（电力电子与电力传动专业论文）基于三次谐波注入的谐波抑制技术研究.pdf

浙江大学硕士学位论文摘要 a b s t r a c t p r o g r e s si nt h ep o w e re l e c t r o n i c st e c h n o l o g yh a sl e dt oas i g n i f i c a n ti n c r e a s eo f n o n l i n e a rl o a d s a p p l i c a t i o ni nm d u s u - y t h e s el o a d sa c ta sh a r m o n i cc u r r e n ts o u r c e sa n d c a u s eh a r m o n i cd i s t o r t i o no fl i n ec u r r e n ta n d 鲥dv o l t a g e ，e n e r g yc o n s u m p t i o na n d e q u i p m e n t m a l f u n c t i o ne v e l l d a m a g e e t c t h er e c t i f i e r sb o t hc o n t r o l l a b l ea n d u n c o n t r o l l a b l eo n e sa r ev e r yt y p i c a ln o n l i n e a rl o a d s t h ei m p r o v e m e n to f h a r m o n i c so ft h e r e c t i f i e r si sn e c e s s a r ya n di m p o r t a n t t h i r dh a r m o n i cc u r r e n ti n j e c t i o ni san o v e lm e t h o do f h a r m o n i cs u p p r e s s i o n t h eb a s i cc o n c e p ti su s i n gt h et h i r dh a r m o n i cs o u r eo ft h ed i o d e r e c t i f i e rt op r o d u c et h et h i r dh a r m o n i cc u r r e n t ，a n d 坷c c t e di ti n t ot h r e e - p h a s ei n p u t s ， w h i c hr e d u c et h ei n p u tc u r r e n th a r m o n i c s t h i sp a p e rp r o d u c e dat h i r ds e r i a lr e s o n a n tc i r c u i tt of o r mt h et h i r dh a r m o n i cc u r r e n t , a n das e to fs t a r - c o n n e c t e dc a p a c i t o r sa r eu s e da si n j e c t i o nc i r c u i t , i n s t e a do fp o p u l a r s t a r d e l t at r a n s f o r m e r , t od i v i d ea n di n j e c t e dt h et h i r dh a r m o n i cc u r r e n ti n t ot h r e e p h a s e i n p u t ss e p a r a t e l y , w h i c hi st h ep a s s i v ea p p r o a c ho ft h i r dh a r m o n i cc u r r e n ti n j e c t i o n t h e m e t h o dh a sa d v a n t a g e so fl e s sp o w e rd i s s i p a t i o n , d e v i c eb u l ka n da l s o e a s i e r i m p l e m e n t a t i o n p r i n c i p l ea n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ei n j c c t i o nc i r c u i ta r ea n a l y z e di nd e t a i l s i nt h i sp a p e r , w h i c hi n c l u d i n gt h ec o n d i t i o no fo p t i m a li n j t e f l o n , t h ee f f e c to fc o m p o n e n t p a r a m e t e r s d e v i a t i o na n dt h el o a