基于HHT军用电源逆变器电力谐波检测分析

张 瑞，倪 磊，樊 波，栾新宇

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

基于HHT军用电源逆变器电力谐波检测分析

张 瑞，倪 磊，樊 波，栾新宇

（空军工程大学防空反导学院，西安 710051）

电能逆变器是军用电源系统的核心，为提高军用电源输出电压电力谐波分析效果，提出改进型希尔伯特-黄变换（HHT）方法的检测分析方法，并设计基于LabVIEW平台的电压谐波检测和分析装置。在研究双闭环控制策略的基础上，针对模态混叠问题，先使用数字滤波器对输出电压信号进行预处理，再进行改进HHT分析，得到输出电压谐波分量的幅频分布，并利用MATLAB对军用电源逆变器模型进行仿真。结果表明该方法可以对军用电源变换器输出谐波分量实时检测和分析，计算精度高，分析效果好，为下一步的谐波抑制方法研究提供有力支持。

逆变器，谐波分析，希尔伯特-黄变换，双闭环控制

0 引言

由于各种非线性负荷接入实际电网中，电网中的谐波污染日益严重。电网中的谐波会严重危害用户设备与电力系统，影响电网的稳定可靠运作。所以，对电网谐波检测的研究是必要的，并通过检测的结果治理电力谐波，提高输出电压的质量，使电网的运行安全稳定［1-3］。

电能变换器作为军用电源系统的核心，目前常采用三相桥式逆变电路，其谐波检测分析方法主要有傅里叶变换和小波变换等［4］。其中，傅里叶变换分析法存在分辨率单一、计算量大的缺点，无法将信号频域和时域相结合，得到的信号参数不准；小波分析方法在很大程度上依赖于小波函数的选取，虽然分析效果较好，但是适用性有待提高。本文将改进希尔伯特-黄变换（Hilbert-Huang Transform，HHT）方法运用到军用电源逆变器的谐波分析上，根据电压信号基波能量较大、谐波能量较小、容易导致分解过程模态混叠［5-6］的特点，利用数字滤波器对信号进行预处理，通过对目标信号进行经验模态分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）后再对其进行希尔伯特变换（Hilbert，HT），得到变换器输出电压瞬时参数信息，最后基于LabVIEW平台验证了该检测方法的正确性。

1 三相电压源型逆变电路

三相桥式逆变电路拓扑结构如图1所示，其中，ui是逆变器直流输入电压，Ua、Ub、Uc为逆变器输出相电压，i为直流侧输入电流，ia、ib、ic为交流侧相电流；L 为网侧滤波电感，r为等效线阻，V1～V6为IGBT开关器件，通过控制开关器件关断，以此完成能量之间双向传输，并且其可以在四象限运行，具有电压谐波含量少、网侧功率因数可控等优点［6］。

图1 三相桥式逆变电路结构

通过32坐标变换，图1电路可变为两个互相独立单相全桥逆变电路，其拓扑结构如图2所示：

图2 单相全桥逆变电路

逆变电路空载运行时，输出电压uC和输入电压ui间的传递函数为：

在三相电压源型逆变器中，加入电容电流iC作为内环反馈，使输出电压uC在iC的微分作用下得到提前校正，因此，系统的带宽增大，带负载能力加强。本文以电容电流内环和输出电压外环控制为例，进行分析。双闭环控制原理框图如图3所示，其中GV为输出电压外环调节器，GI为滤波电容内环调节器，Kpwm为PWM环节等效增益。

输出电压UC经反馈后与给定基准电压Ur比较得到误差信号Ue，经过电压PI调节器后作为电流给定基准值，与滤波电容电流反馈信号比较，形成瞬时误差信号ik，ik经电流调节器GI后得到调节输出电压Uk，再与反馈输出电压UC比较，从而实现逆变器的滤波电容电流内环和输出电压外环控制。

图3 双闭环控制系统结构框图

2 改进HHT方法

希尔伯特-黄变换方法是近些年发展起来的一种适合非线性、非平稳信号的时频分析法，其核心包括对采集信号进行模态分解和信号分量本征模态函数（Intrinsic Mode Function，IMF）的希尔伯特变换，它克服了傅里叶分析法频谱泄漏和栅栏效应的缺点，同时还具有小波变换无法实现的自适应分解信号和无基函数选择等优点。

