基于双脉宽调制方式的谐波抑制技术

刘 鑫，刘培毅，李 珺

(中国人民解放军92941部队92分队，辽宁 葫芦岛 125000)

【信息科学与控制工程】

基于双脉宽调制方式的谐波抑制技术

刘 鑫，刘培毅，李 珺

(中国人民解放军92941部队92分队，辽宁 葫芦岛 125000)

针对谐波的产生会导致一些用电设备，特别是精密仪器出现工作故障、甚至损坏，提出了一种双脉宽调制方式，可以有效地抑制输出电流特定次谐波。分析了双脉宽调制方式的基本原理，给出了控制信号频谱的仿真比较结果，并对仿真与实验的数据分析，验证了该调制方式可以对直流电源的输出电流特定次谐波进行抑制。

谐波；双脉宽调制；特定次

随着电力电子技术的发展，如何对DC-DC变换器输出电流的谐波进行抑制也成为近期学者研究的重要课题[1-2]。谐波的产生主要有以下影响：对电容负载引起谐振和谐波电流放大，导致电容器因过负荷或过电压而损坏；使一些用电设备、特别是精密仪器设备工作不正常，甚至损坏；造成电能计量及其他检测仪表的误差加大；谐波产生的电磁干扰会使继电保护、自动控制装置、计算机及通讯装置造成误动作。

现有抑制输出电流谐波的开关控制技术多种多样[3-5]，但是尚缺少可以对输出电流特定次谐波进行有效抑制的控制技术。本文提出了一种可以对输出电流特定次谐波进行抑制的双脉宽调制方式，进行了理论分析，数学推导与仿真试验。

1 原理分析

与传统的单脉宽PWM调制方式不同(见图1)，双脉宽DP-PWM调制方式采用相同控制频率，导通时间不同的两个脉冲对输出电流及电压进行控制，这样的控制方式可以控制信号的频谱扩散，降低频谱峰值，也就是脉冲信号的谐波峰值。

对于图2中的双脉宽调制方式，第一个脉冲导通时间为ta，第二个脉冲导通时间为tc，两个脉冲的时间间隔为tb，同时ta、tb、tc满足如下关系式

(1)

式(1)中：Don1为第一个脉冲的占空比；Don2为第二个脉冲的占空比；Dint1为两个脉冲间隔的时间与控制信号周期的比值；在此，定义2个函数H(n,D)与G(n,D)为：

(2)

(3)

其中：H(n,D)为开关周期内第二个脉冲与第一个脉冲的占空比的比例系数；G(n,D)为两个脉冲间隔时间与第一个脉冲的持续时间的比例系数。根据式(1)、式(2)与式(3)可以得出Don1，Don2，Dint1的数学表达式为

(4)

对于单脉宽调制方式。根据文献[3]，可得到单脉宽控制信号的频谱为

(5)

图1 单脉宽控制方式驱动信号

图2 双脉宽驱动信号

(6)

图3 单脉宽驱动信号FFT分析

图4 双脉冲驱动信号FFT分析

从图3和图4的仿真结果可以看出，当双脉宽调制方式两个脉宽的比值和间隔改变时，输出电流中特定次谐波的含量也发生改变，因此可以得出结论：通过调整函数H(n,D)与G(n,D)可以改变控制信号中特定次谐波分量的大小。

2 实际应用分析

为了研究双脉宽调制方式在电力设备中对谐波抑制的效果，本节以DC-DC电源为研究对象。在此，定义Don1，Don2为双脉宽调制方式两个脉冲开通时间与开关周期的比值，Dint1，Dint2为两个脉冲开通时间与开关周期的比值，它们的表达式为

(7)

在DC-DC电源中的应用在双脉宽调制的一个周期内，脉冲的间隔与周期比值关系式为

(8)

为了求出单脉宽调制方式下电路的输出电流谐波表达式，将电流表达式展开成傅里叶级数，展开后输出电流的表达式为

(9)

式中：Io为输出电流；An-single为输出电流n次谐波幅值；φn-single为输出电流n次谐波的相位

(10)

(11)

可以单脉宽调制下电路输出电流n次谐波的幅值An-single与相位φn-single的表达式：

(12)

(13)

双脉宽调制方式输出电流表达式为

(14)

(15)

式中An-dual与φn-dual的数学表达式如下：

(16)

(17)

