基于3次谐波无源注入法的谐波抑制技术

基于3次谐波无源注入法的谐波抑制技术

李小青,陈国柱

(浙江大学电气工程学院,浙江省杭州市310027)

摘要:介绍了3次谐波注入抑制不可控整流电路进线电流谐波畸变的无源实现方法。采用Y 接法电容器代替接地变压器作为3次谐波注入电路,并采用串联谐振电路提高3次注入电流的发生效率。分析了注入电路抑制进线电流谐波畸变的基本原理和谐波源的获得,研究了注入电路的基本特性,包括最佳注入条件、参数偏离谐振点的影响,以及固定注入电路参数条件下负载的动态变化范围等。实验结果表明,该方法具有比无源滤波更好的谐波抑制效果、比有源滤波更简单可靠的优点,应用前景较好。

关键词:3次谐波注入;谐波抑制;注入电流;三相不可控整流桥中图分类号:TM 761

收稿日期:2006 12 25;修回日期:2007 03 10。

国家自然科学基金资助项目(50577058);台达电力电子科教

发展基金资助项目(DR EG 2005011)。

0 引言

为了治理谐波,目前常见的方法是无源滤波[1]、

有源滤波[2]或混合有源滤波[3]

等,但这些方法都存在各自的缺点,由此带来应用限制。利用整流电路内部3次电压脉动给输入侧注入一定的3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(TH D)[4 6]。该方法比无源滤波方法的效果更为显著,且具有对电路元件参数变化的适应性更好的优点;与有源电力滤波器(APF)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。但之前应用这

种方法的研究中一般均采用了变压器[7 14]

或者开关

电路[15 16]

来实现3次谐波注入,存在损耗高、体积较大、制作困难、可靠性较差等缺点。

本文提出的方案采用Y 接法注入电容器代替接地变压器,以避免变压器的较大损耗和占地面积;同时采用串联3次谐振技术,使注入电路对3倍工频呈低阻抗,提高3次谐波电流的注入效率。研究表明,注入电路的元件参数也具有一定的可变化范围。另外,即使负载有一定的变化范围,其谐波抑制效果也很明显。

1 3次谐波环流抑制输入电流谐波的原理

1 1 电路结构

图1是应用3次谐波注入法抑制谐波的三相不可控整流电路原理图。虚线框外是作为典型功率接

口的三相不可控整流电路;虚线框内是用于抑制输入电流谐波的3次注入电流产生及控制电路。其中:C d 1和C d2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;3个等值的Y 接法的电容C a ,C b 和C c 将注入电流合理地分配到三相输入端中;i x 为等分后注入的相电流,记为i xa ,i xb 和i xc ;i M 和i N 为桥路正负母线电流;i o 和i y 分别为负载电流和注入谐波电流。

图1 应用3次谐波注入法的三相不可控整流电路Fig.1 Three phase diode bridge rectifier with proposed third harmonic current injection circuit

1 2 3次谐波脉动源

假设整流器的三相输入电压为:

v a =V m cos 0t

v b =V m co s 0t -2

3 v c =V m cos 0t -43

(1)式中:V m 为对称三相系统相电压幅值。设整流器输出端D 点和F 点的对地电压分别为v d ,v f ,则输出

直流中点E 对地电压为[8]

:

v e =v d +v f

2

(2)

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第31卷 第14期

2007年7月25日

V ol.31 N o.14July 25,2007

根据对二极管整流电路的分析,容易得出v d 和v f 的傅里叶表达式分别为:

v d =33V m

12

+

n=1

(-1)n +19n -1

cos 3n 0t v f =33V m -1

2

+

n=1

1

9n 2

-1

cos 3n 0t

(3)

由式(3)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n 为奇数时,v d 和v f 各次的电压幅值相等、相位相同;当n 为偶数时,v d 和v f 各次的电压幅值相等、相位相反。故E 点瞬时合成电位的偶次波动为0。

将式(3)代入式(2)得: v e =

338 V m co s 3 0t +33

80

V m cos 9 0t +!(4) 由式(4)可知,E 点电位v e 中只含有3的奇数倍次谐波量,且9次及以上谐波幅值很小(可以忽略),故该电位是一个较为理想的3次谐波源,并可被用做注入到输入端的3次谐波环流的脉动源。1 3 3次谐波环流注入的消谐原理

由不可控整流电路的工作原理和图1可知,输入电流(以A 相为例)在上管导通、下管导通、上下管都截止的情况下,电流的取值可以表示成:

i sa =-i x ( 0t) 截止

i M ( 0t)-i x ( 0t)上管导通-i N ( 0t)-i x ( 0t)下管导通

(5)

i x ,i M ,i N 可用i o 和i y 表示。因此,输入电流可以由i o 和i y 来表示:

i sa =-13

i y 截止I +16i y +i n

上管导通-I +1

6

i y +i n 下管导通

(6)

式中:i y =-kI o sin (3 0t +!);i n 表示电容桥电流i d (见图1)的偶次谐波电流成分,为了分析方便,这里忽略其影响,即i n =0;k 为注入电流幅值与负载电流的比值;!为注入电流相对于注入电压v e 的相位偏移角。

取恰当的k 和!可以使输入电流的波形接近正弦波[10]

,从而抑制了输入电流的谐波畸变。

利用开关函数[8]并通过特征值计算得到更直观的输入电流表达式如下:

i sa =(0.096I y +1.07I o )sin 0t +(0.243I y -

0.252I o )sin 5 0t +(0.13I y -0.14I o )∀sin 7 0t+(-0 057I y +0 075I

o )sin 11 0t+(0 042I y -0.057I o )sin 13

0t+!(7)

式中:I y 为注入谐波电流i y 的有效值。由式(7)可以看出,只要选择适当的注入谐波电流i y ,就可以尽可能地减小各次谐波幅值,达到抑制谐波的效果。

2 3次谐波无源注入电路特性

2 1 最佳注入点

利用三相整流桥路中的内部3次谐波环流可以实现对输入电流畸变的有效改善。然而,要达到较好的谐波抑制效果,3次注入电流的幅值和相位都需满足一定的条件。图2和图3是仿真研究结果。

图2 注入电流幅值对输入电流THD 的影响Fig.2 Input current #s THD versus the amplitude of

injected current

图3 注入电流相位对输入电流THD 的影响Fig.3 Input current #s THD versus the phase of

injected current

图2是注入电流幅值对输入电流TH D 的影响曲线图。可以看出,当注入电流幅值与负载电流比值k =1 5时,输入电流的T H D 最低。

图3是注入电流相位对输入电流TH D 的影响曲线图。可以看出,当注入电流相位偏移角!=0∃,即无相位差时,输入电流的畸变将得到最大程度的抑制。

由此得出了最佳注入的2个条件:%注入电流幅值为负载电流的1 5倍;&注入电流相位相对于3次谐波脉动源的偏移角为0∃。2.2 偶次谐波的影响及对策

由式(3)和式(4)可见,图1所示整流电路的输出端D 点与E 点之间以及F 点与E 点之间的电压为3的偶数倍次谐波电压,从而在该支路中存在偶次谐波电流成分,用i n 表示。同时,式(6)表明了i n 对输入电流波形的影响,要使输入电流波形最接近正弦波,则i n 必须得到尽可能的抑制。在研究中采用增大阻抗的方法来抑制i n ,因此注入电路的3次

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