電力電子系統(tǒng)諧波抑制策略

電力電子系統(tǒng)諧波抑制策略

I目錄

■CONTENTS

第一部分電力電子系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因與影響.................................2

第二部分無源諧波抑制濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用......................................3

第三部分有源諧波抑制濾波器拓?fù)渑c控制策略.................................5

第四部分諧和注入型諧波補(bǔ)償技術(shù)............................................7

第五部分多電平功率轉(zhuǎn)換拓?fù)鋵χC波抑制的影響..............................10

第六部分寬帶隙器件在諧波抑制中的應(yīng)用.....................................12

第七部分諧波抑制控制算法的優(yōu)化與改進(jìn)....................................14

第八部分電力電子系統(tǒng)諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)...................................17

第一部分電力電子系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因與影響

電力電子系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因

電力電子系統(tǒng)中的諧波主要產(chǎn)生于開關(guān)操作，具體原因包括：

*開關(guān)元件的非線性特性：功率半導(dǎo)體開關(guān)器件（如IGBT、MOSFET）

在開關(guān)過程中表現(xiàn)出非線性特性，導(dǎo)致電流和電壓波形失真。

*脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)：為了控制輸出電壓或電流，電力電子

系統(tǒng)采用PWM技術(shù)，該技術(shù)會(huì)產(chǎn)生周期性方波脈沖。這些脈沖在時(shí)

域和頻域上表現(xiàn)為非正弦波，從而引入諧波成分。

*諧振現(xiàn)象：電力電子系統(tǒng)中存在電感和電容等尢源元件，它們與開

關(guān)元件相互作用，可能產(chǎn)生諧振現(xiàn)象。當(dāng)諧振頻率接近或等于開關(guān)頻

率時(shí)，諧波成分會(huì)明顯放大。

*負(fù)載非線性：負(fù)載中非線性元件（如可控硅整流器、電弧爐）也會(huì)

產(chǎn)生諧波電流，并反映到供電網(wǎng)絡(luò)中。

諧波產(chǎn)生的具體機(jī)制如下：

*傅里葉級數(shù)分解：任何非正弦波形都可以表示為傅里葉級數(shù)分解的

正弦波和余弦波之前。開關(guān)波形中非正弦分量對應(yīng)于諧波分量。

*差拍現(xiàn)象：當(dāng)兩個(gè)或多個(gè)頻率不同的波形疊加時(shí)，會(huì)產(chǎn)生差拍效應(yīng)。

例如，開關(guān)頻率與諧振頻率的差值會(huì)產(chǎn)生一個(gè)新的諧波頻率。

*旁路效應(yīng)：在開關(guān)過程中，開關(guān)元件可能存在一定的導(dǎo)通時(shí)間或關(guān)

斷時(shí)間，導(dǎo)致電流或電壓在非預(yù)期路徑中流動(dòng)，從而產(chǎn)生諧波。

諧波的影響

諧波對電力系統(tǒng)和設(shè)備產(chǎn)生以下不利影響：

*電能質(zhì)量下降：諧波失真會(huì)影響電壓和電流波形的正弦性，降低電

能質(zhì)量，從而影響電氣設(shè)備的正常運(yùn)行。

*設(shè)備過熱：諧波電流會(huì)引起變壓器、電機(jī)、電容器等設(shè)備過熱，縮

短其使用壽命。

*諧振放大：諧波與系統(tǒng)固有諧振頻率相近時(shí)，會(huì)產(chǎn)生諧振放大，造

成嚴(yán)重過電壓和過電流，威脅設(shè)備安全。

*儀表誤差：基于平均值響應(yīng)的儀表在諧波環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生測量誤差。

*通信干擾：諧波且流通過接地線時(shí)，會(huì)在通信線路中產(chǎn)生干擾，影

響通信質(zhì)量。

此外，諧波還會(huì)影響電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，增加系統(tǒng)故障的風(fēng)

險(xiǎn)。

第二部分無源諧波抑制濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

無源諧波抑制濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

無源諧波抑制濾波器是一種被動(dòng)濾波器，用于抑制電力電子系統(tǒng)產(chǎn)生

的諧波電流。其主要原理是利用電感的感抗和電容的容抗特性，在特

定諧波頻率下產(chǎn)生阻抗，將諧波電流分流到濾波器中，從而降低諧波

電流對電網(wǎng)的影響C

#無源濾波器類型

無源諧波濾波器主要分為以下幾類：

*單調(diào)諧濾波器：針對特定諧波頻率設(shè)計(jì)，在該諧波頻率下具有極低

*照明系統(tǒng)

*電源質(zhì)量改善設(shè)備

#優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)

