基于智能整流技术的电网电流谐波补偿方法研究

周刘兵

摘 要： 目前用于电网电流谐波补偿的电器设备，主要以PWM整流器为主。基于PWM整流器的电源产品只能被动地减小自身向电网输出的谐波电流，而对电网中业已存在的电流谐波污染束手无策。为了解决电网中电流谐波污染以及相关联的电压波形失真问题，采用基于SRM（智能整流模块）技术对电网电流谐波进行补偿。仿真结果表明，基于 SRM 的电力电子装置在从电网吸取电流并在向负载供电的同时，还能对电网电压的波形进行补偿，使电网电压波形接近正弦波形。

关键词： 智能整流； PWM整流器； 谐波污染； 谐波补偿

中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2014）05?0083?04

0 引 言

大多数电力电子装置通过整流器与电网接口，传统的二极管整流器产生大量的谐波电流，对电网造成污染。用电负载在电压幅值高时从电网吸收较多的电流，导致电流的脉动特性，产生大量的谐波；电流在电网线路中产生的电压降使电压波形失真。脉动的电流波形将降低电网的运行效率，产生电磁辐射干扰；电压波形失真会使接入电网的所有负载都产生谐波电流，严重时将导致整个电网无法正常工作。

IEC和IEEE等先后推出了一些限制电流谐波的标准，如IEC61000?3?2，IEEE519等。我国对开关电源、变频空调等家用电器行业强制实施“3C”认证，规定电器产品只有达到电磁兼容标准才能上市。

电网中的谐波污染基本上都是来自接入电网的装有整流器的电力变换器，限制和减小电力变换器的谐波电流是解决谐波污染问题的关键。目前技术上主要集中在减小整流器DC端电力滤波电容的容量上，较小的容量可使电力变换器在更大的电压范围内从电网吸收电流。基于这种技术的电气产品改善了整流器的非线性特性，减少了向电网输出的各次谐波电流[1]。一方面要从管理和技术上限制电力电子装置向电网输出谐波电流，另一方面要对电网进行有功补偿以减小谐波污染，这是目前解决供电系统供电质量和供电安全问题的主要的两条途径。

本文提出解决电力电子装置谐波污染的另一条途径：电力电子装置中的整流器在从电网吸收电流的同时，输出与电网中的谐波电流反相的电流使电网中的电压波形得到部分补偿。

1 基于SRM的整流器

SRM（Smart Rectifier Module，智能整流模块）整流器是在PWM整流器基础上引入新的电路拓扑和数据处理技术而形成的新技术。SRM中的整流器受到功率开关（MOSFET、GTO 或 IGBT）的控制[2]，功率开关的导通（ON）与截止（OFF）状态受控于嵌入模块的智能芯片。智能芯片（MCU、DSP、ARM 或 FPGA）检测电网电压的波形，计算THD和功率因数PF，确定补偿方案[3?4]；通过驱动电路，控制功率开关的状态，使整流器有选择地从电网吸取电流。为了减少功率损耗，提高基于SRM的电力变换器的转换效率，SRM中采用准谐振软开关技术，使应用这项技术的电源产品降低能耗、减小体积、提高效率。智能芯片和软开关技术的引入再加上对功率开关工作状态的监控，可形成对SRM最有效的保护机制，有可能使其被烧毁的概率降至为零，工作寿命也会大幅度延长。基于SRM的电源产品包括各种开关稳压电源、充电器、电子镇流器和变频器等，应用非常广泛[5]。

SRM属于非线性混合控制系统，基于小信号模型用线性控制方法进行研究已不适应。为提高整流器的性能，应采用非线性控制理论或新的控制方式研究控制方案[1]。应用于PWM整流器的控制算法主要有：功率控制[6?7]、反馈线性化控制[8]、基于Lyapunov稳定性理论的控制[9?10]、基于无源控制理论的控制[11?12]、基于自抗扰理论的控制[13]和基于反步法的控制[14]等，为SRM 控制算法的研究提供了很好的基础。SRM控制算法的研究将在这些算法的基础上，引入电压波形预测和电流指令加权后，提出自己的独特的控制算法。