dv a r y i n gr a n g ew i t l lo p t i m a lc o m p o n e n tp a r a m e t e r s ：t h e i n f l u e n c eo ff u n d a m e n t a lp h a s ed i s p l a c e m e n t , t h ew o r km o d e so ft h ec i r c u i t , a n dt h e a n a l y s i so fc h a n g i n gi n j e c t i o nc u r r e n tu n d e rv a r y i n gl o a db yc o n t r o l l i n gt h ei n d u c t a n c ea r e a l s oe x p l a i n e dr e a s o n e d l y t h er e s u l t ss h o wt h a t ：t h i sa p p r o a c hh a sb e t t e rh a r m o n i c s u p p r e s s i o np e r f o r m a n c et h a np a s s i v ef i l t e r sa n dm o r es i m p l ea n dr e l i a b l et h a na c t i v e p o w e rf i l t e r s ，h a san o t i c e a b l ea p p l i c a t i o np o t e n t i a l r e s u l t so fs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t s v a l i d a t et h ef e a s i b i l i t yo f t h em e t h o da n da n a l y s i s a d d i t i o n a l l y , t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt w oa c t i v ea p p r o a c h e so f t l l i r dh a r m o n i cc u r r e n t i n j e c t i o n ：p h a s e - c o n t r o lm e t h o da n dp w mc h o p p i n gc o n t r o lm e t h o d t h ec i r c u i td i a g r a m ， t h ew o r kp r i n c i p l ea n dt h ec i r c u i tc h a r a c t e r i s t i c sa r ei n t r o d u c e ds e v e r a l l y t h ea d v a n t a g e s 浙江大学硕士学位论文摘要 a n dd i s a d v a n t a g e so fb o t ho ft h em e t h o d sa r ec o m p a r e dw i t he a c ho t h e r , w h i c ha l s os h o w t h ea p p l i c a t i o ns i t u a t i o n so ft h et w om e t h o d s f o rp h a s e - c o n t r o lm e t h o d ，t h i sp a p e r a n a l y s e st h ec o m p l e t ep o i n t so ft h ec i r c u i t ，a n dc o m p a r e st h ea m b i v a l e n tr e l a t i o no ft h e c i r c u i te n e r g yl o s sa n dt h du n d e rl o a dd y n a m i cc o n t r o l ，w h i c hi n d i c a t e st h ea p p l i c a t i o n d r a w b a c k so f p h a s e c o n t r o lm e t h o d f o rp w mc h o p p i n gc o n t r o lm e t h o d ，t h i sp a p e rg i v e sa p a r t i c u l a ra n a l y s e so fv o l t a g er e g u l a t i o n , u s i n gaa cv o l t a g er e g u l a t i o nc i r c u i tt oc o n t r o l t h e 叫e e t i o nc i r c u i tb a s e do nt h ep a s s i v em e t h o d t h er e s u l t sa