探討進線電抗器與串聯電抗器抑制諧波的機理

      探討進線電抗器與串聯電抗器抑制諧波的機理
      摘 要：大容量的變流器供電系統減少向電網注入諧波的主要方法是采用多相整流電路和變流器的多重化技術，一般需要采用多繞組移相變壓器進行電路移相。該文提出了一種用進線電抗器與串聯電抗器取代移相變壓器的電路拓撲結構，可大大降低移相電路的成本。

      本文分析了進線電抗器與串聯電抗器的諧波抑制機理，介紹了進線電抗器與串聯電抗器的結構、最佳移相角的選取、移相繞組連接方式及移相繞組匝數的確定等。對具有進線電抗器與串聯電抗器的六相整流系統進行了基于SIMULINK的數字仿真和實驗研究，并與未采用移相方式的三相全波整流電路進行了對比分析。仿真與實驗結果的電流頻譜分析表明，采用進線電抗器與串聯電抗器的六相整流電路對于電源側的5、7、11和13次電流諧波有較好的抑制效果。

      關鍵詞：進線電抗器；串聯電抗器； 多相整流電路； 抑制諧波； 移相電抗器； 

      一、引  言
　　由于變流裝置中用作換流元件的電力半導體器件工作在開關狀態，變流器產生的電壓和電流多為非正弦波形，包含了大量的諧波。近年來，隨著電力電子裝置的廣泛應用，使得電力電子變流裝置成為電力系統最大的諧波源。電壓和電流諧波對用電和通信設備產生一系列不利影響，因而諧波抑制成為變流器供電系統亟待解決的問題。
　　
　　在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大，也是最大的諧波來源。大容量的變流器供電系統減少向電網注入諧波的主要方法是采用多相整流電路和變流器的多重化技術，一般需要采用多繞組移相變壓器進行電路移相。本文所介紹的是用進線電抗器與串聯電抗器取代移相變壓器的一種新型電路拓撲結構，由于進線電抗器與串聯電抗器是串聯在主電路中，需要的移相線圈匝數很少，與移相變壓器相比，體積和重量要小得多，從而可大大降低移相電路的成本。

　　本文論述了進線電抗器與串聯電抗器諧波抑制的工作原理與設計方法，包括最佳移相角的選取、進線電抗器與串聯電抗器結構、移相繞組匝數與連接方式的確定等。對具有進線電抗器與串聯電抗器的六相整流系統進行了數字仿真和實驗研究，并與未采用移相方式的三相全波整流電路進行對比分析，證明采用進線電抗器與串聯電抗器的多相整流電路對電源側的電流諧波確有較好的抑制效果。

      二、進線電抗器與串聯電抗器的理論分析
　　1、進線電抗器與串聯電抗器的工作原理
　　進線電抗器與串聯電抗器的作用是用來削弱或消除電力半導體變流裝置和非線性負載產生的諧波電流和電壓對供電系統的影響。考慮到三相對稱供電系統中一般以5、7、11和13次諧波含量較大且對系統影響較為嚴重，故進線電抗器與串聯電抗器可主要針對綜合削弱這幾次諧波來設計。其工作原理可由圖1所示電路接線圖及相量圖說明。

      如圖1(a) 所示，將一相電流I分為2個支路電流I1和I2。通過適當選取移相繞組的匝數和接線方式可使支路電流的基波和I1相對于相電流基波I1 分別移相a 角和－a 角，則基波相電流與支路電流的相量關系如圖1(b)所示。由于a 角較小，總的相電流基波即采用移相后對基波電流的影響不大。然而，采用移相接法對諧波分量的影響卻較大。以5次諧波電流為例，2支路的5次諧波電流相對于相電流基波I1 分別被移相5a 和－5a 角，如圖1(c)所示，由于接近于大小相等和方向相反，使來自負載端由于半導體變流器或非線性負載產生的5次電流諧波接近互相抵消，從而減輕或削弱了負載諧波電流對供電系統的影響。

　　2、最佳移相角的確定
　　由上面分析可知，通過選取某個特定的移相角可消除某次諧波電流的影響，如取a =18度，則可消除5次諧波。想通過選定某個特定的移相角來同時消除多次諧波帶來的影響是不可能的。要想通過選定某個特定的移相角同時對幾次諧波都有較好的削弱作用，必須綜合考慮移相角對各次諧波的影響。不同移相角對基波和5、7、11和13等主要次諧波的衰減作用如圖2示。考慮到5次和7次諧波分量通常比11和13次諧波含量大且對供電系統的影響更為嚴重，可選取移相角a≈11度。

