三相电力电子负载谐波分析

三相电力电子负载谐波分析

王文

深圳古瑞瓦特新能源有限公司  广东省深圳市 518100

【摘要】：在电力电子技术不断发展的过程中，各种类型装置也在不断的普及和使用，但是会导致电力系统污染。目前，工业、商业用电设备为电能质量也提出了较高的要求。现代化、信息化社会不断发展，需要严格控制电能质量。谐波抑制研究人员面临全新的机遇，也面临一定的挑战。所以，对电网谐波抑制，使电能质量提高为现代电工专业研究的主要问题。以此，本文就对电力电子负载谐波进行研究。

【关键词】：三相电子；；谐波抑制；电网负载；电力电子

  电力电子技术为集电力电子、控制为一体的新型应用综合技术，使用此技术能够对电力系统进行调整，主要特点为灵活、准确、可靠。电力电子装置比如变流器，为非线性的，所以会往电网中注入谐波。普通的线性负载，如RLC负载，它最多会产生无功，但是并不产生谐波电流。但是，在电力电子装置会产生谐波。比如，有一个不控整流器通过四个二极管构成，它的交流输入侧电流不是标准的正弦波，可以通过傅里叶分解，分析出输入电流中含有大量的谐波成分，相对于电网，它就相当于给电网注入了谐波电流。同理，对于并网逆变器稍微好一点，因为并网变流器的输出电流中，大部分开关次谐波被低通滤波器滤掉了，但是THD值也不会低到0，一般5%就达到了并网条件。即使对于直流电网，电力电子装置也有谐波，单相逆变器的直流侧，存在二次谐波。电子装置生成的谐波污染会对此技术的发展造成阻碍，所以研究电子负载谐波问题具有重要意义。

1电力电子谐波的原因

  典型电力电子设备包括电子镇流日光灯、计算机和节能灯，在输入交流电压之后，利用相应整流和滤波之后转变成为直流电压。使电路中开源件周期性关断、导通，从而逆变成为交流电。之后输出电路，实现高频次方波电压整流与滤波，实现直流转变，从而输出。简单来说，控制电路使用脉宽调制的方式实现控制操作，在具体运行中将矩形脉冲提供给驱动电路。在实际操作中，利用控制开关原件占空比方式，改变输出电压。通过原理分析，开关电源在使用过程中导致谐波因素比较多，整流器在使用时出现电流高次谐波干扰和尖峰电压干扰，从而导致开关电源在使用过程存在谐波。整流器在进行整流的过程中会构成电磁干扰，主要是因为通过整流器正弦波，从而变成单向脉冲电流，并不只是单一频率电流。导致脉冲干扰的原因包括：

  其一，高压变频器存在严重干扰。关断原本导通开关管，变压器漏电感构成反电势，代销和集电极电流变化率为正比，关断电压存在电压尖峰，从而出现导性电磁干扰。此干扰会影响到变压器初级，还会对配电系统传道，从而影响到电力系统其他用电设备安全性；

  其二，开关晶体管感性负载会实现开关管导通，变压器存在大量涌流，从而出现尖峰噪声。此脉冲会影响开关管性能与作用，会击穿开关管，无法使用。

  其三，在理想的电源系统中，电流和电压是纯正弦波。当电流流经与施加电压不成线性关系的负载时，会形成非正弦电流。因为非线性元件与施加的电压没有线性关系，所以会产生谐波。

  其四，不满足欧姆定律的导体和设备，也就是电流和电压不成比例的电气组件，称为非线性组件。非线性元件是电气材料，其电流与施加在其上的电压不成比例。即，其电阻随着外部条件的变化而变化。

2并联有源电力滤波器的应用

2.1并联有源电力滤波器工作原理

  因为非线性负载导致谐波，在电流流过负载的时候，电压并不是线性关系，从而构成非正弦电流。谐波源指的是谐波电流输入到共用电网中，从而产生谐波电压的电气设备。图1为有源电力滤波器系统结构，Es为交流电源，谐波源为负载，产生谐波并且对无功进行消耗。假如有源电力滤波器补偿谐波过程中，对负载无功功率进行补偿。只要使补偿电流指令信号的基波无功分量反极性得到增加，就能够抵消补偿电流和负载电流的谐波，电源电流和负载电流基波有功分量相同。                        

图1   有源电力滤波器系统结构

2.2有源功率因数校正器

  使用电子型日光灯等小功率整体电流，通过电容器和二极管实现整流滤波，在输入交流电压峰值附近存在输入电流。其中有大量电流谐波，功率因数低，对电网造成了影响。为了对工作情况进行改善，在滤波器电容与整流桥中设置校正功率因数变换电路，此为有源功率因数矫正器。                                                                   

  将二极管、电感、开关器件设置滤波电容和二极管整流桥之间，在设置升压斩波电路之后，无论交流电压在任何相位中设置，只要接通开关，交流电源利用整流桥为电感存储电磁能力。开关断开后，交流电源和电感对电磁能量进行存储，利用二极管对滤波电容充电提供负甸柳。以此，在控制开关过程中，交流电源相位流过电流，合理控制开关，将交流电流作为正弦波，与电源电压相位。

  PFC电路包括六种基本拓扑，在功率因数矫正功率变换电路中使用，一般使用Buck-Boost电路和升压斩波电路。以电感电流的连接，实现系统性能指标与快速性要求高大功率场合中使用。                                                                                                 

3仿真

  三相不平衡负载的仿真波形详见图2，三相电力电子的仿真参数为：

  其一，电网线电压：380V/50Hz；

  其二，被试电源线电压：380V/50Hz；

  其三，直流母线电容：3；

  其四，开关频率：10。

  将滞环控制设置到电压环中，能够改善电流正弦波，根据FFT分析结果表示，会降低三次谐波含量，降低THD为2.89%。

图2  三相不平衡负载的仿真波形

   通过SC模拟三相非线性负载仿真表示，因为母线谐波电压会影响到电压环输出，降低馈网电流的质量。但是，电压环使用滞环控制，对馈网电流质量进行改善。

  SC侧电流的谐波频率设置为180Hz、300Hz，在电压环使用滞环控制之后，馈网电流之间的谐波含量会降低，降低为2.42%。通过仿真结果表示，此直流母线电压谐波抑制的方法也能够应用在网侧电压频率和被试电源不同的工况中。

  利用以上实验结果表示，直流母线具备直流分量，还包括丰富谐波电压，影响到馈网电流。电压环使用滞环控制，使并网电流波形更加的平滑，使电力电子负载馈网电流质量得到提高。

4结束语

  电力电子技术能够高效的应用电能，所以使用越来越广泛。此技术使人们生活更加方便，提高生产效率，降低谐波污染和功率因数。目前，此技术被广泛应用到军事、航天、工农等方面。谐波监控和控制也为环保、安全、经济的结合创造了可靠技术保障，在我国国民经济不断发展的过程中，谐波抑制技术也在不断发展，使谐波抑制相关问题得到解决。

作者简介：王文，19850602，男，汉，安徽省宿州市， 硕士研究生，电工理论与新技术。

参考文献

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[2]云涛. 有源电力滤波器负载电流谐波检测中的低通滤波器设计与改进[J]. 电子技术（上海）, 2020(1):4.

[3]白琦琪, 李凯, 王晓凤,等. 基于量子阻抗Lorentz振子的三种晶体二次谐波特性[J]. 激光与光电子学进展, 2023, 60(21).