当电网中存在谐波污染时，电压波形不再是正弦波，电压波形偏离正弦波的程度，由智能芯片测得。智能芯片测量每个周期的电压波形得到的信息可以给出当前周期中电压波形的估计值，用作控制系统的输入信号。本文中SRM采用“直接电流控制”方案，直接电流控制采用交流电流内环、直流电压外环的控制系统。双闭环结构，电压外环输出与电网电压波形信息共同形成电流指令，电流内环则控制输入电流快速响应电流指令，电流指令是整流器网侧电流的期望波形。对于PWM整流器，电流的期望波形是正弦波，近似单位功率因数和接近无谐波输出是其重要特点。对于本文提出的SRM，电流指令取决于当前的电压波形，如果当前电压波形有失真（偏离正弦波形），此时的电流波形也要偏离正弦波。SRM的网侧电流含有谐波，其相位与电网中存在的谐波电流相反，因此电网中的谐波污染得以减少，网侧电压波形也得到矫正。如果网侧电压波形没有失真，电流指令应该是正弦波，此时电压波形也无须校正。

2 SRM电路拓扑

SRM的电路拓扑及各处电压电流波形如图1所示。SRM与普通整流器相比，增加了两只功率开关，[T1，T2]和一只滤波电感[L。]

加在功率开关[T1]和[T2]控制极[G1]和[G2]上的电压波形如图1（b）中[UG1]和[UG2]所示，从图中可以看到相应的输入电压和电流的波形，SRM中网侧输入电流的位置受到[UG1]和[UG2]的控制。在电网电压的下降段，通过电感的电流[IL]在功率开关导通的[t1]时刻从零开始增加并向电容[C]充电，充电电流波形如图1（c）所示，充电结束时[（t2]时刻）电感电流降为零。功率器件的开通与截止两个开关状态都是处于电路的零电流时刻，[IL=0，]故称功率开关为零电流型软开关（ZCS）；电感电流[IL]电感[L]向电容[C]充电过程中处于准谐振状态，故称SRM是基于谐振软开关的。

3 SRM的控制方案

SRM控制电路的任务是提供两只功率开关的控制信号，使整流器在合适的电压位置处从电网吸收电流。

控制系统方框图如图2所示。3路模拟输入信号分别是电网电压、电感电流和输出电压，驱动电路输出两路功率开关的控制信号。MCU应选择有多路A/D转换的控制芯片，要求在半个周期（10 ms）内完成从信号采集，运算处理到输出控制脉冲全过程。

完整的SRM是图1（a）电路拓扑和图2所示控制电路构成的闭环系统。

4 基于SRM的开关稳压电源设计方案

基于SRM的开关稳压电源系统框图如图3所示。与普通开关电源相比，基于SRM的开关稳压电源的控制电路以智能芯片为核心，增加了对电网电压的采样，电压控制方案与SRM 的控制方案基本相同。智能控制电路要对电网电压、电感电流和输出电压三个信号进行采样，按设定的算法控制开关管的通断（占空比）），使输出电压稳定在一定范围之内。

控制电路对占空比的加权作用不应该是即时的，一般情况下应在延时一个电网电压周期后有效，这应该是智能芯片的运算速度允许的。

通过对电感电流的采样，智能芯片能够获得网侧电流信息，再通过与电流指令信息比较，获得对占空比的加权信号，控制功率开关的工作状态，使网侧电流跟踪电流指令。电感电流还可用于控制功率开关的工作状态。对于负载电流变化较快的用电器，亦可用于通过调整占空比使输出电压更快地趋于稳定。

5 仿真实验

仿真结果表明，电网中只要有一部分（约占总功率的40%）基于SRM的用电器，即可达到图5所示效果，功率因数PF=0.998，能够达到与100%理想PWM整流器基本相同的电网效率。

PWM整流器需要4～6个功率开关且控制电路复杂，高昂的成本使其难以得到推广；同等功率的SRM只需1～2个功率开关，控制电路也相对简单。PWM整流器对电网中存在的谐波污染和电压波形失真无能为力；SRM能够吸收电网中的谐波电流，对电压波形也有矫正作用。

6 结 语

基于SRM的电力电子装置在从电网吸取电流并在向负载供电的同时，还能对电网电压的波形进行补偿，使电网电压波形接近正弦波形。SRM自动选择在电网阻抗最大处导通，从电网吸收电流，足够多的SRM将使电网的阻抗总体上趋于均匀。SRM的调节作用，可以实现对电网的有功功率补偿，而无需消耗额外的电能。

值得肯定的是，哪怕是一小部分基于传统的二极管或晶闸管的整流器被SRM取代，电网中谐波干扰的降低情况也是可以预知的。基于SRM的用电器会吸收一部分向电网发出的高次谐波，而不会向电网输出新的谐波辐射。更令人乐观的展望是，电网中多数整流器使用SRM技术，一个基本上无谐波干扰的电网将呈现在人们面前。

参考文献

[1] 王久和.电压型 PWM整流器的非线性控制[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] ON Semiconductor. Rectifier applications handbook： reference manual and design guide [EB/OL]. [2001?11?02]. http：//www. onsemi.com/tech?support.