　　3、進線電抗器與串聯電抗器的結構和移相繞組聯結方式
　　三相進線電抗器與串聯電抗器的繞組接線原理如圖3所示。圖中X、U1和U2端，Y、V1和V2端及Z、W1和W2端所在的三組線圈分別繞在同一鐵心柱上，各移相繞組的電壓相量和同一鐵心繞組間的同名端也被表示出來。通過繞組匝數的調整和相間換接，可獲得所需移相角。三相進線電抗器與串聯電抗器的鐵心一般可采用兩種結構型式，即如圖4所示的由3個獨立鐵心構成的三相進線電抗器與串聯電抗器和采用單一五柱式鐵心的三相進線電抗器與串聯電抗器。

　　具有3個獨立鐵心的三相進線電抗器與串聯電抗器的優點是結構簡單和易于制造，與圖4(b)所示五柱式鐵心結構相比，缺點是用鐵量大。五柱式鐵心相當于圖4(a)所示3個獨立的單相電抗器，不采用傳統的三柱式鐵心而增加兩個小截面的心柱是為諧波磁通（主要是由3的倍數次諧波電流產生的零序磁通）提供通路，以減小諧波磁場的影響和改善電磁兼容性。與基波磁通相比，零序磁通相對較小，故可采用小截面。顯然，采用五柱式鐵心可以節省鐵心材料。

　　4、移相繞組電壓與匝數的確定
　　圖3所示的三相進線電抗器與串聯電抗器繞組電壓的相量關系如圖5所示。設電氣中性點為O，UX為A相輸入相電壓，而UV1和UV2分別輸出移相電壓。因三相進線電抗器與串聯電抗器的三組繞組呈對稱連接，故其它兩組線圈移相規律與A相相同并互差120度。顯然，對于不同的供電電源電壓及不同的移相角，移相繞組上的電壓UAX、UBY和UCY是不同的。設移相繞組上電壓的有效值為由式(4)可確定移相繞組的電壓和匝數。

      三、具有進線電抗器與串聯電抗器的六相整流系統
　　1、系統仿真研究
　　具有進線電抗器與串聯電抗器的六相整流系統原理接線圖如圖6所示。所用進線電抗器與串聯電抗器由如圖4(a)所示的3個獨立鐵心組成，系統由線電壓380 V、頻率50 Hz的正弦波電源供電。根據式(4)求得移相繞組電壓的有效值UA、UB和UC分別為5.06 V、40.7 V和45.54V，相應的移相繞組匝數分別為7、54和61。

　　使用MATLAB的動態仿真工具Simulink對該六相整流系統進行了仿真，系統仿真模型如圖7所示。圖7(a)為總模型，其中包括進線電抗器與串聯電抗器和二極管2個子模塊。圖7(b)為進線電抗器與串聯電抗器模塊，每個互感線圈子模塊中需輸入每個線圈的電阻、自感和線圈間互感等參數。外加線電壓380 V、頻率50 Hz的三相對稱電源。負載電阻R=25W，電感L=0.01H，濾波電容C=10UF。

　　進線電抗器與串聯電抗器的輸入端電流ia的仿真波形如圖8(a)所示。為了將移相與不移相的諧波抑制效果進行對比，對帶相同負載未移相的三相全波整流電路也進行了仿真，其電源側電流仿真波形如圖8(b)所示。對兩種情況下的電流進行了頻譜分析，諧波含量對比如圖9所示（I1和In分別代表基波和第n次諧波電流的有效值）。可見，移相后的電源側電流中5、7、11和13等主要次諧波分量皆有下降。

　　2、實驗驗證
　　實驗所用三相進線電抗器與串聯電抗器和仿真所用模型相同，三種移相繞組的匝數分別取為7、54和61匝。實驗結果如圖10所示。由圖10(a)可見，移相繞組電壓UV1和UV2分別超前和滯后于輸入端相電壓UX 約11度。當整流輸出帶25W電阻和0.01 H電感串聯組成的感性負載時，測得的電源側電流如圖10(b)所示。帶相同負載而未經移相的三相全波整流電路的電源側電流如圖10(c)所示。兩種情況下電源側電流頻譜分析對比如圖10(d)所示。由圖10(b)和10(c)對比可知，進線電抗器與串聯電抗器電源側的電流更接近于正弦波，圖10(d)的電流頻譜對比則更加清晰的說明了采用進線電抗器與串聯電抗器能綜合削弱變流器產生的諧波電流。

      四、結  論
　　1、進線電抗器與串聯電抗器對變流器供電系統的諧波抑制機理與移相變壓器相似，但其體積小而成本低。
　　2、通過采用合理的相間繞組連接方式和選取合適的移相繞組匝數，可獲得所需要的移相電壓，從而削弱向電網注入的某些諧波。
      3、具有進線電抗器與串聯電抗器的六相整流系統的仿真和實驗結果表明，進線電抗器與串聯電抗器確有較好的諧波抑制效果，具有良好的應用前景。

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