無源諧波抑制濾波器的主要優(yōu)點(diǎn)包括：

*簡單可靠：設(shè)計(jì)和維護(hù)簡單。

*低成本：與有源諧波抑制方法相比，成本較低。

*被動(dòng)工作：不需要額外的控制電路。

無源諧波抑制濾波器的主要缺點(diǎn)包括：

*體積較大：尤其是高功率濾波器。

*諧振風(fēng)險(xiǎn)：濾波器與系統(tǒng)固有頻率產(chǎn)生諧振時(shí)，可能會(huì)放大諧波電

流。

*頻帶固有：只能抑制特定的諧波頻率或范圍。

#結(jié)論

無源諧波抑制濾波器是電力電子系統(tǒng)諧波抑制的一種有效且經(jīng)濟(jì)的

方法。通過仔細(xì)設(shè)計(jì)和應(yīng)用，可以有效降低諧波電流對電網(wǎng)的影響,

提高電能質(zhì)量，確保電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

第三部分有源諧波抑制濾波器拓?fù)渑c控制策略

主動(dòng)諧波抑制濾波器拓?fù)渑c控制策略

一、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

主動(dòng)諧波抑制濾波器（AHF）是一種電力電子裝置，用于抑制電力系

統(tǒng)中的諧波電流。其基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括：

*三相變壓器：隔離變壓器，將系統(tǒng)電壓從高壓輸送到濾波器。

*三相并聯(lián)逆變器：由IGBT或MOSFET組成，產(chǎn)生用于注入諧波電

流的逆變電壓。

*直流電容：為逆變器提供直流母線電壓，并抑制逆變器輸出電壓中

的開關(guān)紋波。

二、控制策略

AHF的控制策略旨在通過注入與系統(tǒng)諧波電流幅值和相位相反的諧

波電流，來抵消諧波電流。常見控制策略包括：

1.電流型控制

*正交理論控制(QTC)：利用正交理論，將源電流分解為基波分量和

諧波分量，并生成與諧波分量幅值和相位相反的補(bǔ)償電流。

*同步參考系(SRF)控制：將源電流變換到同步參考系，并提取諧

波分量用于生成補(bǔ)償電流。

2.電壓型控制

*雙閉環(huán)控制：外環(huán)控制調(diào)整濾波器輸出電壓，內(nèi)環(huán)控制逆變器輸出

電流，以抑制諧波電壓。

*諧波阻抗控制：直接調(diào)節(jié)諧波阻抗，使其為零或最小化，以抑制諧

波電流。

三、具體拓?fù)渑c控制策略

1.三相并聯(lián)有源濾波器(SAPF)

*拓?fù)洌喝嗄孀兤鞑⒙?lián)于系統(tǒng)。

*控制：一般采用SRF控制或QTCo

2.三相串聯(lián)有源濾波器(SAAF)

*拓?fù)洌喝嗄孀兤鞔?lián)于系統(tǒng)。

*控制：采用電壓型控制，如雙閉環(huán)控制或諧波阻抗控制。

3.混合有源濾波器(HAF)

*拓?fù)洌翰⒙?lián)AHF與串聯(lián)AHF的組合。

*控制：通常采用協(xié)調(diào)并聯(lián)AHF和串聯(lián)AIIF的控制策略。

四、性能比較

不同拓?fù)浜涂刂撇呗缘腁HF具有不同的性能特點(diǎn)：

*SAPF：諧波抑制能力強(qiáng)，但不適用于無源負(fù)載。

*SAAF：適用于所有類型的負(fù)載，但諧波抑制能力較弱。

*HAF：綜合了SAPF和SAAF的優(yōu)點(diǎn)，具有較強(qiáng)的諧波抑制能力和

廣泛的適用性。

五、應(yīng)用

AHF被廣泛應(yīng)用于各種電力系統(tǒng)中，以抑制諧波電流，例如：

*工業(yè)電氣系統(tǒng)

*可再生能源發(fā)電系統(tǒng)

*電動(dòng)汽車充電站

*數(shù)據(jù)中心

第四部分諧和注入型諧波補(bǔ)償技術(shù)

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

【諧波注入型諧波補(bǔ)償技

術(shù)】：1.將諧波電流注入網(wǎng)絡(luò)，利用網(wǎng)絡(luò)阻抗抵消諧波電壓，從

而達(dá)到諧波補(bǔ)償?shù)哪康摹?/p>

2.諧波注入量與網(wǎng)絡(luò)諧波阻抗的相位和幅值相反，實(shí)現(xiàn)電

流源諧波補(bǔ)償。

3.采用電壓型逆變器作為補(bǔ)償裝置，可以通過控制逆變器

輸出電壓的頻率和幅值來生成特定的諧波電流。

【諧波濾波器】：

諧波注入型諧波補(bǔ)償技術(shù)

