在現代電力系統(tǒng)中，隨著電力電子技術的飛速發(fā)展，各種非線性用電設備廣泛應用，如變頻器、整流器、開關電源等。這些設備在運行過程中會向電網注入大量的高次諧波，對電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行、電能質量以及電氣設備的正常工作都帶來了嚴重威脅。因此，研究和應用抑制電源高次諧波的先進技術具有至關重要的現實意義。

高次諧波的產生與危害

高次諧波的產生

高次諧波主要源于電力系統(tǒng)中的非線性負荷。當正弦波電壓施加于非線性負荷時，其電流不再是正弦波，除了基波成分外，還包含一系列頻率為基波整數倍的高次諧波。以常見的整流裝置為例，二極管或晶閘管整流器在工作時，電流呈脈沖狀，導致輸入電流波形嚴重畸變，產生大量高次諧波。此外，電弧爐、電焊機等設備在運行過程中也會因自身的非線性特性產生高次諧波。

高次諧波的危害

高次諧波對電力系統(tǒng)和電氣設備的危害是多方面的。首先，高次諧波會使電力電容器以及與之相串聯的電抗器過電流、過熱，發(fā)出異常聲響，甚至損壞，嚴重影響電容器和電抗器的使用壽命。其次，高次諧波會使變壓器和電機產生附加損耗、局部過熱，產生附加力矩而造成振動，發(fā)出異常聲響，降低設備的運行效率和可靠性。再者，高次諧波幅值過大會引起繼電器、控制電器和計算機誤動作，影響電力系統(tǒng)的正?？刂坪捅Ｗo功能。此外，高次諧波還會干擾鄰近的通信系統(tǒng)，使電磁兼容性問題變得更加突出，同時引起計量儀表計量誤差，造成電費收費不合理。

抑制電源高次諧波的先進技術

有源濾波器(APF)

有源濾波器是一種可動態(tài)抑制諧波的新型電力電子裝置。其工作原理是通過實時檢測系統(tǒng)中的諧波電流，然后利用可控的功率半導體器件(如 IGBT)產生與諧波電流大小相等、方向相反的補償電流，注入到電網中，從而抵消諧波電流，使電網電流只含基波分量。與傳統(tǒng)的無源濾波器相比，有源濾波器具有高度可控性和響應性，能對頻率和幅值都變化的諧波進行跟蹤補償，補償性能不受電網阻抗的影響。此外，有源濾波器還具備一機多能的特點，既能補償各次諧波，亦能抑制閃變、補償無功。在實際應用中，有源濾波器可根據不同的負載特性和諧波情況，采用并聯型、串聯型或混合型等多種拓撲結構，以實現最佳的諧波抑制效果。

無源濾波器

無源濾波器由電容、電感和電阻等無源器件組成，通過對特定頻率諧波進行旁路或阻斷，達到抑制諧波的目的。常見的無源濾波器有單調諧濾波器、雙調諧濾波器和高通濾波器。單調諧濾波器對某次諧波呈低電阻，因而僅對某次諧波調諧，其品質因數一般為 30 - 100;雙調諧濾波器的阻抗特性與兩個并聯的單調諧濾波器的阻抗特性相近似，比較經濟，但調諧較難;高通濾波器在高于某一頻率的很寬的頻率范圍內呈低阻抗，適用于抑制高次諧波。無源濾波器結構簡單、成本低，但只能補償固定頻率諧波，對系統(tǒng)阻抗變化敏感，且可能與系統(tǒng)發(fā)生并聯諧振，導致諧波放大。因此，在實際應用中，無源濾波器通常與有源濾波器配合使用，以取長補短，提高諧波抑制效果。

多脈沖整流器

多脈沖整流器通過增加整流器的脈沖數，使輸出電流更接近正弦波，從而減少低次諧波的含量。例如，采用 12 脈波或 24 脈波整流器替代 6 脈波整流器，可將諧波含量降低 50% 以上。多脈沖整流器的原理是利用變壓器的不同繞組連接方式，使多個整流器輸出的直流電壓在相位上相互錯開，然后疊加在一起，從而使合成的直流電流中的諧波成分大大減少。多脈沖整流器具有結構相對簡單、可靠性高、成本較低等優(yōu)點，在一些對諧波要求較高的場合得到了廣泛應用。

有源功率因數校正(APFC)技術

有源功率因數校正技術主要用于改善用電設備的功率因數，同時抑制高次諧波。對于頻繁產生高頻諧波的設備，如大功率電源、開關電源等，采用有源功率因數校正設備，可在減少諧波產生的同時提高功率因數。APFC 技術通常采用 Boost 升壓電路 + PWM 控制，通過主動調節(jié)輸入電流，使其跟隨電網電壓波形，達到接近 1.0 的功率因數。該技術具有諧波抑制能力強、能提高輸入電壓利用率、減少對大電容的依賴、降低紋波等優(yōu)點。在實際應用中，APFC 技術可有效降低用電設備對電網的諧波污染，提高電力系統(tǒng)的整體運行效率。

抑制電源高次諧波的先進技術對于保障電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行、提高電能質量、降低電氣設備損耗具有重要意義。有源濾波器、無源濾波器、多脈沖整流器和有源功率因數校正等技術各有特點和優(yōu)勢，在實際應用中應根據具體的諧波情況、負載特性和經濟成本等因素，選擇合適的技術方案或多種技術的組合。隨著電力電子技術、控制技術和材料技術的不斷發(fā)展，相信會有更多先進、高效、經濟的諧波抑制技術涌現，為電力系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供有力支持。