式中：An-dual为双脉宽输出电流n次谐波幅值；φn-dual为输出电流n次谐波的相位。

将式(1)、式(7)与式(14)代入到式(16)可以得到

(18)

为了验证上文的结论，对DC-DC电源进行验证，从式(18)可以得出，当周期占空比一定时，输出电流的特定次谐波可通过函数调整H(n,D)与G(n,D)改变。取Don=0.5，对输出电流的7次谐波进行仿真分析，结果如图5所示；从图5可以看出，当H(n,D)与G(n,D)变化时，输出电流的7次谐波也在变化，当H(n,D)与G(n,D)取值恰当时，谐波达到最小值。本文对双脉宽调制方式下，输出电流的特定次谐波达到最小值时，H(n,D)，G(n,D)与谐波次数n和周期占空比Don的函数关系进行了仿真分析，结果如图6、图7所示。

图5 7次谐波与H(D,n)，G(D,n)函数关系

通过仿真结果可以得出：在占空比恒定的情况下，通过调整函数H(n,D)与G(n,D)，可以实现对输出电流特定此谐波进行抑制。

图6 特定次谐波最小值时H(D,n)与占空比D，谐波次数n的关系

图7 特定次谐波最小值时G(D,n)与占空比D，谐波次数n的关系

通过图8看出，在双脉宽调制方式对特定次谐波进行抑制的同时，其他次的电流谐波与单脉宽调制方式并无太大差异。从图9中可以看出，双脉宽调制方式对特定次谐波具有很好的抑制效果。

图8 抑制7次谐波时其他次谐波比较

图9 为双脉宽调制对6～10次谐波抑制比较

通过对仿真和试验的数据分析，可以得出，调节两个脉冲的开通关断时间以及脉冲之间的间隔时间可以达到抑制输出电流某次谐波的要求。

3 结论

本文提出了一种DC-DC变换器的双脉宽调制方式，为单载波双脉冲调制；分析了单脉宽调制方式与双脉宽调制方式的控制信号频谱，进行了仿真研究。仿真结果表明：通过改变双脉宽调制方式的脉宽比和脉冲时间间隔可以改变控制信号的特定次谐波。基于这一结论，以DC-DC电路为典型，对双脉宽调制方式进行了深入的研究，验证了双脉宽调制方式可以对输出电流的特定次谐波进行抑制。

[1] 陈坚.电力电子学[M].北京：高等教育出版社，2004：55-90.

[2] 赵良炳.现代电力电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，1995.

[3] WANG J,XU J.A novel PWM control method for switching DC-DC converters with improved dynamic response performance[C]//IEEE International Symposium on Power Electronics for Distributed Generation Systems.[S.l.]:[s.n.],2010：85-88.

[4] JIA Jingbin.A Digital-PID-Control Single-Inductor Triple-Output(SITO) DC-DC Converter with Pre-Sub-Period Inductor-Current Regulation[D].China:The Chinese University of Hong Kong，2009.

[5] WISAM M.AL-HOOR.Adaptive efficiency optimization for digitally controlled DC-DC converters[D].USA:University of Central Florida，2009.

(责任编辑 杨继森)

Research of Harmonic Suppression Technology Based on Dual Pulse-Width Modulation Method

LIU Xin, LIU Pei-yi, LI Jun

(92 Team of the No.92941stTroop of PLA, Huludao 125000, China)

The generation of harmonic will generate electric equipments failoperation or damage, especially precision instruments. Dual pulse-width modulation (DPWM) method was proposed to suppress the specific harmonics of output current effectively. Firstly, we introduced the rationale of DPWM and gave the simulation results of control signal spectrum. Finally, based upon analysis of the simulation and experimental data, this DPWM method was validated to suppress specific harmonics generated by the output current of DC power.

harmonic; DPWM; specific order

2016-09-29；

2016-11-05 作者简介：刘鑫(1980—)，女，工程师，主要从事专业武器装备试验方法研究。

10.11809/scbgxb2017.03.030

刘鑫,刘培毅,李珺.基于双脉宽调制方式的谐波抑制技术[J].兵器装备工程学报，2017(3):129-133.

format:LIU Xin, LIU Pei-yi, LI Jun.Research of Harmonic Suppression Technology Based on Dual Pulse-Width Modulation Method[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(3):129-133.

TM712

A

2096-2304(2017)03-0129-05