大功率电源网侧谐波电流抑制技术研究

刘 刚，孙前刚，潘李云

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州 225001)

大功率电源网侧谐波电流抑制技术研究

刘 刚，孙前刚，潘李云

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所,江苏 扬州 225001)

分析了大功率电源工作时谐波电流产生的机理，介绍了常用于网侧谐波电流抑制的2种方法，重点针对三相全桥电压源高频脉宽调制(PWM)整流器的控制策略和电抗器结构进行了研究，试验表明基于LCL结构的三相电压源整流器能够取得比单电感更优的谐波电流抑制效果。

电压源；LCL结构；谐波

0 引 言

为了提高功率密度、提升转换效率，大功率电源多采用脉宽调制(PWM)高频开关变换技术，这种方式虽然变换效率高，电源体积小、重量轻，但由于半导体器件工作于高频开关模式，工作电流较大时，电源不控整流或相控整流产生的谐波电流将对交流电网的电能质量产生影响，使同一电网连接的线路和配电变压器过热，变配电设备利用率降低,功耗加大。当谐波电流流过线路阻抗时还会产生谐波压降,使电网电压畸变[1]，为此国际电工委员会和我国都制定了相关标准，要求用电设备减少对公用供配电网络的污染。目前解决该类问题的主要办法有无源治理和有源治理，前者使用笨重的无源阻容网络，灵活性差，只能针对特定频率范围进行设计，一旦完成不易修改，后者则采用有源电路实现，采用数据对消或波形跟踪技术，谐波抑制效果好，控制灵活性高。

1 谐波电流产生机理

供电系统中，总是希望交流电压和交流电流成正弦波形，但是当正弦波电压施加于非线性电路上时，电流就会非正弦变化，继而在电网阻抗上产生压降，使电网电压波形也变为非正弦。对于周期为T=2π/ω的非正弦电压u(ωt)，一般满足狄里赫利条件，可分解为如下傅里叶级数形式：

(1)

式中：频率为基波频率整数倍的分量，即为谐波，对非正弦电流情况完全适用，把u(ωt)转换为i(ωt)即可。

电流谐波总畸变THDi定义为[2]：

(2)

式中：I1为基波电流有效值；Ih为总谐波电流有效值，定义为：

(3)

采用高频PWM开关技术的大功率电源工作时，属于典型的非线性负载。功率器件工作于脉冲宽度变化或脉冲频率调节的开关模式，输入电流处于断续状态，每个导通周期的电流波形也不相同，因此，电流中典型地含有与开关频率相近或成倍数关系的各次谐波，这些谐波电流就会造成网侧输入总谐波电流的增加。

2 谐波电流抑制策略

谐波电流抑制很早就已经应用于电力系统供配电网络，由于技术条件限制，多采用无源电抗器，只能滤除固定次数的谐波且受系统阻抗影响大，存在谐振危险。随着电力电子技术的快速发展，有源治理方案日渐成熟，这包括并联式和串联式2种，并联式以有源电力滤波器(APF)为代表[3]，利用高频电力电子变流器对谐波主动对消，动态补偿谐波分量，响应速度快，可针对特定频率分量进行对消，多用于50 kW及其以上功率等级，其工作原理可用下述公式描述：

(4)

式中：iLF为负载消耗的基波电流;iLH为负载引起谐波的电流。

现代大功率电源普遍采用多模块并联，工作灵活，可靠性高，单模块功率一般设计在10 kW以下，采用两级式串联结构，前级完成谐波抑制且兼具稳压功能，有利于降低后级开关变换器的设计难度，提高电源整体性能。串联式谐波抑制方案又包括升压型和降压型,2种，其中以升压型应用最为广泛，其数学模型可等效为低阻抗的电压源。以下重点针对升压型三相全桥电压源高频PWM整流器的谐波抑制策略进行研究，原理框图如图1所示。

图1中的电抗器模块可以由单L滤波器或LCL滤波器构建，开关模块由功率开关组成，控制器通常为高速数字处理芯片。

如果图1中的电抗器采用三相单电感，并假设三相电感量理想相等，线路等效电阻用R表示且每相相同，则可得三相交流侧等效电路图，如图2所示。

图2表明在三相静止坐标系中，由于三相电压在时域相互耦合，电路相电压和网侧输入电流的瞬时值也相互耦合，所以三相电气量构成了一个时变的非线性耦合系统，要想对某一相的电流单独控制非常困难，需要进行三相解耦，基于两相正交分解的数学模型如下[4]：

(5)

(6)

