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(qiáng)（沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)電氣工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110178）摘要 基于正弦脈寬調(diào)制技術(shù)（SPWM）的逆變電路應(yīng)用，利用傅里葉變換對(duì)電壓型 SPWM 逆變電源的輸出電壓進(jìn)行了分析，并提出了易于工程實(shí)現(xiàn)的諧波抑制方法。分別從調(diào)制法和計(jì)算法出發(fā)，采用在正弦調(diào)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(jìn)行了仿真，并且做了對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了抑制方法的正確性。關(guān)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(shù)在電力電子逆變電源的廣泛應(yīng)用，為了降低逆變電路輸出側(cè)產(chǎn)生的高次諧波對(duì)其負(fù)載和周圍電氣裝置所產(chǎn)生的負(fù)面影響，人們把改善輸出波形，消除諧波，提高波形質(zhì)量作為一項(xiàng)重要的研究?jī)?nèi)容

5、。所以，對(duì)SPWM波形的諧波分析有著十分重要的意義。針對(duì)現(xiàn)代各行各業(yè)對(duì)電氣設(shè)備控制性能日益提高的要求，本文對(duì)電壓型SPWM逆變電源的控制方法進(jìn)行了諧波分析，根據(jù)諧波在頻譜上的分布情況， 提出減少諧波對(duì)電機(jī)及其他用電設(shè)備危害的方法。SPWM）是在脈寬調(diào)制（PWM）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。因其調(diào)制波采用正弦波故稱為正弦脈寬調(diào)制。正弦波脈寬調(diào)制SPWM是利用三角波與正弦波的交點(diǎn)作為逆變電源的開(kāi)關(guān)控制信號(hào)，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(kāi)關(guān)元件，以保證逆變電源能工作在較高的開(kāi)關(guān)頻率下。SPWM控制技術(shù)的實(shí)質(zhì)在于功率開(kāi)關(guān)元件的開(kāi)關(guān)信號(hào)是通過(guò)期望頻率的正弦調(diào)制波與

6、特定的載波信號(hào)相比較而獲得的。這種方法適用于各種調(diào)頻或調(diào)壓裝置中，是一種開(kāi)關(guān)式穩(wěn)壓電源領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的方法。在變頻器中，通過(guò)正弦脈寬調(diào)制來(lái)控制逆變電源的功率開(kāi)關(guān)器件的導(dǎo)通或關(guān)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(diào)制（Sinusoid Pulse Width Modulation-2010年第1期 37PE3 3.13.2uaouabnPE電力電子當(dāng) k 取不同值時(shí)，調(diào)制函數(shù)f(t)中注入的3 次諧波含量亦不同。圖2 為調(diào)制系數(shù)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(shí)的調(diào)制函數(shù)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(kāi)關(guān)角有關(guān)，只要適當(dāng)選擇N個(gè)值，就可以使基波電壓得到控制并且消除N-1個(gè)頻率的特定諧波。對(duì)于三相對(duì)稱負(fù)載而言，3的整數(shù)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(shù)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(cè)電壓的幅值比(E1Ed2)，被指定消除的N-1個(gè)諧波幅值為零，則周期內(nèi)的開(kāi)關(guān)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(diào)制函數(shù)波形圖由圖2可見(jiàn)，改變k便可改變調(diào)制函數(shù)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(shí)，當(dāng)逆變電源加入對(duì)稱負(fù)載時(shí)，3的整數(shù)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(shù)；i為1/4周期內(nèi)第j個(gè)開(kāi)關(guān)角。5 仿真與試驗(yàn)驗(yàn)證5.1 調(diào)制法的仿真驗(yàn)證本文就圖1所示電路應(yīng)用Matlab/Simulink作仿真分析6。仿真負(fù)載為異步電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)星形連接，空載運(yùn)行，逆變器采用雙極性同步調(diào)制，載波為共用的等腰三角波，頻率fc=2850Hz；調(diào)制波為三相正弦波，頻率fs=50Hz，調(diào)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(shù)k時(shí)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(shí)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(jì)算法本文介紹在計(jì)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(shè)置“缺口”，通過(guò)每半個(gè)周期間中逆變器的多次換向，恰當(dāng)?shù)乜刂颇孀兤髅}寬調(diào)制電壓的波形，通過(guò)脈寬平均法把逆變器輸出的方波電壓轉(zhuǎn)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(cè)電壓中點(diǎn)O為參考點(diǎn)，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(dāng)k=0（即沒(méi)有注入三次諧波）時(shí)，逆變電源輸出線電壓uab的THD為29.88%。當(dāng)k由零逐漸增大時(shí)，逆變電源輸出線電壓THD就逐漸減小。直到k=0.25時(shí)，逆變器輸出線電壓uab的THD為21. 66%，此時(shí)逆變電源輸出線電壓uab的THD最小。當(dāng)k值超過(guò)0.25時(shí)，逆變器輸出線電壓uab的THD又逐漸增大。當(dāng)k=0.5時(shí)，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(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻，波形在0,2域?qū)c(diǎn)為中心對(duì)稱，在0,2域?qū)?2點(diǎn)為軸對(duì)稱，因此，a相電壓的傅里葉級(jí)數(shù)為THD為28.56%。由以上分析說(shuō)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(gè)

