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直流分量

定义

   直流分量指的是信号中恒定的部分，不随时间变化的电压或电流分量，也就是平均值。与交流分量（随时间周期性变化的部分）共同组成了完整的信号。

   在交流信号中，如果叠加了直流分量，整个信号就会有一个偏移。例如，一个正弦波正常情况下是对称的，平均值为零，但如果加上直流分量，整个波形就会向上或者向下移动。

直流分量的存在可能会对某些电路或者设备造成危害，特别是是在AC工作的系统中。

直流分量的来源

电路设计缺陷：运放电路中偏置电压未正确调零，导致输出信号有直流偏移。

电源滤波不良：直流电源的纹波未能完全滤除

对于电源系统中，直流分量有以下来源

三相系统的不平衡：在三相交流系统中，若负载或电源出现不对称（如某一相电流过大或过小），会导致中性线（零线）电流中包含直流分量。在工厂等场景单相大功率负载集中导致三相不平衡。

整流器件的影响：电源系统里面的整流电路如二极管构成的整流桥，晶闸管桥式整流电路；二极管整流电路仅允许电流单向流动，导致电网电流波形严重不对称，产生显著直流分量；晶闸管桥式整流电路换相失败即控制失误，误导通，整流器输出电流的对称性被破坏

变压器磁饱和：变压器磁芯因直流磁化而进入饱和状态，导致励磁电流波形畸变，产生直流分量；变压器饱和后，励磁电流呈现尖峰波形，其平均值（直流分量）会增加

电力电子器件开关过程：逆变器，变频器等电力电子器件在开关过程中产生高频谐波可能通过耦合或接地回路引入直流分量。比如PWM波形调制的占空比偏差会导致输出电压的平均值偏移；死区时间设置不当即开关管时间不匹配，导致电流波形正负半周不对称。尤其是在光伏逆变器等新能源设备并网的时候。

接地故障或设备漏电：设备接地故障或设备漏电，电流通过接地回路形成直流分量，故障电流中可能包含非对称的直流成分

谐波与间谐波叠加：间谐波是指不是基波整数倍的谐波（如1.5倍、2.5倍）。次谐波是基波频率的分数倍（如1/2、1/3）。低频分量高次谐波或间谐波的叠加可能导致电流波形整体偏移，形成等效直流分量的现象，大量非线性负载接入电网时

滤波电容老化：滤波电容老化，漏电或被击穿时，可能无法有效滤除直流成分。电容老化其ESR增大绝缘性能下降，导致直流电流通过。

危害

变压器过热与磁饱和：直流电流导致变压器磁芯饱和，励磁电流剧增，铁损和铜损升高，变压器可能损坏。

保护装置误动作：漏电检测（RCD）可能因直流分量干扰误动作

缩短电解电容寿命：电解电容内含有电解液，直流分量会使电容发热，电解液挥发加快，导致容量下降甚至爆炸

抑制措施

针对电力电子器件，闭环控制PWM调整占空比，消除输出电压的直流偏移。在控制算法中进行实现。

三相电源系统中优化三相负载分配，减少不对称电流；

整流电路采用全桥整流或者增加滤波电感，减少电流波形畸变。

THD总谐波失真（Total Harmonic Distortion, THD）

衡量电能质量的核心指标，表示信号中谐波成分（即基波整数倍频率的波形）的总和与基波成分的比值，通常以百分比进行表示。在光伏并网系统中，THD主要用于评测馈网电压和电流的波形畸变程度。

THD通过比较信号中谐波成分的能量与基波成分的能量来衡量失真程度，较低的THD值表示输出信号与输入信号的失真较小。

产生原因

电力电子器件的非线性特性，如IGBT,MOSFET在开关过程中产生高频谐波，PWM反馈调制策略不完善会导致输出电流波形畸变。

整流电路以及直流母线电容相互作用导致输入电流导通角减小，形成尖峰脉冲电流。

电网阻抗与并网系统的输出阻抗不匹配时，可能引发谐振，引入谐波加大THD。

并网逆变器中的电流环控制算法如常用的PI控制对高频谐波的抑制能力有限，导致并网电流中存在谐波

危害

高次谐波电流馈入电网引起电网电压畸变，导致保护装置误动作，污染电网损坏设备。谐波电流导致变压器，电缆等设备发热加剧，缩短寿命。另外在一些通信设备或者精密仪器中，高频谐波通过电磁辐射干扰会造成数据错误。

避免措施

在电力电子设备中，通过优化控制算法可以降低THD；在硬件电路中加入PFC电路，调整输入电流波形，可以显著降低THD。

另外针对特定谐波频率可以设置无源滤波器。针对宽频谐波可以设计有源滤波器通过实时检测谐波并生成反向谐波抵消。