諧波注入型諧波補(bǔ)償技術(shù)通過向電力系統(tǒng)注入與系統(tǒng)諧波分量大小

相等、相位相反的諧波電流或電壓，實(shí)現(xiàn)抑制電力系統(tǒng)諧波。該技術(shù)

主要通過以下方式實(shí)現(xiàn)：

原理

當(dāng)電力系統(tǒng)產(chǎn)生諧波時(shí)，諧波注入型補(bǔ)償裝置會(huì)檢測并分析系統(tǒng)中的

諧波分量。隨后，補(bǔ)償裝置會(huì)生成與系統(tǒng)造波分量大小相等、相位相

反的諧波電流或電壓，并注入系統(tǒng)。由于注入的諧波與系統(tǒng)中的諧波

分量相消，從而抑制了系統(tǒng)中的諧波含量。

補(bǔ)償裝置的類型

諧波注入型補(bǔ)償裝置主要分為兩類：

*主動(dòng)諧波濾波器（AHF）：AHF采用電力電子變流器生成諧波補(bǔ)償電

流,通過并聯(lián)連接在諧波源端。AHF能夠補(bǔ)償系統(tǒng)中的所有諧波分量，

具有補(bǔ)償能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)。

*阻尼諧波濾波器（DHF）：DHF采用并聯(lián)電抗器和電容器組成，通過

諧振吸收系統(tǒng)中的特定諧波分量。DHF的優(yōu)點(diǎn)是成本較低、結(jié)構(gòu)簡單，

但只能補(bǔ)償特定頻率的諧波。

補(bǔ)償策略

諧波注入型補(bǔ)償技術(shù)采用不同的補(bǔ)償策略，包括：

*電壓源型：該策略通過并聯(lián)連接的變流器直接注入諧波電壓，實(shí)現(xiàn)

諧波補(bǔ)償。

*電流源型：該策略通過并聯(lián)連接的變流器注入諧波電流，實(shí)現(xiàn)諧波

補(bǔ)償。

*混合型：該策略結(jié)合電壓源型和電流源型，通過優(yōu)化注入的諧波電

壓和電流，實(shí)現(xiàn)更有效的諧波補(bǔ)償。

應(yīng)用場景

諧波注入型諧波補(bǔ)償技術(shù)廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)中的諧波抑制，包括：

*工業(yè)領(lǐng)域：變頻器、整流器等非線性負(fù)載產(chǎn)生的諧波

*電力系統(tǒng)：高壓直流輸電系統(tǒng)、風(fēng)電場等諧波源

*建筑領(lǐng)域：智能建筑、數(shù)據(jù)中心等諧波敏感設(shè)備

優(yōu)點(diǎn)

諧波注入型諧波補(bǔ)償技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

*補(bǔ)償能力強(qiáng)：能夠有效補(bǔ)償系統(tǒng)中的各種諧波分量，實(shí)現(xiàn)低諧波畸

變率。

*響應(yīng)速度快：主動(dòng)諧波濾波器能夠在毫秒級響應(yīng)系統(tǒng)中的諧波變化,

抑制諧波的影響。

*適用范圍廣：適用于各種諧波源和諧波敏感設(shè)備，滿足不同場合的

諧波抑制需要。

缺點(diǎn)

諧波注入型諧波補(bǔ)償技術(shù)也存在一定缺點(diǎn)：

*成本較高：主動(dòng)諧波濾波器成本相對較高，特別是大容量補(bǔ)償裝置。

*諧波放大風(fēng)險(xiǎn)：如果補(bǔ)償裝置的設(shè)計(jì)和控制不當(dāng)，可能會(huì)導(dǎo)致諧波

放大，反而加重系統(tǒng)諧波污染。

*設(shè)備維護(hù)：補(bǔ)償裝置需要定期維護(hù)，以確保其正常運(yùn)行和有效性。

第五部分多電平功率轉(zhuǎn)換拓?fù)鋵χC波抑制的影響

多電平功率轉(zhuǎn)換拓?fù)鋵χC波抑制的影響

引言

電力電子系統(tǒng)中的諧波引起一系列問題，例如：變壓器過熱、電機(jī)效

率下降和電網(wǎng)擾動(dòng)。多電平功率轉(zhuǎn)換拓?fù)渫ㄟ^采用多級電壓或電流輸

出，有效地減輕了諧波問題。

多電平拓?fù)涞闹C波產(chǎn)生

多電平拓?fù)渫ㄟ^級鐵多個(gè)電壓源或電流源來產(chǎn)生多級輸出。這些級聯(lián)

