CN106451448B - 基于电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波叠加方法 - Google Patents

基于电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波叠加方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波叠加方法，其特征在于，包括：在交流侧母线上连接两个相同的电容滤波型三相桥式整流电路；每一电容滤波型三相桥式整流电路包括：连接交流侧母线的三相二极管整流器，以及并联在所述三相二极管整流器的直流侧的滤波电容与负载电阻；其中，这两个电容滤波型三相桥式整流电路中滤波电容的电容大小之差超过阈值。该方法可以主动减少电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波对电网的影响以及更好的制定谐波治理措施，降低电力系统谐波治理的成本。

Description

基于电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波叠加方法
技术领域
本发明涉及电力系统多谐波源叠加领域的谐波叠加方法，特别是一种基于电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波叠加方法。
背景技术
随着科技的飞速发展，电力电子技术已经深入到电力、冶金、化工、通讯、铁路电气以及家电等各个领域。在电力电子装置中，整流器作为装置与电网的接口，占有相当大的比重。由于目前的电网均为交流电，故通常电路都需要利用整流器进行AC/DC变换。目前最常用的是电容滤波型三相桥式整流电路。电容滤波的三相桥式整流型负荷的广泛使用，引起了人们对其网侧谐波问题的极大关注。一般来说，系统中只有一个电容滤波的三相桥式整流型负荷工作时，网侧的谐波可以方便求出，当多个该负荷同时工作时应考虑谐波叠加的问题。传统的谐波叠加方法是把各个非线性负荷看作固定谐波源，而忽略了非线性负荷的分散效应、衰减效应以及线性负荷与非线性负荷的谐波消减效应，这样往往容易造成对电网谐波水平的过高估计。因此，对电网中的非线性负荷进行准确的谐波分析，评估其谐波发射能力以及对系统中公共连接点的谐波贡献，是目前亟待解决的重要问题之一。这对电力系统谐波治理，提高电力系统的电能质量，具有重要意义。
在电力系统中，由于谐波相位分散性的存在，使谐波出现抵消或削弱的现象。如果在负荷规划时能合理利用上述谐波电流抵消或削弱的现象，可主动减少非线性负荷对电网的谐波污染以及更好的制定谐波治理措施，降低电力系统谐波治理的成本。然而，谐波源如何进行组合才能有效减小对电网的污染，现有技术中还没有相关的研究方案。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波叠加方法，可以主动减少电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波对电网的影响以及更好的制定谐波治理措施，降低电力系统谐波治理的成本。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波叠加方法，包括：在交流侧母线上连接两个相同的电容滤波型三相桥式整流电路；每一电容滤波型三相桥式整流电路包括：连接交流侧母线的三相二极管整流器，以及并联在所述三相二极管整流器的直流侧的滤波电容与负载电阻；其中，这两个电容滤波型三相桥式整流电路中滤波电容的电容大小之差超过阈值。
首先，在交流侧母线上连接第一个电容滤波型三相桥式整流电路，并根据第一个电容滤波型三相桥式整流电路的结构，推导其电路网侧谐波电流初相角的表达式，得到谐波电流初相角在相位空间的理论分布状况；
其次，根据上一步骤中的实际电路结构搭建仿真模型，计算仿真模型的谐波电流初相角在相位空间的仿真分布状况，并比较谐波电流初相角在相位空间的理论分布状况与仿真分布状况之差是否在设定范围内，以验证仿真模型的正确性；
再通过分散系数的概念来量化谐波电流叠加抵消或削弱的效果，所述分散系数的值在0～1之间变化，越接近1表明抵消或削弱效果越差，越接近于0表明抵消或削弱效果越好；
然后，在正确仿真模型中的连接第二个电容滤波型三相桥式整流电路，推导谐波电流初相角的分散性和滤波电容的差异性对谐波电流叠加抵消或削弱效果的影响；
最后，根据仿真研究结果，在交流侧母线上连接第二个电容滤波型三相桥式整流电路，并结合负荷要求，确定两个电容滤波型三相桥式整流电路中滤波电容的电容大小。
电容滤波型三相桥式整流电路网侧谐波电流初相角的表达式为：
式中，θ为电容滤波型三相桥式整流电路网侧谐波电流初相角，下标n为谐波次数；
