谐波发生, 在非线性负载的传播和清除技术

哈迪德·艾哈迈德·谢尔¹, 哈立德·E. 阿多威什 ¹ 和亚辛·汗²

^[1] 电机工程学系, 沙特国王大学, 利雅得, 沙特阿拉伯

^[2] 电机工程学系, 沙特国王大学, 利雅得, 沙特阿拉伯沙特阿美电力主席, 电机工程学系, 沙特国王大学, 利雅得,

1. 介绍

工业革命通过先进的技术改进改变了整个生活. 工业革命的主要贡献在于通过世界各地的电力公司分配的电力的可用性. 在这种背景下，电能质量的概念正在成为用户安全以及设备不间断工作的“基本权利”. 家庭或工业用电用户, 需要电源, 无故障, 扭曲, 闪烁, 噪音和停电. 公用事业公司希望用户使用质量好的设备，以免对系统产生电能质量威胁. 在这个工业世界中使用基于电力电子的设备在节省燃料和电力方面节省了巨额资金, 但另一方面由于谐波的产生而产生了问题. 商业和家庭用户都使用基于电力电子开关的设备，这些设备会吸收谐波电流. 该电流是产生谐波污染电压的主要因素. 用户的“基本权利”是拥有清洁的电源, 而公用事业的需求是拥有优质的仪器/设备. 这使得电能质量成为用户和公用事业公司共同关心的问题. 谐波是电能质量领域的热门话题，几十年来一直是一个讨论领域，各个国际组织和机构已经设计并发布了多项设计标准，以维持无谐波电源. 在更广阔的场景中, 无谐波环境意味着设备产生的谐波及其在系统中的存在被限制在允许的限度内，因此它们不会对包括变压器在内的电力系统组件造成任何损坏, 绝缘体, 开关装置等. 电力系统的放松管制迫使公用事业公司在发电结束时在谐波进入主流之前清除谐波，并成为系统不稳定的可能原因. 谐波控制可能的三级方案是

谐波源识别
谐波电平测量
可能的净化技术

为了遵循上述方案，电力公司有 R&D 部分参与持续研究，以将谐波水平保持在允许的范围内. 工频谐波问题一直是研究领域:

谐波污染环境中的功率因数校正
绝缘协调系统故障
波形失真
变压器降额, 电缆, 开关设备和功率因数校正电容器

上述研究挑战是在监管机构的帮助下应对的，这些机构主要致力于谐波控制标准的设计和实施. IEEE 等工程联盟, IET, 和 IEC 设计了描述谐波允许限值的标准. 估计, 测量, 谐波的分析和消除技术是一个重要的重点领域，需要电能质量工程师的牢固掌握. 如今, 除了 Y-Δ 连接等传统方法 3^路谐波抑制, 基于人工智能技术的现代方法可以帮助公用事业工程师以更好的方式抑制和清除谐波. 现代方法包括:

基于模糊逻辑的有源谐波滤波器
用于波形分析的小波技术
用于电力电子开关切换的先进 PWM 技术

本章的重点是解释谐波产生的所有可能来源, 谐波识别, 他们的测量水平以及他们的净化/抑制技术. 本章将对所有电气工程师，特别是公用事业工程师有所帮助.

2. 什么是谐波?

在电力工程中，术语谐波是指系统频率的倍数的正弦波形. 因此, 基波三倍的频率称为三次谐波; 五次基波就是五次谐波; 等. 系统的谐波通常可以使用以下公式定义：情商. 1

fh=hfac

其中 f_Ĥ 是 h^日谐波和 f_和是系统的基频.

谐波遵循反定律，即特定谐波频率的谐波电平越大, 较低的是其幅度，如图所示图1. 因此, 通常在电力线谐波中，高次谐波不太重要. 因此，最重要和最麻烦的谐波是 3^路, 5^日, 7^日, 9^日, 11^日和 13^日. 谐波波形的一般表达式为情商. 2

Vn=Vrnsin (ωt)

哪里, 在_rn 是任何特定频率的均方根电压 (谐波或电源线).

基频奇数倍的谐波称为奇次谐波，基频偶数倍的谐波称为偶次谐波. 奇次谐波和偶次谐波之间的频率称为间谐波.

