陈 馨

（中船重工集团公司第七一二研究所，武汉430064）

1 引言

IEEE和 IEC制定的谐波标准，虽还未被国际标准化组织（ASNI）和欧洲电工技术委员会（CENELEC）强制实行，但已引起了电力电子业界的广泛关注。IEC 1000-3-2可能是最引人关注的标准，它将被欧盟采纳为EN 61000-3-2，这意味着在欧洲销售的每相电流不超过 16 A的电力电子产品需要符合此EN谐波标准。在大多数应用场合，满足这些谐波标准并不困难，但还正在研究最经济实用的方案。IEEE和国际谐波标准能分成以下二组，见表1。

目前，只有IEC 1000-3-2和IEC 1000-3-4对单次谐波含量设定了特别的限制，这两个标准对电力电子设备的设计最有冲击。IEEE 519虽然也对单次谐波含量设定了标准，但其目的是限制公共耦合点（PCC）的谐波。由于还不可能得到IEC 1000-3-4，某些企业采用IEEE 519作为设计指导来限制三相设备的谐波辐射，这种对标准的不恰当引用反映了对三相谐波标准的强烈需求。

表1 IEEE和国际谐波标准

2 谐波源

任何电力电子设备都可能是谐波源，通常分成两种类型的谐波源：电压源变换器和电流源变换器。电压源变换器在交流电网侧产生脉冲形的谐波电流其谐波畸变率对单相系统通常大于 100%，对三相系统通常大于60%。由于电流源变换器只出现在大功率三相工业设备中，因此本文将不讨论电流源变换器。

3 谐波标准

3.1 IEC 1000-3-2

IEC 1000系列标准处理所有电磁兼容性问题。 IEC 1000-3-2对4种不同类型的设备制定了标准，其中D类最有争议，电压源变换器电流呈单圆丘状谐波，这种波形出现在大多数单相电力电子设备之中。

表2 IEC 1000-3-2对D类设备的限制标准

表2列出了对 D类设备的电流谐波限制标准，适用于此标准的D类设备的最大输入功率为600 W。此标准和IEC 555-2唯一的区别在于第3列的最后一项，它是参见A类，而不是过去的线性外推。

3.2 IEC 1000-3-4

IEC 1000-3-4标准不仅处理单台设备的谐波问题，也对整个系统安装给出了限制标准，它还提出了单相和三相系统的谐波限制标准。表Ⅱ列出了对于输入电流不小于16A的三相设备的IEC 1000-3-4标准。

表3 IEEE 1000-3-4对三相设备的限制标准

表3没有列出对13次以上谐波的限制标准。

表4给出了IEC 1000-3-4标准对整个系统安装的限制标准。尽管表Ⅲ并未列出THD和PWHD值，但对于整个系统安装，它们都限制在20%以内，如果三相不平衡，那么每个单相都应单独满足标准。

3.3 IEEE 519

IEEE 519标准给出了对公共耦合处的电压谐波和电流谐波的限制，标准制订的基本原则是防止电流谐波流回电力系统，以免影响其他用户。表5列出了IEEE 519标准对电压谐波的限制。

表4 IEC 1000-3-4允许的整体安装电流标准

表5 IEEE-519的电压限制标准

4 单相补偿方法

4.1 内置式补偿

4.1.1 串联电感型滤波器

电源设备生产商关心限制电流畸变的谐波标准，这时可以选择串联电感型滤波器。已有研究指出，加上串联电感可以显著降低开关电源的电流谐波来满足IEC标准。串联电感既可加在交流侧，也可加在直流侧。图1给出了在直流侧加上串联滤波电感Lc的方法。

对于全桥整流器，可在整流器和滤波电容(Cdc)之间加上电感，如图1(a)所示。当给电压倍增型整流器电路添加串联电感时，串联电感需要分成两半，如图1(b)所示。

4.1.2 Boost变换器电流成形

对于单相整流器，有多种有源电流成形方法，Boo变换器可能是最常见的一种。图2给出了包含Boost变换器的电源电路。在电流和电压畸变小和精确跟踪时，通常加上前级Boost变换器所获得的功率因数高于0.99%，而输入电流的THD值一般小于5%。

如果只要符合IEC 1000-3-2标准，用Boost变换器似乎补偿过头。选择无源电感补偿，还是选择有源电流成形，似乎是在成本和有效性之间进行折中。

图1 直流侧串联电感进行电流成形的电路

图2 内置式Boost变换器电路

4.2. 外部补偿

4.2.1 并联连接谐振型滤波器

作为一种外加式附件设备，并联连接谐振型滤波器经常被配置成一个方便的电源出口，并作为2～4个电器设备的电源接入点。图3给出了一种商用的并联连接谐振型滤波器的电路图。谐振回路阻抗Zr是频率的函数，可以表示为：