[3] SALO M， TUUSA H. A novel open?loop control method for a current?source active power filter [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2003， 50（2）： 313?321.

[4] ASHIDA I， ITOH J. A novel three?phase PFC rectifier using a harmonic current injection method [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2008， 23（2）： 715?722.

[5] STMicroelectronics. Digital power factor correction for tube lamp ballasts and other digital power supplies controlled by an 8?bit microcontroller [EB/OL]. [2007?01?01]. http：//www.st.com/stonline/products /literature.

[6] OHNISHI T. Three phase PWM converter/Inverter by means of instantaneous active and reactive power control [C]// Proceedings of 1991 International Conference on Industrial Electronics， Control and Instrumentation. Kobe， Japan： IECON， 1991： 819?824.

[7] NOGUCHI T， TOMIKI H， KONDO S， et al. Direct power control of PWM converter without power?source voltage sensors [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1998， 34（6）： 473?479.

[8] 李正熙，王九和，李华德.电压型PWM整流器非线性控制策略综述[J].电器传动，2006，36（1）：9?13.

[9] KOMURCUGIL H， KUKRER O. Lyapunov?based control for three?phase PWM AC/DC voltage?source converters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1998， 13（5）： 801?813.

[10] WANG Jiu?he， XIA Pei?rong， ZHANG Jin?long. Control strategy of three?phase AC/DC voltage?source converters based on storage function [C]// Proceedings of 2008 Workshop on Power Electronics and Intelligent Transportation System. Guangzhou， China： PEITS， 2008： 117?121.

[11] ESCOBAR G， ORTEGA R， SIRA?RAMIREZ H， et al. A hybrid passivity based control design for a three phase voltage sourced reversible boost type rectifier [C]// Proceedings of the 37th IEEE Conference on Decision and Control. Tampa， Florida， USA： IEEE， 1998： 2035?2040.

[12] 乔树通，姜建国.三相Boost型PWM整流器输出误差无源性控制[J].电工技术学报，2007，22（2）：68?73.

[13] 韩京清.自抗扰控制器及其应用[J].控制与决策，1998，13（1）：19?23.

[14] 胡跃明.非线性控制系统理论与应用[M].北京：国防工业出版社，2002.

[15] 涂永昌，刘建功，王伟.基于瞬时无功功率理论的谐波检测改进算法研究[J].现代电子技术，2013，36（3）：145?147.

3 SRM的控制方案

SRM控制电路的任务是提供两只功率开关的控制信号，使整流器在合适的电压位置处从电网吸收电流。

控制系统方框图如图2所示。3路模拟输入信号分别是电网电压、电感电流和输出电压，驱动电路输出两路功率开关的控制信号。MCU应选择有多路A/D转换的控制芯片，要求在半个周期（10 ms）内完成从信号采集，运算处理到输出控制脉冲全过程。

完整的SRM是图1（a）电路拓扑和图2所示控制电路构成的闭环系统。

4 基于SRM的开关稳压电源设计方案

基于SRM的开关稳压电源系统框图如图3所示。与普通开关电源相比，基于SRM的开关稳压电源的控制电路以智能芯片为核心，增加了对电网电压的采样，电压控制方案与SRM 的控制方案基本相同。智能控制电路要对电网电压、电感电流和输出电压三个信号进行采样，按设定的算法控制开关管的通断（占空比）），使输出电压稳定在一定范围之内。

控制电路对占空比的加权作用不应该是即时的，一般情况下应在延时一个电网电压周期后有效，这应该是智能芯片的运算速度允许的。

通过对电感电流的采样，智能芯片能够获得网侧电流信息，再通过与电流指令信息比较，获得对占空比的加权信号，控制功率开关的工作状态，使网侧电流跟踪电流指令。电感电流还可用于控制功率开关的工作状态。对于负载电流变化较快的用电器，亦可用于通过调整占空比使输出电压更快地趋于稳定。

5 仿真实验

仿真结果表明，电网中只要有一部分（约占总功率的40%）基于SRM的用电器，即可达到图5所示效果，功率因数PF=0.998，能够达到与100%理想PWM整流器基本相同的电网效率。

PWM整流器需要4～6个功率开关且控制电路复杂，高昂的成本使其难以得到推广；同等功率的SRM只需1～2个功率开关，控制电路也相对简单。PWM整流器对电网中存在的谐波污染和电压波形失真无能为力；SRM能够吸收电网中的谐波电流，对电压波形也有矫正作用。

