諧波標(biāo)準(zhǔn)和電力電子設(shè)備

陳 馨

（中船重工集團(tuán)公司第七一二研究所，武漢430064）

1 引言

IEEE和 IEC制定的諧波標(biāo)準(zhǔn)，雖還未被國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ASNI）和歐洲電工技術(shù)委員會（CENELEC）強(qiáng)制實(shí)行，但已引起了電力電子業(yè)界的廣泛關(guān)注。IEC 1000-3-2可能是最引人關(guān)注的標(biāo)準(zhǔn)，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(chǎn)品需要符合此EN諧波標(biāo)準(zhǔn)。在大多數(shù)應(yīng)用場合，滿足這些諧波標(biāo)準(zhǔn)并不困難，但還正在研究最經(jīng)濟(jì)實(shí)用的方案。IEEE和國際諧波標(biāo)準(zhǔn)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(shè)定了特別的限制，這兩個標(biāo)準(zhǔn)對電力電子設(shè)備的設(shè)計(jì)最有沖擊。IEEE 519雖然也對單次諧波含量設(shè)定了標(biāo)準(zhǔn)，但其目的是限制公共耦合點(diǎn)（PCC）的諧波。由于還不可能得到IEC 1000-3-4，某些企業(yè)采用IEEE 519作為設(shè)計(jì)指導(dǎo)來限制三相設(shè)備的諧波輻射，這種對標(biāo)準(zhǔn)的不恰當(dāng)引用反映了對三相諧波標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)烈需求。

表1 IEEE和國際諧波標(biāo)準(zhǔn)

2 諧波源

任何電力電子設(shè)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(wǎng)側(cè)產(chǎn)生脈沖形的諧波電流其諧波畸變率對單相系統(tǒng)通常大于 100%，對三相系統(tǒng)通常大于60%。由于電流源變換器只出現(xiàn)在大功率三相工業(yè)設(shè)備中，因此本文將不討論電流源變換器。

3 諧波標(biāo)準(zhǔn)

3.1 IEC 1000-3-2

IEC 1000系列標(biāo)準(zhǔn)處理所有電磁兼容性問題。 IEC 1000-3-2對4種不同類型的設(shè)備制定了標(biāo)準(zhǔn)，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(xiàn)在大多數(shù)單相電力電子設(shè)備之中。

表2 IEC 1000-3-2對D類設(shè)備的限制標(biāo)準(zhǔn)

表2列出了對 D類設(shè)備的電流諧波限制標(biāo)準(zhǔn)，適用于此標(biāo)準(zhǔn)的D類設(shè)備的最大輸入功率為600 W。此標(biāo)準(zhǔn)和IEC 555-2唯一的區(qū)別在于第3列的最后一項(xiàng)，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(biāo)準(zhǔn)不僅處理單臺設(shè)備的諧波問題，也對整個系統(tǒng)安裝給出了限制標(biāo)準(zhǔn)，它還提出了單相和三相系統(tǒng)的諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。表Ⅱ列出了對于輸入電流不小于16A的三相設(shè)備的IEC 1000-3-4標(biāo)準(zhǔn)。

表3 IEEE 1000-3-4對三相設(shè)備的限制標(biāo)準(zhǔn)

表3沒有列出對13次以上諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)。

表4給出了IEC 1000-3-4標(biāo)準(zhǔn)對整個系統(tǒng)安裝的限制標(biāo)準(zhǔn)。盡管表Ⅲ并未列出THD和PWHD值，但對于整個系統(tǒng)安裝，它們都限制在20%以內(nèi)，如果三相不平衡，那么每個單相都應(yīng)單獨(dú)滿足標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 IEEE 519

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

表4 IEC 1000-3-4允許的整體安裝電流標(biāo)準(zhǔn)

表5 IEEE-519的電壓限制標(biāo)準(zhǔn)

4 單相補(bǔ)償方法

4.1 內(nèi)置式補(bǔ)償

4.1.1 串聯(lián)電感型濾波器

電源設(shè)備生產(chǎn)商關(guān)心限制電流畸變的諧波標(biāo)準(zhǔn)，這時可以選擇串聯(lián)電感型濾波器。已有研究指出，加上串聯(lián)電感可以顯著降低開關(guān)電源的電流諧波來滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)。串聯(lián)電感既可加在交流側(cè)，也可加在直流側(cè)。圖1給出了在直流側(cè)加上串聯(lián)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(dāng)給電壓倍增型整流器電路添加串聯(lián)電感時，串聯(lián)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(shù)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(biāo)準(zhǔn)，用Boost變換器似乎補(bǔ)償過頭。選擇無源電感補(bǔ)償，還是選擇有源電流成形，似乎是在成本和有效性之間進(jìn)行折中。

