某型無源諧波抑制裝置設(shè)計

陳瑜，許榮彧

（1. 海軍駐719所軍事代表室，武漢 430064；2.武漢第二船舶設(shè)計院，武漢430064 ）

0 引言

諧波是影響電能質(zhì)量的重要因素之一[1]，它通常是由電網(wǎng)中的非線性設(shè)備產(chǎn)生的。電力系統(tǒng)存在很多非線性設(shè)備，如各種電機、整流逆變裝置等，這些設(shè)備在工作時將會造成供電電壓或電流畸變，從而產(chǎn)生除基波分量外的各種電壓或電流諧波分量。近年來，各種電力電子裝置的廣泛應用使軍用裝備獨立系統(tǒng)電網(wǎng)出現(xiàn)了大量的干擾源。特別是含有整流裝置、開關(guān)電源及其它以脈沖方式工作元器件的負載很可能給電網(wǎng)帶來諧波干擾。濾波，本質(zhì)上是從被噪聲畸變和污染了的信號中提取原始信號所攜帶的信號的過程[2]。

1 無源諧波濾波器模塊化設(shè)計

1.1 模塊化設(shè)計的優(yōu)點

模塊化是指對一定范圍內(nèi)的不同產(chǎn)品進行功能分析和分解的基礎(chǔ)上，劃分并設(shè)計、生產(chǎn)出一系列通用模塊或標準模塊單元，然后，從這些模塊單元中選取并補充新設(shè)計的專用模塊單元和零件（電路）一起進行相應的組合，以構(gòu)成滿足各種不同需要的產(chǎn)品的一種標準化形式[3]。

采用模塊化設(shè)計能夠帶來以下好處：

1）降低設(shè)計和生產(chǎn)成本

設(shè)計生產(chǎn)過程中模塊化工作可以規(guī)范生產(chǎn)和檢測，減少重復勞動，降低生產(chǎn)成本。

2）降低使用和綜合保障成本

在設(shè)備的使用過程中， 模塊化結(jié)構(gòu)有利于迅速、可靠地在使用環(huán)境中進行故障診斷和維修。當設(shè)備中有一個模塊故障退出后，維修僅只需更換故障模塊，可靠性和可維護性高[4]。

基于以上好處，某型無源諧波濾波器設(shè)計為模塊化結(jié)構(gòu)形式。通過目標電網(wǎng)在線測試和對相關(guān)設(shè)備諧波干擾特性的預測分析，獲得需濾除諧波的次數(shù)、幅度等配置需求，對應于每個需要濾除的諧波頻點，設(shè)計標準化的單次諧波濾波模塊單元，包括3次諧波濾波模塊、5次諧波濾波模塊、7次諧波濾波模塊、9次諧波濾波模塊、超隔離變壓單元等。各模塊均具備各自獨立功能，具有近于一致的幾何連接接口和電氣輸入輸出接口，便于模塊的組合和更換，滿足無源諧波濾波器構(gòu)建后針對不同濾波目標的定制需求。

1.2 單次諧波濾波模塊設(shè)計

無源諧波濾波器的模塊化設(shè)計充分體現(xiàn)自上而下的模塊劃分原則[5]。首先確定無源諧波濾波器頂層技術(shù)指標[6]。根據(jù)濾波電網(wǎng)結(jié)構(gòu)及負載諧波干擾特征，結(jié)合該電網(wǎng)諧波電流傳導發(fā)射的在線測試數(shù)據(jù)，分析無源諧波濾波器的應用需求，確定技術(shù)指標（主要為插入損耗指標），并分解至各主要單次諧波的插入損耗要求，確定各單次諧波濾波模塊的技術(shù)指標。

單次諧波濾波模塊電路參數(shù)設(shè)計如下：

對于h次諧波頻點，電路阻抗為

為實現(xiàn)h次諧波濾除，則需要h次諧波諧振，形成低阻抗回路，即h次諧波濾波電路總電抗為零，變?yōu)榧冸娮栊浴?/p>

得到L和 C 的對應關(guān)系:

在單次諧波濾波電路中起主要作用的是電感和電容，電阻是低值電阻，用于補償電路中的阻抗。根據(jù)所要濾除的諧波次數(shù)，可對R取一個較小的值，再利用L和C的對應關(guān)系選擇合適的參數(shù)。

根據(jù)測量和分析出的主要單次諧波電流的大小，確定諧波濾波模塊中電容器C的容量，計算公式如下：

其中：QC為電容器容量；UP為相電壓有效值。

電容C：

其中：ω0為系統(tǒng)的基波角速度；UC為電容器的額定電壓。

根據(jù)上式（6）中L和C的關(guān)系，計算電感L：

無源諧波濾波器的超隔離變壓單元是采取了屏蔽設(shè)計的通用型變壓器，初次級電壓比為1:1，可以使電源側(cè)和負載側(cè)之間實現(xiàn)完全的電隔離，起到對瞬變電壓、脈沖尖峰等的衰減作用，對10 kHz以上的射頻信號也有幾十個dB的衰減。

