三相不平衡系統(tǒng)中感應(yīng)電機(jī)諧波抑制方法研究

張永會(huì)，張恩龍，張洪坤，冷月妍

（1.吉林白山發(fā)電廠，吉林 白山 134300；2.沈陽工程學(xué)院 研究生部，遼寧 沈陽 110136）

在工業(yè)三相交流電網(wǎng)系統(tǒng)中，由于用電設(shè)備功率的不均衡，電網(wǎng)系統(tǒng)通常呈現(xiàn)出三相不平衡的運(yùn)行狀態(tài)，需要找到一種經(jīng)濟(jì)、可行、有效的方法降低三相不平衡對(duì)配電網(wǎng)的危害。三相交流電機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、控制簡單、運(yùn)行可靠、性價(jià)比高等眾多優(yōu)點(diǎn)，在紡織、油田、煤炭、鉆井、航空及航天等眾多工業(yè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用［1］。由于三相交流電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)具有控制可靠性高、控制簡單及電壓利用率高等優(yōu)點(diǎn)，因此在工業(yè)三相交流不平衡電網(wǎng)系統(tǒng)中的三相交流電機(jī)普遍采用轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)定向矢量控制技術(shù)［2］。然而，由于三相交流電機(jī)本體有氣隙磁場(chǎng)畸變、逆變控制過程中的死區(qū)時(shí)間、IGBT管壓降等問題，在三相交流電網(wǎng)及電機(jī)輸入端的電能中產(chǎn)生大量的諧波。而這些諧波給三相交流電網(wǎng)及電機(jī)本體帶來了巨大的潛在危害。其諧波的危害主要可以從兩方面進(jìn)行分析［3］：

1）電網(wǎng)層面

諧波通常被人們形象的比喻為“電網(wǎng)有毒有害垃圾”。諧波能夠造成電網(wǎng)中的其他用電設(shè)備損耗增加，效率降低，線路發(fā)熱，甚至存在引起火災(zāi)的風(fēng)險(xiǎn)；諧波可能造成繼電保護(hù)器等自動(dòng)化保護(hù)裝置誤動(dòng)作，造成供電中斷等故障發(fā)生；諧波能夠造成其他用電設(shè)備產(chǎn)生振動(dòng)及電磁噪聲，給人們的生活帶來困擾；諧波還會(huì)對(duì)周圍的通訊設(shè)備系統(tǒng)產(chǎn)生影響，造成通訊質(zhì)量下降，圖形混亂等［4］。

2）三相交流電機(jī)

諧波會(huì)造成電機(jī)損耗增加，發(fā)熱嚴(yán)重，使電機(jī)定子線圈因過熱而燒毀；諧波會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩及轉(zhuǎn)速脈動(dòng)，電機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)性變差，產(chǎn)生振動(dòng)，造成與三相電機(jī)相關(guān)的機(jī)械損耗；同時(shí)，諧波還會(huì)使電機(jī)產(chǎn)生電磁噪聲，對(duì)人們的身體健康造成危害［5］。

針對(duì)目前工業(yè)三相不平衡交流電網(wǎng)系統(tǒng)中的三相交流電機(jī)諧波問題，從控制電機(jī)的角度來說，抑制諧波的方法主要有：

1）最小開關(guān)損耗控制法

通過建立多個(gè)非線性方程，并給定多個(gè)線性方程的約束條件，對(duì)其進(jìn)行求解，得到最優(yōu)開關(guān)角，以此降低電機(jī)諧波含量。該方法雖然控制精度較高，但其計(jì)算量較大，對(duì)硬件CPU 的處理速度要求較高，并且依賴于電流采樣精度［6］。

2）電壓補(bǔ)償法

搭建三相交流電機(jī)諧波數(shù)學(xué)模型，通過該數(shù)學(xué)模型獲取實(shí)時(shí)諧波補(bǔ)償量進(jìn)行諧波抑制。該方法對(duì)于轉(zhuǎn)速較低的三相交流電機(jī)的補(bǔ)償效果較好，但對(duì)于高速三相交流電機(jī)，該補(bǔ)償方法對(duì)電機(jī)電流及轉(zhuǎn)速的檢測(cè)設(shè)備的精度及響應(yīng)時(shí)間提出了更高的要求。

