諧波標準和電力電子設備

陳 馨

（中船重工集團公司第七一二研究所，武漢430064）

1 引言

IEEE和 IEC制定的諧波標準，雖還未被國際標準化組織（ASNI）和歐洲電工技術委員會（CENELEC）強制實行，但已引起了電力電子業界的廣泛關注。IEC 1000-3-2可能是最引人關注的標準，它將被歐盟采納為EN 61000-3-2，這意味著在歐洲銷售的每相電流不超過 16 A的電力電子產品需要符合此EN諧波標準。在大多數應用場合，滿足這些諧波標準并不困難，但還正在研究最經濟實用的方案。IEEE和國際諧波標準能分成以下二組，見表1。

目前，只有IEC 1000-3-2和IEC 1000-3-4對單次諧波含量設定了特別的限制，這兩個標準對電力電子設備的設計最有沖擊。IEEE 519雖然也對單次諧波含量設定了標準，但其目的是限制公共耦合點（PCC）的諧波。由于還不可能得到IEC 1000-3-4，某些企業采用IEEE 519作為設計指導來限制三相設備的諧波輻射，這種對標準的不恰當引用反映了對三相諧波標準的強烈需求。

表1 IEEE和國際諧波標準

2 諧波源

任何電力電子設備都可能是諧波源，通常分成兩種類型的諧波源：電壓源變換器和電流源變換器。電壓源變換器在交流電網側產生脈沖形的諧波電流其諧波畸變率對單相系統通常大于 100%，對三相系統通常大于60%。由于電流源變換器只出現在大功率三相工業設備中，因此本文將不討論電流源變換器。

3 諧波標準

3.1 IEC 1000-3-2

IEC 1000系列標準處理所有電磁兼容性問題。 IEC 1000-3-2對4種不同類型的設備制定了標準，其中D類最有爭議，電壓源變換器電流呈單圓丘狀諧波，這種波形出現在大多數單相電力電子設備之中。

表2 IEC 1000-3-2對D類設備的限制標準

表2列出了對 D類設備的電流諧波限制標準，適用于此標準的D類設備的最大輸入功率為600 W。此標準和IEC 555-2唯一的區別在于第3列的最后一項，它是參見A類，而不是過去的線性外推。

3.2 IEC 1000-3-4

IEC 1000-3-4標準不僅處理單臺設備的諧波問題，也對整個系統安裝給出了限制標準，它還提出了單相和三相系統的諧波限制標準。表Ⅱ列出了對于輸入電流不小于16A的三相設備的IEC 1000-3-4標準。

表3 IEEE 1000-3-4對三相設備的限制標準

表3沒有列出對13次以上諧波的限制標準。

表4給出了IEC 1000-3-4標準對整個系統安裝的限制標準。盡管表Ⅲ并未列出THD和PWHD值，但對于整個系統安裝，它們都限制在20%以內，如果三相不平衡，那么每個單相都應單獨滿足標準。

3.3 IEEE 519

IEEE 519標準給出了對公共耦合處的電壓諧波和電流諧波的限制，標準制訂的基本原則是防止電流諧波流回電力系統，以免影響其他用戶。表5列出了IEEE 519標準對電壓諧波的限制。

表4 IEC 1000-3-4允許的整體安裝電流標準

表5 IEEE-519的電壓限制標準

4 單相補償方法

4.1 內置式補償

4.1.1 串聯電感型濾波器

電源設備生產商關心限制電流畸變的諧波標準，這時可以選擇串聯電感型濾波器。已有研究指出，加上串聯電感可以顯著降低開關電源的電流諧波來滿足IEC標準。串聯電感既可加在交流側，也可加在直流側。圖1給出了在直流側加上串聯濾波電感Lc的方法。

對于全橋整流器，可在整流器和濾波電容(Cdc)之間加上電感，如圖1(a)所示。當給電壓倍增型整流器電路添加串聯電感時，串聯電感需要分成兩半，如圖1(b)所示。

4.1.2 Boost變換器電流成形

對于單相整流器，有多種有源電流成形方法，Boo變換器可能是最常見的一種。圖2給出了包含Boost變換器的電源電路。在電流和電壓畸變小和精確跟蹤時，通常加上前級Boost變換器所獲得的功率因數高于0.99%，而輸入電流的THD值一般小于5%。

如果只要符合IEC 1000-3-2標準，用Boost變換器似乎補償過頭。選擇無源電感補償，還是選擇有源電流成形，似乎是在成本和有效性之間進行折中。

圖1 直流側串聯電感進行電流成形的電路

圖2 內置式Boost變換器電路

4.2. 外部補償

4.2.1 并聯連接諧振型濾波器

作為一種外加式附件設備，并聯連接諧振型濾波器經常被配置成一個方便的電源出口，并作為2～4個電器設備的電源接入點。圖3給出了一種商用的并聯連接諧振型濾波器的電路圖。諧振回路阻抗Zr是頻率的函數，可以表示為：

