三相SPWM逆變電源輸出電壓的諧波抑制綜合方法

1、PE電力電子三相SPWM逆變電源輸出 電壓的諧波抑制綜合方法王 正 潘高強（沈陽工業(yè)大學電氣工程學院，沈陽 110178）摘要 基于正弦脈寬調制技術（SPWM）的逆變電路應用，利用傅里葉變換對電壓型 SPWM 逆變電源的輸出電壓進行了分析，并提出了易于工程實現的諧波抑制方法。分別從調制法和計算法出發(fā)，采用在正弦調制波中疊加入一定比例的零序諧波和特定諧波消除PWM法，并且利用Matlab/Simulink進行了仿真，并且做了對比試驗，驗證了抑制方法的正確性。關鍵詞：逆變電源；諧波分析；傅里葉變換；特定消諧法；SPWM法Synthetic Method of Output Voltage Harm

2、onic Suppressionof Three-Phase SPWM Inverting Power SuppliesWang Zheng Pan Gaoqiang(School of Electrical Eng., Shenyang University of Technology, Shenyang 110178)Abstract Inverter circuit based on SPWM technology is widely used , this paper analyzes the output voltage of voltage-SPWM inverting power

3、 using Fourier transform, and presents two kinds of harmonic ristraint method which is easy to achieve. From modulation method and calculation method, this paper adopts that injecting a certain percentage of zero-sequence harmonics in the sine modulated wave and selected harmonic elimination PWM met

4、hod, also simulates using Matlab/simulink, and experimentizes contrastively, the validity of restraint method is verified.Key words：inverting power supplies；harmonic analysis；fourier transform；SHE；SPWM1 引言隨著SPWM控制技術在電力電子逆變電源的廣泛應用，為了降低逆變電路輸出側產生的高次諧波對其負載和周圍電氣裝置所產生的負面影響，人們把改善輸出波形，消除諧波，提高波形質量作為一項重要的研究內容

5、。所以，對SPWM波形的諧波分析有著十分重要的意義。針對現代各行各業(yè)對電氣設備控制性能日益提高的要求，本文對電壓型SPWM逆變電源的控制方法進行了諧波分析，根據諧波在頻譜上的分布情況， 提出減少諧波對電機及其他用電設備危害的方法。SPWM）是在脈寬調制（PWM）的基礎上發(fā)展起來的。因其調制波采用正弦波故稱為正弦脈寬調制。正弦波脈寬調制SPWM是利用三角波與正弦波的交點作為逆變電源的開關控制信號，SPWM逆變電源主電路和控制方式波形如圖1所示。其中逆變電源的主回路采用高速開關元件，以保證逆變電源能工作在較高的開關頻率下。SPWM控制技術的實質在于功率開關元件的開關信號是通過期望頻率的正弦調制波與

6、特定的載波信號相比較而獲得的。這種方法適用于各種調頻或調壓裝置中，是一種開關式穩(wěn)壓電源領域廣泛應用的方法。在變頻器中，通過正弦脈寬調制來控制逆變電源的功率開關器件的導通或關斷，將整流器變換成的直流電壓逆變?yōu)榫哂锌煽胤岛皖l率的電壓源。2 SPWM逆變電源模型的建立正弦脈寬調制（Sinusoid Pulse Width Modulation-2010年第1期 37PE3 3.13.2uaouabnPE電力電子當 k 取不同值時，調制函數f(t)中注入的3 次諧波含量亦不同。圖2 為調制系數為0.9情況下式中，an=0；Nibn=(4/n)×1+2(1)cos(ni),n=1,3,5,。

7、i=1k 不同時的調制函數波形，其中包括k=0、0.1、0.2、0.5四種情況。式（5）表明，諧波幅值與開關角有關，只要適當選擇N個值，就可以使基波電壓得到控制并且消除N-1個頻率的特定諧波。對于三相對稱負載而言，3的整數倍次諧波在線電壓中因同相被抵消，所以只存在的諧波次數為5，7，11，13，。 如果令q為選定的輸出基波電壓與逆變器直流側電壓的幅值比(E1Ed2)，被指定消除的N-1個諧波幅值為零，則周期內的開關角的方程組為b1=q （6） N4ibk=k1+2(1)cos(ki)=0i=1圖2 注入三次諧波后的調制函數波形圖由圖2可見，改變k便可改變調制函數f(t)與橫軸之間包圍的面積，從

8、而可使逆變器輸出電壓的幅值隨之改變。同時，當逆變電源加入對稱負載時，3的整數倍諧波自行消失，因此，注入3次諧波分量的式中，k=6i±1(i=1,2,)為諧波次數；i為1/4周期內第j個開關角。5 仿真與試驗驗證5.1 調制法的仿真驗證本文就圖1所示電路應用Matlab/Simulink作仿真分析6。仿真負載為異步電動機，電動機星形連接，空載運行，逆變器采用雙極性同步調制，載波為共用的等腰三角波，頻率fc=2850Hz；調制波為三相正弦波，頻率fs=50Hz，調制度M=0.9。式(4)中k從0到0.5之間變化，得出在不同3次諧波系數k時逆變器輸出電壓諧波含量變化如表1所示。表1 不同k