n d c o n c l u s i o n so f s i m u l a t i o n e x p e r i m e n t sa r ei n t r o d u c e da l s o t h i sp a p e rg i v e sa na d v a n c ea n de x p l o r i n gs t u d yo fl l l i r dh a r m o n i cc u r r e n ti n j e c t i o n t e c h n o l o g y ，d i s c u s s e st h ea p p l i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h er e s u l t so fa n a l y s e ss h o wt h a tt h e t i l i r dh a r m o n i cc u r r e n t 岫e c t i o nm e t h o di san o v e lh a r m o n i cs u p p r e s s i o nt e c h n o l o g y d e s e r v i n gs t u d ya n dh a v i n ga l le x t e n d e da p p l i c a t i o np o t e n t i a l k e yw o r d s ：t h i r dh a r m o n i cc u r r e n ti n j e c t i o n ；h a r m o n i cs u p p r e s s i o n ；i n j e c t i o nc u r r e n t ； h a r m o n i c s ；t h r e e - p h a s ed i o d e r e c t i f i e r m 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 电网谐波概述。1 6 1 所谓谐波，就是在基波上叠加的其他频率成分的波，谐波的频率是基波的整数倍。 在电力系统中，基波即是频率为工频( 5 0 h z ) 的纯正弦波，电力谐波的频率是工频的整 数倍，其波形也是正弦波。电网基波叠加了谐波后，就不再是纯正弦波，这样就使得 电力系统中的电压、电流产生畸变，从而使电能质量下降。 由于现代工业中广泛采用精密的仪器设备、复杂的控制系统，加上电子设备的普 遍应用，使得电力负荷对电能质量的要求越来越高。而现今非线性设备的广泛应用却 使大量的谐波电流被注入电网，造成电网的污染日益严重，电能整体质量进一步恶化。 谐波对电网的危害巨大，对电网系统的各个部分都造成很大影响。使电力系统的 发电、供电、用电设备出现异常现象。主要表现为1 4 l ： 1 ) 对供配电线路的危害，影响线路正常的稳定运行与电网质量。当谐波含量高 达4 0 时，可能引起电力线路的晶体管继电器的误动作，导致继电保护的误动或拒 动，谐波严重影响了供配电系统的稳定与安全运行。 2 ) 对电力设备造成危害，谐波使变压器的铜耗增大，其中包括电阻损耗、导体 中的涡流损耗以及导体外部因漏磁通引起的杂散损耗，谐波还导致电力变压器噪声增 大。谐波的存在往往使电网电压呈现尖顶波形，电容器承受较高脉冲电压，使其绝缘 介质加速老化，当谐波严重时，还会使电容器鼓肚、击穿或爆炸。 3 ) 对用电设备的危害，主要是增加异步电动机的附加损耗，降低效率，严重时 使电动机过热，加速绝缘介质老化，产生机械震动和噪音等。对于计算机网络、通信、 有线电视、报警与楼宇自动化等弱电设备，电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感 应与传导方式耦合到这些系统中，产生干扰。其中电磁感应与静电感应的耦合强度与 干扰频率成正比，传导则通过公共按地耦合，有大量不平衡电流流入按地极，从而干 扰弱电系统。 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 1 2 现有谐波治理方法的比较1 5 1 电网谐波主要来源于三个方面：1 ) 发电源质量不高产生的谐波；2 ) 输配电系统 产生的谐波；3 ) 用电设备产生的谐波。其中用电设备产生的谐波占主要成分。有统 计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近4 0 ，是最大的谐波源。为了治理谐 波，目前广泛采用安装无源滤波器和有源滤波器等谐波抑制装置的方法。 1 2 1 无源滤波器 无源滤波器主要由电容器、电抗器、有时还包括电阻等无源元件组成，对某次谐 波或其以上次谐波形成低阻抗道路，以达到抑制高次谐波的目的。 目前用于工程实际的滤波器种类有：各阶次单调谐滤波器、双调谐滤波器、二阶 宽频带与三阶宽频带高通滤波器等。 1 ) 单调谐滤波器。一阶单调谐滤波器的优点是滤波效果好，结构简单，如图1 1 ( a ) 所示，缺点是电能损耗比较大，但随着品质因数的提高而减少，同时又随谐波次数的 减少而增加。二阶单调谐滤波器，如图1 1 ( b ) 所示，当品质因数在5 0 以下时，基波 损耗可减少2 0 一5 0 ，属于节能型，滤波效果等效。