圖3 為抑制諧波而并聯連接諧振型濾波器的電路

4.2.2 串聯連接諧振型濾波器

和并聯連接諧振濾波器一樣，串聯連接諧振型濾波器是一種為其它幾個電器設備提供電源的插入式濾波器，其額定電流通常為6A。串聯連接諧振型濾波器既可單調諧，也可多調諧。對于單調諧串聯連接諧振型濾波器，濾波器電路阻抗與電源頻率的關系可以推導為：

圖4給出了包含3次諧波調諧LC電路Lr、Cr的一種典型的串聯連接諧振型濾波器。

5 三相補償方法

5.1 內置式補償

5.1.1 串聯直流扼流圈

與單相情況類似，對基于三相整流器的電力電子設備，可以添加直流扼流圈。當直流扼流圈足夠大時，電流會最終變成方波，其5次諧波含量為20%，這將完全不能滿足Rsc=66和Rsc=120時的限制標準，參見表Ⅱ。

5.1.2. 串聯直流扼流圈+LC濾波器

加上無源濾波器來抑制單次諧波是一種可能的解決方法。加上直流扼流圈后，再在整流器前端添加LC濾波器。其中LC濾波器通常調諧至5次諧波，因為它最難滿足標準。一旦抑制了5次諧波，其它諧波同樣能大量減小。

5.1.3. 三相變換器電流成形

對于三相整流橋，有多種輸入電流成形的方法。和單相對應情況類似，也可以加上單開關Boost變換器進行三相電流成形。但是，單開關的開關器件要承受很高的電壓和電流應力，是否實用值得懷疑。也有可能使用雙開關電流注入型Boost變換器進行電流成形，雙開關方案的主要問題是需要笨重的磁性元件。

圖4 雙調諧串聯連接諧振型濾波器(SCRF)電路

5.2 外部補償

為避免破壞已有系統，進行外部補償是合理的。外部可以用無源和有源補償方法。雖然用無源補償可以滿足IEC或IEEE標準，但當負載變化時，這種方法可能會補償不足或補償過度。在三相系統中，有源補償仍然優于無源補償。用有源濾波器來補償畸變的諧波電流的概念框圖如圖5。

圖5 有源濾波器的概念框圖

5.2.1 串聯有源濾波器+并聯無源濾波器

對于大功率系統，有源濾波器受高壓、大電流半導體器件的限制，而純粹的無源濾波器補償又有與系統相互干擾大的問題。這就提出了一種含一個串聯有源濾波器和一個并聯無源濾波器的混合濾波器系統方案，如圖6所示，它被認為是在中等和大功率應用場合一種特別有效的諧波補償方法。

5.2.2 串聯有源濾波器+并聯有源濾波器

并聯有源濾波器是補償諧波電流的一種好方法，但是，為消除通常只有百分之幾 THD值的諧波電壓，需要串聯有源濾波器。如包含串聯和并聯有源濾波器的三相電力線路調節器，可共享一個公共的直流母線，在能提供干凈的負載電壓的同時，也能保證電網側的電流正弦，但是造價較高。

6 討論和結語

國際和 IEEE諧波標準對電力電子設備產生的電壓和電流諧波作了限制，為滿足這些標準，本文提出了多種電力電子電路設計方法，并簡述了幾種商業上可行的電力電子解決方案，還用電路解釋了諧波抑制的基本概念。雖然有源方案的電流成形和諧波補償的有效性不是問題，但是，額外的電力電子電路成本是阻礙其接受的主要障礙。最簡單的補償方法是用串聯電感來滿足IEC-1000-3-2，用串聯電感和LC濾波器的組合來滿足 IEC-1000-3-4。盡管用無源補償方法來滿足標準的效果還令人滿意，但存在以下兩個不足：

● 串聯電感或濾波器可能導致整流器輸入電流畸變和輸出直流電容電壓減小；

● 并聯濾波器可能引起整流器輸入電流增大。

圖6 組合諧波抑制電路圖

如果加上 7.5%的電感，直流電壓至少下降7.5%，這樣大的電壓跌落將影響計算機電源等的正常工作。在無源補償方案中，還發現存在補償過度、補償不足和與系統相互干擾強烈等問題。雖然有源補償在性能上優于無源補償，但是它的成本比較高，控制比較復雜。怎樣設計一個效/費比合適、滿足諧波標準的要求而又沒有諸多問題的電力電子設備，仍然是擺在每一個電力電子工程師面前的公開挑戰。

[1]陳堅. 電力電子學：電力電子變換和控制技術. 北京：高等教育出版社, 2002,1.

[2]王兆安 等. 諧波抑制和無功功率補償. 北京： 機械工業出版社, 1998,1.

[3]Thomas S. Key and Jih-Sheng Lai, IEEE and international harmonic standards impact on power electronic equipment design, IEEE IECON.,pp.430-436, Nov.1998.

[4]W. Edward Reid, Power quality issues—standards and guidelines, IEEE Trans. Ind. Applicat., vol .32,No.3,pp.625-632, May/June.1996.

[5]Fang Z. Peng, Harmonic sources and filtering approaches, IEEE Ind. Applicat. Mag.,pp.18-25,July/August. 2001.