虽然, 任何电力公司的理想需求是在交流系统中具有正弦电流和电压, 这并不总是有希望的, 实际中确实会出现复杂波形的电流和电压. 因此，此类设备生成的任何复杂波形都是基波和谐波的混合. 因此, 谐波污染系统上的电压可以用数字表示情商. 3,

V = Vfpsin(ωt + 1)+ V2psin(2ωt + φ2)+ V3psin(3ωt + 3)+ 病毒蛋白(nωt + φn)

哪里,

在_FP = 基频峰值

在_NP= n 的峰值^日谐波分量

φ = 相关频率的角度

图 1.

基波和谐波频率波形

同样, 谐波污染系统中通过给定电路的电流表达式由以下表达式给出情商. 4

I = 伊夫辛(ωt + 1)+ I2psin(2ωt + φ2)+ I3psin(3ωt + 3)……+Inpsin(nωt + φn)

谐波分量也称为正分量, 负序和零序. 在这种情况下，随基波变化的谐波称为正序分量，而相量方向与基波相反的谐波称为负序分量. 零分量不会受到基波的任何影响，并且其行为被认为是中性的. 对于电机而言，相量方向非常重要. 正序分量倾向于以正确的方向驱动电机. 而负序分量会降低有用扭矩. “ 7^日, 13^日, 19^日等. 是正序分量. 负序分量是 5^日, 11^日, 17^日等. 零分量谐波为 3^路, 9^日, 15^日等. 由于谐波的幅度随着谐波次数的增加而减小，因此, 在电力系统中，公用事业公司更关心高达以下的谐波 11^日仅限订单.

3. 谐波产生

在大多数情况下，电压谐波是电流谐波的直接乘积. 因此, 电流谐波是谐波产生的实际原因. 当负载从正弦电压汲取非线性电流时，会产生电源线谐波. 现在所有的计算机都使用开关模式电源 (开关电源) 转换市电交流电压以调节内部电子设备的低压直流. 与线性电源相比，这些电源具有更高的效率，并且还具有一些其他优势. 但基于开关原理, 这些非线性电源以高振幅短脉冲吸收电流. 这些脉冲富含谐波并在系统阻抗上产生电压降. 从而, 它创建了许多与主交流电源串联的小电压源，如图所示图2. 在此处图2 我₃ 指非线性负载汲取电流的三次谐波分量, 我₅ 是负载电流的五次谐波分量等. R 显示线路的分布电阻，并显示电压源以详细说明上述因素. 因此, 这些短电流脉冲会导致电流和电压波形显着失真. 这种形状失真称为谐波失真，其测量是根据总谐波失真进行的 (总谐波失真). 这种失真会传回电源，并可能影响连接到同一电源的其他设备. 安装在系统中任何位置的任何 SMPS 设备都有一个固有的特性，即会产生电源的连续失真，从而给公用系统及其中安装的组件带来额外的负载. 工业装置中安装的电力驱动器和 DC-DC 转换器也会产生谐波. 不间断电源 (UPS) 和紧凑型荧光灯 (节能灯) 也是系统中谐波的重要来源. 通常高奇次谐波是由电力电子转换器产生的. 综上所述, 谐波是在电网中产生的 [2, 16, 26, 42]

整流器
铁芯在电力变压器中的用途
焊接设备
变速驱动器
电压和电流的周期性切换
非正弦气隙交流发电机, 磁通分布或齿纹
SMPS 等开关设备, UPS 和节能灯

这里值得一提的是，交流发电机可能会直接出现电压谐波, 由于非正弦气隙, 通量分布, 或齿纹, 这是由插槽的影响引起的, 里面装有绕组. 在大型供应系统中, 尽最大努力确保发电机输出正弦波, 但即使在这种情况下，电路中的任何非线性都会在电流波形中产生谐波. 变压器中的铁芯也会产生谐波. 此类变压器铁芯具有非线性 B-H 曲线 [37].

图 2.