式中：d，q构成正交坐标系；ed,eq为电网电动势矢量在d，q轴上的分量；id,iq为网侧电流矢量的d，q轴分量；Sd,Sq为开关函数对应的d，q轴分量，令Vd=VdcSd，Vq=VdcSq。

由式(5)、式(6)可知，解耦后的控制方程实现了网侧电流id,iq对电网电动势ed,eq的跟踪，通过调节电感L 的取值即可控制基波中的谐波电流占比，控制网侧电流谐波，因此，电抗器参数对于谐波控制效果至关重要，以下针对电抗器方案进行研究。

3 电抗器设计分析

电抗器拓扑形式主要分为单电感和LCL 2种，以下分别阐述：

(1) 单电感结构

电感设计既要考虑谐波抑制，又要兼顾电流环快速响应。环路设计方法不在文中讨论，此处仅针对谐波电流抑制效果进行研究。

显然，在正弦波电流峰值处，谐波电流脉动最严重，考虑电流峰值处附近1个PWM开关周期TS中的电流跟踪瞬态过程，波形如图3所示[5]。

假设系统工作于单位功率因数，此时三相电压也达到峰值，即：Ea=Em，当0≤t≤T1，Sa=0时，有以下公式：

(7)

当T1≤t≤Ts，Sa=1时，有以下公式：

(8)

Sa、Sb、Sc为三相开关状态，0代表下臂导通，1代表上臂导通。

为使在电流峰值附近的1个开关周期中能满足跟踪要求，需要Δi1=Δi2，联立式(7)和式(8)，并取Sb=Sc=0,可得：

(9)

Δimax为最大允许纹波电流，该值就决定了谐波电流大小。

(2) LCL结构

单电感方案简单，应用广泛，但是在电感值较小时滤波效果欠佳，增大电感值又会影响系统的快速性和稳定性，如用LCL结构代替，则将滤波器升级为3阶，在高频段的幅值衰减比单L滤波器快得多，也就是说LCL滤波器可用较小的电感值达到更好的滤波效果。但是，LCL滤波器可能在某些高频输入信号下产生谐振，引起系统的不稳定，为了扩大稳定域，需要增加阻尼控制。

对于阻尼研究，国外特别是欧洲成果较多，比如意大利的Marco liserre和丹麦的FredeBlaabjery，瑞典的Michael Lindgren和Jan Svensso(nABB),国内像浙江大学，哈尔滨工业大学，中科院等单位也有一些研究成果。概括来说，分为无源阻尼和有源阻尼2种，前者又分为电容串电阻法和电容并电阻法，如图4、图5所示。

如果将网侧电感定义为Lg，交流侧为L，则串电阻与并电阻时整流器交流侧电压与电容电压之间的传递函数分别为：

(10)

(11)

无源阻尼法简单，便于工业实现，但是增加的电阻会引起损耗，特别是在大功率场合，损耗会很大。有源阻尼则可以通过算法实现无源阻尼的作用，扩大稳定域，虚拟串电阻和并电阻时整流器交流侧电压与电容电压之间的传递函数为[6]：

(12)

4 试验结果

按照前面给出的控制方程，分别采用单电感和LCL2种电抗器结构搭建15kW样机，开关频率设定为3kHz，电抗器总感量1.5mH，电容为三角形接法，容量12.5μF×3，使用三相电能质量分析仪 FLUKE435II对样机工作于不同功率等级下的谐波电流进行测量并对比，结果见表1。

表1 单电感与LCL结构滤波器谐波电流对比

通过表1对比可以发现，大功率电源交流侧采用三相VSR控制算法能够实现网侧电流谐波抑制功能，其中LCL结构电抗器在滤波效果上优于单电感形式而且电流较小时，这种优势更加明显，这意味着可以选择更小的电感值即能获得较好的抑制效果。

[1] 张辉,康勇,陈坚.电力电子技术的现状与绿色变换的发展趋势[J].海军工程大学学报,2001，13(5)：89-93.

[2] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2010.

[3] 卢盈.应用于飞机交流电源的有源电力滤波器研究[D].南京：南京航空航天大学，2009.

[4] 徐小品.三相PWM整流器的研究[D].杭州：浙江大学，2004.

[5] 张崇巍，张兴.PWM整流器及其控制[M].北京：机械工业出版社，2003.

[6] SUN W，CHEN Z，WU X J.Intelligent optimize design of LCL filter for three-phase voltage-source PWM rectifier[C]//International Power Electronics and Motion Control Conference-ECCE Asia.Wuhan,China,2009:970-974.

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