劉 剛，孫前剛，潘李云

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225001)

大功率電源網(wǎng)側(cè)諧波電流抑制技術(shù)研究

劉 剛，孫前剛，潘李云

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所,江蘇 揚(yáng)州 225001)

分析了大功率電源工作時諧波電流產(chǎn)生的機(jī)理，介紹了常用于網(wǎng)側(cè)諧波電流抑制的2種方法，重點針對三相全橋電壓源高頻脈寬調(diào)制(PWM)整流器的控制策略和電抗器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究，試驗表明基于LCL結(jié)構(gòu)的三相電壓源整流器能夠取得比單電感更優(yōu)的諧波電流抑制效果。

電壓源；LCL結(jié)構(gòu)；諧波

0 引 言

為了提高功率密度、提升轉(zhuǎn)換效率，大功率電源多采用脈寬調(diào)制(PWM)高頻開關(guān)變換技術(shù)，這種方式雖然變換效率高，電源體積小、重量輕，但由于半導(dǎo)體器件工作于高頻開關(guān)模式，工作電流較大時，電源不控整流或相控整流產(chǎn)生的諧波電流將對交流電網(wǎng)的電能質(zhì)量產(chǎn)生影響，使同一電網(wǎng)連接的線路和配電變壓器過熱，變配電設(shè)備利用率降低,功耗加大。當(dāng)諧波電流流過線路阻抗時還會產(chǎn)生諧波壓降,使電網(wǎng)電壓畸變[1]，為此國際電工委員會和我國都制定了相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，要求用電設(shè)備減少對公用供配電網(wǎng)絡(luò)的污染。目前解決該類問題的主要辦法有無源治理和有源治理，前者使用笨重的無源阻容網(wǎng)絡(luò)，靈活性差，只能針對特定頻率范圍進(jìn)行設(shè)計，一旦完成不易修改，后者則采用有源電路實現(xiàn)，采用數(shù)據(jù)對消或波形跟蹤技術(shù)，諧波抑制效果好，控制靈活性高。

1 諧波電流產(chǎn)生機(jī)理

供電系統(tǒng)中，總是希望交流電壓和交流電流成正弦波形，但是當(dāng)正弦波電壓施加于非線性電路上時，電流就會非正弦變化，繼而在電網(wǎng)阻抗上產(chǎn)生壓降，使電網(wǎng)電壓波形也變?yōu)榉钦?。對于周期為T=2π/ω的非正弦電壓u(ωt)，一般滿足狄里赫利條件，可分解為如下傅里葉級數(shù)形式：

(1)

式中：頻率為基波頻率整數(shù)倍的分量，即為諧波，對非正弦電流情況完全適用，把u(ωt)轉(zhuǎn)換為i(ωt)即可。

電流諧波總畸變THDi定義為[2]：

(2)

式中：I1為基波電流有效值；Ih為總諧波電流有效值，定義為：

(3)

采用高頻PWM開關(guān)技術(shù)的大功率電源工作時，屬于典型的非線性負(fù)載。功率器件工作于脈沖寬度變化或脈沖頻率調(diào)節(jié)的開關(guān)模式，輸入電流處于斷續(xù)狀態(tài)，每個導(dǎo)通周期的電流波形也不相同，因此，電流中典型地含有與開關(guān)頻率相近或成倍數(shù)關(guān)系的各次諧波，這些諧波電流就會造成網(wǎng)側(cè)輸入總諧波電流的增加。

2 諧波電流抑制策略

諧波電流抑制很早就已經(jīng)應(yīng)用于電力系統(tǒng)供配電網(wǎng)絡(luò)，由于技術(shù)條件限制，多采用無源電抗器，只能濾除固定次數(shù)的諧波且受系統(tǒng)阻抗影響大，存在諧振危險。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，有源治理方案日漸成熟，這包括并聯(lián)式和串聯(lián)式2種，并聯(lián)式以有源電力濾波器(APF)為代表[3]，利用高頻電力電子變流器對諧波主動對消，動態(tài)補(bǔ)償諧波分量，響應(yīng)速度快，可針對特定頻率分量進(jìn)行對消，多用于50 kW及其以上功率等級，其工作原理可用下述公式描述：

