三相橋式全控整流電路諧波分析與治理

山東科技大學 尹曉鋼

山東開元電力工程有限公司 周倩倩

山東科技大學 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 尹曉鋼

山東開元電力工程有限公司 周倩倩

山東科技大學 趙勝芳 馮展華 陸新秀

以應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行了相應的分析，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據驗證了對于交流側諧波分量分析結果的正確性；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電流的諧波含量，證實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當中利用傅里葉級數分解的手段對周期性的非正弦電量進行處理，從而得到由許多正弦函數構成的無窮級數，這些正弦分量當中不僅含有與電網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行控制，這些裝置從電網當中吸收正弦波的一部分，給電網留下了大量的非完整的正弦波從而導致電網當中諧波含量大大增加。目前晶閘管整流裝置應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，對該電路中產生的諧波進行研究。

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，有一定內阻，線電壓有效值設為230kV；晶閘管采用寬脈沖觸發方式，利用Voltage Controlled Oscillator模塊和Interpolated Firing Pulses模塊產生所需觸發脈沖；電阻 R=10Ω，電感 L=5 H，頻率 f=50 HZ，在ωL＞＞R 條件下，對電路進行仿真，仿真電路圖如圖1所示。

圖1 仿真電路圖

通過設置不同的觸發延遲角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 交流側諧波分析

以α =30。為例，此時交流側A相電流Ia應為正負半周各120。的方波，電感足夠大，直流側電流為一條直線，Ia有效值與直流電流的關系應為：

通過仿真得到的波形如圖2所示。

圖2 α=30。時仿真波形

利用傅里葉級數分解將Ia展開可得（Io為直流側輸出電流）：

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成反比，與基波有效值的比值為諧波次數的倒數。

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，經過驗證符合得到的關系式，但存在非常小的誤差，從而驗證了對于交流側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行類似的分析。

3 交流側諧波處理

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

3.1 單調諧濾波器設計

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

其中ω為基波角頻率，當濾波器發生諧振時其虛部為零，從而得到諧振頻率為：

根據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 高通諧濾波器設計

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

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的最高次數的單調諧濾波器；當頻率大于截止頻率時，濾波器的阻抗是一個小于其電阻R 的低阻抗。利用模塊庫中的High Pass RLC Filter模塊構建高通濾波器，其參數設置為：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。

三相電網處于平衡狀態，以A相為例進行仿真分析。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 結論

本文通過進行仿真實驗對三相橋式全控電路交流側諧波進行分析，建立了直流側諧波幅值與觸發延遲角的關系，并通過在交流側加裝無源濾波器的手段有效的抑制了交流側諧波，證實了無源濾波器在濾除諧波方面的重要應用。

[1]王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2006.

[2]樂健,胡仁喜.PSCAD X4電路設計與仿真從入門到精通[M].北京:機械工業出版社,2015.8.

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

尹曉鋼（1993—），男，碩士研究生，研究方向：電力系統分析。