非线性电流引起的电压畸变

4. 与谐波相关的问题

谐波污染系统对其稳定性存在诸多威胁. 不仅影响电能质量 (PQ的) 但当电流富含谐波时, 由某种设备绘制, 它使系统超载. 例如，三次谐波电流具有与其他谐波分量不同的特性，它会累加到系统的中性线中. 这会导致断路器误跳闸. 它还影响中性线的绝缘. 由于谐波污染电流而导致的电缆过载会增加与电线相关的损耗. 还应该记住，只有基波分量的功率才是有用功率, 其余都是损失. 这些额外的损耗使功率因数变差，从而导致更多的功率损耗. 谐波对电力系统的影响总体概括如下： [9, 18, 39]

与功率因数校正电容器结合使用时，谐波频率可能会导致谐振情况
变压器和发电厂等系统元件的损耗增加
绝缘老化
通讯系统中断
断路器误跳闸
中性线电流大

配电变压器采用 Δ-Y 连接. 如果存在高三次谐波电流，中性导体中的电流会产生热量，从而增加变压器内部的热量. 这可能会导致变压器寿命缩短和降额. 不同类型的谐波对电力系统有不同的影响. 例如让我们考虑 3^路谐波. 与平衡三相系统相反，中性系统中所有三相的总和为零, 所有三相的三次谐波相同. 所以它加在中性线上. 这同样适用于三次n谐波 (的奇数倍 3 次基本像 9^日, 15^日等等). 这些谐波电流是造成接地故障保护继电器误跳闸和失效的主要原因. 它们还会在中性线上产生热量，因此如果系统中存在三次谐波污染，则系统需要更粗的中性线. 如果向电机提供含有三次谐波含量的电压波形, 只会造成额外损失, 因为有用功率仅来自基本成分.

5. 谐波监测标准

交流电网中谐波问题的识别, 迫使公用事业和监管机构制定谐波监测和评估标准. 因此，谐波控制标准同时针对消费者和公用事业. 因此, 如果客户不遵守规定并在公共耦合点造成电压畸变，公用事业公司可能会对其进行处罚. IEEE等多家知名工程机构, IEC 和 IET 制定了限制注入电网的谐波含量的法律. 这些标准主要有助于实现用户友好的健康电能质量系统. IEEE 标准因其能够满足世界所有地区的需求而被广泛引用. 有超过 1000 电气工程领域的 IEEE 标准. IEEE 电能质量标准, 但, 这是我们的主要灵感. IEEE电力系统谐波控制标准发布于 1992 它涵盖了与谐波相关的所有方面 [7]. 它定义了最大谐波失真 5 % 电压等级 ≤ 69kV. 然而, 随着电压水平的增加，本标准中谐波的允许限值降低至 1.5 % 所有电压 ≥ 161 千伏. 还值得一提的是，个别电压失真始于 3 % 并结束于 1.0 % 对于电压等级 ≤ 69kV 和 ≥ 161 分别为 kV. 除了考虑全球要求而设计的标准之外, 地区当局根据负荷情况和气候条件制定自己的标准. 大多数标准是根据国家的区域要求制定的，而很少有标准是根据全球的需求和要求制定的. 沙特阿拉伯有一个监管机构，负责定义电力传输的允许限制和标准操作程序, 分配和生成. 该机构被称为电力和热电联产监管机构 [38]. 除了制定标准外，他们还遵循阿联酋配电公司定义的一些标准. 沙特电力公司定义了一项这样的标准 (美国证券交易委员会) 在 2007 被称为“沙特网格代码”. 沙特当局设定的谐波限制几乎与 IEEE 标准相同，但有一些灵活的限制 3% 适用于 22kV-400kV 范围内运行的所有网络的 THD [35, 38]. 表 1 比较 IEEE 标准, 阿布扎比配电公司和 SEC 电网谐波限制标准. 有趣的是，控制谐波的 IEEE 标准并未提及系统受到间谐波污染的情况 (基频的非整数频率). 对于这种情况，电力公司使用 IEC 标准编号 61000-2-2。IEC 还在标准编号中定义了不同电子设备的类别 61000-3-2. 然后，这些设备会受到不同的 THD 允许限制. 例如, A类拥有所有三相平衡设备, 非便携式工具, 音响设备, 仅适用于白炽灯的调光器. A 类的限值根据谐波次数而变化. 因此对于 A 类设备，最大允许谐波电流为 1.08 一个为 2^ND, 2.3一个为 3^路, 0.43一个为 4^日, 1.14一个为 5^日谐波. 该 IEC 标准的优点在于它还满足功率因数的要求. 例如所有 C 类设备 (白炽灯调光器以外的照明设备) 有 3^路谐波电流限制与电路功率因数的函数关系.

	美国证券交易委员会标准	阿布扎比分销公司	IEEE 限制
谐波	总谐波失真限制为 5% 为 400 V系统, 和 4% 和 3% 为 6.6- 20kV和22kV-400kV分别	总谐波失真限制为 5% 为 400 V系统, 和 4% 和 3% 为 6.6- 20kV和22kV-400kV分别	5% 对于以下所有电压等级 69千伏和 3% 对于以上所有电压 161 千伏

表 1.

