隨著現代工業與信息技術的飛速發展，電力系統中非線性負載（如變頻器、整流設備、電弧爐等）大量增加，產生了嚴重的諧波污染。諧波不僅導致電能質量下降，還會引發電氣設備過熱、誤動作，增加線路損耗，甚至威脅電網安全穩定運行。因此，如何有效降低諧波源的諧波含量，并研制高效的電能質量控制裝置，已成為電力電子與電力系統領域的重要課題。

一、 降低諧波源諧波含量的主要方法

降低諧波含量需從源頭治理與末端治理兩方面著手，核心在于抑制諧波的產生或補償已產生的諧波。

1. 優化諧波源設備的設計與選型：

• 采用多脈沖整流技術：如12脈沖、24脈沖整流電路，通過相位疊加抵消特定次數的諧波電流，可顯著降低輸入電流的諧波畸變率（THDi）。

• 應用功率因數校正（PFC）技術：在開關電源等設備前端加入有源或無源PFC電路，使輸入電流波形跟隨電壓波形，從而降低低次諧波含量。

• 選用低諧波含量的變頻器與驅動器：優先選擇采用先進調制技術（如SVPWM）和內置輸入電抗器或直流電抗器的設備。

1. 安裝無源濾波裝置：

• 由電容器、電抗器和電阻器適當組合而成，調諧在需要濾除的諧波頻率附近，為諧波電流提供低阻抗通路，從而將其吸收。該方法成本較低，但存在可能與系統發生諧振、濾波效果受系統阻抗影響大等缺點。

1. 改變運行方式與系統結構：

• 將產生諧波的負荷與對諧波敏感的負荷由不同母線或變壓器供電。

• 增加諧波源的短路容量（如采用更高容量的變壓器或縮短供電距離），可以在一定程度上降低諧波電壓畸變率。

二、 電能質量控制裝置的研制

對于已產生并注入電網的諧波，以及電壓波動、閃變、不平衡等問題，需依靠安裝在電網中的電能質量控制裝置進行集中治理。其研制是電力電子技術、控制理論與數字信號處理技術的綜合應用。

1. 核心裝置：有源電力濾波器（APF）

• 工作原理：APF通過實時檢測負載電流中的諧波和無功分量，生成一個與之大小相等、方向相反的補償電流注入電網，從而抵消諧波，實現諧波隔離與無功補償。

• 研制關鍵技術：

• 諧波檢測技術：快速準確的諧波檢測是APF有效工作的前提。常用方法有基于瞬時無功功率理論的p-q法、ip-iq法，以及基于傅里葉變換、小波變換的算法。

• 電流跟蹤控制技術：如何使補償電流快速、高精度地跟蹤指令電流是關鍵。滯環比較控制、三角載波PWM控制以及基于空間矢量的預測電流控制是主流技術。

• 主電路拓撲與功率器件：電壓型橋式結構是主流。研制需關注大容量、高開關頻率的IGBT、SiC MOSFET等功率器件的應用，以提高裝置容量與效率。

• 數字控制平臺：采用高性能DSP（數字信號處理器）或FPGA作為控制核心，實現復雜算法的快速運算與系統實時控制。

1. 綜合解決方案：靜止無功發生器（SVG）與統一電能質量調節器（UPQC）

• SVG：專注于動態無功補償，也能治理部分諧波，響應速度極快，適用于抑制電壓波動與閃變。

• UPQC：是APF與動態電壓恢復器（DVR）的結合體，串聯部分補償電壓質量問題（如跌落、驟升），并聯部分補償電流質量問題（如諧波、無功），是功能最全面的電能質量綜合治理裝置。其研制復雜度最高，涉及串聯與并聯變流器的協調控制、雙向能量流動管理等技術。

1. 研制趨勢與挑戰

• 高功率密度與模塊化：通過改進散熱設計、優化拓撲（如模塊化多電平MMC應用于高壓場合），實現裝置的小型化與容量擴展。

• 智能化與自適應：結合人工智能、機器學習算法，使裝置能自動識別電網狀態與負載特性，實現控制參數的自整定和運行策略的優化。

• 多功能集成與協同：研制能夠同時治理多種電能質量問題，并能與分布式能源、儲能系統協同運行的復合型裝置。

• 高可靠性設計與成本控制：提高功率器件和關鍵元件的壽命與可靠性，在保證性能的同時降低制造成本，是推動其大規模應用的關鍵。

結論

降低諧波含量是一個系統工程，需遵循“預防為主，防治結合”的原則。一方面，應從源頭優化用電設備，減少諧波產生；另一方面，應大力發展以有源電力濾波器為核心的電能質量控制裝置技術。隨著電力電子器件與數字控制技術的進步，更高效、智能、經濟的電能質量控制裝置將不斷涌現，為構建清潔、安全、高效的現代智能電網提供堅實的技術支撐。