6 结 语

基于SRM的电力电子装置在从电网吸取电流并在向负载供电的同时，还能对电网电压的波形进行补偿，使电网电压波形接近正弦波形。SRM自动选择在电网阻抗最大处导通，从电网吸收电流，足够多的SRM将使电网的阻抗总体上趋于均匀。SRM的调节作用，可以实现对电网的有功功率补偿，而无需消耗额外的电能。

值得肯定的是，哪怕是一小部分基于传统的二极管或晶闸管的整流器被SRM取代，电网中谐波干扰的降低情况也是可以预知的。基于SRM的用电器会吸收一部分向电网发出的高次谐波，而不会向电网输出新的谐波辐射。更令人乐观的展望是，电网中多数整流器使用SRM技术，一个基本上无谐波干扰的电网将呈现在人们面前。

参考文献

[1] 王久和.电压型 PWM整流器的非线性控制[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] ON Semiconductor. Rectifier applications handbook： reference manual and design guide [EB/OL]. [2001?11?02]. http：//www. onsemi.com/tech?support.

[3] SALO M， TUUSA H. A novel open?loop control method for a current?source active power filter [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2003， 50（2）： 313?321.

[4] ASHIDA I， ITOH J. A novel three?phase PFC rectifier using a harmonic current injection method [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2008， 23（2）： 715?722.

[5] STMicroelectronics. Digital power factor correction for tube lamp ballasts and other digital power supplies controlled by an 8?bit microcontroller [EB/OL]. [2007?01?01]. http：//www.st.com/stonline/products /literature.

[6] OHNISHI T. Three phase PWM converter/Inverter by means of instantaneous active and reactive power control [C]// Proceedings of 1991 International Conference on Industrial Electronics， Control and Instrumentation. Kobe， Japan： IECON， 1991： 819?824.

[7] NOGUCHI T， TOMIKI H， KONDO S， et al. Direct power control of PWM converter without power?source voltage sensors [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1998， 34（6）： 473?479.

[8] 李正熙，王九和，李华德.电压型PWM整流器非线性控制策略综述[J].电器传动，2006，36（1）：9?13.

[9] KOMURCUGIL H， KUKRER O. Lyapunov?based control for three?phase PWM AC/DC voltage?source converters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1998， 13（5）： 801?813.

[10] WANG Jiu?he， XIA Pei?rong， ZHANG Jin?long. Control strategy of three?phase AC/DC voltage?source converters based on storage function [C]// Proceedings of 2008 Workshop on Power Electronics and Intelligent Transportation System. Guangzhou， China： PEITS， 2008： 117?121.

[11] ESCOBAR G， ORTEGA R， SIRA?RAMIREZ H， et al. A hybrid passivity based control design for a three phase voltage sourced reversible boost type rectifier [C]// Proceedings of the 37th IEEE Conference on Decision and Control. Tampa， Florida， USA： IEEE， 1998： 2035?2040.

[12] 乔树通，姜建国.三相Boost型PWM整流器输出误差无源性控制[J].电工技术学报，2007，22（2）：68?73.

[13] 韩京清.自抗扰控制器及其应用[J].控制与决策，1998，13（1）：19?23.

[14] 胡跃明.非线性控制系统理论与应用[M].北京：国防工业出版社，2002.

[15] 涂永昌，刘建功，王伟.基于瞬时无功功率理论的谐波检测改进算法研究[J].现代电子技术，2013，36（3）：145?147.

3 SRM的控制方案

SRM控制电路的任务是提供两只功率开关的控制信号，使整流器在合适的电压位置处从电网吸收电流。

控制系统方框图如图2所示。3路模拟输入信号分别是电网电压、电感电流和输出电压，驱动电路输出两路功率开关的控制信号。MCU应选择有多路A/D转换的控制芯片，要求在半个周期（10 ms）内完成从信号采集，运算处理到输出控制脉冲全过程。

完整的SRM是图1（a）电路拓扑和图2所示控制电路构成的闭环系统。

4 基于SRM的开关稳压电源设计方案

基于SRM的开关稳压电源系统框图如图3所示。与普通开关电源相比，基于SRM的开关稳压电源的控制电路以智能芯片为核心，增加了对电网电压的采样，电压控制方案与SRM 的控制方案基本相同。智能控制电路要对电网电压、电感电流和输出电压三个信号进行采样，按设定的算法控制开关管的通断（占空比）），使输出电压稳定在一定范围之内。