谐波标准比较 [7, 35, 38]

基于模糊逻辑等人工智能技术的现代系统, 基于 ANFIS 和 CI 的计算正在降低数据挖掘的难度，有助于重新设计电能质量谐波标准 [24, 25]. 在澳大利亚等发达国家, 加拿大, 美国配电公司已经部分转向智能电网，他们正在使用先进的传感器和测量仪器.

就智能电网环境而言，这些传感器将通过提前预测来帮助缓解问题. 智能电网, 通过智能测量并借助复杂的算法将能够预测谐波等 PQ 问题, 提前故障电流. 值得一提的是，中国研究人员已经利用当前的3G技术实现了电能质量监测. 他们使用能够分析实时数据的GPRS模块，其算法使其足够智能以获得所需的PQ信息 [22].

5. 谐波测量

谐波污染环境中的真正挑战是了解并指定测量谐波的最佳点. 如今，电子技术的革命已经使交流系统变得如此混乱，以至于公用事业中的几乎每个用户都是谐波电流的贡献者. 此外, 任何国内地区的负载情况在一天内每小时都在变化. 因此为了应对能源需求并提高功率因数, 公用事业公司需要打开和关闭功率因数校正电容器. 这种周期性和不均匀的开关也会在系统中产生谐波. 一个区域内的负载信息虽然, 提供有关系统中谐波次数的一些基本信息. 此类信息非常有用，因为它可以鸟瞰谐波内容. 但为了准确识别谐波，有必要使用电能质量分析仪或使用一些数字示波器进行快速傅立叶变换来合成失真波形 (快速傅里叶变换). 例如图3 显示受控整流器汲取电流的一般合成. 一旦确定, 谐波的级别和类型 (3^路, 5^日等等) 可以设计缓解措施. 应该记住，正确的测量是正确设计谐波滤波器的关键. 但系统中不同测量点的谐波电平可能不同. 因此, 公用事业公司需要非常精确地确定系统中谐波测量的正确点. 标准之中, 它是 IEEE 标准 519-1992 概述了进行谐波测量的操作程序. 然而，该标准并未对测量设备与系统的集成持续时间做出任何限制. 然而它, 限制公用事业公司维护每月最大需求记录的日志 [5]. 各种设备相互配合使用来进行系统中的谐波测量. 这些包括以下内容

电能质量分析仪
基于互感器的传感器 (CT和PT)

图 3.

受控转换器的典型线电流 [26]

多家知名公司正在设计和生产优秀的PQ分析仪. 其中包括福禄克, AEMC, HIOKI, DRANETZ 和 ELSPEC. 这些公司设计的单相和三相 PQ 分析仪能够测量所有主要谐波频率. 用于谐波测量的设备对于正确的谐波测量也有一些限制. 这种限制本质上是技术性的，因为对于低于谐波电流的所有谐波电流的精确测量 65^日谐波, 在这种情况下，采样频率应至少是所需输入带宽的两倍或每秒 8k 个样本, 覆盖50Hz和60Hz系统 [5]. 大多, PQ 分析仪与基于 CT 的探头一起提供，但根据电压和电流额定值，设计人员可以选择具有宽工作频率范围和低失真的 CT 和 PT. 设备与传感器的距离对于测量谐波也非常重要. 如果距离较长，则噪声会影响测量，因此专家强烈推荐使用适当屏蔽的电缆，例如同轴电缆或光纤电缆 [5]. In short, 谐波测量应在公共耦合点进行 (PCC) 或在附加非线性负载的点处. 这尤其包括工业场所，因为它们是向系统注入谐波电流的核心贡献者.

