三相橋式全控整流電路諧波分析與治理

山東科技大學(xué) 尹曉鋼

山東開元電力工程有限公司 周倩倩

山東科技大學(xué) 趙勝芳 馮展華 陸新秀

三相橋式全控整流電路諧波分析與治理

山東科技大學(xué) 尹曉鋼

山東開元電力工程有限公司 周倩倩

山東科技大學(xué) 趙勝芳 馮展華 陸新秀

以應(yīng)用最為廣泛的晶閘管整流電路三相橋式全控整流電路為例，對電路交流測諧波進(jìn)行了相應(yīng)的分析，然后利用PSCAD仿真軟件建立仿真模型，通過仿真得到的波形以及數(shù)據(jù)驗(yàn)證了對于交流側(cè)諧波分量分析結(jié)果的正確性；通過建立濾波器模型并加裝在電路上有效的降低了交流側(cè)電流的諧波含量，證實(shí)了無源濾波器在濾除諧波方面的重要作用。

諧波；PSCAD；仿真；無源濾波器

對于諧波通常是指在供電系統(tǒng)當(dāng)中利用傅里葉級數(shù)分解的手段對周期性的非正弦電量進(jìn)行處理，從而得到由許多正弦函數(shù)構(gòu)成的無窮級數(shù)，這些正弦分量當(dāng)中不僅含有與電網(wǎng)基波頻率相同的分量，還包含大量的大于基波頻率的分量，這些分量就是所謂諧波。通常情況下晶閘管整流裝置都是利用移相原理進(jìn)行控制，這些裝置從電網(wǎng)當(dāng)中吸收正弦波的一部分，給電網(wǎng)留下了大量的非完整的正弦波從而導(dǎo)致電網(wǎng)當(dāng)中諧波含量大大增加。目前晶閘管整流裝置應(yīng)用最為普遍的整流方式為三相橋式全控整流，以三相橋式全控整流電路為例，通過PSCAD建模仿真，對該電路中產(chǎn)生的諧波進(jìn)行研究。

1 仿真電路模型的建立

利用PSCAD軟件建立三相橋式全控整流電路[1]的仿真模型,交流電源采用Three Phase Voltage Source Model 2模型，有一定內(nèi)阻，線電壓有效值設(shè)為230kV；晶閘管采用寬脈沖觸發(fā)方式，利用Voltage Controlled Oscillator模塊和Interpolated Firing Pulses模塊產(chǎn)生所需觸發(fā)脈沖；電阻 R=10Ω，電感 L=5 H，頻率 f=50 HZ，在ωL＞＞R 條件下，對電路進(jìn)行仿真，仿真電路圖如圖1所示。

圖1 仿真電路圖

通過設(shè)置不同的觸發(fā)延遲角α從而得到不同的輸出波形，并利用FFT（快速傅里葉變換）模塊[2]將各次諧波分離出來以供觀察。

2 交流側(cè)諧波分析

以α =30。為例，此時(shí)交流側(cè)A相電流Ia應(yīng)為正負(fù)半周各120。的方波，電感足夠大，直流側(cè)電流為一條直線，Ia有效值與直流電流的關(guān)系應(yīng)為：

通過仿真得到的波形如圖2所示。

圖2 α=30。時(shí)仿真波形

利用傅里葉級數(shù)分解將Ia展開可得（Io為直流側(cè)輸出電流）：

其中電流基波有效值為：

各次諧波有效值為：

通過上面的分析過程可得，在Ia中只含有奇次諧波，而且隨著諧波次數(shù)的不斷增大，各次諧波的占有量逐漸降低；各次諧波的有效值與諧波次數(shù)成反比，與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)。

在仿真中利用FFT模塊可以得到Ia的基波與各次諧波的有效值仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 Ia的基波與各次諧波有效值

從條形表中可以讀出I1=19.0875，I5=3.8544,I7=2.6820,I11=1.7657,I13=1.431 4,以及Io=24.51，經(jīng)過驗(yàn)證符合得到的關(guān)系式，但存在非常小的誤差，從而驗(yàn)證了對于交流側(cè)A相諧波電流分量的分析。類比上述A相諧波電流的分析過程，B,C兩相諧波電流以及諧波電壓也可以進(jìn)行類似的分析。

3 交流側(cè)諧波處理

諧波問題與供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量密切相關(guān)，諧波抑制問題關(guān)鍵在于減少注入系統(tǒng)中的諧波電流，從而將諧波電壓控制在一定的范圍之內(nèi)。

3.1 單調(diào)諧濾波器設(shè)計(jì)

利用PSCAD軟件中的Series RLC Tuned Filter模塊構(gòu)建5次、7次濾波器。單調(diào)諧濾波器的工作原理是利用電感電容的串聯(lián)諧振特性，從而使等于諧振頻率的相應(yīng)次數(shù)的諧波流入濾波器，避免了該次諧波注入電網(wǎng)。濾波器對于n次諧波的阻抗為：

其中ω為基波角頻率，當(dāng)濾波器發(fā)生諧振時(shí)其虛部為零，從而得到諧振頻率為：

根據(jù)上面的公式合理選擇合適的電阻、電感、電容，為了使濾波效果明顯取R=0.00001Ω,對于5次濾波器其L=0.0077H、C=52.17μF；7次濾波器其L=0.00404H、C=51.2μF。

圖4 仿真電路圖

3.2 高通諧濾波器設(shè)計(jì)

對于高通濾波器當(dāng)其諧振頻率大于一定頻率時(shí)，它具有在很寬的頻域范圍內(nèi)擁有低阻抗的特性，從而實(shí)現(xiàn)了高通濾波[3]。高通濾波器特性的確定主要依賴以下參數(shù)：

其中f0為截止頻率，高通濾波器截止頻率的選取通常情況下略高于所裝設(shè)的最高次數(shù)的單調(diào)諧濾波器；當(dāng)頻率大于截止頻率時(shí)，濾波器的阻抗是一個(gè)小于其電阻R 的低阻抗。利用模塊庫中的High Pass RLC Filter模塊構(gòu)建高通濾波器，其參數(shù)設(shè)置為：m=0.5、R=1Ω、L=0.0002H、C=400μF。

3.3 仿真研究

建立如圖4所示的仿真模型，其中A、B、C三相濾波器模型中均包含5次、7次、高通濾波器。

三相電網(wǎng)處于平衡狀態(tài)，以A相為例進(jìn)行仿真分析。其他兩相類比A相的分析過程。加裝濾波器后得到的A相電流波形如圖5所示。

圖5 加濾波器后A相電流波形

通過圖5得到的電流波形與圖2中的未加裝濾波器之前的電流波形進(jìn)行對比可見諧波含量大大降低，加裝濾波器起到了一定的作用。

4 結(jié)論

本文通過進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)對三相橋式全控電路交流側(cè)諧波進(jìn)行分析，建立了直流側(cè)諧波幅值與觸發(fā)延遲角的關(guān)系，并通過在交流側(cè)加裝無源濾波器的手段有效的抑制了交流側(cè)諧波，證實(shí)了無源濾波器在濾除諧波方面的重要應(yīng)用。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

[2]樂健,胡仁喜.PSCAD X4電路設(shè)計(jì)與仿真從入門到精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2015.8.

[3]畢向陽,朱凌.無源濾波器的設(shè)計(jì)及仿真研究[J].電力電容器與無功補(bǔ)償,200,29(5):22-25.

尹曉鋼（1993—），男，碩士研究生，研究方向：電力系統(tǒng)分析。