圖1 直流側(cè)串聯(lián)電感進(jìn)行電流成形的電路

圖2 內(nèi)置式Boost變換器電路

4.2. 外部補(bǔ)償

4.2.1 并聯(lián)連接諧振型濾波器

作為一種外加式附件設(shè)備，并聯(lián)連接諧振型濾波器經(jīng)常被配置成一個方便的電源出口，并作為2～4個電器設(shè)備的電源接入點(diǎn)。圖3給出了一種商用的并聯(lián)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(shù)，可以表示為：

圖3 為抑制諧波而并聯(lián)連接諧振型濾波器的電路

4.2.2 串聯(lián)連接諧振型濾波器

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

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

5 三相補(bǔ)償方法

5.1 內(nèi)置式補(bǔ)償

5.1.1 串聯(lián)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(shè)備，可以添加直流扼流圈。當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)，參見表Ⅱ。

5.1.2. 串聯(lián)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(diào)諧至5次諧波，因?yàn)樗铍y滿足標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)情況類似，也可以加上單開關(guān)Boost變換器進(jìn)行三相電流成形。但是，單開關(guān)的開關(guān)器件要承受很高的電壓和電流應(yīng)力，是否實(shí)用值得懷疑。也有可能使用雙開關(guān)電流注入型Boost變換器進(jìn)行電流成形，雙開關(guān)方案的主要問題是需要笨重的磁性元件。

圖4 雙調(diào)諧串聯(lián)連接諧振型濾波器(SCRF)電路

5.2 外部補(bǔ)償

為避免破壞已有系統(tǒng)，進(jìn)行外部補(bǔ)償是合理的。外部可以用無源和有源補(bǔ)償方法。雖然用無源補(bǔ)償可以滿足IEC或IEEE標(biāo)準(zhǔn)，但當(dāng)負(fù)載變化時，這種方法可能會補(bǔ)償不足或補(bǔ)償過度。在三相系統(tǒng)中，有源補(bǔ)償仍然優(yōu)于無源補(bǔ)償。用有源濾波器來補(bǔ)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(lián)有源濾波器+并聯(lián)無源濾波器

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

5.2.2 串聯(lián)有源濾波器+并聯(lián)有源濾波器

并聯(lián)有源濾波器是補(bǔ)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(lián)有源濾波器。如包含串聯(lián)和并聯(lián)有源濾波器的三相電力線路調(diào)節(jié)器，可共享一個公共的直流母線，在能提供干凈的負(fù)載電壓的同時，也能保證電網(wǎng)側(cè)的電流正弦，但是造價較高。

6 討論和結(jié)語

國際和 IEEE諧波標(biāo)準(zhǔn)對電力電子設(shè)備產(chǎn)生的電壓和電流諧波作了限制，為滿足這些標(biāo)準(zhǔn)，本文提出了多種電力電子電路設(shè)計(jì)方法，并簡述了幾種商業(yè)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(bǔ)償?shù)挠行圆皇菃栴}，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(bǔ)償方法是用串聯(lián)電感來滿足IEC-1000-3-2，用串聯(lián)電感和LC濾波器的組合來滿足 IEC-1000-3-4。盡管用無源補(bǔ)償方法來滿足標(biāo)準(zhǔn)的效果還令人滿意，但存在以下兩個不足：

● 串聯(lián)電感或?yàn)V波器可能導(dǎo)致整流器輸入電流畸變和輸出直流電容電壓減小；

● 并聯(lián)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(jì)算機(jī)電源等的正常工作。在無源補(bǔ)償方案中，還發(fā)現(xiàn)存在補(bǔ)償過度、補(bǔ)償不足和與系統(tǒng)相互干擾強(qiáng)烈等問題。雖然有源補(bǔ)償在性能上優(yōu)于無源補(bǔ)償，但是它的成本比較高，控制比較復(fù)雜。怎樣設(shè)計(jì)一個效/費(fèi)比合適、滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求而又沒有諸多問題的電力電子設(shè)備，仍然是擺在每一個電力電子工程師面前的公開挑戰(zhàn)。

[1]陳堅(jiān). 電力電子學(xué)：電力電子變換和控制技術(shù). 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(bǔ)償. 北京： 機(jī)械工業(yè)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.