6. 谐波消除技术

自研究人员发现问题以来，已经设计并测试了解决该电能质量问题的技术. 文献中有多种解决谐波减轻问题的技术. 所有这些技术都可以归类为以下类别

无源谐波滤波器
有源谐波滤波器
混合型谐波滤波器
切换技术

6.1. 被动式谐波滤波器

无源滤波器技术是最古老且可能是最广泛使用的电力线谐波滤除技术之一. 除了减少谐波外，无源滤波器还可用于优化电力网络中的视在功率. 它们由电阻器等无源元件制成, 电容器和电感器. 使用此类滤波器需要较大的电容器和电感器，从而使得整个滤波器的重量较重且成本昂贵. 这些滤波器是固定的，一旦安装，它们就成为网络的一部分，需要重新设计以获得不同的过滤频率. 它们被认为最适合三相四线网络 [18]. 它们主要是调谐到所需频率的低通滤波器. Giacoletto 和 Park 提出了关于减少个人计算机电源引起的线路电流谐波的分析 [10]. 他们的工作表明，使用此类滤波器有利于减少谐波，但这会增加线路电流的无功分量. 下面给出各种无源滤波器技术 [18, 19].

系列无源滤波器
并联无源滤波器
低通滤波器或线路 LC 陷波滤波器
移相变压器

6.1.1. 系列无源滤波器

串联无源滤波器是一种无源滤波器，具有与电源和负载串联的并联 LC 滤波器. 系列无源滤波器如图所示图4 被认为适合单相应用，特别是可以减轻三次谐波. 然而, 它们也可以调谐到其他频率. 它们不会产生谐振，并且对其调谐频率提供高阻抗. 这些滤波器的设计必须能够承载满负载电流. 这些滤波器无需维护，可设计为高达 MVAR 的极高功率值 [4]. 与采用同步冷凝器等旋转部件的解决方案相比，它们需要的维护更少.

图 4.

无源系列滤波器 [18]

6.1.2. 并联无源滤波器

这些类型的滤波器也基于无源元件，在滤除奇次谐波（尤其是奇次谐波）方面提供了良好的效果。 3^路, 5^日和 7^日. 一些研究人员将它们命名为单调谐滤波器, 二阶阻尼滤波器和C型阻尼滤波器 [3]. 由于所有这些滤波器都与线路并联，因此它们属于并联无源滤波器的覆盖范围, 如图图5. 增加谐波次数可以使滤波器工作效率更高，但会降低设计的难度. 它们对调谐频率提供低阻抗. 由于它们并联连接，因此它们被设计为仅承载谐波电流 [18]. 它们分流的性质使它们本身成为供应方的负载，并且可以承载 30-50% 负载电流（如果它们为一组电力驱动器供电） [13]. 经济方面表明，并联滤波器总是比串联滤波器经济，因为它们只需要针对谐波电流进行设计. 因此他们需要相对较小尺寸的L和C, 从而降低成本. 此外, 它们不是根据额定电压设计的, 因此，组件的成本低于串联过滤器 [33]. 然而, 这些类型的滤波器可以在电路中产生谐振条件.

图 5.

不同阶数类型并联滤波器 [3]

6.1.3. 低通滤波器

低通滤波器广泛用于缓解高于阈值频率的所有类型的谐波频率. 它们只能用于非线性负载. 它们不会通过创造共振条件对系统构成任何威胁. 它们可以提高功率因数，但其设计必须能够承载满负载电流. 一些研究人员将它们称为线路 LC 陷波滤波器 [19]. 这些滤波器可阻挡不需要的谐波并允许一定范围的频率通过. 然而, 就截止频率而言，需要非常精细的设计.

6.1.4. 移相变压器

电力系统中的有害谐波大多是奇次谐波. 阻止它们的一种方法是使用移相变压器. 它从网络中的多个源获取相同类型的谐波，并将它们交替移动到 180°，然后将它们组合起来，从而实现抵消. 我们将它们归类于无源滤波器，因为变压器类似于电感网络. 移相变压器的使用在抑制多电平混合转换器中的谐波方面取得了相当大的成功 [34]. 小号. Ĥ. Ĥ. 萨德吉等人. 设计了一种基于谐波轮廓的算法，该算法结合了钢铁工业等大型工业装置中变压器的相移 [36].

6.2. 有源谐波滤波器

在有源电力滤波器中 (有源滤波器) 我们使用电力电子引入电流分量来消除非线性负载产生的谐波失真. 图 6 显示有源滤波器的基本概念 [27]. 它们检测线路中的谐波分量，然后产生检测到的波的反相信号并将其注入系统中 [27]. APF研究的两大驱动力是电流控制算法和负载电流分析方法 [23]. 由于功率转换器所需额定值的限制，有源谐波滤波器主要用于低压网络 [21].

图 6.

有源滤波器的概念演示 [27]

它们甚至用于飞机电力系统中的谐波消除 [6]. 与无源滤波器相同，它们根据连接方法进行分类，如下所示 [40].