图3 为抑制谐波而并联连接谐振型滤波器的电路

4.2.2 串联连接谐振型滤波器

和并联连接谐振滤波器一样，串联连接谐振型滤波器是一种为其它几个电器设备提供电源的插入式滤波器，其额定电流通常为6A。串联连接谐振型滤波器既可单调谐，也可多调谐。对于单调谐串联连接谐振型滤波器，滤波器电路阻抗与电源频率的关系可以推导为：

图4给出了包含3次谐波调谐LC电路Lr、Cr的一种典型的串联连接谐振型滤波器。

5 三相补偿方法

5.1 内置式补偿

5.1.1 串联直流扼流圈

与单相情况类似，对基于三相整流器的电力电子设备，可以添加直流扼流圈。当直流扼流圈足够大时，电流会最终变成方波，其5次谐波含量为20%，这将完全不能满足Rsc=66和Rsc=120时的限制标准，参见表Ⅱ。

5.1.2. 串联直流扼流圈+LC滤波器

加上无源滤波器来抑制单次谐波是一种可能的解决方法。加上直流扼流圈后，再在整流器前端添加LC滤波器。其中LC滤波器通常调谐至5次谐波，因为它最难满足标准。一旦抑制了5次谐波，其它谐波同样能大量减小。

5.1.3. 三相变换器电流成形

对于三相整流桥，有多种输入电流成形的方法。和单相对应情况类似，也可以加上单开关Boost变换器进行三相电流成形。但是，单开关的开关器件要承受很高的电压和电流应力，是否实用值得怀疑。也有可能使用双开关电流注入型Boost变换器进行电流成形，双开关方案的主要问题是需要笨重的磁性元件。

图4 双调谐串联连接谐振型滤波器(SCRF)电路

5.2 外部补偿

为避免破坏已有系统，进行外部补偿是合理的。外部可以用无源和有源补偿方法。虽然用无源补偿可以满足IEC或IEEE标准，但当负载变化时，这种方法可能会补偿不足或补偿过度。在三相系统中，有源补偿仍然优于无源补偿。用有源滤波器来补偿畸变的谐波电流的概念框图如图5。

图5 有源滤波器的概念框图

5.2.1 串联有源滤波器+并联无源滤波器

对于大功率系统，有源滤波器受高压、大电流半导体器件的限制，而纯粹的无源滤波器补偿又有与系统相互干扰大的问题。这就提出了一种含一个串联有源滤波器和一个并联无源滤波器的混合滤波器系统方案，如图6所示，它被认为是在中等和大功率应用场合一种特别有效的谐波补偿方法。

5.2.2 串联有源滤波器+并联有源滤波器

并联有源滤波器是补偿谐波电流的一种好方法，但是，为消除通常只有百分之几 THD值的谐波电压，需要串联有源滤波器。如包含串联和并联有源滤波器的三相电力线路调节器，可共享一个公共的直流母线，在能提供干净的负载电压的同时，也能保证电网侧的电流正弦，但是造价较高。

6 讨论和结语

国际和 IEEE谐波标准对电力电子设备产生的电压和电流谐波作了限制，为满足这些标准，本文提出了多种电力电子电路设计方法，并简述了几种商业上可行的电力电子解决方案，还用电路解释了谐波抑制的基本概念。虽然有源方案的电流成形和谐波补偿的有效性不是问题，但是，额外的电力电子电路成本是阻碍其接受的主要障碍。最简单的补偿方法是用串联电感来满足IEC-1000-3-2，用串联电感和LC滤波器的组合来满足 IEC-1000-3-4。尽管用无源补偿方法来满足标准的效果还令人满意，但存在以下两个不足：

● 串联电感或滤波器可能导致整流器输入电流畸变和输出直流电容电压减小；

● 并联滤波器可能引起整流器输入电流增大。

图6 组合谐波抑制电路图

如果加上 7.5%的电感，直流电压至少下降7.5%，这样大的电压跌落将影响计算机电源等的正常工作。在无源补偿方案中，还发现存在补偿过度、补偿不足和与系统相互干扰强烈等问题。虽然有源补偿在性能上优于无源补偿，但是它的成本比较高，控制比较复杂。怎样设计一个效/费比合适、满足谐波标准的要求而又没有诸多问题的电力电子设备，仍然是摆在每一个电力电子工程师面前的公开挑战。

[1]陈坚. 电力电子学：电力电子变换和控制技术. 北京：高等教育出版社, 2002,1.

[2]王兆安 等. 谐波抑制和无功功率补偿. 北京： 机械工业出版社, 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.