谐波分析及谐波抑制方法

第16卷　第6期

2006年11月　　

黑　龙　江　科　技　学　院　学　报

Journal of Heil ongjiang I nstitute of Science &Technol ogy

　Vol . 16No . 6　　Nov . 2006

文章编号:1671-0118(2006) 06-0338-04

谐波分析及谐波抑制方法

王雪丹

1, 2

, 　刘芳霞

1

(1. 黑龙江科技学院电气与信息工程学院, 哈尔滨150027; 2. 中国矿业大学电气与信息工程学院, 江苏徐州221008)

摘　要:为解决电网谐波污染的问题, 波分析, 叙述了并联型有源电力滤波器(, 制的实现, 并给出了采用() 。结果表明, 两, , , , 可获得更好的补偿特性。

:; 有源电力滤波器; LC 滤波器　　:T M714. 1文献标识码:A

Ha r moni c contr o l so l uti o n and its rea li za ti o n

WAN G X uedan

1, 2

, 　L I U Fangxia

1

(1. College of Electric and I nf or mati on Engineering, Heil ongjiang I nstitute of Science and Technol ogy, Harbin 150027,

China; 2. College of I nf or mati on and Electrical Engineering, C UMT, Xuzhou 221008, China )

Abstract:To s olve seri ous polluti on of har monics, this paper analyses the har monics in current of the AC side of contr olled converter with DC mot or . The basic operati on p rinci p le of the shunt active pow 2er filter (APF ) is given in this paper . Realizati on of har monics contr olled is analyzed e mphatically by using active power filter and si m ulati on result was given . The results sho w it can cost cutting, enhance efficien 2cy, expand capacity and get better compensati on if active power filter and LC filter are used t ogether .

Key words:har monic contr ol; contr olled converter; active po wer filter; LC filter

0　引　言

20世纪70年代以来, 随着电力电子技术的飞

特性也不受电网阻抗的影响, 因而受到广泛的重视。

笔者以带直流电动机负载的可控变流电路为例分析产生的谐波, 介绍了并联型有源电力滤波器的基本原理及其谐波抑制的实现。

速发展, 特别是功率半导体器件和变流技术的发展, 大容量电力整流、换流设备等电力电子装置和非线性负载的广泛使用, 电网的谐波污染问题变得日益严重, 由谐波引起的各种故障和事故也不断产生, 谐波危害的严重性引起人们的高度关注。

有源电力滤波器(APF ) 是一种新型的、能动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿, 补偿

　　收稿日期:2006-06-27　　基金项目:黑龙江省教育厅骨干教师项目(1052G039)

1　谐波分析

可控变流电路如图1所示。输入端加入相位相

差120°的对称三相交流电。电路依靠改变晶闸管的触发角α来实现调压或稳压的目的, 即所谓相控调压。依靠改变触发角α的相控变流装置的输入电流通常为非正弦波形。

在理想情况下, 交流侧电流为正负半周各为120°的方波, 三相电流波形相同, 且依次相差120°。触发

第6期

王雪丹, 等:谐波分析及谐波抑制方法339

控制角为α时, a 相电流与电压波形如图2

所示。

:检测补, , 该信号经补偿电流发, 补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消, 最终得到期望的电源电流。

在图3中, 指令电流运算电路检测出其中的谐波作为APF 的指令电流, 补偿电流发生电路输出补偿电流跟随指令电流的变化, 补偿电流与谐波电流抵消, 于是电网电流等于负载的基波电流, 使电源电流成为正弦波。若要同时补偿负载的无功电流, 指令电流运算电路需同时检测出谐波电流和无功电流作为APF 的指令电流, 由此产生的补偿电流跟随指令电流的变化, 从而达到抑制谐波和补偿无功的功能。

以电流正、负两半波之间的中点(图2中与横轴垂直的虚线处) 作为时间零点, 将交流侧a 相电流分解为傅立叶级数:

∞

i a =

n =1

∑b

n

ωt ) =sin (n

π

I d sin ωt -

ωt +sin 55

3　并联型APF 谐波的抑制

3. 1　指令电流运算电路

ωt -sin 11ωt sin 13ωt -sin 17ωt -sin 77111317ωt +　(k =1, 2, 3, …, n ) 。sin 19

19

由上式可知可控变流装置交流侧电流含6k ±1

(k 为正整数) 次谐波; 各次谐波有效值与谐波次数

成反比; 与基波有效值的比值为谐波的倒数。即网侧电流除基波成分之外, 还含有5、7、11、13、17等高次谐波, 其幅值与谐波次数成反比。

同理, 在非理想状态下即考虑换相过程和直流电流的脉动时交流侧电流也含6k ±1(k 为正整数) 次谐波。

由上述分析可知, 带直流电动机负载的可控整流电路对于网侧相当于一个包含高次谐波的电流谐波源。

谐波和无功电流的实时检测中采用基于瞬时无

[1]

