基于电力电子开关的三相整流电路谐波注入滤波方法

（9）
从式（9）可知，C 点和 N 点之间的电压主要是三
次谐波电压，九次谐波的大小只有三次谐波的 10 %，
因此在 C 和 N 点之间连接一条支路就会产生三次
谐波电流。
i
f
=
1 RJ
3%3 !
U（m
1 8
cos 3" 0 t +
1 80
cos 9" 0 t + …）
（10）
UA（B t）= UAN
-
［4］KIM S ，ENJETI P，PACKEBUSH P，et al. A new approach to improve power factor and reduce harmonics in a three phase diode rectifier type utiiity interfac［e J］. IEEE Trans. Ind. Applicat，1994，30（6）：1557-1564.
l（c 1+
1 2
!coS 3" t）
-!/
3!"
t!! /
3
##-! lc coS 3" t
- 2! / 3!" t!-! / 3
（ia t）= "
! / 3!" t!2! / 3 （3）
# #-lc（1#
1 2
!
coS 3"t）
-!!" t!-2!/
3
$
2! / 3!" t!!
根据合成电流波形 i（a t）特性，其傅里叶系数为
第 23 卷第 2 期 2003 年 2 月
电力自动化设备
Electric Power Automation Eguipment
Vol.23 No.2 Feb.2003
基于电力电子开关的三相整流电路 谐波注入滤波方法
陈晓国，陈柏超 （武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 430072）
摘要： 对 基 于 电 力 电 子 开 关 的 三 次 谐 波 注 入 滤 波 方 法 的 原 理 进 行 了 详 细 的 理 论 分 析 ，它 的 基 本 原
5 结论
对整流电路进行谐波污染治理是治理电力系统 谐波污染的一个重要方面。本文对基于电力电子开 关 的 三 次 谐 波 注 入 滤 波 方 法 进 行 了 详 细 的 分 析 ，并 进行了模型实验。实验结果表明本文提出的谐波注 入滤波装置的设计方案结构简单，成本低，易于实现 且 运 行 可 靠 ，谐 波 抵 消 效 果 较 好 ，且 功 率 损 耗 很 小 。 因此，有很高的应用价值，在旧设备的改造中也有广 阔的前景。
第2期
陈 晓 国 ，等 ： 基 于 电 力 电 子 开 关 的 三 相 整 流 电 路 谐 波 注 入 滤 波 方 法
!##aI =
4 I!
Ic sin
I! 3
- 3! Ic （I+3）!
>
" sin（I+3）!- 3! Ic sin（I-3"!
##
3 （I-3）!
3
$6I= 0
式中 I = 6 I11，I 为正整数。
收稿日期：2002 - 08 - 19
图 1 谐波电流注入前后各电流波形 Fig.1 The waveform before anc after
harmonic current injection
首先定义谐波电流注入系数 ! 为注入电流 ij 的
幅值 ljm 与负载电流 lc 之比，即
! = ljm / lc
2000 年 P.Pejovic 提 出 一 种 新 颖 的 谐 波 电 流 注 入方式［5］，但仅作了简单的理论推导。本文对基于电 力 电 子 开 关 的 谐 波 注 入 滤 波 方 法 进 行 研 究 ，给 出 了 原理，推导出谐波注入方法的表达式，最后通过模拟 试验进行验证。
1 三次谐波注入滤波原理
整流器输出端的电容桥为三次谐波的偶数倍分量
提 供 了 一 条 通 路 ，这 些 谐 波 分 量 虽 然 不 影 响 注 入 电
流 if，但是却对交流侧的方波电流产生影响，同样 会 对 滤 波 效 果 产 生 影 响 。因 此 为 减 小 偶 次 谐 波 电 流 对
方 波 电 流 的 影 响 ，在 六 次 谐 波 电 压 不 变 的 情 况 ，将 电
数 倍 谐 波 具 有 相 同 的 符 号 ，而 三 次 谐 波 的 偶 数 倍 谐
波分量的符号是相反的，因此在电容桥中点 C 处，偶
数 倍 谐 波 分 量 互 相 抵 消 ，而 三 次 及 其 奇 数 倍 谐 波 分
量是相互叠加的。因此，偶数倍的谐波分量对注入的
三 次 谐 波 电 流 没 有 影 响 。但 是 从 整 个 电 路 的 角 度 看 ，
图 4 三次谐波电流注入后的交流侧 电流波形及其频谱分析
Fig.4 The AC waveform and its spectrum anaiysis after three harmonic current injection
从以上模型实验数据可知，当取 Rd = 9 #，即注 入系数 ! =0.563 时，注入三次谐波电流后，交流侧电 流中的谐波含量降低到 11.23 %，其中五次谐波含量 为 10.433 %，七次谐波含量为 3.605 %，是原方波电 流谐波含量（28.14 %）的 39.9 %。
电力自动化设备
第 23 卷
因此谐波电流注入系数 ! 为
1 ! = Ij m = Ifm / 2 = 2Rj
3!3 8!