三阶单调谐滤波器，如图 1 1 ( c ) 所示。它是损耗最小的滤波器，但组成比较复杂，投资较高，用于电弧炉系统 中，二次滤波器选用三阶滤波器较好，其它次谐波选用二阶调谐滤波器。 2 ) 高通( 宽频带) 滤波器。一般用于某次及以上次的谐波抑制，例如在电弧炉系统 中采用高通滤波器时，通过参数调整，可对5 次及以上谐波形成低阻抗通路，这样对 高次谐波就起到滤波作用。t r r ( a ) 一阶单调谐滤波器 ( b ) 二阶滤波器( c ) 三阶滤波器 图1 1 _ 无源滤波器常见结构 2 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 虽然无源滤波器具有投资少、效率高、结构简单及维护方便等优点，但无源滤波 器一般设备庞大；且滤波特性受系统参数影响较大，只能消除特定的几次谐波，而对 某些次谐波会产生放大作用，甚至产生谐振现象。 1 2 2 有源电力滤波器 有源滤波器( a p f ) 利用可控的功率半导体器件( 有源滤波器) 向电网注入与谐波 源电流幅值相等、相位相反的电流，使电源的总谐波电流为零，达到实时补偿谐波电 流的目的。工作原理如图1 2 所示。单独使用的有源滤波器可以分为并联型和串联型 两种。 图1 2 有源滤波器原理框图 电源 并联型a p f 是a k a g ih 于1 9 8 6 年提出的最早的有源滤波装置，如图1 _ 3 所示， a p f 相当于一个谐波电流发生器，它跟踪谐波源电流中的谐波分量，产生与之相反的 谐波电流，从而抵消谐波源产生的谐波电流。通过不同的控制作用，可以对谐波、无 功、不平衡分量等进行补偿。几个有源滤波器还可以并联起来使用，来补偿大容量的 谐波电流，可见，并联型有源滤波器结构的应用范围比较广泛。但因电源电压直接加 在逆变器上，对开关器件电压等级要求高：负载谐波电流含量高时，有源滤波装置的 容量也必须很大，投资也大。故它只适合于电流型谐波源的治理。 图1 3 单独使用的并联型a p f 浙江大学硕士学位论文第l 章绪论 串联型a p f 通过变压器串联于输电线路中，如图1 4 所示，是另一种基本的a p f 形式，它相当于一个电压控制电压源，跟踪谐波源电压中的谐波分量，产生与之相反 的谐波电压，从而隔离谐波电压。有源装置容量小，运行效率高，对电压型谐波源有 较好补偿特性。故串联型a p f 既可用于改善系统的供电电压，为负载提供基波正弦 供电电压；又可用于治理电压型谐波负载。但串联型a p f 存在绝缘强度高、难以适 应线路故障条件以及不能进行无功功率动态补偿等缺点，且负载的基波电流全都流过 连接用的变压器，其工程实用性受到限制。负载谐波含量较大时串联型a p f 装置容 量很大，初期投资大。 图1 4 单独使用的串联型f i p f 综上所述，有源滤波器不仅能补偿各次谐波，还可以抑制电压闪变现象，补偿无 功功率，具有再适应功能，可自动跟踪补偿变化的谐波，具有高度可控性和快速响应 等特点。但有源滤波设备价格昂贵，在小系统中应用时显得过于复杂，而大功率应用 中可靠性还尚欠缺。 1 2 3 混合有源电力滤波器 考虑到无源滤波器和有源滤波器各自的优缺点，在研究a p f 多功能化的同时， 人们也致力于使有源装置容量降低的混合补偿方案研究。混合型有源滤波器h a p f 可分为两类，一是与无源滤波器p f 的混合，目的是降低成本，充分发挥a p f 和p f 的优势。二是与其它变流器的混合，目的是完善h a p f 的功能，一般其中一个主要负 责补偿无功，而另一个主要负责治理谐波。两类h a p f 的具体实现电路非常之多，各 个方法都有自己的优缺点以及使用范围。以下罗列几个常用的典型方案以进行比较。 4 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 基于第一类h a p f 的典型方案有： 1 ) 并联型a p f + 并联p f 1 9 8 7 年t a k e d am 等人提出用并联型a p f 和联p f 相结合的混合型有源电力滤 波器，如图1 5 所示。l c 滤波器可包括多组单调谐滤波器及高通滤波器，也可只包 括高通滤波器，a p f 仍起着谐波补偿作用，p f 滤除大部分谐波，因此a p f 容量很小。 但此装置使用时，电网与a p f 及a p f 与p f 之间存在谐波通道，会使a p f 注入的谐 波又流入p f 及系统中。同时a p f 容量虽然降低了，但a p f 仍然承受全部基波电压， 开关器件的耐压等级没有降低。 图1 5 并联型a p f + 并联p f 的 i a p f 2 ) 注入型h a p f 为了将单独使用的a p f 上承受的基波电压移去，使有源装置只承受谐波电压， 从而显著降低有源装置的容量，可以选择用l c 串联或并联谐振网络作为注入电路， 分别如图1 6 和图1 7 所示。在图1 6 的串联谐振注入型a p f 中，l c 网络在基波频 率处发生串联谐振，阻抗很小，逆变器不承受基波电压，而对于高于基波频率的谐波 分量，l c 网络阻抗较大，a p f 产生的谐波电流绝大部分将流入主电路，但是要同时 获得较好的谐波补偿性能和较小的有源装置容量比较困难，而且支路上端的电容将很 大。