式中，R为负载电阻大小，C为滤波电容大小；Em为线电压有效值；ω＝2πf，f＝50Hz；δ为电容滤波型三相桥式整流电路中接交流侧电流ia的二极管的导通角。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过对两个电容滤波型三相桥式整流电路谐波电流叠加的研究，得出了谐波电流叠加抵消或削弱效果的影响因素。利用上述影响因素，给出电容滤波的三相桥式整流型负荷的谐波叠加方法，可主动减少该非线性负荷对电网的谐波污染以及更好的制定谐波治理措施，降低电力系统谐波治理的成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波叠加方法的示意图；
图2为本发明实施例提供的电容滤波型三相桥式整流电路原理图；
图3为本发明实施例提供的电容滤波型三相桥式整流电路仿真图；
图4为本发明实施例提供的电容滤波型三相桥式整流电路谐波电流叠加仿真图；
图5为本发明实施例提供的图4仿真电路的特征次谐波电流的分散系数图；其中的a～d分别为5次、7次、11次、13次谐波电流分散系数图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例提供一种基于电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波叠加方法，如图1所示，其主要包括：在交流侧母线上连接两个相同的电容滤波型三相桥式整流电路；每一电容滤波型三相桥式整流电路包括：连接交流侧母线的三相二极管整流器，以及并联在所述三相二极管整流器的直流侧的滤波电容与负载电阻；其中，这两个电容滤波型三相桥式整流电路中滤波电容的电容大小之差超过阈值。
该方法可主动减少该非线性负荷对电网的谐波污染以及更好的制定谐波治理措施，降低电力系统谐波治理的成本。
为了便于理解，下面针对研究推导过程做详细的分析说明。
1)在交流侧母线上连接第一个电容滤波型三相桥式整流电路。
如图2所示，电容滤波型三相桥式整流电路包括：连接交流侧母线的三相二极管整流器，以及并联在所述三相二极管整流器的直流侧的滤波电容C与负载电阻R；负载电阻的电阻大小取一固定的值，所述滤波电容的电容大小在一定的范围内变化。为便于描述，电阻大小、电容大小也分别用R、C表示。
2)根据图2所示的第一个电容滤波型三相桥式整流电路的结构，推导其电路网侧谐波电流初相角的表达式，得到谐波电流初相角在相位空间的理论分布状况。
具体过程如下：
设二极管VD1和VD6每次在距线电压eab过零点θ角处开始导通，线电压为：
eab＝Em sinωt；
式中：Em为线电压有效值；ω＝2πf，f＝50Hz；t为时间。
而相电压为：
设VD1和VD6的导通角为δ，交流侧电流ia是以2π为周期的周期函数，其一个周期内的表达式为：
对其进行傅立叶分解，可得
式中，n为谐波次数，n＝6k±1，k＝1,2,3…；In为n次谐波电流有效值；θn为n次谐波电流初相角。
由上式可得，电容滤波型三相桥式整流电路网侧谐波电流初相角的表达式为：
3)根据图2所示的实际电路结构搭建仿真模型，计算仿真模型的谐波电流初相角在相位空间的仿真分布状况，并比较谐波电流初相角在相位空间的理论分布状况与仿真分布状况之差是否在设定范围内，以验证仿真模型的正确性。
示例性的，仿真模型可以利用MATLAB/SIMULINK搭建，搭建结果如图3所示。
4)通过分散系数的概念来量化谐波电流叠加抵消或削弱的效果。
分散系数定义为不同参数整流电路各次谐波电流的向量和与代数和之比，表征的是由不同参数整流电路各异的谐波相位特性导致系统总电流抵消或削弱的作用。各次谐波分散系数定义式如下：
上式中，DFh为分散系数；Iih为第i个整流电路第h次谐波电流幅值；为第i个整流电路第h次谐波电流向量。分散系数的值在0～1之间变化，越接近1表明抵消或削弱效果越差，越接近于0表明抵消或削弱效果越好。
5)在正确仿真模型中的连接第二个电容滤波型三相桥式整流电路，结果如图4所示，推导谐波电流初相角的分散性和滤波电容的差异性对谐波电流叠加抵消或削弱效果的影响。
随着谐波电流次数的增加，谐波电流分散系数逐渐减小。即谐波电流初相角的分布越分散，谐波电流互相抵消或削弱的效果越好。各次谐波电流的分散系数与滤波电容的差异性有关。两滤波电容大小相差的越小，谐波电流的分散系数越大，谐波电流抵消或削弱的效果越差。两滤波电容大小相差的越大，谐波电流的分散系数越小，谐波电流抵消或削弱的效果越好。
6)根据仿真研究结果，在交流侧母线上连接第二个电容滤波型三相桥式整流电路，并结合负荷要求，确定两个电容滤波型三相桥式整流电路中滤波电容的电容大小。