系列有源滤波器
并联有源滤波器

自, 它使用基于电力电子的组件，因此在文献中已经在有源滤波器的控制方面做了很多工作.

6.2.1. 系列有源滤波器

串联滤波器与交流配电网络串联，如图所示图7 [33]. 它用于抵消负载引起的谐波失真以及交流系统中存在的谐波失真. 这些类型的有源滤波器使用匹配变压器与负载串联. 它们作为一个组件注入电压，可以视为受控电压源 [33]. 缺点是它们只能承受电压谐波，并且在负载短路的情况下，匹配变压器必须承受它 [31].

6.2.2. 并联有源滤波器

并联滤波器与交流配电网并联. 并联滤波器也称为并联滤波器，可抵消非线性负载引起的谐波失真. 它们的工作原理与有源滤波器相同，但它们按照规定并联连接，即它们充当与负载并联的电流源 [21]. 他们利用高计算能力来检测线路中的谐波.

图 7.

系列有源滤波器 [33]

大多数基于微处理器或微控制器的传感器用于估计谐波含量并决定控制逻辑. 功率半导体器件尤其是IGBT. 一些研究人员声称，在 IGBT 出现之前，由于预算超调，有源滤波器很少使用 [11]. 然而, 尽管并联有源滤波器很有用，但也有许多缺点. 实际上，他们需要一个能够快速响应系统参数变化的大型额定 PWM 逆变器. 如果系统在某处连接有无源滤波器, 与混合滤波器的情况一样，注入电流可能在其中循环 [28].

6.3. 混合谐波滤波器

这些类型的滤波器结合了无源和有源滤波器. 它们包含有源滤波器的优点，并且缺乏无源和有源滤波器的缺点. 他们使用低成本高功率无源滤波器来降低有源滤波器中电源转换器的成本，这就是它们现在在工业界非常受欢迎的原因. 混合滤波器不受系统阻抗的影响, 因此，谐波补偿以有效的方式完成，并且不会与系统阻抗产生谐振 [29]. 用于这些类型过滤器的控制技术基于瞬时控制, 关于 p-q 理论和 i_ð-我_q. K.N.M.哈桑等人. 提出了 p-q 和 i 之间的比较研究_ð-我_q 技术并得出结论，在电压畸变的情况下，我_ð-我_q 方法提供了稍微更好的结果 [12]. 它们通常通过以下方式组合 [21]

无源系列有源系列混合滤波器
无源系列有源并联混合滤波器
无源并联有源串联混合滤波器
无源并联有源并联混合滤波器

6.3.1. 无源系列有源系列混合滤波器

这些类型的混合滤波器具有与负载串联的两种滤波器，如图所示图8 并被认为适用于为容性负载供电的二极管整流器 [32]

6.3.2. 无源系列有源并联混合滤波器

这种混合滤波器具有与负载串联的无源部分和并联的有源滤波器. 费尔米. 扎米尔等人. 在他们的论文中提出了这种类型的滤波器，并使用了高功率能力. 通过将它们与负载串联来实现无源滤波器. 他们使用带有调制空间矢量脉冲的有源滤波器 (SVPWM) 并在微控制器上实现. 他们仅使用线路电流传感器来计算参考电流生成所需的所有参数. 他们提出的系统在 33^路谐波，显示的结果基于线路电抗为 0.13 可以. 在他们的系统中，有源滤波器所需的带宽相对较小，因为无源滤波器负责处理负载电流的上升沿和下降沿. 他们提出，在设计混合系统时，线路滤波器L和有源滤波器的电容C需要根据可接受的开关频率纹波电流水平和最小可接受纹波电压进行折衷选择 [1].

6.3.3. 无源并联有源并联混合滤波器

这些类型的滤波器具有与负载并联连接的无源和有源滤波器，如图所示图9 [21]. J.Turunen 等人的一项比较研究. claimed that they require smallest transformation ratio of coupling transformer as a result they need a fairly high power rating for a small load and in case of high power loads the problem of dc link control results in poor current filtering [43].

6.3.4. 无源并联有源串联混合滤波器

As its name implies it is a kind of hybrid filter that has an active filter in series and a passive filter in shunt as shown in Fig.10. Ĵ. Turunen et al. in a comparative study stated that this breed of hybrid filter utilizes very small transformation ratio therefore for same rating of load their power rating required is large compared to the load [43].