并联谐振注入方式原理与之类似。值得一提的是，串联谐振注入型a p f 可补偿 无功功率，既可由支路上端的电容补偿，也可由a p f 进行动态补偿；而并联谐振注 入型a p f 因支路上端并联谐振电路的基波阻抗很大，难以产生较大的基波无功电流 注入主电路，故不能补偿无功功率。 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 6 串联谐振注入型a p f 图1 7 并联谐振注入型a p f 基于第二类h a p f 的典型方案有： 1 ) 并联型a p f + 串联型a p f 1 9 9 4 年，a k a g ih 等提出一种将串联型a p f 和并联型a p f 进行混合的h a p f ， 如图1 8 所示，也称为统一电能质量调节器o p q c ( u n i f i e d p o w e r q t m l i t y c o n d i t i o n e r ) 。 u p q c 结合了两种a p f 的优点，其中串联型a p f 将电源和负载隔离，阻止电源谐波 电压串入负载端和负载谐波电流流入电网。并联型a p f 提供一个零阻抗的谐波支路， 把负载中的谐波电流吸收掉。该方案在电网与公共连接点之间同时实现了电压和电流 的净化。但由于要选择特定的控制方法来限制串联和并联逆变器的功率等级，u p q c 只能补偿一定量的无功，当负载变化时无法提供足够的无功。另外，当有不平衡负荷 向共同耦合节点处注入不平衡电流时，u p q c 无法进行修正，因此不能减少三相四线 电网中中性线的功率损失。同时u p q c 系统的初期投资比较高。 6 浙江大学硕士学位论文第1 章绪论 图1 8 并联型a p f + 串联型a p f 的h a p f 2 ) 多重化逆变器+ p w m 逆变器 图1 9 所示的h a p f 系统由一个多重化逆变器和一个p w m 逆变器组成。多重化 逆变器用于基波无功功率补偿，可用若干个6 脉冲逆变器组成，以得到较好的输出波 形，提高装置容量，满足大容量无功功率补偿的需求。p w m 逆变器仅用于补偿负荷 中的谐波电流和多重化逆变器产生的谐波电流，p w m 逆变器所承受的电压也较小。 故可显著降低p w m 逆变器的容量，并减小开关损耗。但这种补偿方式一般需采用3 个单相的p w m 逆变器和1 个多重化逆变器，增加了装置的复杂性和造价。 图1 9 多重化逆变器+ p w m 逆变器的i i a p f 上述各种混合有源滤波的拓扑虽然都具有各自的应用范围与优点，但也具有不 可忽视的应用缺点，基本上集中与结果复杂，制造成本高，设备体积难以优化，设计 难度高，可靠性欠缺等方面。 7 浙江大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 3 本课题的研究目的与意义 从上面对现有谐波治理方案的比较中可以发现，无论哪种方法都存在缺陷与应用 的局限性。本课题着重于提出一种新颖的有别于上述各种方法的谐波抑制技术，从成 本，谐波抑制效果，简单性，可靠性方面有一定的折中，具有自己的电路特性和应用 优点。从而开拓电能质量控制技术的一个新领域。 基于三次谐波注入的谐波抑制技术利用三相不控整流桥内部的三次谐波脉动，产 生三次谐波电流，并用简单可靠的无源方法将其注入到三相输入端中，抑制进线电流 谐波畸变。这种方法较无源滤波具有谐波抑制效果更加明显，而较有源滤波或者混合 有源滤波则具有结构简单，可靠性高，成本低廉等优点。本课题注重于研究新颖的三 次谐波无源和有源的实现方法，分析该方法的应用优点。 通过本研究，将找到一种消谐效果优良、成本廉价、可靠性高的谐波抑制途径。 从过去二十年谐波抑制技术研究的火热程度就可见其意义的大小。通过该项研究内容 的开展，将促进基于三次谐波注入的谐波抑制技术的发展，继而对改善电能质量、提 高电能利用效率发挥积极作用；这项研究的成果的应用前景很广，包括低成本的小功 率、高可靠性的中大功率( 调速、h v d c ) 、不控和相控等整流应用中，还有望在双 向功率接口( 风能、太阳能、燃料电池) 并网领域得到应用：具有一定的学术意义、 经济意义以及社会意义。 浙江大学硕士学位论文第2 章三次谐波注入技术发展概述 第2 章三次谐波注入技术发展概述 2 1 发展概述 三次谐波注入抑制谐波法自b m b i r d 于1 9 6 9 年提出，随后由a a m e t a n i 进行了补充。该方法从波形时域频域分解合成原理上出发，指明了只要给整流单元注 入3 次谐波电流就可以将谐波畸变率t h d 一- 3 0 降低到5 以下的原理的可行性。由 于3 次谐波的零序特征( 三相同相) ，一个谐波注入支路就可以到达抑制三相谐波电 流的目的，与常规三相有源或三相无源滤波方法比较，使电路大为简化，继而降低了 应用成本和提高了可靠性。 但该方案仍然有很多缺点，如注入的3 次电流有幅值和相位可控的要求，注入方 法采用变压器结构，如图2 1 所示。因此这就限制了3 次谐波电流注入法的广泛应用。 ： 电网：三次注入电 图2 1 采用变压器结构的三次谐波注入电路 直到2 0 世纪9 0 年后，wb l a w r a n c e 8 j 和k i m s 9 1 提出了较为简洁的无源注入 法后，三次谐波电流注入法重新引起了人们的兴趣，随后便又有了较多的研究报道【1 0 5 1 。