源之間的開關(guān)操作會(huì)產(chǎn)生和諧波。和諧波的階數(shù)與拓?fù)涞募墧?shù)成正比。

諧波抑制機(jī)制

多電平拓?fù)渫ㄟ^以下機(jī)制抑制諧波：

*級聯(lián)源的相位偏移：級聯(lián)源之間的相位偏移有助于抵消諧波。

*特定開關(guān)順序：笑用特定的開關(guān)順序，例如極性調(diào)制，可以減少諧

波含量。

*濾波器：多電平石撲thir"ng采用濾波器，例如LC或LCL濾

波器，以進(jìn)一步衰減諧波。

不同多電平拓?fù)涞闹C波性能

不同的多電平拓?fù)湓谥C波抑制方面具有不同的性能：

*串聯(lián)多電平拓?fù)?NPC)：NPC拓?fù)渚哂邢鄬唵蔚慕Y(jié)構(gòu)，但諧波含

量較高。

*并聯(lián)多電平拓?fù)?PML)：PML拓?fù)渚哂休^低的諧波含量，但需要更

復(fù)雜的控制策略。

*級聯(lián)多電平拓?fù)?CHB)：CIIB拓?fù)浼婢逳PC和PML的優(yōu)點(diǎn)，具有

較低的諧波含量和相對簡單的結(jié)構(gòu)。

*飛行電容多電平拓?fù)?FCML)：FCML拓?fù)渚哂谐錾闹C波抑制能力，

但成本較高。

諧波抑制的優(yōu)化

以下技術(shù)可用于優(yōu)化多電平拓?fù)渲械闹C波抑制：

*諧波注入：將特定諧波注入輸出，以抵消諧波電流。

*預(yù)測調(diào)制：利用預(yù)測模型來優(yōu)化開關(guān)順序，以最小化諧波。

*諧波諧振抑制器：使用諧振器來抑制特定諧波。

應(yīng)用

多電平功率轉(zhuǎn)換拓?fù)鋸V泛應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

*可再生能源系統(tǒng)(光伏、風(fēng)能)

*電力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

*中斷式電源(UPS)

*電網(wǎng)逆變器

結(jié)論

多電平功率轉(zhuǎn)換拓?fù)渫ㄟ^級聯(lián)源、特定開關(guān)順序和濾波器的組合有效

地抑制了諧波。不同的拓?fù)渚哂胁煌闹C波性能，優(yōu)化技術(shù)可以進(jìn)一

步提高諧波抑制能力。這些拓?fù)鋸V泛應(yīng)用于各種應(yīng)用，為電力電子系

統(tǒng)提供了高效、低諧波的解決方案。

第六部分寬帶隙器件在諧波抑制中的應(yīng)用

寬帶隙器件在諧波抑制中的應(yīng)用

寬帶隙(WBG)器件，如氮化錢(GaN)和碳化硅(SiC),由于其固有

的寬禁帶和高臨界電場強(qiáng)度，在電力電子諧波抑制領(lǐng)域擁有獨(dú)特的優(yōu)

勢。這些器件能夠在更高的開關(guān)頻率下運(yùn)行，從而減小濾波器尺寸和

重量。

開關(guān)頻率的提升

WBG器件的高開關(guān)頻率能力使其能夠以更高的諧波頻率進(jìn)行濾波。這

減小了所需的濾波器尺寸和重量，因?yàn)闉V波器的截止頻率與開關(guān)頻率

成正比。

低開關(guān)損耗

WBG器件的低開關(guān)損耗進(jìn)一步提高了諧波抑制系統(tǒng)效率。在高開關(guān)頻

率下，開關(guān)損耗會(huì)顯著增加，但WBG器件的低導(dǎo)通電阻和低電容特

性降低了開關(guān)損耗C

提高功率密度

WBG器件的緊湊尺寸和低重量使其能夠?qū)崿F(xiàn)高功率密度系統(tǒng)。這使得

在有限空間內(nèi)設(shè)計(jì)高功率諧波抑制器成為可能。

具體應(yīng)用

WBG器件已被用于各種諧波抑制應(yīng)用中，包括：

*有源功率濾波器(APF)：WBG器件用于構(gòu)建高頻APF,這些APF

能夠補(bǔ)償諧波電流并改善功率質(zhì)量。

*諧波注入器：WBG器件用于設(shè)計(jì)諧波注入器，這些注入器可以主動(dòng)

注入諧波電流以改善無功補(bǔ)償和功率因數(shù)校正。

*無源濾波器：WBG器件可用于構(gòu)建緊湊型無源濾波器，這些濾波器

可以抑制諧波頻率范圍內(nèi)的諧波電流。

市場趨勢

WBG器件在諧波抑制領(lǐng)域的發(fā)展趨勢包括：

*功率模塊的集成：WBG器件與驅(qū)動(dòng)電路、傳感器和散熱器集成到一

個(gè)模塊中，以簡化設(shè)計(jì)并提高效率。

*高壓應(yīng)用：WBG器件的額定電壓不斷提高，使其適用于高壓諧波抑

制系統(tǒng)。

*新型拓?fù)洌赫谔剿餍碌耐負(fù)湟岳肳BG器件的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)更有