图 8.

无源系列有源系列混合滤波器 [32]

图 9.

无源并联有源并联混合滤波器 [21]

图 10.

Active series passive shunt hybrid filters [29]

6.4. 切换技术

Besides using the method of installing filters, 电力电子技术用途广泛，可以使用开关技术在一定程度上消除谐波. 这些技术可能有所不同，从增加脉冲数到基于先进算法的脉宽调制 (PWM). 最广泛使用的正弦三角 PWM 提出于 1964. 后来在 1982 空间矢量脉宽调制 (SVPWM) 被提议 [20]. PWM 是一种神奇的开关技术，可通过改变调制指数等相关参数来提供独特的结果, 开关频率和调制比. 调频比‘米’如果视为奇数，则会自动消除偶次谐波 [17, 26]. 这里，开关频率的增加减少了电流谐波，但这使得开关损耗太大. 此外, 我们不能继续增加开关频率，因为这会带来 EMC 问题 [15]. D·G·霍姆斯等人. 提出了基于载波的 PWM 分析，并声称可以使用一些分析解决方案来确定使用不同调制技术的谐波消除. 如果设计者使用自然或非对称规则采样 PWM，则可以消除边带谐波 [14]. 可以通过调整调制指数来提高输出. 一种特殊类型的 PWM 称为选择性谐波消除 (她) PWM 或程控谐波消除方案. 该技术基于相地电压的傅立叶分析. 它基本上是方波开关和 PWM 的组合. 这里适当的开关角度选择使目标谐波分量为零 [26, 30]. 在 SHE 技术中，至少 0.5 调制指数是可能的 [41]. 但即使是最好的 SHE 也会给系统留下一些未经过滤的谐波. Ĵ. 庞特等人. 提出了一种处理 SHE PWM 引起的未过滤谐波的技术. 他们表示，如果我们使用 SHE PWM 来消除 11^日和 13^日谐波为 12 脉冲配置，然后是阶次谐波 23^日, 25^日, 35^日和 37^日在定义电压畸变方面起着至关重要的作用. 他们建议使用三电平有源前端转换器. 他们建议调制指数为 0.8-0.98 减轻阶次谐波 23^路, 25^日和 35^日, 37^日 [30]. 经过一些修改，研究人员表明 SHE PWM 可以在非常低的开关频率下使用 350 赫兹. 哈维尔·那不勒斯等人. 提出了这项技术，并将其命名为“选择性谐波抑制” (健康管理) PWM. 他们使用了七种开关状态，结果使选择性谐波等于零 [8]. 这非常好，因为在 SHE PWM 中，选择性谐波不需要为零. 在传统的 PWM 中，将其控制在允许的限度以下就足够了. Siriroj Sirisukprasert 等人. 通过改变输出阶梯波形的性质和改变调制指数，提出了一种最佳谐波抑制技术. 他们在多电平逆变器上测试了他们提出的技术，该技术优于两电平传统逆变器. 他们从开关波形中排除了非常窄和非常宽的脉冲. 与上面讨论的 SHE PWM 不同，它们通过每个周期仅切换一次电源开关来确保最小的开启和关闭. 与传统 SHE PWM 相反, 在这种情况下，调制指数可以变化，直到 0.1. 输出是不同阶段的阶梯波形，它们将调制指数的产生分类为高, 低和中，真正感兴趣的是，对于所有这三类调制指数，每个开关每个周期一次切换 [41]. 有研究人员采用梯形PWM方法进行谐波控制. 这种 PWM 基于单极 PWM 开关. 这里将梯形波形与三角波形进行比较，并将所得 PWM 提供给电源开关. 与基于 PWM 的技术中的其他谐波消除技术一样，研究人员建议使用基于 AI 的技术，包括 FL 和 ANN.

7. 结论

本章总结了主要的电能质量问题之一，它是电网中许多电力系统扰动的原因. 讨论了可能的谐波源及其对配电系统组件（包括变压器）的影响, 开关装置和保护系统. 此处还介绍了谐波限制及其测量技术的监管标准. 还介绍了谐波的清除技术，并简要介绍了各种谐波滤波器. 加强知识基础, 本章还讨论了使用 PWM 技术控制谐波. 通过本章，我们尝试收集该领域的技术信息. 对谐波的透彻理解将为公用事业工程师提供解决谐波相关研究工作时经常需要的框架.