在【1 3 方案中，虽然去掉了基本注入电路中的隔离变压器，但其电阻引入了附加 损耗，不利于进一步提高效率和应用的可靠性。而 1 0 - 2 5 中，基本上都采用一y 变压器连接于整流电路交流和直流侧等效中点之间，与隔离变压器方案相比，虽 然连接方便、降低了体积和损耗、并可明显地减少原整流电路输入电流中的谐波分量， 9 浙江大学硕士学位论文第2 章三次谐波注入技术发展概述 但变压器的容量在负载容量的4 0 5 0 ，其体积和成本仍然是不容忽视的。 对基于三次谐波注入这一具有潜力的谐波抑制方法，国内学者也作了综述型报道 和研究报道【2 7 】。 2 2 两种注入方法的比较0 2 3 】 三次谐波注入抑制谐波在现有的研究结果中有两种实现方式，第一种是将注入电 流同时注入到三相中；第二种是将注入电流在某一时刻只注入到某一项中，用开关来 实现。文献【2 8 】_ 2 9 】是国内研究者采用这种方案进行的三次谐波注入技术的研究。下 面各自介绍其原理和性能。 2 2 1 三相同时注入法 第一种方案采用磁性元器件大多为接地变压器构成注入电流设备，将注入电流分 别同时注入到三相输入端中，其电路图如图2 2 所示。 图2 2 三相同时注入的三次谐波注入实现方案 在该方案中，如图中所标记的注入电流打将被注入设备等分成三等份分别注入到 三相端中。可以用如下的式子来表示： 。= ：= ，= = ； ( 2 1 ) 并且根据三相不控整流电路三相输入的关系： )22( o o = 、，吩 + 吃 + 嵋 ( 1 3 = 浙江大学硕士学位论文第2 章三次谐波注入技术发展概述 对该电路图进行分析容易得到，在一1 8 0 。到1 8 0 。的范围内输入电流的表达式： 1 1 2 o t + i x ，f o r - 6 。 w 6 0 。 - i x f o r - 1 2 0 。 c o o t 一6 0 。 a n d 6 0 0 c o o t 1 2 0 0 一o 。+ i x ，f o r - 1 8 0 。 t - i z 。 a n d l 2 0 。 c o d 1 8 0 。 最佳注入情况下： = 三易。c o s ( 3 f ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 因此，输出直流中点形成的三次谐波注入电流应该为： ；一3r ( 2 5 ) i y = i o 口e o s ( 3 0 0 t ) u 。l 二 这种方案采用磁性元器件构成注入设备，造成设备体积大，损耗高的缺点，且磁 性元件的参数在电路运行状况变化时很容易发生变化，且不易控制，所以不利于广泛 应用。 2 2 2 单相注入法 这种方案下，并不是将注入电流等分地注入到三相中，而是采用开关实现在某一 个时刻，注入电流只注入到三相中电压既不是最低也不是最高的那一相，既只补偿在 某一时刻，输入电流断流的相，其电路结构图如图2 3 所示。图中所示的三个开关管 需要被很好地控制以实现上述要求。开关管的工作频率因此将等于进线频率的两倍。 该方案下，图2 _ 3 中的注入点电压为： v c 2 一一 一等主k = l 赤c o s ( 3 ( 2 k - 1 9 ( 2 k - 1 埘) 万庸厶一1 1 2 、 ”。”7 ( 2 6 ) 可以看出，该电压只含有3 的奇数倍次的频率成分。该电压与第一种方案下的注 入点n 点的电压不同，该注入网络的三次谐波电压将是第一种方案下的三次谐波电 浙江大学硕士学位论文第2 章三次谐波注入技术发展概述 压的三倍。 l o o t 图2 3 单相瞬时注入的三次谐波注入实现方案 + 值 对电路进行分析，也可以得到在一1 8 0 。到1 8 0 。的范围内输入电流的表达式： = l o r + l i x ，f o r - 6 0 。 f 6 0 。 一0 ，扣，一1 2 0 。 c o o t _ 6 0 。 a n d 6 0 。 c o o t 1 2 0 。 一l o 【，：r + l i ，f o r - 1 8 。 t - 1 2 0 。 a n d l 2 0 0 o j o t 1 8 0 。 最佳注入情况下： = ；l 。s ( 3 f ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) 由此可以看出，第二种方案下的注入电流则为第一种方案下注入电流的l 3 。结 合上述两种方案下电压的关系，由此也可以计算得出，这两种方案下注入网络消耗的 能量是一样的。 这种方案采用三个开关器件来构成注入设备，虽然体积减小，但开关管价格高， 成本将大大提高，且该方案下必须引入控制系统，整个电路的可靠性降低。基于经济 性和可靠性的考虑，该方案也不利于广泛的应用。 1 2 浙江大学硕士学位论文第2 章三次谐波注入技术发展概述 2 3 本章小结 上述两种方案都由实际电路进行验证过，虽然都能取得较好的谐波抑制效果，但 都有各自的缺点，在2 2 节中已有论述。与以前的各种注入方法相比，是否能找到更 有效的方法，回答是肯定的，这也是本课题的基本目标。本研究将在前人的研究基础 上，利用3 次谐波电流注入抑制谐波原理，着重研究谐波抑制的有效注入方法，如简 洁可靠的纯无源法、高性能的有源法。