三相桥式全控整流电路谐波分析与治理

山东科技大学 尹晓钢

山东开元电力工程有限公司 周倩倩

山东科技大学 赵胜芳 冯展华 陆新秀

三相桥式全控整流电路谐波分析与治理

山东科技大学 尹晓钢

山东开元电力工程有限公司 周倩倩

山东科技大学 赵胜芳 冯展华 陆新秀

以应用最为广泛的晶闸管整流电路三相桥式全控整流电路为例，对电路交流测谐波进行了相应的分析，然后利用PSCAD仿真软件建立仿真模型，通过仿真得到的波形以及数据验证了对于交流侧谐波分量分析结果的正确性；通过建立滤波器模型并加装在电路上有效的降低了交流侧电流的谐波含量，证实了无源滤波器在滤除谐波方面的重要作用。

谐波；PSCAD；仿真；无源滤波器

对于谐波通常是指在供电系统当中利用傅里叶级数分解的手段对周期性的非正弦电量进行处理，从而得到由许多正弦函数构成的无穷级数，这些正弦分量当中不仅含有与电网基波频率相同的分量，还包含大量的大于基波频率的分量，这些分量就是所谓谐波。通常情况下晶闸管整流装置都是利用移相原理进行控制，这些装置从电网当中吸收正弦波的一部分，给电网留下了大量的非完整的正弦波从而导致电网当中谐波含量大大增加。目前晶闸管整流装置应用最为普遍的整流方式为三相桥式全控整流，以三相桥式全控整流电路为例，通过PSCAD建模仿真，对该电路中产生的谐波进行研究。

1 仿真电路模型的建立

利用PSCAD软件建立三相桥式全控整流电路[1]的仿真模型,交流电源采用Three Phase Voltage Source Model 2模型，有一定内阻，线电压有效值设为230kV；晶闸管采用宽脉冲触发方式，利用Voltage Controlled Oscillator模块和Interpolated Firing Pulses模块产生所需触发脉冲；电阻 R=10Ω，电感 L=5 H，频率 f=50 HZ，在ωL＞＞R 条件下，对电路进行仿真，仿真电路图如图1所示。

图1 仿真电路图

通过设置不同的触发延迟角α从而得到不同的输出波形，并利用FFT（快速傅里叶变换）模块[2]将各次谐波分离出来以供观察。

2 交流侧谐波分析

以α =30。为例，此时交流侧A相电流Ia应为正负半周各120。的方波，电感足够大，直流侧电流为一条直线，Ia有效值与直流电流的关系应为：

通过仿真得到的波形如图2所示。

图2 α=30。时仿真波形

利用傅里叶级数分解将Ia展开可得（Io为直流侧输出电流）：

其中电流基波有效值为：

各次谐波有效值为：

通过上面的分析过程可得，在Ia中只含有奇次谐波，而且随着谐波次数的不断增大，各次谐波的占有量逐渐降低；各次谐波的有效值与谐波次数成反比，与基波有效值的比值为谐波次数的倒数。

在仿真中利用FFT模块可以得到Ia的基波与各次谐波的有效值仿真结果如图3所示。

图3 Ia的基波与各次谐波有效值

从条形表中可以读出I1=19.0875，I5=3.8544,I7=2.6820,I11=1.7657,I13=1.431 4,以及Io=24.51，经过验证符合得到的关系式，但存在非常小的误差，从而验证了对于交流侧A相谐波电流分量的分析。类比上述A相谐波电流的分析过程，B,C两相谐波电流以及谐波电压也可以进行类似的分析。

3 交流侧谐波处理

谐波问题与供电系统的供电质量密切相关，谐波抑制问题关键在于减少注入系统中的谐波电流，从而将谐波电压控制在一定的范围之内。

3.1 单调谐滤波器设计

利用PSCAD软件中的Series RLC Tuned Filter模块构建5次、7次滤波器。单调谐滤波器的工作原理是利用电感电容的串联谐振特性，从而使等于谐振频率的相应次数的谐波流入滤波器，避免了该次谐波注入电网。滤波器对于n次谐波的阻抗为：

其中ω为基波角频率，当滤波器发生谐振时其虚部为零，从而得到谐振频率为：

根据上面的公式合理选择合适的电阻、电感、电容，为了使滤波效果明显取R=0.00001Ω,对于5次滤波器其L=0.0077H、C=52.17μF；7次滤波器其L=0.00404H、C=51.2μF。

图4 仿真电路图

3.2 高通谐滤波器设计

对于高通滤波器当其谐振频率大于一定频率时，它具有在很宽的频域范围内拥有低阻抗的特性，从而实现了高通滤波[3]。高通滤波器特性的确定主要依赖以下参数：

其中f0为截止频率，高通滤波器截止频率的选取通常情况下略高于所装设的最高次数的单调谐滤波器；当频率大于截止频率时，滤波器的阻抗是一个小于其电阻R 的低阻抗。利用模块库中的High Pass RLC Filter模块构建高通滤波器，其参数设置为：m=0.5、R=1Ω、L=0.0002H、C=400μF。

3.3 仿真研究

建立如图4所示的仿真模型，其中A、B、C三相滤波器模型中均包含5次、7次、高通滤波器。

三相电网处于平衡状态，以A相为例进行仿真分析。其他两相类比A相的分析过程。加装滤波器后得到的A相电流波形如图5所示。

图5 加滤波器后A相电流波形

通过图5得到的电流波形与图2中的未加装滤波器之前的电流波形进行对比可见谐波含量大大降低，加装滤波器起到了一定的作用。

4 结论

本文通过进行仿真实验对三相桥式全控电路交流侧谐波进行分析，建立了直流侧谐波幅值与触发延迟角的关系，并通过在交流侧加装无源滤波器的手段有效的抑制了交流侧谐波，证实了无源滤波器在滤除谐波方面的重要应用。

[1]王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2006.

[2]乐健,胡仁喜.PSCAD X4电路设计与仿真从入门到精通[M].北京:机械工业出版社,2015.8.

[3]毕向阳,朱凌.无源滤波器的设计及仿真研究[J].电力电容器与无功补偿,200,29(5):22-25.

尹晓钢（1993—），男，硕士研究生，研究方向：电力系统分析。