Um =
Rd
Id
Id
1 Rd
3!3 !
Um
16Rj
（13）
为了获得最优的注入系数 ! =0.53，Rd 和 Rj 的关
系应满足：
Rd = 8.48 Rj
（14）
4 模型实验和结果分析
图 1 为三次谐波电流注入前后的波形。图 1（a） 为 交 流 侧 电 流 波 形 ，该 电 流 波 形 中 的 高 次 谐 波 总 含 量的谐波畸变率 THD 约为 30 。为改善其波形，向 交流侧注入如图 1（b）所示的三次谐波电流 ij，合成的 波形如图 1（c）所示，比较接近正弦波，并且合成波形 的谐波含量与注入的三次谐波电流的幅值有关。下 面对此进行详细分析。
［3］LAWRANCE W B，MIELCZARSKI W. Harmonic current reduc tion in a three - phase diode bridge rectifier［ J ］. IEEE Trans. Ind. Electron，1992，39（6）：571-576.
流支路只有一条，即三相中相电压不是最高也不是最
低的那一相，不仅没有改变滤波的效果，反而能够减少流
经并联电容的三次谐波电流，从而降低电容上的三次谐
UA
·
UB
UC
·A
C1 Ic
L1 R c
·C
L2 Lc
iJ ·
N
RJ
C2
·
B if
图 3 基于电力电子开关的谐波注入滤波电路 Fig.3 The harmonic current injection circuit
从而 i（a t）可表示为
（4）
i（a t）= a 6I11cos［（6 I11）" t］ 0
由电流谐波总畸变率公式
（5）
% % THD=
I
2 I
I I= 2
2 1
=
a2 6I11
a I= 1
2
1
（6）
可得到如图 2 所示的 THD 随 ! 值的变化曲线图，从
图 中 可 以 看 出 ，THD 在 ! = 0.53 时 取 得 最 小 值
理和方式分析如下。
在三相整流电路中，每一个时刻都有且只有 2 个二
极管同时导通，且为整流桥正极性侧对应电压正值最大，
负极性侧对应负值最大的 2 个二极管导通。导通的两相
分别是相电压最大和最小的相，而相电压在那一时刻既
不是最大也不是最小的那一相就不导通。如果此时关断
另外两条谐波注入支路，每一时刻注入电源的谐波电
UBN
=
3%3 !
Um >（1-
+
2
I=1
1 36 I2-1
cos
6 I" 0 t）=
3%3 !
U（m 1-
2 35
cos
6" 0 t-
2 143
cos
12" 0 t - …）
（11）
Ic
=
1 Rc
3%3 !
Um
源自文库
（12）
由滤波电路的工作原理可知，实际注入电流与方
波电流叠加的三次谐波电流只有 iJ 的一半，而 iJ = if，
感 LJ 放置到电容桥上，可以增大这一支路六次谐波 阻抗，降低了六次谐波电流的大小。
根据式（7）（8），可得 UCN 的傅里叶级数表达式为
UC（N t）=
3
%3 !
Um I=1
1 9#2I -1"2 -1
>
cos［（6I
-3）"
0t］=
3
%3 !