研究其电路特性，指明其应用特点。使纯无源 实现方案较传统的无源滤波方法的效果更为显著，且具有对电路元件参数的变化适 应性更好的优点；与有源电力滤波器( a p f ) 相比，由于只采用无源元器件，因而 具有电路简单、成本低和高可靠性等优点。基于无源实现方案的有源方法将满足 注入的电流幅值和相位的实时控制，并尽可能简化电路，具有极大的创新性和应 用前景。以下的内容将就这些研究内容展开详细的阐述。 浙江大学硕士学位论文第3 章三次谐波注入的无源实现方法 第3 章三次谐波注入的无源实现方法 利用整流电路内部三次电压脉动给输入侧注入一定的三次谐波电流，可以有 效地改善非线性三相整流电路的输入电流波形、降低其总谐波畸变率t h d 。该原 理是明确肯定的，本课题在前人研究的基础上，采用新型的无变压器式( 采用y 接 电容代替) 的无源谐振注入结构实现三次谐波注入抑制输入电流谐波畸变，并在透彻 研究电路工作原理与电路特性的基础上给出了仿真与实验验证结果，达到了研究目 的。 3 1 电路结构 图3 1 所示为本课题基于的研究方案及电路实现图。 n 。 d ( a ) 电路结构 图3 1 三次谐波注入抑制谐波实现方案 i li 弋弋弋。 l 一 ( b ) 电容注入电路 lr _ 二m m 、 r 一 ( c ) 无源注入控制 ( d ) 有源动态控制方案 任何连接于负载中点和电网中点或它们的等效中性点之间的网络均可产生三次 电流。图3 1 中，c l 、c 2 构成负载等效中点n l ，如果注入电路等构成电网等效中点 n e ，则n l n e 之间有三次电流流过，并最终注入整流电路输入端实现其进线电流的 谐波抑制。 1 4 浙江大学硕士学位论文第3 章三次谐波注入的无源实现方法 本课题在注入网络方面的研究内容包括运用无损耗、体积小、无噪声的电容实现 的注入网络( 如图3 1 ( b ) 所示) ；分别有无源( 如图3 1 ( c ) 所示) 或有源方法( 如 图3 1 ( d ) 所示) 实现的注入电流的动态控制；并使三次电流环路工作于串联谐振状 态，谐振频率为三次谐波频率。这样三次环流将具有最小阻抗环路，而使基波阻抗较 大对电路的原有运行功能不产生影响。 本章着重与研究由图3 1 ( c ) 实现的无源注入控制电路实现三次谐波注入的原 理与特性。因此得到了图3 2 所示的三次谐波注入无源实现方案的电路实现图。 o 图2 3 三次谐波注入的无源实现方案 载 虚线框外是作为典型功率接口的三相不控整流电路。框内则是为了抑制输入电流 谐波的三次注入电流产生及控制电路。其中c d l 和c d 2 可以是整流电路原有直流平波 电容的分裂。电感l 和电阻r 的作用是控制注入电流的幅值和相位。三个等值的y 接法的电容c a ，c b 和c 。将注入电流合理地分配到三相输入端中。虚线框内电感和电 容的设计必须满足三次串联谐振条件，为三次谐波注入电流提供低阻抗回路，提高三 次谐波电流的发生效率。 浙江大学硕士学位论文第3 章三次谐波注入的无源实现方法 3 2 三次谐波注入电路的工作原理 三次谐波注入电路的工作原理可分为三次谐波源的获得与三次谐波如何抑制进 线电流谐波畸变等两个方面的内容。下面分别予以阐述。 3 2 1 三次谐波源 三次注入谐波源的获得其实有两个主要途径，即外部提供和线路内部自身提供。 前者较为直观、也易于达到较好的补偿效果，但需要一个可控的三次谐波电流源，复 杂度和成本较高，前期的文献中就是采用这类方法。其实人们普遍了解：在三相整流 电路中业已存在这一谐波源了，并存在于电网“等效”中性点和直流输出“等效”中 性点之间。图3 3 所示的波形为三相整流输出端的电压。图3 3 ( a ) 为整流桥输出端 加在负载两端的电压。图3 3 ( b ) 和图3 3 ( c ) 为输出直流端d ，f 两点的电压波形 假设整流器的三相输入电压为： i v a = c o s r o o t v b = v , , c o s ( r o o t 一1 2 0 0 ) ( 3 1 ) 【v c = v , c o s ( c o o t - 2 4 0 0 ) 式中，v 。为对称三相系统相电压幅值。 则对直流输出端d ，f 两点对地的电压v d 、v f 进行傅立叶分析可以得到其表达式 为： 卜萼圪啦器c o s ，刚 ：， 卜萼圪咔喜志c o 渤刚 由式( 3 2 ) 可知：v d 和v f 包含直流量和交流量，但直流量不进入注入网络。 当1 1 为奇数时，v d 和v f 各次的电压幅值相等、相位相同： = 等击吒 臼3 1 6 浙江大学硕士学位论文第3 章三次谐波注入的无源实现方法 而当n 为偶数时，v d 和v f 各次的电压幅值相等，但相位相反： v d n = - - = 一等志圪 。， 假设输出直流中点e 对地的电压为v c ，d e 两点之间的电压为v d 。则由图3 2 ， 可知： 又根据： 2 等2 半 ， 哆2 略一么 将( 3 5 ) 代入( 3 6 ) 式就可以得到： 屹+ ， k 2 产 将( 3 2 ) 式代入( 3 7 ) 式就可以得到： ( 3 6 ) ( 3 7 ) 屹= 萼匕c 蓍志c o s 3 n c o o t ，h 为整数 n s ， 用具体的数字代替n 得到直观的输出直流中点表达式： 屹= 善屹蚴) + 篆圪酬+ ( 3 9 ) 由( 3 9 ) 式可知：e 点电位v e 中只含有三的奇数倍次谐波量，且九次及以上谐 波幅值很小( 可以忽略) ，其波形如图3 3 ( d ) 所示。