功功率的谐波检测方法。考虑到负载的多样性以及电网电压的不对称性

, 文中采用基于瞬时无功理论的i p -i q 运算方式, 其基本方法如图4所示。

2　并联型

APF 的工作原理

[1]

有源电力滤波器(A PF ) 的原理结构如图3

瞬时无功电流检测i p 、i q 法基本原理是将三相电流经过α-β到d -q 变换得到i p 、i q 法, 在经过低通滤波器滤波得到i p 、i q 的直流分量, 经过反变换计算出基波电流, 进而计算出补偿分量。

三相正弦电压、电流经过3-2变换, 计算出有功及无功功率:

所示。

340

i a

黑　龙　江　科　技　学　院　学　报　　　　　　　　　　第16卷　

=c 32i b ,

c

32=

3

10

e αe β

-

2

-

2

分量上, 经运算在指令信号中包含一定的基波有功电流, 补偿电流发生电路根据产生补偿电流注入电网, 使得有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功电流分量, 从而使有源电力滤波器的直流侧与交流侧交换能量, 将电容的电压调节至给定值。

,

24　仿真实验结果

可控变流器的仿真模型中电源是对称的三

, 380mH , r =3Ω。图5～a [3, 4]

=

　e -e 。

利用低通滤波器把p 、q 的谐波分量滤去, 再计

算出三相基波分量:

　e αe

2e i T

i b =c 32

i 。

最后用交流侧的总电流减去基波分量, 就得到

补偿信号。把补偿信号反极性就得到补偿电流的指令电流信号。而电流跟踪控制电路根据主电路产生的补偿电流跟踪补偿电流的指令信号, 计算出主电路各开关器件的触发脉冲。该脉冲经过驱动电路后作用于主电路, 产生补偿电流。3. 2　主电路

主电路采用三相自换相电压型桥式电路。补偿电流是由主电路中直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于电感上产生的。主电路的工作情况是由主电路中6组开关器件的通断组合所决定的。通常, 同一相的上下两组开关总有一组中的一个器件是导通的。

3. 3　电流跟踪控制电路

滞环控制是一种常见的电流跟踪控制法。电流

[1, 2]

跟踪控制电路是补偿电流发生电路的首要环节, 作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系, 得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的P WM 信号, 使补偿电流跟踪其指令信号的变化。

所谓电流跟踪控制是把希望输出的电流或电压作为指令信号, 把实际输出电流或电压波形作为反馈信号, 通过两者的瞬时值比较来决定功率开关器件的通断, 使实际输出跟踪指令信号的变化。3. 4　直流侧电压的控制

为保证良好的补偿电流跟随性能, 必须将变流

[1]

器直流侧电容的电压控制为一个适当的值。把电容的电压与给定值进行比较, 两者之差经P I 调节器后得到调节信号,

它叠加到瞬时有功电流的直流

采用三阶高通滤波器滤波时, 取C 1=7500F ,

Ω, L =1215mH , 其中C 2与R 串C 2=150mF , R =8k

联, 其串联支路与L 并联, 并联支路再与C 1串联, 得

第6期

王雪丹, 等:谐波分析及谐波抑制方法341

到的波形及频谱如图8～12

。

, 加上变流电路后, 交流侧, 含有5、7、11、13、17、19次谐波, 图7是所有的谐波电流。图8、9是采用LC 三阶高通滤波器滤波后得到的波形, 从频谱图上可看出电流含有的谐波成分减少, 但还存在一定的高次谐波。图10、11可看出, 采用有源电力滤波器滤波后得到的波形, 基本上呈现正弦波, 滤波效果较好。图12是负载侧直流电机的电流及电压, 输出较稳定。

5　结束语

基于有源电力滤波器工作原理, 设计了有源滤波与LC 无源滤波组合装置。仿真结果表明, 该方法可以提高效率、扩大容量, 同时可以降低成本。有源滤波器与LC 无源滤波装置组合的混合型有源滤波系统将得到广泛的应用。参考文献:

[1]　王兆安, 杨　君, 刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿[M].北

京:机械工业出版社, 1998.

[2]　张崇巍, 张　兴. P WM 整流器及其控制[M].北京:机械工

业出版社, 2003.

[3]　周渊深. 交直流调速系统与MAT LAB 仿真[M].北京:中国

电力出版社, 2003.

[4]　洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MAT LAB 仿真

[M].北京:机械工业出版社, 2006.

