抑制电源高次谐波的先进技术

在现代电力系统中，随着电力电子技术的飞速发展，各种非线性用电设备广泛应用，如变频器、整流器、开关电源等。这些设备在运行过程中会向电网注入大量的高次谐波，对电力系统的安全稳定运行、电能质量以及电气设备的正常工作都带来了严重威胁。因此，研究和应用抑制电源高次谐波的先进技术具有至关重要的现实意义。

高次谐波的产生与危害

高次谐波的产生

高次谐波主要源于电力系统中的非线性负荷。当正弦波电压施加于非线性负荷时，其电流不再是正弦波，除了基波成分外，还包含一系列频率为基波整数倍的高次谐波。以常见的整流装置为例，二极管或晶闸管整流器在工作时，电流呈脉冲状，导致输入电流波形严重畸变，产生大量高次谐波。此外，电弧炉、电焊机等设备在运行过程中也会因自身的非线性特性产生高次谐波。

高次谐波的危害

高次谐波对电力系统和电气设备的危害是多方面的。首先，高次谐波会使电力电容器以及与之相串联的电抗器过电流、过热，发出异常声响，甚至损坏，严重影响电容器和电抗器的使用寿命。其次，高次谐波会使变压器和电机产生附加损耗、局部过热，产生附加力矩而造成振动，发出异常声响，降低设备的运行效率和可靠性。再者，高次谐波幅值过大会引起继电器、控制电器和计算机误动作，影响电力系统的正常控制和保护功能。此外，高次谐波还会干扰邻近的通信系统，使电磁兼容性问题变得更加突出，同时引起计量仪表计量误差，造成电费收费不合理。

抑制电源高次谐波的先进技术

有源滤波器(APF)

有源滤波器是一种可动态抑制谐波的新型电力电子装置。其工作原理是通过实时检测系统中的谐波电流，然后利用可控的功率半导体器件(如 IGBT)产生与谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，注入到电网中，从而抵消谐波电流，使电网电流只含基波分量。与传统的无源滤波器相比，有源滤波器具有高度可控性和响应性，能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，补偿性能不受电网阻抗的影响。此外，有源滤波器还具备一机多能的特点，既能补偿各次谐波，亦能抑制闪变、补偿无功。在实际应用中，有源滤波器可根据不同的负载特性和谐波情况，采用并联型、串联型或混合型等多种拓扑结构，以实现最佳的谐波抑制效果。

无源滤波器

无源滤波器由电容、电感和电阻等无源器件组成，通过对特定频率谐波进行旁路或阻断，达到抑制谐波的目的。常见的无源滤波器有单调谐滤波器、双调谐滤波器和高通滤波器。单调谐滤波器对某次谐波呈低电阻，因而仅对某次谐波调谐，其品质因数一般为 30 - 100;双调谐滤波器的阻抗特性与两个并联的单调谐滤波器的阻抗特性相近似，比较经济，但调谐较难;高通滤波器在高于某一频率的很宽的频率范围内呈低阻抗，适用于抑制高次谐波。无源滤波器结构简单、成本低，但只能补偿固定频率谐波，对系统阻抗变化敏感，且可能与系统发生并联谐振，导致谐波放大。因此，在实际应用中，无源滤波器通常与有源滤波器配合使用，以取长补短，提高谐波抑制效果。

多脉冲整流器

多脉冲整流器通过增加整流器的脉冲数，使输出电流更接近正弦波，从而减少低次谐波的含量。例如，采用 12 脉波或 24 脉波整流器替代 6 脉波整流器，可将谐波含量降低 50% 以上。多脉冲整流器的原理是利用变压器的不同绕组连接方式，使多个整流器输出的直流电压在相位上相互错开，然后叠加在一起，从而使合成的直流电流中的谐波成分大大减少。多脉冲整流器具有结构相对简单、可靠性高、成本较低等优点，在一些对谐波要求较高的场合得到了广泛应用。

有源功率因数校正(APFC)技术

有源功率因数校正技术主要用于改善用电设备的功率因数，同时抑制高次谐波。对于频繁产生高频谐波的设备，如大功率电源、开关电源等，采用有源功率因数校正设备，可在减少谐波产生的同时提高功率因数。APFC 技术通常采用 Boost 升压电路 + PWM 控制，通过主动调节输入电流，使其跟随电网电压波形，达到接近 1.0 的功率因数。该技术具有谐波抑制能力强、能提高输入电压利用率、减少对大电容的依赖、降低纹波等优点。在实际应用中，APFC 技术可有效降低用电设备对电网的谐波污染，提高电力系统的整体运行效率。

抑制电源高次谐波的先进技术对于保障电力系统的安全稳定运行、提高电能质量、降低电气设备损耗具有重要意义。有源滤波器、无源滤波器、多脉冲整流器和有源功率因数校正等技术各有特点和优势，在实际应用中应根据具体的谐波情况、负载特性和经济成本等因素，选择合适的技术方案或多种技术的组合。随着电力电子技术、控制技术和材料技术的不断发展，相信会有更多先进、高效、经济的谐波抑制技术涌现，为电力系统的可持续发展提供有力支持。