的特性濾除網側電流的高次諧波，同時在逆變器輸出端做功率補償以抑制電感加入所帶來的LC諧振。
雖然國內外文獻出發點不盡相同，但是最終的控制方式都落到修正逆變器的輸出功率。在小電容的拓撲結構下，母線電容是一個幾至幾十μF的薄膜電容，其功率很小，將其近似為理想值[11]，這也就意味著修正了逆變器的功率，就修正了網側輸入功率，使得網側的電流可控。文獻[10-12]將系統拓撲結構簡化為一個有著電壓源和電流源的LC電路，網側輸入為電壓源，而逆變器的輸出簡化為一個電流源。文獻[12]在簡化的系統結構下，得出系統特征方程并給出諧波抑制方法。為了使逆變器的功率輸出不含有輸出轉矩快速波動帶來的噪聲，文獻[1-12]均將速度環的帶寬降至幾赫茲，使得電機對轉速波動不敏感，始終保持平穩的功率輸出，從而避免了諧波的出現。
本文通過對系統模型的分析，建立功率與q軸電流指令修正量的數學關系，使逆變器輸出功率閉環，更合理地控制逆變器功率。功率環位于速度環與電流環之間，在自身穩定性較高的情況下，其對于電機轉矩的影響會由轉速環糾正，系統的穩定性以及魯棒性得到了保證;同時考慮到電流環的響應帶寬，在電流環難以響應的高頻段，利用電壓前饋的方式，在逆變器側修正電壓矢量做補償，將響應頻率提高至開關頻率。仿真以及實驗結果驗證了本文提出的控制策略有效性。
2.2 電壓前饋
通過電流指令對逆變器功率的控制受限于電流環帶寬的影響，在高頻段難以達到理想的控制效果，而逆變器理想功率又以兩倍工頻的頻率波動，q軸指令電流亦大致呈現兩倍工頻波動，電流環的控制本身會帶有一定的穩態誤差，難以達到理想控制效果。
另外，對系統控制效果影響更嚴重的是母線電壓大幅度波動帶來的欠壓問題。在電機高速運行的情況下，要實現對電機的控制需要克服較大的反電勢，而當網側電壓波動至波谷時，母線電壓隨之波動至波谷，電壓不足以實現對電機的控制，如圖5。這種電壓不足的情況一定會存在，并會導致電流難以良好跟隨指令，出現一定程度的扭曲，功率亦得不到有效的控制。
為了提高系統的穩定性，當母線處于欠壓狀態時，忽略功率差，不計入功率環輸入。
4 結 論
本文針對母線無電解電容永磁同步電機驅動系統提出了一種基于電流修正的諧波抑制策略，所提出方法的有效性經由仿真以及實驗驗證。逆變器功率環利用PIR控制器以跟蹤兩倍工頻波動的逆變器理想輸出功率，經由電流的修正來實現對逆變器輸出功率地控制。實驗結果增大網側功率因數至0.988 8，降低網側電流諧波畸變率至0.148 9，同時輸入電流各次諧波均符合EN 61000-3-2標準。該方法有助于永磁同步電機應用的進一步普及，具有一定實用價值。
參 考 文 獻：
[1] JUNG HYUNSAM，CHEE SEUNGJUN，SUL SEUNGKI，et al. Control of three phase inverter for AC motor drive with small DClink capacitor fed by single phase AC source[P]. Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE)， 2012 IEEE，2012.
[2] INAZUMA K， UTSUGI H， OHISHI K， et al.Highpowerfactor singlephase diode rectifier driven by repetitively controlled IPM motor[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2013， 60(10)：4427.
[3] ABE K， HAGA H， OHISHIi K， et al. Fine current harmonics reduction method for electrolytic capacitorless and inductorless inverter based on motor torque control and fast voltage feedforward control for IPMSM[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017， 64(2)：1071.
[4] ABE K， HAGAA H， OHISHI K， et al. Direct DClink current control considering voltage saturation for realization of sinusoidal source current waveform without passive components for IPMSM drives[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2017.
[5] ABE K，AKAMA Y，OHISHI K，HAGA H，et al.Suppression method of increase in motor current at zero output voltage for an electrolytic capacitorless inverter[P]. International Conference on Industrial Electronics for Sustainable Energy Systems (IESES)， Hamilton， 2018 IEEE，2018.
[6] LEE WJ， SON Y， HA J I. Singlephase active power filtering method using dioderectifierfed motor drive[J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 2015， 51(3)：2227.
[7] SON Y， HA J I. Direct power control of a threephase inverter for grid input current shaping of a singlephase diode rectifier with a small DCLink capacitor[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30(7)：3794.