9、時逆變器輸出線電壓諧波含量變化k 0.1523.4021.6828.56THDSPWM 并不增加逆變器輸出電壓中的諧波含量。4.3 計算法本文介紹在計算法中一種較有代表性的方法特定諧波消去法。其基本理論是在電壓波形的特定位置設置“缺口”，通過每半個周期間中逆變器的多次換向，恰當地控制逆變器脈寬調制電壓的波形，通過脈寬平均法把逆變器輸出的方波電壓轉換成等效的正弦波，以消除某些特定的諧波。若以圖1中的直流側電壓中點O為參考點，可得出a相雙極性的電壓輸出波形，如圖3所示。而b、c相的電壓波形只需將a相的波形移相120°和240°即可得到4-5。uao+Ed0-Ed/2由表1可知，

10、當k=0（即沒有注入三次諧波）時，逆變電源輸出線電壓uab的THD為29.88%。當k由零逐漸增大時，逆變電源輸出線電壓THD就逐漸減小。直到k=0.25時，逆變器輸出線電壓uab的THD為21. 66%，此時逆變電源輸出線電壓uab的THD最小。當k值超過0.25時，逆變器輸出線電壓uab的THD又逐漸增大。當k=0.5時，逆變器輸出線電壓uab的圖3 特定諧波消除PWM的相電壓波形從0到 /2的電壓波形有N個開關時刻，波形在0,2域對點為中心對稱，在0,2域對/2點為軸對稱，因此，a相電壓的傅里葉級數為THD為28.56%。由以上分析說明：三次諧波分量的注入并不是越多越好，更不能隨便定一個

11、數值，而是要根據具體的電路結構和載波頻率來選擇一個比較合適的值。本文仿真得到比較理想的k值為0.25。2010年第1期 39v(t)=ancos(nt)+bnsin(nt) （5）n=0q技術與應用綜合比較以上中性線故障特點和現有的故障監(jiān)測技術，中性線接地故障前后，系統信號沒有發(fā)生變化，因此不能采用第一類基于系統故障本省進行選線，采用外加信號注入法進行中性線接地故障監(jiān)測是較好的選擇。6 結論圖6 中性線接地故障中性線故障點對地電容電流：if=jC0U0G=0 根據以上分析可知，中性線發(fā)生接地故障時，中性線對地電壓和電流都為零，與負載對稱是否，中性線對地電容大小，過渡電阻大小無關；相線對地電壓，

12、對地電容電流不變。介紹了配出中性線的IT系統目前研究現狀和主要特點，分析了該系統在正常運行、相線接地故障以及中性線接地故障三種狀態(tài)下，中性線對地電壓和電流，總結了單相接地和中性線接地兩種故障前后中性線特點，探討了中性線接地故障監(jiān)測研究方向。參考文獻1 謝聯文.IT配電系統單相接地故障分析J.供配電,2008, 27(7):30-33.2 王厚余.低壓電氣裝置的設計安裝和檢驗T.北京:中國電力出版社,2008.4:53-55.3 錢宇.中性點接地方式分析及其在中低壓電網中的選擇J.工業(yè)技術,2006(4):22-23.4 王厚余.建筑物電氣裝置500問.北京:中國電力出版社,2008. 4:11

13、-12.5 陳忠華,霍麗華.低壓電網中性點由接地改為不接地的探討J.遼寧工程技術大學學報(自然科學版), 2002,19(1):51-53.6 賈清泉.非有效接地電網選線保護技術. 北京:國防工業(yè)出版社,2007.9:10-19.5 中性線特點與故障監(jiān)測探討配出中性線的IT系統，在發(fā)生相線或中性線接地故障后，具有以下特征：中性線發(fā)生接地故障前后，中性線對地電壓和電流都等于零，與負載對稱與否，中性線對地電容大小，過渡電阻大小無關。相線上的電壓電流、電容電流都沒有發(fā)生變化。當發(fā)生單相接地故障情況時，中性點對地電壓從零變?yōu)閁0G，其值隨過渡電阻大小而變；中性線出線電容電流，if=jC0U0G。如果是

14、發(fā)生金屬性接地故障，U0G升高為系統相電壓E，電容電流if=jC0E。目前國內外關于IT系統相線接地故障監(jiān)測、定位選線技術的研究很多，按照故障信號性質不同可分為兩類：一是基于系統本身故障信號進行的選線技術，包括穩(wěn)態(tài)故障信號選線法和暫態(tài)故障信號選線；二是基于外加注入信號進行的故障選線技術，包括注入不同頻率信號法和附加直流電源法。 （上接第40頁）作者簡介金偉一（1981-），男，碩士研究生在讀，主要從事船舶岸電關鍵技術研究。5 費萬民,呂征宇,姚文熙.多電平逆變器特定諧波消除參考文獻1 劉鳳君.現代逆變技術及應用M.北京:電子工業(yè)出版社, 2006.2 吳忠,等.自然采樣SPWM電源的諧波分析及抑制策略J. 電網技術, 2001,25(4): 17-20.3 HE Yu-yao,Li Hong,He Hua.A novel soft SPWMwaveform synthetic method and harmonic analysisJ. Proceedings of the CSEE,2002,22(12):118-122. 4 孫柯,羅利文,吳曉毅.利用特定