作者简介:王雪丹(1956-) , 女, 浙江省东阳人, 教授, 研究方向:电力电子与电力传动, E 2mail:wxd06@263. net 。

第16卷　第6期

2006年11月　　

黑　龙　江　科　技　学　院　学　报

Journal of Heil ongjiang I nstitute of Science &Technol ogy

　Vol . 16No . 6　　Nov . 2006

文章编号:1671-0118(2006) 06-0338-04

谐波分析及谐波抑制方法

王雪丹

1, 2

, 　刘芳霞

1

(1. 黑龙江科技学院电气与信息工程学院, 哈尔滨150027; 2. 中国矿业大学电气与信息工程学院, 江苏徐州221008)

摘　要:为解决电网谐波污染的问题, 波分析, 叙述了并联型有源电力滤波器(, 制的实现, 并给出了采用() 。结果表明, 两, , , , 可获得更好的补偿特性。

:; 有源电力滤波器; LC 滤波器　　:T M714. 1文献标识码:A

Ha r moni c contr o l so l uti o n and its rea li za ti o n

WAN G X uedan

1, 2

, 　L I U Fangxia

1

(1. College of Electric and I nf or mati on Engineering, Heil ongjiang I nstitute of Science and Technol ogy, Harbin 150027,

China; 2. College of I nf or mati on and Electrical Engineering, C UMT, Xuzhou 221008, China )

Abstract:To s olve seri ous polluti on of har monics, this paper analyses the har monics in current of the AC side of contr olled converter with DC mot or . The basic operati on p rinci p le of the shunt active pow 2er filter (APF ) is given in this paper . Realizati on of har monics contr olled is analyzed e mphatically by using active power filter and si m ulati on result was given . The results sho w it can cost cutting, enhance efficien 2cy, expand capacity and get better compensati on if active power filter and LC filter are used t ogether .

Key words:har monic contr ol; contr olled converter; active po wer filter; LC filter

0　引　言

20世纪70年代以来, 随着电力电子技术的飞

特性也不受电网阻抗的影响, 因而受到广泛的重视。

笔者以带直流电动机负载的可控变流电路为例分析产生的谐波, 介绍了并联型有源电力滤波器的基本原理及其谐波抑制的实现。

速发展, 特别是功率半导体器件和变流技术的发展, 大容量电力整流、换流设备等电力电子装置和非线性负载的广泛使用, 电网的谐波污染问题变得日益严重, 由谐波引起的各种故障和事故也不断产生, 谐波危害的严重性引起人们的高度关注。

有源电力滤波器(APF ) 是一种新型的、能动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿, 补偿

　　收稿日期:2006-06-27　　基金项目:黑龙江省教育厅骨干教师项目(1052G039)

1　谐波分析

可控变流电路如图1所示。输入端加入相位相

差120°的对称三相交流电。电路依靠改变晶闸管的触发角α来实现调压或稳压的目的, 即所谓相控调压。依靠改变触发角α的相控变流装置的输入电流通常为非正弦波形。

在理想情况下, 交流侧电流为正负半周各为120°的方波, 三相电流波形相同, 且依次相差120°。触发

第6期

王雪丹, 等:谐波分析及谐波抑制方法339

控制角为α时, a 相电流与电压波形如图2

所示。

:检测补, , 该信号经补偿电流发, 补偿电流与负载电流中要补偿的谐波及无功等电流抵消, 最终得到期望的电源电流。

在图3中, 指令电流运算电路检测出其中的谐波作为APF 的指令电流, 补偿电流发生电路输出补偿电流跟随指令电流的变化, 补偿电流与谐波电流抵消, 于是电网电流等于负载的基波电流, 使电源电流成为正弦波。若要同时补偿负载的无功电流, 指令电流运算电路需同时检测出谐波电流和无功电流作为APF 的指令电流, 由此产生的补偿电流跟随指令电流的变化, 从而达到抑制谐波和补偿无功的功能。

以电流正、负两半波之间的中点(图2中与横轴垂直的虚线处) 作为时间零点, 将交流侧a 相电流分解为傅立叶级数:

∞

i a =

n =1

∑b

n

ωt ) =sin (n

π

I d sin ωt -

ωt +sin 55

3　并联型APF 谐波的抑制

3. 1　指令电流运算电路

ωt -sin 11ωt sin 13ωt -sin 17ωt -sin 77111317ωt +　(k =1, 2, 3, …, n ) 。sin 19

19

由上式可知可控变流装置交流侧电流含6k ±1

(k 为正整数) 次谐波; 各次谐波有效值与谐波次数

成反比; 与基波有效值的比值为谐波的倒数。即网侧电流除基波成分之外, 还含有5、7、11、13、17等高次谐波, 其幅值与谐波次数成反比。

同理, 在非理想状态下即考虑换相过程和直流电流的脉动时交流侧电流也含6k ±1(k 为正整数) 次谐波。

由上述分析可知, 带直流电动机负载的可控整流电路对于网侧相当于一个包含高次谐波的电流谐波源。

谐波和无功电流的实时检测中采用基于瞬时无

[1]