从表达式和波形图都可以看出 该电位是一个较为理想的三次谐波源，并可被用为注入到输入端的三次谐波环流的脉 动源。本课题的研究充分利用了该三次谐波源，从整流电路内部获得三次谐波电流， 简化了电路结构，节约成本并提高了电路可靠性。 1 7 浙江大学硕士学位论文第3 章三次谐波注入的无源实现方法 ( b ) ( d ) 图3 3 三相整流电路内部的三次谐波源 3 2 2 三次谐波消谐原理 二极管不控整流电路有六种工作模式，每个模式下有两个二极管导通，在每个模 式下三次谐波电流l 有各自的导通路径。设负载电流为恒定直流电流i o ，则未补偿时 候的输入电流为一个断续的方波，如图3 7 ( a ) 表示。以a 相为例，根据图3 2 的正 方向标记，上管导通时，输入电流为正，大小为负载电流，当下管导通时，输入电流 为负，大小为负载电流。当a 相电压处于既不是三相最高，也不是三相最低的情况 时，a 相的上下管都处于截止状态，就是图中的断流部分。 输入电流可以如下式所示： 三次谐波注入的基本原理就是补偿断流部分，并改造方波的波形，使最终的输入 电流波形接近正弦波。 上一节已经指出，注入电流要经过注入电路三等分后分别注入到三相端中，因此 相注入电流f x 为等分后注入的相电流，记为f x b 和k ，且： 1 m5k 2k 刮x 2 弘 1 8 ( 3 1 1 ) 浙江大学硕士学位论文第3 章三次谐波注入的无源实现方法 当不控整流电路加入三次谐波注入电路后，待注入的三次谐波电流如图3 7 ( b ) 所示。以a 相为例，当二极管上管导通时，假设这时下管是b 相导通，整个电路的 工作情况可以由图3 4 来表示。 影响 。 图3 4 二极管上管导通时电路工作状况( a 相为例) 由图可知，桥路正母线电流“不再仅仅是负载电流成分，还受到了注入电流的 = i o + ( 3 1 2 ) 其中，注入电路桥臂电流i d 和i f 含有偶次谐波电流成分( 见下文分析) 。为了分 析方便，这里忽略其影响。这样，妇和i f 就只含有一半注入电流的成分，因此可以表 示成： 1 b 2 2 ，2 互0 ( 3 1 3 ) 此时输入电流可以表示成： ，i k 刮。+ i 0 ( 3 1 4 ) 同理，a 相下管导通时，假设此时上管是由b 相导通，整个电路的工作情况将 如图3 5 所示。 桥路负母线电流i b 也不再仅仅是负载电流成分，还叠加了注入电流成分： = l f ，( 3 1 5 ) 再根据式( 7 ) ，此时输入电流可以表示成： 乙= 一l + 否i 3 1 6 ) 浙江大学硕士学位论文第3 章三次谐波注入的无源实现方法 。 图3 5 二极管下管导通时电路的工作状况( 以a 相为例) 这样，输入电流的方波波形得到了改造，如图3 7 ( c ) 所示。 当a 相上下二极管都处于截止状态时，电路的工作状况将如图3 6 所示。 o 图3 6 上下二极管都处于截止状态时电路的工作状况( 以 相为例) 这时，输入电流为： f ：一三f ( 3 1 7 ) 一j 0 j 7 由此得出a 相输入电流在整个工作周期内的输入电流表达式为： 一； l s a = t , o + 丢 截止 上管导通 一厶+ 吉 下管导通 式中，注入电流可以表示成： 0 = 一k i os i n ( 3 c o o t + 0 ) 2 0 ( 3 1 s ) ( 3 1 9 ) 浙江大学硕士学位论文第3 章三次谐波注入的无源实现方法 k 表示注入电流幅值与负载电流的比值，p 表示注入电流相对与注入电压v c 的相 位偏移角。取恰当的k 和口可以有效地补偿输入电流，使输入电流的波形接近正弦波 【2 0 】，从而抑制了输入电流的谐波畸变。 为了得到更加直观的输入电流表达式，引入如图3 7 ( d ) 和图3 7 ( e ) 所示 的开关函数s 形( 耐) 和s ( c o t ) 。则上述的方波改造和断流补偿可以用这两个开关 函数表示t 1 2 】： 一哟) ( 孚ls i n 3 ( 耐- 1 8 0 ) ) + l s z 4 ( 咖譬垆3 ( 纠8 0 ) ) ( 3 2 0 ) 通过特征值计算得到： 乙= ( 0 0 9 6 i y + 1 0 7 1 0 ) s i n ( a o + ( o 2 4 3 i y 一0 2 5 2 1 0 ) s i n ( 5 0 x ) + ( o t 3 t , 一0 t 4 1 0 ) s i n ( 7 a 1 ) + ( 一0 0 5 7 1 , + 0 0 7 5 1 0 ) s i n ( 1 l a x ) 、2 1 ) ( 3 + r 0 0 4 2 i y 一0 0 5 7 i o ) s i n ( 1 3 c a t ) + 由式( 3 2 1 ) n - i 以看出，只要选择适当的三次注入谐波电流幅值，就可以尽可能地 减小各次谐波幅值，达到抑制谐波的效果。最后就能获得如图3 7 ( f ) 所示的接近正 弦的输入电流波形。 3 3 电路特性 新型的三次谐波注入电路利用三次串联谐振原理产生三次谐波电流，利用三个等 值电容等分三次注入电流，分别注入