控制电路对占空比的加权作用不应该是即时的，一般情况下应在延时一个电网电压周期后有效，这应该是智能芯片的运算速度允许的。

通过对电感电流的采样，智能芯片能够获得网侧电流信息，再通过与电流指令信息比较，获得对占空比的加权信号，控制功率开关的工作状态，使网侧电流跟踪电流指令。电感电流还可用于控制功率开关的工作状态。对于负载电流变化较快的用电器，亦可用于通过调整占空比使输出电压更快地趋于稳定。

5 仿真实验

仿真结果表明，电网中只要有一部分（约占总功率的40%）基于SRM的用电器，即可达到图5所示效果，功率因数PF=0.998，能够达到与100%理想PWM整流器基本相同的电网效率。

PWM整流器需要4～6个功率开关且控制电路复杂，高昂的成本使其难以得到推广；同等功率的SRM只需1～2个功率开关，控制电路也相对简单。PWM整流器对电网中存在的谐波污染和电压波形失真无能为力；SRM能够吸收电网中的谐波电流，对电压波形也有矫正作用。

6 结 语

基于SRM的电力电子装置在从电网吸取电流并在向负载供电的同时，还能对电网电压的波形进行补偿，使电网电压波形接近正弦波形。SRM自动选择在电网阻抗最大处导通，从电网吸收电流，足够多的SRM将使电网的阻抗总体上趋于均匀。SRM的调节作用，可以实现对电网的有功功率补偿，而无需消耗额外的电能。

值得肯定的是，哪怕是一小部分基于传统的二极管或晶闸管的整流器被SRM取代，电网中谐波干扰的降低情况也是可以预知的。基于SRM的用电器会吸收一部分向电网发出的高次谐波，而不会向电网输出新的谐波辐射。更令人乐观的展望是，电网中多数整流器使用SRM技术，一个基本上无谐波干扰的电网将呈现在人们面前。

参考文献

[1] 王久和.电压型 PWM整流器的非线性控制[M].北京：机械工业出版社，2008.

[2] ON Semiconductor. Rectifier applications handbook： reference manual and design guide [EB/OL]. [2001?11?02]. http：//www. onsemi.com/tech?support.

[3] SALO M， TUUSA H. A novel open?loop control method for a current?source active power filter [J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics， 2003， 50（2）： 313?321.

[4] ASHIDA I， ITOH J. A novel three?phase PFC rectifier using a harmonic current injection method [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2008， 23（2）： 715?722.

[5] STMicroelectronics. Digital power factor correction for tube lamp ballasts and other digital power supplies controlled by an 8?bit microcontroller [EB/OL]. [2007?01?01]. http：//www.st.com/stonline/products /literature.

[6] OHNISHI T. Three phase PWM converter/Inverter by means of instantaneous active and reactive power control [C]// Proceedings of 1991 International Conference on Industrial Electronics， Control and Instrumentation. Kobe， Japan： IECON， 1991： 819?824.

[7] NOGUCHI T， TOMIKI H， KONDO S， et al. Direct power control of PWM converter without power?source voltage sensors [J]. IEEE Transactions on Industry Applications， 1998， 34（6）： 473?479.

[8] 李正熙，王九和，李华德.电压型PWM整流器非线性控制策略综述[J].电器传动，2006，36（1）：9?13.

[9] KOMURCUGIL H， KUKRER O. Lyapunov?based control for three?phase PWM AC/DC voltage?source converters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 1998， 13（5）： 801?813.

[10] WANG Jiu?he， XIA Pei?rong， ZHANG Jin?long. Control strategy of three?phase AC/DC voltage?source converters based on storage function [C]// Proceedings of 2008 Workshop on Power Electronics and Intelligent Transportation System. Guangzhou， China： PEITS， 2008： 117?121.

[11] ESCOBAR G， ORTEGA R， SIRA?RAMIREZ H， et al. A hybrid passivity based control design for a three phase voltage sourced reversible boost type rectifier [C]// Proceedings of the 37th IEEE Conference on Decision and Control. Tampa， Florida， USA： IEEE， 1998： 2035?2040.

[12] 乔树通，姜建国.三相Boost型PWM整流器输出误差无源性控制[J].电工技术学报，2007，22（2）：68?73.

[13] 韩京清.自抗扰控制器及其应用[J].控制与决策，1998，13（1）：19?23.

[14] 胡跃明.非线性控制系统理论与应用[M].北京：国防工业出版社，2002.

[15] 涂永昌，刘建功，王伟.基于瞬时无功功率理论的谐波检测改进算法研究[J].现代电子技术，2013，36（3）：145?147.