3）時(shí)間補(bǔ)償法

時(shí)間補(bǔ)償通過直接方式對(duì)電機(jī)控制器輸出的三相電流SVPWM 波信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，但如何精確判定三相電流的矢量相位是一個(gè)需要解決的難題［7］。

除此以外，對(duì)于工業(yè)三相交流不平衡電網(wǎng)系統(tǒng)中三相交流電機(jī)諧波的抑制方式，還有采用在三相交流電機(jī)輸入三相交流線路中串入電抗器、無源濾波器、有源濾波器及混合型有源濾波器等方式，但這些方式對(duì)于抑制諧波效果相當(dāng)有限，僅對(duì)某固定頻次的諧波有一定的抑制效果。本文提出了一種適用于三相不平衡交流系統(tǒng)中感應(yīng)電機(jī)的諧波抑制方法。

1 系統(tǒng)建模分析

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

三相交流不平衡電網(wǎng)系統(tǒng)中交流電機(jī)的諧波抑制系統(tǒng)主要由快速電流監(jiān)測(cè)裝置、IGBT逆變器、電機(jī)控制裝置、諧波PWM 補(bǔ)償器和可控硅整流橋構(gòu)成，如圖1 所示。其工作原理為可控硅整流橋?qū)⑷嘟涣鞑黄胶怆娋W(wǎng)中的三相交流電整流成直流電，然后輸入給IGBT逆變器，同時(shí)電機(jī)控制裝置采集可控硅整流橋輸出的直流電壓及電流供其控制策略使用，IGBT 逆變器將直流電轉(zhuǎn)化成三相交流電機(jī)所需的交流電。快速電流監(jiān)測(cè)裝置快速、精確地采集三相交流電流信號(hào)，通過傅里葉變換提取獲得三相交流電流信號(hào)諧波分量，提取諧波分量輸入到模糊自適應(yīng)模塊庫中，通過樣本比對(duì)，獲取準(zhǔn)確PWM 諧波補(bǔ)償信號(hào)，傳遞至電機(jī)控制裝置。電機(jī)控制裝置調(diào)整輸入到IGBT 逆變器SVPWM 信號(hào)，減小三相交流電機(jī)中的諧波電流分量，將三相交流電機(jī)中的諧波降低到最低［8］，同時(shí)改善了三相交流不平衡電網(wǎng)系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

圖1 三相交流不平衡電網(wǎng)系統(tǒng)中交流電機(jī)的諧波抑制系統(tǒng)

1.2 系統(tǒng)分析

系統(tǒng)通過快速電流監(jiān)測(cè)裝置快速監(jiān)測(cè)三相交流電流。快速電流監(jiān)測(cè)裝置是一種快速的電流監(jiān)測(cè)傳感器。它是將電流采樣線圈均勻繞制在非鐵磁線圈骨架上，為了消除外界磁場(chǎng)的輻射干擾，在線圈骨架上繞制一圈與電流采樣線圈反向的回路線圈。快速電流監(jiān)測(cè)裝置一般結(jié)構(gòu)如圖2 所示?？焖匐娏鞅O(jiān)測(cè)裝置電流傳感器能夠根據(jù)電磁感應(yīng)及安培定律實(shí)現(xiàn)快速、精確地采集電流，其輸出信號(hào)可表示為

式中，i（t）為三相交流電機(jī)輸入電流中的一相；μ0為真空磁導(dǎo)率；r為快速電流監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)中心半徑；H為快速電流監(jiān)測(cè)裝置厚度；r0為快速電流監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)圓半徑；r1為快速電流監(jiān)測(cè)裝置的外圓半徑；φ為快速電流監(jiān)測(cè)裝置磁通量；R為快速電流監(jiān)測(cè)裝置采樣電阻；iout（t）為快速電流監(jiān)測(cè)裝置輸出三相交流電機(jī)相電流。