11、數(shù)值，而是要根據(jù)具體的電路結(jié)構(gòu)和載波頻率來(lái)選擇一個(gè)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(shù)與應(yīng)用綜合比較以上中性線故障特點(diǎn)和現(xiàn)有的故障監(jiān)測(cè)技術(shù)，中性線接地故障前后，系統(tǒng)信號(hào)沒(méi)有發(fā)生變化，因此不能采用第一類基于系統(tǒng)故障本省進(jìn)行選線，采用外加信號(hào)注入法進(jìn)行中性線接地故障監(jiān)測(cè)是較好的選擇。6 結(jié)論圖6 中性線接地故障中性線故障點(diǎn)對(duì)地電容電流：if=jC0U0G=0 根據(jù)以上分析可知，中性線發(fā)生接地故障時(shí)，中性線對(duì)地電壓和電流都為零，與負(fù)載對(duì)稱是否，中性線對(duì)地電容大小，過(guò)渡電阻大小無(wú)關(guān)；相線對(duì)地電壓，

12、對(duì)地電容電流不變。介紹了配出中性線的IT系統(tǒng)目前研究現(xiàn)狀和主要特點(diǎn)，分析了該系統(tǒng)在正常運(yùn)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(duì)地電壓和電流，總結(jié)了單相接地和中性線接地兩種故障前后中性線特點(diǎn)，探討了中性線接地故障監(jiān)測(cè)研究方向。參考文獻(xiàn)1 謝聯(lián)文.IT配電系統(tǒng)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(shè)計(jì)安裝和檢驗(yàn)T.北京:中國(guó)電力出版社,2008.4:53-55.3 錢宇.中性點(diǎn)接地方式分析及其在中低壓電網(wǎng)中的選擇J.工業(yè)技術(shù),2006(4):22-23.4 王厚余.建筑物電氣裝置500問(wèn).北京:中國(guó)電力出版社,2008. 4:11

13、-12.5 陳忠華,霍麗華.低壓電網(wǎng)中性點(diǎn)由接地改為不接地的探討J.遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2002,19(1):51-53.6 賈清泉.非有效接地電網(wǎng)選線保護(hù)技術(shù). 北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2007.9:10-19.5 中性線特點(diǎn)與故障監(jiān)測(cè)探討配出中性線的IT系統(tǒng)，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(duì)地電壓和電流都等于零，與負(fù)載對(duì)稱與否，中性線對(duì)地電容大小，過(guò)渡電阻大小無(wú)關(guān)。相線上的電壓電流、電容電流都沒(méi)有發(fā)生變化。當(dāng)發(fā)生單相接地故障情況時(shí)，中性點(diǎn)對(duì)地電壓從零變?yōu)閁0G，其值隨過(guò)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(tǒng)相電壓E，電容電流if=jC0E。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于IT系統(tǒng)相線接地故障監(jiān)測(cè)、定位選線技術(shù)的研究很多，按照故障信號(hào)性質(zhì)不同可分為兩類：一是基于系統(tǒng)本身故障信號(hào)進(jìn)行的選線技術(shù)，包括穩(wěn)態(tài)故障信號(hào)選線法和暫態(tài)故障信號(hào)選線；二是基于外加注入信號(hào)進(jìn)行的故障選線技術(shù)，包括注入不同頻率信號(hào)法和附加直流電源法。 （上接第40頁(yè)）作者簡(jiǎn)介金偉一（1981-），男，碩士研究生在讀，主要從事船舶岸電關(guān)鍵技術(shù)研究。5 費(fèi)萬(wàn)民,呂征宇,姚文熙.多電平逆變器特定諧波消除參考文獻(xiàn)1 劉鳳君.現(xiàn)代逆變技術(shù)及應(yīng)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(wǎng)技術(shù), 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