效的諧波抑制。

結(jié)論

WBG器件在諧波抑制中具有巨大的潛力，提供高開關(guān)頻率、低開關(guān)損

耗和高功率密度。這些優(yōu)點(diǎn)使其能夠構(gòu)建緊湊高效的諧波抑制系統(tǒng),

從而改善功率質(zhì)量并提高電能效率。隨著WBG器件技術(shù)的發(fā)展，預(yù)

計(jì)其在諧波抑制領(lǐng)域?qū)l(fā)揮越來越重要的作用。

第七部分諧波抑制控制算法的優(yōu)化與改進(jìn)

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

基于模型預(yù)測控制的諧波抑

制1.利用模型預(yù)測控制方法預(yù)測系統(tǒng)中的諧波分量，并根據(jù)

預(yù)測值動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策咯。

2.采用優(yōu)化算法優(yōu)化控制參數(shù)，最大限度地抑制諧波分量，

提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.通過實(shí)時(shí)采樣和在線計(jì)算，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的諧波抑制

控制。

人工智能算法在諧波抑制中

的應(yīng)用1.利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯等人工智能算法，識(shí)別和分類

諧波分量。

2.建立諧波抑制控制模型，井通過人工智能算法優(yōu)化模型

參數(shù)。

3.提高諧波抑制系統(tǒng)的魯棒性和自適應(yīng)能力，增強(qiáng)對諧波

干擾的適應(yīng)性。

多級控制策略

1.采用多級控制策略，對不同諧波分量進(jìn)行分級控制。

2.結(jié)合不同控制算法，列如PI調(diào)節(jié)、死時(shí)間補(bǔ)償?shù)?，?shí)

現(xiàn)諧波抑制的協(xié)同作用。

3.優(yōu)化控制參數(shù)，提高諧波抑制效率，降低控制復(fù)雜度。

寬禁帶半導(dǎo)體器件

1.利用SiC、GaN等寬禁帶半導(dǎo)體器件，提升開關(guān)速度和

耐壓能力。

2.減少開關(guān)損耗，提高諧波抑制器的效率和可靠性。

3.縮小諧波抑制器體積，降低系統(tǒng)成本。

無源諧波抑制技術(shù)

1.利用電抗器、電容器、濾波器等無源元件，抑制諧波分

量。

2.設(shè)計(jì)諧振頻率與諧波頻率相匹配的無源諧振器，實(shí)現(xiàn)高

抑制率。

3.簡化諧波抑制系統(tǒng)結(jié)溝，降低系統(tǒng)成本和復(fù)雜度。

實(shí)時(shí)仿真與測試

1.利用實(shí)時(shí)仿真工具，對諧波抑制算法和系統(tǒng)進(jìn)行仿真和

瞼證。

2.通過實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，測試諧波抑制器的實(shí)際性能，評估其抑

制效率和魯棒性。

3.優(yōu)化諧波抑制策略，提高系統(tǒng)整體性能和可靠性。

諧波抑制控制算法的優(yōu)化與改進(jìn)

1.空間矢量脈寬調(diào)制(SVPWM)算法優(yōu)化

*多目標(biāo)協(xié)調(diào)優(yōu)化：同時(shí)優(yōu)化開關(guān)頻率、調(diào)制指數(shù)、死區(qū)時(shí)間等參數(shù)，

綜合考慮諧波抑制、開關(guān)損耗和效率等指標(biāo)。

*模糊推理優(yōu)化：引入模糊邏輯推理機(jī)制，根據(jù)實(shí)時(shí)系統(tǒng)狀態(tài)調(diào)整

SVPWM算法參數(shù)，提高動(dòng)態(tài)諧波抑制性能。

*神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型學(xué)習(xí)SVPWM算法的非線性特性,

優(yōu)化參數(shù)設(shè)置，提升諧波抑制能力。

2.直接功率控制(DPC)算法改進(jìn)

*自適應(yīng)電壓矢量選擇：根據(jù)負(fù)載電流和功率因子，動(dòng)態(tài)選擇最佳的

電壓矢量，抑制諧波分量。

*諧波注入：在控制算法中加入諧波注入機(jī)制，主動(dòng)補(bǔ)償特定諧波分

量，降低諧波失真。

*滑動(dòng)模式控制：采用滑動(dòng)模式控制技術(shù)，增強(qiáng)算法的魯棒性和諧波

抑制能力，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.直接轉(zhuǎn)矩控制(DTC)算法優(yōu)化