圖2 快速電流監(jiān)測(cè)裝置

通過快速電流監(jiān)測(cè)裝置獲取三相交流電流，經(jīng)傅里葉變換可得：

式中，iA（t）、iB（t）和iC（t）分別為三相交流電機(jī)A、B和C 的相電流；I1為三相交流電機(jī)三相基波電流；In為三相交流電機(jī)三相n次諧波電流；α1和αn分別為基波和n次諧波電流初始相位角。

將三相交流電機(jī)的輸入電流諧波信號(hào)輸入到模糊自適應(yīng)模塊庫中，通過樣本比對(duì)，獲取準(zhǔn)確諧波PWM 補(bǔ)償信號(hào)，輸出到SVPWM 逆變器驅(qū)動(dòng)模塊，然后根據(jù)PWM諧波補(bǔ)償信號(hào)，調(diào)整三相交流電PWM 信號(hào)的輸出，降低三相交流電機(jī)三相交流中的諧波分量。為了驗(yàn)證該方法的可行性，證明該方法能夠有效抑制三相交流電機(jī)中的諧波，改善三相交流電網(wǎng)質(zhì)量，進(jìn)行了系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。

2 系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

以380 V 三相交流不平衡電網(wǎng)和1 臺(tái)500 VAC的三相交流永磁同步電動(dòng)機(jī)為例進(jìn)行系統(tǒng)仿真驗(yàn)證。該電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為2 000 r/min，額定輸出扭矩為150 N·m，最高轉(zhuǎn)速為3 600 r/min，定子相電阻為30 mΩ，定子相電感為232 μH，極對(duì)數(shù)為10，轉(zhuǎn)矩系數(shù)為1.32。搭建完成的系統(tǒng)仿真模型如圖3 所示。

圖3 三相交流電網(wǎng)中交流電機(jī)的諧波抑制系統(tǒng)仿真模型

假設(shè)電機(jī)按照額定轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩運(yùn)行，系統(tǒng)仿真時(shí)間為5 min，為了說明諧波抑制效果，分別進(jìn)行了加入諧波PWM 補(bǔ)償器和未加入諧波PWM 補(bǔ)償器兩種情況的系統(tǒng)仿真試驗(yàn)。假設(shè)三相交流不平衡電網(wǎng)的不平衡度為21%，最高幅值電流為140 A，其三相交流不平衡電網(wǎng)電流波形對(duì)比曲線如圖4 所示，其仿真輸出三相電流波形如圖5和圖6所示。

圖4 三相交流不平衡的電網(wǎng)電流波形對(duì)比

圖5 未加入諧波補(bǔ)償?shù)娜嚯娏飨到y(tǒng)仿真輸出波形

圖6 加入諧波補(bǔ)償?shù)娜嚯娏飨到y(tǒng)仿真輸出波形

通過仿真試驗(yàn)結(jié)果可知，該諧波抑制方法能夠針對(duì)不同頻次的諧波分量進(jìn)行有效補(bǔ)償，降低三相交流電機(jī)中的諧波含量。同時(shí)，由三相交流不平衡電網(wǎng)電流可以看出，加入諧波PWM 補(bǔ)償能夠降低三相交流不平衡電網(wǎng)中的諧波含量，改善了三相交流不平衡電網(wǎng)電能質(zhì)量，提高了三相交流電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。

3 結(jié)語

本文針對(duì)三相交流不平衡電網(wǎng)及電機(jī)中的諧波，提出了一種有效的諧波抑制方法。通過電流快速檢測(cè)裝置獲取了三相交流電機(jī)的輸入電流波形，經(jīng)過傅里葉變換獲得準(zhǔn)確的三相交流諧波，最后通過模糊自適應(yīng)控制方法對(duì)諧波精確補(bǔ)償。通過系統(tǒng)仿真結(jié)果可知，該方法能夠有效抑制三相交流不平衡電網(wǎng)中的諧波，改善了電網(wǎng)的電能質(zhì)量，同時(shí)可降低電機(jī)的諧波損耗，減小電機(jī)的放熱量。