在实际工作中，根据前述1)-6)的结果，可以在负荷规划时尽量使滤波电容大小相差较大的电容滤波的三相桥式整流型负荷接入同一个系统，具体的电容大小可根据实际情况来设定。利用滤波电容相差越大，谐波电流抵消或削弱的效果越好的特点，来减小谐波对系统的影响，降低系统谐波治理的成本。
下面结合一具体的示例进行说明；需要说明的是，下述示例中所采用的数值仅为举例，用户可根据实际的需求做相应的更改。
本示例中，电源电压Ea为220V，负载电阻为10Ω，滤波电容C在1.6～10.6mF之间变化。
将上述参数代入到电容滤波型三相桥式整流电路网侧谐波电流初相角的表达式中，可以得到特征次谐波电流初相角的分布状况为5次谐波电流初相角分布于-20.8°～7.3°之间；7次谐波电流初相角分布于115.1°～158.7°之间；11次谐波电流初相角分布于-152.4°～-50.6°之间；13次谐波电流初相角分布于-15.6°～129.7°之间。
在图2所示的仿真模型中，将电路中各变量的参数设置成上述参数的值，仿真得到特征次谐波电流初相角的分布状况为5次谐波电流初相角分布于-21.7°～8.9°之间；7次谐波电流初相角分布于112.0°～160.9°之间；11次谐波电流初相角分布于-155.6°～-44.8°之间；13次谐波电流初相角分布于-20.5°～135.5°之间。对比发现理论分析得到的电容滤波型三相桥式整流电路特征次谐波电流初相角的分布范围和仿真得到的结果具有较高的一致性，进一步证明了仿真模型的正确性。
为了研究电容滤波型三相桥式整流电路谐波电流叠加的效果，在上述仿真模型的母线下再连接一个电容滤波型三相桥式整流电路，如图3所示。该仿真模型参数的设置如表1所示，C1和R1分别表示第一个电容滤波型三相桥式整流电路的滤波电容和负载电阻，C2和R2分别表示第二个电容滤波型三相桥式整流电路的滤波电容和负载电阻。
表1仿真模型参数
通过仿真得到特征次谐波电流的分散系数如图5所示，图5中的a～d分别为5次、7次、11次、13次谐波电流分散系数图。
由图4特征次谐波电流分散系数的仿真结果可以得到如下结论：随着谐波电流次数的增加，谐波电流分散系数逐渐减小。即谐波电流初相角的分布越分散，谐波电流互相抵消或削弱的效果越好。各次谐波电流的分散系数与滤波电容的差异性有关。两滤波电容大小相差的越小，谐波电流的分散系数越大，谐波电流抵消或削弱的效果越差。两滤波电容大小相差的越大，谐波电流的分散系数越小，谐波电流抵消或削弱的效果越好。
利用上述的研究结论，在负荷规划时尽量使滤波电容大小相差较大的电容滤波的三相桥式整流型负荷接入同一个系统。利用滤波电容相差越大，谐波电流抵消或削弱的效果越好的特点，来减小谐波对系统的影响，降低系统谐波治理的成本。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波叠加方法，其特征在于，包括：在交流侧母线上连接两个相同的电容滤波型三相桥式整流电路；每一电容滤波型三相桥式整流电路包括：连接交流侧母线的三相二极管整流器，以及并联在所述三相二极管整流器的直流侧的滤波电容与负载电阻；其中，这两个电容滤波型三相桥式整流电路中滤波电容的电容大小之差超过阈值。
2.根据权利要求1所述的一种基于电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波叠加方法，其特征在于，
首先，在交流侧母线上连接第一个电容滤波型三相桥式整流电路，并根据第一个电容滤波型三相桥式整流电路的结构，推导其电路网侧谐波电流初相角的表达式，得到谐波电流初相角在相位空间的理论分布状况；
其次，根据上一步骤中的实际电路结构搭建仿真模型，计算仿真模型的谐波电流初相角在相位空间的仿真分布状况，并比较谐波电流初相角在相位空间的理论分布状况与仿真分布状况之差是否在设定范围内，以验证仿真模型的正确性；
再通过分散系数的概念来量化谐波电流叠加抵消或削弱的效果，所述分散系数的值在0～1之间变化，越接近1表明抵消或削弱效果越差，越接近于0表明抵消或削弱效果越好；
然后，在正确仿真模型中的连接第二个电容滤波型三相桥式整流电路，推导谐波电流初相角的分散性和滤波电容的差异性对谐波电流叠加抵消或削弱效果的影响；
最后，根据仿真研究结果，在交流侧母线上连接第二个电容滤波型三相桥式整流电路，并结合负荷要求，确定两个电容滤波型三相桥式整流电路中滤波电容的电容大小。
3.根据权利要求2所述的一种基于电容滤波的三相桥式整流型负荷谐波叠加方法，其特征在于，电容滤波型三相桥式整流电路网侧谐波电流初相角的表达式为：
式中，θ为电容滤波型三相桥式整流电路网侧谐波电流初相角，下标n为谐波次数；
式中，R为负载电阻大小，C为滤波电容大小；Em为线电压有效值；ω＝2πf，f＝50Hz；δ为电容滤波型三相桥式整流电路中接交流侧电流ia的二极管的导通角。
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