一、概述

1、電網(wǎng)諧波問題及有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的提出

隨著現(xiàn)代工業(yè)的高速發(fā)展，電力系統(tǒng)的非線性負(fù)荷日益增多。如各種換流設(shè)備、變頻裝置、電弧爐、電氣化鐵道等非線性負(fù)荷遍及全系統(tǒng)，而程控交換機(jī)、電視機(jī)、高頻逆變焊機(jī)、電子鎮(zhèn)流器等信息設(shè)備、辦公自動(dòng)化設(shè)備和家用電器的使用越來越廣泛。

這些非線性負(fù)荷產(chǎn)生的諧波電流注入到電網(wǎng)，使公用電網(wǎng)的電壓波形產(chǎn)生畸變，嚴(yán)重地污染了電網(wǎng)的環(huán)境，威脅著電網(wǎng)中各種電氣設(shè)備的安全運(yùn)行。其危害概括起來有以下幾個(gè)方面：

①可能使電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置產(chǎn)生誤動(dòng)或拒動(dòng)，直接危及電網(wǎng)的安全運(yùn)行。

②使交流供電設(shè)備(如交流發(fā)電機(jī)、UPS等)輸出功率的利用率降低，并使輸電線上的損耗增大，造成了緊缺資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。

③使三相四線制電網(wǎng)中的三次及其倍數(shù)次諧波在中線同相位，導(dǎo)致合成后中線電流很大，甚至可能超過相電流。但由于安全標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定中線無保護(hù)裝置，因此可能過熱起火發(fā)生安全事故。

④使各種電氣設(shè)備產(chǎn)生附加損耗和發(fā)熱、使電機(jī)產(chǎn)生機(jī)械振動(dòng)和噪聲。

⑤電網(wǎng)中諧波通過電磁感應(yīng)、電容耦合、以及電氣傳導(dǎo)等方式，對周圍的通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾、降低信號(hào)的傳輸質(zhì)量，破壞信號(hào)的正常傳遞，甚至損壞通訊設(shè)備。

⑥諧波使電網(wǎng)中廣泛使用的各種儀表，如電壓表、電流表、有功及無功功率表、功率因數(shù)表、電度表等產(chǎn)生誤差。為消除此類誤差，會(huì)大大增加制造成本。

⑦增加了電網(wǎng)中發(fā)生諧波諧振的可能性，造成很高的過電壓或過電流，從而引起安全事故。 由于電網(wǎng)諧波的諸多危害，國際社會(huì)已于上世紀(jì)八十年代和九十年代初制定了一些與此相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，以期盡量消除或降低其危害，如IEC1000-3-2、IEEE-519、IEC555-2、EN60555-2、MIL-STD-1399、Bellcore001089等。我國也為此于上世紀(jì)八十年代研究對策，做了很多準(zhǔn)備工作，并于1993年正式頒布了GB/T14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)，1998年又制定了GB17625.1-1998標(biāo)準(zhǔn)。在歐洲，從1992年開始對300W以上設(shè)備強(qiáng)制實(shí)行IEC555-2標(biāo)準(zhǔn)，并于1994年對300W以下設(shè)備也作出同樣要求。

在美國，早就對700W以上設(shè)備產(chǎn)生的諧波作出了限制。而在我國，雖說至今尚未全面強(qiáng)制執(zhí)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，但隨著現(xiàn)代化進(jìn)程的加速推進(jìn)，及綠色電子產(chǎn)品的發(fā)展，肯定會(huì)對諧波的限制作出強(qiáng)制性要求。

2、功率因數(shù)及其校正公用電網(wǎng)諧波和基波無功功率的存在，比較終均可歸因于電網(wǎng)負(fù)荷的功率因數(shù)PF小于1并用其來表征。這里的PF包括相移因數(shù)和畸變因數(shù)(或稱畸變系數(shù)、失真因數(shù))。為了消除諧波和基波無功功率，應(yīng)進(jìn)行功率因數(shù)校正(PFC)，以提高負(fù)荷的功率因數(shù)，使其盡量接近于1，即等效于純電阻負(fù)載。傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正采用的是被動(dòng)的無源校正網(wǎng)絡(luò)，主要針對線性負(fù)荷如感性或容性負(fù)荷，以改善相移功率因數(shù)，降低無功功率。但其尺寸、重量大，難以得到高功率因數(shù)，且其工作性能與頻率、負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)，因此對電網(wǎng)的適應(yīng)性也較差。同時(shí)由于電網(wǎng)中存在高次諧波，也使這種無源PFC難以發(fā)揮更大的作用。另有一種被動(dòng)的有源校正網(wǎng)絡(luò)叫有源電力濾波器(APF)，它是一種動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無功功率的電力電子裝置，能對頻率和幅度都變化的諧波進(jìn)行很好的補(bǔ)償，對電網(wǎng)的適應(yīng)性強(qiáng)，但其控制復(fù)雜、造價(jià)高昂。目前主要思路是將APF和無源校正網(wǎng)絡(luò)混合使用，以圖降低APF容量和整個(gè)校正網(wǎng)絡(luò)的造價(jià)。這種網(wǎng)絡(luò)主要用于大功率負(fù)荷。

隨著信息技術(shù)和電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，諸如通訊設(shè)備、計(jì)算機(jī)、電子鎮(zhèn)流器和家用電器等使用開關(guān)電源的非線性負(fù)荷大量投入使用。它們通常采用的是橋式整流+電解電容濾波方式，其PF值約為0.55～0.65。有鑒于此，一種新型的主動(dòng)性有源校正網(wǎng)絡(luò)，即有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)得到人們的普遍重視。該技術(shù)是在負(fù)載的整流電路和濾波電容之間增加一個(gè)功率變換電路，將輸入電流強(qiáng)制校正成與輸入電壓同相位的正弦波，使功率因數(shù)提高到近似為1.0，而且具有穩(wěn)定的輸出電壓，從而消除諧波和無功功率并降低了其后接變換器的設(shè)計(jì)難度和成本。這種方法不僅校正效果好，而且效率高、體積小、重量輕、成本低、適應(yīng)性強(qiáng)，已被國外大多廠商用于其實(shí)際產(chǎn)品中，國內(nèi)也有很多有實(shí)力的廠商對其進(jìn)行研究和應(yīng)用。