*磁鏈估計(jì)改進(jìn)：興用改進(jìn)的磁鏈估計(jì)器，提高磁鏈估計(jì)精度，減少

轉(zhuǎn)矩和電流諧波。

*調(diào)制器優(yōu)化：優(yōu)化DTC調(diào)制器，采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)或空間

矢量調(diào)制(SVM)技術(shù)，降低開關(guān)諧波。

*諧波補(bǔ)償：引入諧波補(bǔ)償機(jī)制，通過反相補(bǔ)償或注入濾波器，主動(dòng)

抑制特定諧波分量。

4.預(yù)測控制算法優(yōu)化

*模型預(yù)測控制(MPC)：利用MPC技術(shù)預(yù)測功率電子系統(tǒng)的未來行

為，優(yōu)化控制輸入以抑制諧波。

*有限控制集模型預(yù)測控制(FCS-MPC)：采用FCS-MPC技術(shù)，通過有

限的電壓矢量集合進(jìn)行預(yù)測，降低計(jì)算復(fù)雜度。

*諧波預(yù)測：將諧波預(yù)測模塊集成到控制算法中，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)預(yù)測

諧波分量，采取針對性的抑制措施。

5.智能諧波抑制算法

*模糊邏輯控制(FLC)：利用FLC建立模糊規(guī)則庫，根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)模

糊推理得出最佳控制策略，實(shí)現(xiàn)智能諧波抑制。

*遺傳算法(GA)：采用GA優(yōu)化諧波抑制參數(shù)，通過迭代演化獲得最

優(yōu)解，提高算法效率。

*粒子群優(yōu)化(PSO)：將PSO算法應(yīng)用于諧波抑制算法優(yōu)化，利用粒

子群的協(xié)作搜索能力提高算法性能。

6.其他優(yōu)化策略

*諧波濾波器：利用無源或有源諧波濾波器衰減特定頻率的諧波分量。

*諧波注入：有目的地注入特定頻率的諧波分量，抵消系統(tǒng)中現(xiàn)有的

諧波失真。

*多級拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：采用多級逆變器或多電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，減少開關(guān)頻率，

降低開關(guān)諧波。

第八部分電力電子系統(tǒng)諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)

電力電子系統(tǒng)諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)與法規(guī)

概述

電力電子系統(tǒng)產(chǎn)生的諧波對電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。為

了減輕諧波影響，各國和相關(guān)組織頒布了多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，對電力電

子設(shè)備的諧波抑制提出了明確要求。這些標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)因國家和地區(qū)而

異，但總體目標(biāo)是一致的，即控制諧波污染，確保電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

國際標(biāo)準(zhǔn)

IEEE519：諧波電平指南

IEEE519是由電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(IEEE)制定的國際認(rèn)可的諧

波標(biāo)準(zhǔn)。它為電網(wǎng)中允許的最大諧波電平提供了準(zhǔn)則。標(biāo)準(zhǔn)涵蓋了電

壓和電流諧波，并根據(jù)電網(wǎng)電壓等級和公共-私有接口位置制定了不

同的限制。

IEC61000-3-2：電壓諧波限制

國際電工委員會(huì)(IEC)制定的IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電網(wǎng)中

允許的電壓諧波限制。標(biāo)準(zhǔn)針對不同的電區(qū)等級和負(fù)載類型制定了具

體限制，以確保電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性。

IEC61000-3-12：電流諧波限制

IEC61000-3-12標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電網(wǎng)中允許的電流諧波限制。它將設(shè)備

分為四個(gè)類別，并針對每個(gè)類別制定了不同的電流諧波限值。標(biāo)準(zhǔn)考

慮了設(shè)備的容量、類型和連接方式。

國家/地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)

各國和地區(qū)也制定了自己的諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，以適應(yīng)其特定的電

網(wǎng)情況和監(jiān)管需求。一些主要的國家/地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)包括：

中國：GB/T15543、GB/T17625

中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T15543規(guī)定了電網(wǎng)中允許的電壓諧波限值，而

GB/T17625規(guī)定了允許的電流諧波限值。這些標(biāo)準(zhǔn)針對不同的電壓

等級和設(shè)備類型制定了具體要求。

美國：IEEE1547、NEMAMG1-2016

美國國家電氣制造商協(xié)會(huì)(NEMA)制定了一系列諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)，其中

包括MG1-2016,該標(biāo)準(zhǔn)針對電力轉(zhuǎn)換設(shè)備的諧波抑制提出要求。此

外，IEEE1547標(biāo)準(zhǔn)為分布式發(fā)電系統(tǒng)連接到電網(wǎng)時(shí)的諧波限制提供

了指南。

歐盟：EN61000-3-2,EN61000-3-12

歐盟制定了多項(xiàng)諧波抑制相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，其中包括EN61000-3-2和EN