X
U（m
1 8
cos
3"
0
t
+
1 80
cos 9" 0 t + …）
（1）
注入的三次谐波电流可表示为
i（j t）= ljmcoS 3" t = ! lc coS 3" t
（2）
为 简 化 计 算 ，使 ia 的 波 形 关 于 y 轴 对 称 ，谐
波 电 流 注 入 后 的 交 流 侧 合 成 波 形 在 一 个 周 期 内（ 如
-!!" t!!）的数学表达式为
! #
0.055，折算至百分数为 5.5 %。
图 2 THD 随 ! 值的变化曲线图（0!! !1） Fig.2 The THD -! curve
3 基于电力电子开关的谐波注入滤波电路
基于上述思想和理论推导，给出如图 3 所示的
基 于 电 力 电 子 开 关 的 谐 波 注 入 滤 波 电 路 ，其 工 作 原
三次谐波注入滤波法最早由 B.M.Birc［1］于 1969 年提出。1972 年，A.Ametani［2］对 B.M.Birc 的谐波注 入滤波法理论进行了补充和概括，推广普及了这种方 法在各种整流电路中的应用。但是由 Ametani 提出的 方案有很多缺点和不足，三次谐波电流注入滤波法一 度受到人们的冷落。20 世纪 90 年代初期，William.B［3］ 和 Kim.S［4］在 对 谐 波 注 入 滤 波 法 进 行 了 深 入 的 研 究 后，三次谐波注入滤波法重新引起了人们的兴趣。
理是三相整流固有的三次谐波注入到交流输入端，抵消电流中所含有的大部分谐波分量。推导出三
次谐波注入法的最佳注入条件，给出滤波电路的结构。通过模拟试验证明，三相整流电路交流侧电
流中的谐波含量由原来的 30 左右下降到 10 左右，滤波效果明显。
关键词：谐波电流注入法；电力电子开关；模拟试验
中图分类号：TM 13
使用 TSGC-9 型接触调压器从 380 V 三相交流电 整流电路由 6 个型号为 MUR8100 的二极管组成，三 次谐振电路中电容容量为 5 "F，三次串联谐振电感为 224 mH，调幅电阻为 1 #，负载电阻为 9 #，负载电感 为 200 mH。 使 用 的 开 关 元 件 IGBT 的 型 号 为 GT8N101。图 4 是三次谐波电流注入后的交流侧电流 波形及频谱分析（图中 a 为谐波含量；n 为谐波次数）。
参考文献：
［1］BIRD B M. MARSH J F. Harmonic reduction in muitipiex converters by tripie freguency current injection［J］. IEE PROC.，1969，116（10）：1730-1734.
［2］AMETANI A . Generaiized method of harmonic reduction in AD-DC converters by harmonic current injection［J］. IEE PROC.，1972，119（7）：857-864.
UA（N t）=
3%3 2!
U（m 1+
1 4
cos 3" t-
2 35
cos 6" t+ 1 40
cos 9" t - …）
（7）
UB（N t）=-
3%3 2!
U（m 1-
1 4
cos 3" t+
2 cos 6" t- 1 cos 9" t + …） （8）
35
40
在电压 UAN 和 UBN 的傅里叶表达式中，三次及奇
文献标识码：A
文章编号：1006 - 6047（2003）02 - 0068 - 03
0 引言
近 年来，电 网中日趋 严重 的谐波 污染 问 题 越来 越 受到人们的重视，而各种整流电路对电力系统的 谐 波 污 染 最 为 严 重 。因 此 ，对 整 流 电 路 进 行 谐 波 污 染 治理成为当今电力电子应用中一个重要研究方向。
basec on power eiectronic switch
波电压。并联电容值越小，对原整流电路的方波电流
影响越小，所以在电容的耐压不变的情况下，谐波电
流越小，可以采用的电容值也越小。
直 流 侧 A ，B 两 点 对 中 性 点 N 的 电 压 UA（N t）， UB（N t）经 傅 里 叶 分 解 以 后 的 表 达 式 为