(4)

式中：iLF為負(fù)載消耗的基波電流;iLH為負(fù)載引起諧波的電流。

現(xiàn)代大功率電源普遍采用多模塊并聯(lián)，工作靈活，可靠性高，單模塊功率一般設(shè)計在10 kW以下，采用兩級式串聯(lián)結(jié)構(gòu)，前級完成諧波抑制且兼具穩(wěn)壓功能，有利于降低后級開關(guān)變換器的設(shè)計難度，提高電源整體性能。串聯(lián)式諧波抑制方案又包括升壓型和降壓型,2種，其中以升壓型應(yīng)用最為廣泛，其數(shù)學(xué)模型可等效為低阻抗的電壓源。以下重點針對升壓型三相全橋電壓源高頻PWM整流器的諧波抑制策略進(jìn)行研究，原理框圖如圖1所示。

圖1中的電抗器模塊可以由單L濾波器或LCL濾波器構(gòu)建，開關(guān)模塊由功率開關(guān)組成，控制器通常為高速數(shù)字處理芯片。

如果圖1中的電抗器采用三相單電感，并假設(shè)三相電感量理想相等，線路等效電阻用R表示且每相相同，則可得三相交流側(cè)等效電路圖，如圖2所示。

圖2表明在三相靜止坐標(biāo)系中，由于三相電壓在時域相互耦合，電路相電壓和網(wǎng)側(cè)輸入電流的瞬時值也相互耦合，所以三相電氣量構(gòu)成了一個時變的非線性耦合系統(tǒng)，要想對某一相的電流單獨控制非常困難，需要進(jìn)行三相解耦，基于兩相正交分解的數(shù)學(xué)模型如下[4]：

(5)

(6)

式中：d，q構(gòu)成正交坐標(biāo)系；ed,eq為電網(wǎng)電動勢矢量在d，q軸上的分量；id,iq為網(wǎng)側(cè)電流矢量的d，q軸分量；Sd,Sq為開關(guān)函數(shù)對應(yīng)的d，q軸分量，令Vd=VdcSd，Vq=VdcSq。

由式(5)、式(6)可知，解耦后的控制方程實現(xiàn)了網(wǎng)側(cè)電流id,iq對電網(wǎng)電動勢ed,eq的跟蹤，通過調(diào)節(jié)電感L 的取值即可控制基波中的諧波電流占比，控制網(wǎng)側(cè)電流諧波，因此，電抗器參數(shù)對于諧波控制效果至關(guān)重要，以下針對電抗器方案進(jìn)行研究。

3 電抗器設(shè)計分析

電抗器拓?fù)湫问街饕譃閱坞姼泻蚅CL 2種，以下分別闡述：

(1) 單電感結(jié)構(gòu)

電感設(shè)計既要考慮諧波抑制，又要兼顧電流環(huán)快速響應(yīng)。環(huán)路設(shè)計方法不在文中討論，此處僅針對諧波電流抑制效果進(jìn)行研究。

顯然，在正弦波電流峰值處，諧波電流脈動最嚴(yán)重，考慮電流峰值處附近1個PWM開關(guān)周期TS中的電流跟蹤瞬態(tài)過程，波形如圖3所示[5]。

假設(shè)系統(tǒng)工作于單位功率因數(shù)，此時三相電壓也達(dá)到峰值，即：Ea=Em，當(dāng)0≤t≤T1，Sa=0時，有以下公式：

(7)

當(dāng)T1≤t≤Ts，Sa=1時，有以下公式：

(8)

Sa、Sb、Sc為三相開關(guān)狀態(tài)，0代表下臂導(dǎo)通，1代表上臂導(dǎo)通。

為使在電流峰值附近的1個開關(guān)周期中能滿足跟蹤要求，需要Δi1=Δi2，聯(lián)立式(7)和式(8)，并取Sb=Sc=0,可得：

(9)