2.1EEMD分解

EMD分解是一个对信号进行筛选的过程，基于原始信号本身的特性选择基函数，具有极强的自适应性，适于处理非线性、非平稳信号。然而，基本EMD算法进行信号降噪仍有诸多问题亟待研究，例如模态混叠、寻找噪声主导IMF与信号主导IMF的分界点以及高频降噪阈值选取的问题等。基于此，Huang提出了集合经验模态分解（EEMD）法，EEMD将非平稳信号分解为n个平稳的本征模态函数IMF，经其分解的IMF模态混叠程度明显降低，而且保留了EMD自适应分解的优势。由于高斯白噪声的频率分布较均匀，因此，为了增强信号的连续性，EEMD通过过往信号中加入高斯白噪声来增加部分尺度［7］，这种改进型的EMD分解步骤如下：①向目标信号中加入一组高斯白噪声ni（t），白噪声幅值的平均值为0，得到新的信号

式中，xi（t）表示第i次加入白噪声后的信号；②利用EMD分解xi（t）得单分量cij（t）和趋势分量ri（t），cij（t）表示第i次加入白噪声后经EMD分解得到的IMF分量；③给目标信号加入不同的白噪声，重复上述步骤n次；④为避免ni（t）影响x（t），依据互无关联随机序列统计平均值为0的特性，对IMF取平均运算

其中，cj（t）为信号经EEMD分解的第j个IMF；⑤最终可得到分解函数

2.2 Hilbert变换

对EEMD分解得到的各阶IMF分量作希尔伯特变换，即：

构造解析信号

其瞬时幅值aj（t）为：

瞬时相位为：

瞬时频率为：

对每一阶IMF求取相应的解析函数的幅值谱、瞬时相角和瞬时频率，则原信号可以表征为：

不是所有的信号都可以由Hilbert变换得到瞬时频率，只有对单分量信号进行变换才有意义。EMD就是通过对目标信号进行分解，使之能够表示为许多单分量信号之和。

由Hilbert反变化可重构IMF分量：

3 数字滤波器设计

考虑电力系统的谐波实际，如果直接对采集信号进行HHT分析，无法得到正确结果。原因是基波能量远大于其他高次谐波分量的能量，EMD分解过程会发生IMF叠加，模态混叠现象［8］。本文利用数字滤波器对信号进行预处理，将能量较大的基波成分滤除，而后对剩余信号再进行HHT分析，从而达到抑制和削弱模态混叠的目的。

一般地，IIR数字滤波器的传递函数为：

与之对应的差分方程为：

其中，ak，bk分别为数字滤波器的常系数，X（z）、Y（z）分别为输入、输出信号的Z变换。

对应的差分方程为：

其中，α为常系数，一般0＜α＜1。数字滤波器的滤波效果随着α的增大而改善，但过大会导致系统不稳定。经分析和验证，当α=0.98最佳，任何一级滤波器的输入参量为xi（n），第i级滤波器的输出为yi（n），这样并联的多级滤波器可以滤除多个频率成分。

4 仿真实验

电压采集信号来源于一台容量为100 kw军用电源样机，电源逆变器控制系统采用滤波电容内环输出电压外环控制，其中，输出电压为单相145 V/400 Hz；滤波电感 L=250 μH；滤波电容 C=310 μH。

4.1MATLAB仿真

图4 输出电压波形图

在MATLAB/SIMULINK环境下搭建军用电源逆变换环节仿真模块，电源后接25 kw感性负载，参照军用电源实际样机参数进行仿真，电路综合阻尼设置为0.01 Ω，仿真时间为0.1 s，得到军用电源逆变器单相输出电压波形如图4所示。由图4可知，电压在0.025 s时达到稳定，对含噪信号EEMD分解得到分解信号如下页图5所示。观察发现，图中各个谐波分量频率由大至小均匀分布，其中IMF1、IMF2主要包含高频率的噪声信号，由Hilbert反变化重构IMF分量得到各谐波分量如图6所示。

4.2 实验设计

本文基于LabVIEW软件平台设计军用电源逆变器的输出谐波检测和分析装置，根据设计思想，只需采取一级滤波器即可完成400 Hz基频滤除，前置数字滤波器可取 i=1，ωi=2πf，f=400 Hz数据采集卡的型号为NI公司的NIPCI-6133型，系统设计结构图如图7所示。