61000-3-12,這些標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定了電網(wǎng)中允許的電壓諧波和電流諧波

限制。

諧波抑制措施

為了遵守諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，電力電子設(shè)備制造商采取了各種技術(shù)

措施來抑制諧波產(chǎn)生。這些措施包括：

*無源濾波器：利用電感、電容和電阻等元件構(gòu)成濾波器，吸收或阻

隔諧波電流。

*有源濾波器：利用電力電子元件動(dòng)態(tài)補(bǔ)償諧波電流，保持電網(wǎng)電流

的正弦波形。

*多電平轉(zhuǎn)換器：采用多級輸出電壓/電流的轉(zhuǎn)換器，降低開關(guān)頻率，

自然抑制諧波。

*諧波注入技術(shù)：在電力電子設(shè)備的控制算法中引入諧波，主動(dòng)抵消

電網(wǎng)中的諧波。

持續(xù)改進(jìn)

隨著電力電子設(shè)備技術(shù)的不斷發(fā)展和電網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變化，諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)

和法規(guī)也在不斷更新和完善。國際組織和各國監(jiān)管機(jī)構(gòu)定期審查和修

訂現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，以確保它們與電網(wǎng)當(dāng)前的實(shí)際情況和技術(shù)進(jìn)步保持一致。

結(jié)論

電力電子系統(tǒng)諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)至關(guān)重要，它們?yōu)榭刂浦C波污染、

確保電能質(zhì)量和電網(wǎng)穩(wěn)定性提供了框架。通過遵守這些標(biāo)準(zhǔn)和法規(guī)，

電力電子設(shè)備制造商和用戶可以共同努力，為安全可靠的電網(wǎng)環(huán)境做

出貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

主題名稱：電力電子系統(tǒng)諧波產(chǎn)生的原因

關(guān)鍵要點(diǎn)：

1.半導(dǎo)體開關(guān)器件的非線性特性：當(dāng)功率

器件處于開關(guān)狀態(tài)時(shí)，其導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間會(huì)

產(chǎn)生尖銳的電壓和電流變化，導(dǎo)致諧波失

真。

2.脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)：為了控制功率

轉(zhuǎn)換器件，PWM技術(shù)采用高頻脈沖調(diào)制方

式，但也會(huì)產(chǎn)生高次諧波。

3.輸入/輸出阻抗不匹配：當(dāng)電力電子系統(tǒng)

與電網(wǎng)或負(fù)載連接時(shí)，阻抗不匹配會(huì)引起諧

波電流在系統(tǒng)中流動(dòng)，導(dǎo)致諧波失真。

主題名稱：諧波產(chǎn)生的影響

關(guān)鍵要點(diǎn)：

1.電網(wǎng)諧波污染：諧波電流會(huì)通過電網(wǎng)傳

遞，污染電網(wǎng)電壓，影響其他電氣設(shè)備的正

常運(yùn)行。

2.設(shè)備發(fā)熱和故障：諧波電流會(huì)導(dǎo)致設(shè)備

發(fā)熱，降低絕緣性能，縮短使用壽命，甚至

導(dǎo)致故障。

3.電磁干擾（EMI）：諧波電流會(huì)產(chǎn)生電磁

輻射，干擾通信、控制系統(tǒng)等敏感電子設(shè)備。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

無源諧波抑制濾波器設(shè)計(jì)與應(yīng)用

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

主動(dòng)式濾波器拓?fù)?/p>

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

多電平功率轉(zhuǎn)換拓?fù)鋵χC波抑制的影響

主題名稱：多電平拓?fù)鋵Α鲋C波抑制的優(yōu)勢

關(guān)鍵要點(diǎn)：

?多電平轉(zhuǎn)換器通過將工弦波形近似為多

級直流電壓，減少了諧波失真。

-隨著電平數(shù)的增加，諧波分量進(jìn)一步降

低，尤其是在高次諧波區(qū)域。

-多電平拓?fù)淇梢砸愿偷拈_關(guān)頻率運(yùn)行，

從而降低開關(guān)損耗并提高效率。

主題名稱：多電平拓?fù)涞恼{(diào)制策略

關(guān)鍵要點(diǎn):

-級次移位脈寬調(diào)制(PWM)和載波相移

PWM等調(diào)制策略可用于控制多電平轉(zhuǎn)換

器。

-這些策略優(yōu)化了諧波分布，進(jìn)一步抑制了

諧波污染。

-調(diào)制策略的選擇取決于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、開關(guān)頻

率和輸出電壓要求。

主題名稱：多電平拓?fù)涞臑V波要求

關(guān)鍵要點(diǎn):

