一、概述

1、電網諧波問題及有關標準的提出

隨著現代工業的高速發展，電力系統的非線性負荷日益增多。如各種換流設備、變頻裝置、電弧爐、電氣化鐵道等非線性負荷遍及全系統，而程控交換機、電視機、高頻逆變焊機、電子鎮流器等信息設備、辦公自動化設備和家用電器的使用越來越廣泛。

這些非線性負荷產生的諧波電流注入到電網，使公用電網的電壓波形產生畸變，嚴重地污染了電網的環境，威脅著電網中各種電氣設備的安全運行。其危害概括起來有以下幾個方面：

①可能使電力系統的繼電保護和自動裝置產生誤動或拒動，直接危及電網的安全運行。

②使交流供電設備(如交流發電機、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重浪費。

③使三相四線制電網中的三次及其倍數次諧波在中線同相位，導致合成后中線電流很大，甚至可能超過相電流。但由于安全標準規定中線無保護裝置，因此可能過熱起火發生安全事故。

④使各種電氣設備產生附加損耗和發熱、使電機產生機械振動和噪聲。

⑤電網中諧波通過電磁感應、電容耦合、以及電氣傳導等方式，對周圍的通訊系統產生干擾、降低信號的傳輸質量，破壞信號的正常傳遞，甚至損壞通訊設備。

⑥諧波使電網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、功率因數表、電度表等產生誤差。為消除此類誤差，會大大增加制造成本。

⑦增加了電網中發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。 由于電網諧波的諸多危害，國際社會已于上世紀八十年代和九十年代初制定了一些與此相關的標準，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八十年代研究對策，做了很多準備工作，并于1993年正式頒布了GB/T14549-93《電能質量公用電網諧波》標準，1998年又制定了GB17625.1-1998標準。在歐洲，從1992年開始對300W以上設備強制實行IEC555-2標準，并于1994年對300W以下設備也作出同樣要求。

在美國，早就對700W以上設備產生的諧波作出了限制。而在我國，雖說至今尚未全面強制執行有關標準，但隨著現代化進程的加速推進，及綠色電子產品的發展，肯定會對諧波的限制作出強制性要求。

2、功率因數及其校正公用電網諧波和基波無功功率的存在，比較終均可歸因于電網負荷的功率因數PF小于1并用其來表征。這里的PF包括相移因數和畸變因數(或稱畸變系數、失真因數)。為了消除諧波和基波無功功率，應進行功率因數校正(PFC)，以提高負荷的功率因數，使其盡量接近于1，即等效于純電阻負載。傳統的功率因數校正采用的是被動的無源校正網絡，主要針對線性負荷如感性或容性負荷，以改善相移功率因數，降低無功功率。但其尺寸、重量大，難以得到高功率因數，且其工作性能與頻率、負載變化及輸入電壓變化有關，因此對電網的適應性也較差。同時由于電網中存在高次諧波，也使這種無源PFC難以發揮更大的作用。另有一種被動的有源校正網絡叫有源電力濾波器(APF)，它是一種動態抑制諧波和補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行很好的補償，對電網的適應性強，但其控制復雜、造價高昂。目前主要思路是將APF和無源校正網絡混合使用，以圖降低APF容量和整個校正網絡的造價。這種網絡主要用于大功率負荷。

隨著信息技術和電力電子技術的飛速發展，諸如通訊設備、計算機、電子鎮流器和家用電器等使用開關電源的非線性負荷大量投入使用。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，一種新型的主動性有源校正網絡，即有源功率因數校正(APFC)技術得到人們的普遍重視。該技術是在負載的整流電路和濾波電容之間增加一個功率變換電路，將輸入電流強制校正成與輸入電壓同相位的正弦波，使功率因數提高到近似為1.0，而且具有穩定的輸出電壓，從而消除諧波和無功功率并降低了其后接變換器的設計難度和成本。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、適應性強，已被國外大多廠商用于其實際產品中，國內也有很多有實力的廠商對其進行研究和應用。