图5 EEMD分解

图6 谐波分量波形图

图7 检测系统总体构架

信号源电压信号经电压传感器和信号调理电路（包括电气隔离、信号处理等）由NIPCI-6133型数据采集卡传输到计算机上。谐波检测和分析装置利用LabVIEW图形化数据流语言编写分析算法程序，对采集的数据进行分析，并利用偏移量修正和幅值修正，重现原信号的参数。调用相应的子程序和函数，计算信号中谐波的频率和幅值，并通过LabVIEW的可视化功能得到所需分析数据。具体算法程序流程如图8所示。

图8 算法流程图

实验设计中，军用电源样机后接25 kw感性负载，此时，军用电源逆变输出电压的谐波分量多为奇次谐波。利用基于LabVIEW平台的谐波检测和分析装置对输出电压奇次谐波进行分析，得到感性负载下输出电压奇次谐波分析结果如图9所示。由图

图9 谐波分量波形图

9可知，实验装置对逆变输出的电压进行检测，并分析得出军用电源逆变器输出电压的谐波，3次、5次、7次谐波分量被单独提取出来，谐波参量与Matlab仿真结果相符，能够实现预期功能。由此可见，基于改进HHT变换的谐波检测和分析装置能够对电力谐波进行精确的分析。

5 结论

从军用电源逆变器电路原理出发，设计了基于LabVIEW软件平台的军用电源的电能变换器谐波检测和分析装置，实现对输出电压谐波分量的检测和分析，与传统逆变器输出电压谐波分析方法相比，基于双闭环控制的改进HHT谐波分析方法能够准确解算出输出电压的谐波分量参数，自适应能力强，能够完成对目标信号特定谐波的提取和分析，具有测试精度高、扩展能力强、操作简单等优点，为今后研究电力系统谐波抑制策略提供有力的支持。

［1］彭双剑，罗安，荣飞，等.LCL滤波器的单相光伏并网控制策略［J］.中国电机工程学报，2011，31（21）：17-24.

［2］宋建成，刘国瑞，李永学，等.基于改进重复控制和双闭环PI控制的逆变器研究［J］.煤炭学报，2011，36（10）：1768-1772.

［3］刘德利，曲延滨.改进的希尔伯特-黄变换在电力谐波中的应用研究［J］.电力系统保护与控制，2012，40（6）：69-73.

［4］彭传彪，侯振义，王少坤，等.采用小波分析的滞环电流控制逆变器谐波分析 ［J］. 高电压技术，2010，36（7）：1839-1844.

［5］苏玉香，刘志刚，李科亮，等.基于HHT方法的电气化铁道谐波检测与分析［J］.铁道学报，2009，31（6）：33-38.

［6］李俊卿，于海波，张立鹏.基于EEMD-HHT的双馈感应发电机定子匝间短路故障研究［J］.电机与控制应用，2015，42（2）：65-72.

［7］时世晨，单佩韦，基于EEMD的信号处理方法分析和实现［J］，现代电子技术，2011，34（1）：88-91.

［8］李勇.基于HHT的谐波检测分析与研究［D］.兰州：兰州理工大学，2014.

Research on Power Harmonic Detection and Analysis for Military Power Inverter Based on HHT

ZHANG Rui，NI Lei，FAN Bo，LUAN Xin-yu
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

Power inverter is the core of military power system，in order to improve the effect of military power output voltage’s harmonic analysis，in this paper a method for harmonic analysis based on optimized HHT is presented and a monitor and analysis device for inverter’s harmonic based on LabVIEW is set up.Based on analyzing the double closed loop control method，and for the mode mixing，digital filter is used to preprocess the signal，and then optimized HHT analysis is conducted to get the output voltage amplitude and frequency distribution of harmonic component，in addition，MATLAB software is used to simulate the military power inverter model.The result of experiments indicated that the method gots the parameters of output voltage and harmonic accurately，harmonic is monitored and analyzed in current time，offering strong support for harmonic suppression study in the future.

inverter，harmonic analysis，HHT，dual-loop control

TM935

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.07.031

1002-0640（2017）07-0144-04

2016-05-10

2016-06-09

张 瑞（1992- ），男，河北沧州人，硕士。研究方向：储能电源关键技术。