-多電平拓?fù)渫ǔＰ枰^小的濾波器，因?yàn)?/p>

諧波分量較低。

-然而，仍需要濾波器以去除殘余諧波和開

關(guān)尖峰。

-濾波器設(shè)計(jì)應(yīng)考慮拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、諧波頻率和

所需的諧波抑制水平。

主題名稱：多電平拓?fù)湓谥C波注入中的應(yīng)用

關(guān)鍵要點(diǎn)：

-多電平轉(zhuǎn)換器可以用于有源諧波濾波，將

無功功率注入電網(wǎng)。

-這有助于補(bǔ)償負(fù)載產(chǎn)生的無功功率，提高

電網(wǎng)穩(wěn)定性。

-多電平拓?fù)涮峁┝司_的諧波注入控制，

允許定制諧波注入譜。

主題名稱：多電平拓?fù)湓诳稍偕茉聪到y(tǒng)中

的應(yīng)用

關(guān)鍵要點(diǎn)：

-多電平轉(zhuǎn)換器廣泛用于可再生能源系統(tǒng)，

如光伏和風(fēng)力發(fā)電。

-它們以其諧波抑制能力和高效轉(zhuǎn)換而同

名，確保了清潔電能的交付。

-多電平拓?fù)湓诳稍偕茉搭I(lǐng)域的不斷發(fā)

展為離網(wǎng)和并網(wǎng)系統(tǒng)提供了可靠且節(jié)能的

解決方窠。

主題名稱：未來發(fā)展趨勢

關(guān)鍵要點(diǎn)：

-寬禁帶半導(dǎo)體的發(fā)展將推動(dòng)更高開關(guān)頻

率和更低諧波失真的多電平轉(zhuǎn)換器。

-數(shù)字控制和人工智能技術(shù)將提高調(diào)制策

略的優(yōu)化和諧波抑制性能。

-模塊化和可擴(kuò)展的多電平轉(zhuǎn)換器將簡化

高功率應(yīng)用中的部署。

關(guān)鍵詞關(guān)鍵要點(diǎn)

主題名稱：寬帶隙氮化稼技術(shù)

關(guān)鍵要點(diǎn)：

1.氮化錢(GaN)寬帶隙半導(dǎo)體具有高擊

穿電場和高電子遷移率，使其成為高頻和高

功率電子應(yīng)用的理想選投。

2.GaN器件比傳統(tǒng)硅基器件具有更快的開

關(guān)速度和更高的效率，從而顯著降低了諧波

失真。

3.GaN器件的尺寸小巧，重量輕，并具有出

色的耐熱性，使其適用于緊湊型和高功率密

度諧波抑制系統(tǒng)。

主題名稱：寬帶隙碳化硅技術(shù)

關(guān)鍵要點(diǎn)：

1.碳化硅(SiC)寬帶隙半導(dǎo)體具有超低的

導(dǎo)通損耗和極高的耐壓能力，非常適合高電

壓和高功率轉(zhuǎn)換應(yīng)用。

2.SiC器件具有優(yōu)異的散熱能力和抗輻射

能力，使其在惡劣的環(huán)境中具有可靠性。

3.SiC器件的商用化程度不斷提高，成本正

在下降，使其在諧波抑制領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)

用潛力。

主題名稱：寬帶隙氧化鋅技術(shù)

關(guān)鍵要點(diǎn)：

1.氧化鋅(ZnO)寬帶隙半導(dǎo)體具有低廉

的成本、高壓耐力和出色的光電特性，使其

成為諧波抑制應(yīng)用的經(jīng)濟(jì)高效選擇。

2.ZnO器件具有非線性電阻特性，可以有

效抑制各種頻率的諧波。

3.ZnO器件正在不斷改進(jìn)其性能，并有望

在未來成為諧波抑制領(lǐng)域的強(qiáng)有力競爭者。

主題名稱：寬帶隙金剛石技術(shù)

關(guān)鍵要點(diǎn)：

1.金剛石是一種超寬帶隙半導(dǎo)體，具有極

高的導(dǎo)熱率、擊穿電場強(qiáng)度和載流子遷移

率。

2.金剛石器件具有超高的耐壓能力和高頻

開關(guān)特性，使其在諧波抑制領(lǐng)域具有獨(dú)特優(yōu)

勢。

3.雖然金剛石器件的制造工藝仍面臨挑

戰(zhàn)，但其巨大的潛力使其成為未來諧波抑制

研究的熱門方向。

主題名稱：復(fù)合寬帶隙器件技術(shù)

關(guān)鍵要點(diǎn)：

1.復(fù)合寬帶隙器件將不同寬帶隙半導(dǎo)體的

優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來，例