設(shè)計完成單次諧波濾波模塊、超隔離變壓單元等標準化模塊后，根據(jù)需要選取模塊組合成無源諧波濾波器，即插即用，易于優(yōu)化和擴展。

2 試驗方案

對于無源諧波濾波器主要指標插入損耗的試驗和測試，按照標準GB/T 15288-94、GB7343-87等標準的要求，選用50 Ω測試系統(tǒng)和實際負載測試系統(tǒng)試驗方案。由于無源諧波濾波器諧波阻抗很小，在50 Ω系統(tǒng)中的測試數(shù)據(jù)與實際應用不能相互吻合，存在很大試驗和設(shè)計誤差，故無源諧波濾波器關(guān)于插入損耗的試驗方案選用實際負載測試系統(tǒng)。

試驗系統(tǒng)按照GJB152A中CE101（25Hz～10kHz電源線傳導發(fā)射）測試方法搭建。并經(jīng)充分論證，選取諧波特性為某型開關(guān)電源作為試驗中的諧波源負載。

插入損耗測量電路測試系統(tǒng)原理圖見下圖1、圖2。

圖1 校準配置

圖2 測試配置

按圖1配置校準電路，在3次～15次各頻點測量諧波電流值A(chǔ)1dB；

按圖2配置測試電路，在3次～15次各頻點測量諧波電流值A(chǔ)2dB。

無源諧波濾波器插入損耗值：

3 仿真和試驗

按照圖1的測試方法測得 某型開關(guān)電源的諧波電流，曲線如下圖3所示，得到各頻點諧波電流值見表1。

表1 某型開關(guān)電源的諧波電流

由上圖、表可知，負載的3次、5次、7次、9次、11次、13次諧波電流較大，甚至出現(xiàn)較大的超標。針對超標較大的諧波頻率，選取相應諧波濾波模塊構(gòu)建無源諧波濾波器，建立模型仿真分析諧波濾除效果，并用實際電路試驗來驗證其它諧波頻點的插入損耗。

選取3次、5次、7次諧波濾波模塊構(gòu)建無源諧波濾波器

建立模型仿真分析諧波濾除效果，結(jié)果如下圖4，曲線表明3次、5次、7次頻率處的諧波衰減分別達到28 dB、20 dB、21dB。

選取3次、5次、7次諧波濾除模塊構(gòu)建無源諧波濾波器，并按圖2試驗電路測試，測得諧波電流曲線及數(shù)據(jù)如圖5、表2。

由表1及表2中的數(shù)據(jù)對比可以看出，大部分諧波電流得到衰減；其中3次、5次諧波的插入損耗已經(jīng)滿足要求，分別為17 dB、22 dB；但7次～11次諧波頻點的插入損耗小于15 dB，不能滿足技術(shù)協(xié)議要求。

表2 諧波電流數(shù)據(jù)

選取3次、5次、7次、9次諧波濾波模塊構(gòu)建無源諧波濾波器

在上次試驗基礎(chǔ)上，增加9次諧波濾波模塊構(gòu)建無源諧波濾波器，進行調(diào)試和試驗。電路仿真模型得到的仿真曲線如下圖6，曲線表明3次、5次、7次、9次頻率處的諧波電流得到很好的衰減，分別達到29 dB、20 dB、22dB、33dB，滿足技術(shù)協(xié)議要求。對于高次諧波，由于電路中已經(jīng)串入了一定量級的電感，在實際電路中會有一定量的衰減。

選取3次、5次、7次、9次諧波濾除模塊構(gòu)建無源諧波濾波器，并按圖2 試驗電路測試，測得諧波電流曲線及數(shù)據(jù)如圖7、表3。

表3 諧波電流數(shù)據(jù)

由表2和表3的測試數(shù)據(jù)進行比較，得到表4中無源諧波濾波器在各諧波頻點的插入損耗。

從表4中的數(shù)據(jù)可以看出，150 Hz、250 Hz、350 Hz、550 Hz、650 Hz、750 Hz頻率處諧波電流插入損耗均滿足插入損耗的技術(shù)要求。

表4 插入損耗

4 結(jié)論

本文分析了3次、5次、7次、9次諧波濾波模塊以及超隔離變壓單元，并在結(jié)構(gòu)上優(yōu)化改進，實現(xiàn)模塊化無源諧波濾波器的設(shè)計方案。通過仿真和試驗，驗證了該諧波抑制裝置能夠有效濾除3次—15次的諧波電流，插入損耗測量在15 —20 dB之間，濾波效果良好。

[7] 林福昌, 李化. 電磁兼容原理及應用[M]. 北京: 機械工業(yè)出版社, 2009,1

[8] 許榮彧等. 基于 PI-RP復合控制策略的船用單向APF設(shè)計與仿真[J]. 艦船科學技術(shù), 2011, （8）: 15～18.

[9] 趙家升,楊顯清. 電磁兼容原理與技術(shù)[M]. 北京:電子工業(yè)出版社, 2012.

[10] 李建軒等, 地線產(chǎn)生的電磁敏感度故障機理與解決措施[J]. 船電技術(shù), 2012, 32（1）: 45～47

[11] 馬偉明. 電力電子系統(tǒng)中的電磁兼容[M]. 武漢: 武漢水利電力大學出版社, 1999.

[12] 修小林, 林建, 王越. 對電子裝備模塊化的系統(tǒng)分析[J]. 軍事運籌與系統(tǒng)工程: 15～18.