Δimax為最大允許紋波電流，該值就決定了諧波電流大小。

(2) LCL結(jié)構(gòu)

單電感方案簡單，應(yīng)用廣泛，但是在電感值較小時濾波效果欠佳，增大電感值又會影響系統(tǒng)的快速性和穩(wěn)定性，如用LCL結(jié)構(gòu)代替，則將濾波器升級為3階，在高頻段的幅值衰減比單L濾波器快得多，也就是說LCL濾波器可用較小的電感值達(dá)到更好的濾波效果。但是，LCL濾波器可能在某些高頻輸入信號下產(chǎn)生諧振，引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定，為了擴(kuò)大穩(wěn)定域，需要增加阻尼控制。

對于阻尼研究，國外特別是歐洲成果較多，比如意大利的Marco liserre和丹麥的FredeBlaabjery，瑞典的Michael Lindgren和Jan Svensso(nABB),國內(nèi)像浙江大學(xué)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)，中科院等單位也有一些研究成果。概括來說，分為無源阻尼和有源阻尼2種，前者又分為電容串電阻法和電容并電阻法，如圖4、圖5所示。

如果將網(wǎng)側(cè)電感定義為Lg，交流側(cè)為L，則串電阻與并電阻時整流器交流側(cè)電壓與電容電壓之間的傳遞函數(shù)分別為：

(10)

(11)

無源阻尼法簡單，便于工業(yè)實現(xiàn)，但是增加的電阻會引起損耗，特別是在大功率場合，損耗會很大。有源阻尼則可以通過算法實現(xiàn)無源阻尼的作用，擴(kuò)大穩(wěn)定域，虛擬串電阻和并電阻時整流器交流側(cè)電壓與電容電壓之間的傳遞函數(shù)為[6]：

(12)

4 試驗結(jié)果

按照前面給出的控制方程，分別采用單電感和LCL2種電抗器結(jié)構(gòu)搭建15kW樣機(jī)，開關(guān)頻率設(shè)定為3kHz，電抗器總感量1.5mH，電容為三角形接法，容量12.5μF×3，使用三相電能質(zhì)量分析儀 FLUKE435II對樣機(jī)工作于不同功率等級下的諧波電流進(jìn)行測量并對比，結(jié)果見表1。

表1 單電感與LCL結(jié)構(gòu)濾波器諧波電流對比

通過表1對比可以發(fā)現(xiàn)，大功率電源交流側(cè)采用三相VSR控制算法能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流諧波抑制功能，其中LCL結(jié)構(gòu)電抗器在濾波效果上優(yōu)于單電感形式而且電流較小時，這種優(yōu)勢更加明顯，這意味著可以選擇更小的電感值即能獲得較好的抑制效果。

[1] 張輝,康勇,陳堅.電力電子技術(shù)的現(xiàn)狀與綠色變換的發(fā)展趨勢[J].海軍工程大學(xué)學(xué)報,2001，13(5)：89-93.

[2] 王兆安，劉進(jìn)軍.電力電子技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3] 盧盈.應(yīng)用于飛機(jī)交流電源的有源電力濾波器研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2009.

[4] 徐小品.三相PWM整流器的研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2004.

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ResearchintoGridHarmonicCurrentEliminationTechnologyofHighPowerSupply

LIU Gang,SUN Qian-gang,PAN LI-yun

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001,China)

This paper analyzes the mechanism of harmonic current generation in the operating of high power supply,and introduces two methods usually used for grid harmonics current elimination,focuses on the control strategy and LC structure of 3-phase full-bridge voltage-source high-frequency pulse width modulation (PWM) rectifiers.The test shows that the elimination effect on harmonic current based on LCL structure is superior to the single inductor for 3-phase voltage-source PWM rectifiers.

voltage source;LCL structure;harmonic

TN86

：A

：CN32-1413(2017)04-0084-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.04.021

2017-04-27