功功率的谐波检测方法。考虑到负载的多样性以及电网电压的不对称性

, 文中采用基于瞬时无功理论的i p -i q 运算方式, 其基本方法如图4所示。

2　并联型

APF 的工作原理

[1]

有源电力滤波器(A PF ) 的原理结构如图3

瞬时无功电流检测i p 、i q 法基本原理是将三相电流经过α-β到d -q 变换得到i p 、i q 法, 在经过低通滤波器滤波得到i p 、i q 的直流分量, 经过反变换计算出基波电流, 进而计算出补偿分量。

三相正弦电压、电流经过3-2变换, 计算出有功及无功功率:

所示。

340

i a

黑　龙　江　科　技　学　院　学　报　　　　　　　　　　第16卷　

=c 32i b ,

c

32=

3

10

e αe β

-

2

-

2

分量上, 经运算在指令信号中包含一定的基波有功电流, 补偿电流发生电路根据产生补偿电流注入电网, 使得有源电力滤波器的补偿电流中包含一定的基波有功电流分量, 从而使有源电力滤波器的直流侧与交流侧交换能量, 将电容的电压调节至给定值。

,

24　仿真实验结果

可控变流器的仿真模型中电源是对称的三

, 380mH , r =3Ω。图5～a [3, 4]

=

　e -e 。

利用低通滤波器把p 、q 的谐波分量滤去, 再计

算出三相基波分量:

　e αe

2e i T

i b =c 32

i 。

最后用交流侧的总电流减去基波分量, 就得到

补偿信号。把补偿信号反极性就得到补偿电流的指令电流信号。而电流跟踪控制电路根据主电路产生的补偿电流跟踪补偿电流的指令信号, 计算出主电路各开关器件的触发脉冲。该脉冲经过驱动电路后作用于主电路, 产生补偿电流。3. 2　主电路

主电路采用三相自换相电压型桥式电路。补偿电流是由主电路中直流侧电容电压与交流侧电源电压的差值作用于电感上产生的。主电路的工作情况是由主电路中6组开关器件的通断组合所决定的。通常, 同一相的上下两组开关总有一组中的一个器件是导通的。

3. 3　电流跟踪控制电路

滞环控制是一种常见的电流跟踪控制法。电流

[1, 2]

跟踪控制电路是补偿电流发生电路的首要环节, 作用是根据补偿电流的指令信号和实际补偿电流之间的相互关系, 得出控制补偿电流发生电路中主电路各个器件通断的P WM 信号, 使补偿电流跟踪其指令信号的变化。

所谓电流跟踪控制是把希望输出的电流或电压作为指令信号, 把实际输出电流或电压波形作为反馈信号, 通过两者的瞬时值比较来决定功率开关器件的通断, 使实际输出跟踪指令信号的变化。3. 4　直流侧电压的控制

为保证良好的补偿电流跟随性能, 必须将变流

[1]

器直流侧电容的电压控制为一个适当的值。把电容的电压与给定值进行比较, 两者之差经P I 调节器后得到调节信号,

它叠加到瞬时有功电流的直流

采用三阶高通滤波器滤波时, 取C 1=7500F ,

Ω, L =1215mH , 其中C 2与R 串C 2=150mF , R =8k

联, 其串联支路与L 并联, 并联支路再与C 1串联, 得

第6期

王雪丹, 等:谐波分析及谐波抑制方法341

到的波形及频谱如图8～12

。

, 加上变流电路后, 交流侧, 含有5、7、11、13、17、19次谐波, 图7是所有的谐波电流。图8、9是采用LC 三阶高通滤波器滤波后得到的波形, 从频谱图上可看出电流含有的谐波成分减少, 但还存在一定的高次谐波。图10、11可看出, 采用有源电力滤波器滤波后得到的波形, 基本上呈现正弦波, 滤波效果较好。图12是负载侧直流电机的电流及电压, 输出较稳定。

5　结束语

基于有源电力滤波器工作原理, 设计了有源滤波与LC 无源滤波组合装置。仿真结果表明, 该方法可以提高效率、扩大容量, 同时可以降低成本。有源滤波器与LC 无源滤波装置组合的混合型有源滤波系统将得到广泛的应用。参考文献:

[1]　王兆安, 杨　君, 刘进军. 谐波抑制和无功功率补偿[M].北

京:机械工业出版社, 1998.

[2]　张崇巍, 张　兴. P WM 整流器及其控制[M].北京:机械工

业出版社, 2003.

[3]　周渊深. 交直流调速系统与MAT LAB 仿真[M].北京:中国

电力出版社, 2003.

[4]　洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统的MAT LAB 仿真

[M].北京:机械工业出版社, 2006.

作者简介:王雪丹(1956-) , 女, 浙江省东阳人, 教授, 研究方向:电力电子与电力传动, E 2mail:wxd06@263. net 。