ISPS系统谐波的提取利用

牟玉瑕

(东北电力大学电气工程学院，吉林 吉林 132012)

智能型快速应急电源（Intelligent speedy power supply）简称ISPS，与传统的UPS不间断电源相比，它具有投切时间短、用电效率高、安全可靠性高和节能环保等特点，而节能环保是ISPS系统最具代表性的特征之一，主要体现在ISPS系统可以实现谐波的提取利用。ISPS系统内部会有大量的谐波产生，这些谐波对系统的运行以及系统的安全可靠性都具有很大的危害。谐波会降低电能的生产、传输和利用的效率，使电气设备过热、产生振动和噪声，并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。谐波可能会引起系统局部并联谐振或串联谐振，使谐波的含量放大，致使电容器等设备被烧毁。对于电力系统的外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重的干扰。1993年，我国颁布了《中华人民共和国国家标准GB/T 14549-1993》，这对电网谐波有着明确的限值要求。传统的谐波处理方式通常是使用滤波器将谐波过滤掉。近几年，国家积极响应“绿色电网”的建立，谐波对电网虽然有害，但其本身也是一种能源，如果对其进行提取利用，这将会大大减少能源的浪费。ISPS可以看做一个微小的电网系统，系统内部产生谐波的设备很多，如整流器、逆变器、变压器等，由于ISPS系统一般都会处于市电正常工作的状态，在这一状态下，市电会对系统内的蓄电池充电装置进行充电，其中的整流器与其它器件相比，则会长时间处于工作状态，所以系统的主要的谐波源是整流电路部分。由于ISPS系统产生谐波畸变的主要是电流，所以，本文将着重对ISPS系统整流部分的谐波电流进行分析和处理。

1 ISPS系统的谐波特性

（1）整流器的谐波分析。ISPS系统采用的是6脉冲三相全控桥式整流电路，这种电路具有易于控制输出信号的优点，但由于它的电子器件繁多，电路较为复杂，且工作时间较长，所以产生了大量的谐波。

若整流电路是由K个三相桥式整流电路构成的6K脉冲整流电路，那么电路中将产生6K±1（K=1、2、3、……）次谐波，K取1时，即为6脉冲整流器，产生谐波的次序为5、7、11等。

（2）交流侧的谐波仿真。首先，要对ISPS系统的整流电路部分进行MATLAB建模，如图1所示，系统采用的是三相全桥整流电路，脉冲是6，频率为50Hz，由于是对蓄电池充电装置进行充电，所以负载部分用电容和电阻来代替充电装置。然后，对模型进行仿真，检测出整流器交流侧的电压电流的波形图和频谱图，本文选取了交流侧A相进行检查，整流器交流侧的谐波电流中5次、7次谐波的含量较高，分别是26.4% 和 9.4%。

2 ISPS系统的谐波提取与利用

（1）高次谐波的过滤。由于整流器交流侧的谐波电流中5次和7次谐波的含量最高，7次以上的谐波含量非常低，可以忽略不计，因此，不便对其进行整流处理，但为了保证流入系统的电流不被谐波所影响，先对电流的高次谐波进行过滤，保留基波、5次谐波和7次谐波即可，在这里选用低通滤波器。然后，再对处理后的谐波电流进行分类提取，在这里选取了A相来进行检测，见图1。图1不仅是过滤高次谐波之后的电流仿真图，也是过滤掉的高次谐波。

图1 过滤高次谐波之后的电流仿真图

（2）谐波的提取。过滤掉高次谐波之后，要提取5次、7次谐波，在这里利用无源滤波器的谐振原理，将5次、7次谐波从电流中分离，工作原理见图2，图中IS是交流侧总电流，I是过滤掉高次谐波后的电流，I（1）、I（5）、I（7）分别是基波、5次谐波和7次谐波，I=I（1）+I（5）+I（7），C5、L5在250Hz下发生谐振，对5次谐波呈低阻态，C7、L7在350Hz下发生谐振，对7次谐波呈低阻态，因此，I（5）可以从C5、L5处流过，I（7）从C7、L7处流过，两条谐波分别进入不同的整流电路中进行整流处理。

图2 谐波分离提取的工作原理图

对电流I进行谐波分离，分离出流入负载的电流I（1）、5次谐波I（5）、7次谐波I（7）的MATLAB仿真图，见图3。

图3 基波、5次谐波、7次谐波的仿真图

而谐波分离之后，流入负载的电流的I（1）频谱图，系统电流的畸变率从29.4%下降到了1.98%。

（3）谐波的整流处理。由于以上的操作过程都只是在A相的基础上进行，提取出来的谐波都是在A相上进行提取，但实际中，提取出来的谐波都是三相的，各相谐波也都相差120°，所以，对于谐波的处理，也要选用三相桥整流电路，由于谐波的处理对相位控制没有要求，而且由于5次和7次谐波的频率较高，晶闸管对波形的频率有所要求，二极管的工作频率可达到几十MHz，所以，在这里将晶闸管替换成二极管。5次和7次谐波提取成功之后，要对这两种谐波进行整流处理，由于两种谐波的频率不同，因此要选用两种不同频率下的整流电路，对谐波进行整流处理。

由于在A相中提取出的谐波电流的大小分别为I（5）=10.56A，I（7）=3.76A，为了使 Rf1、Rf2所分的谐波电流尽可能的少，这两个电阻取值应该尽可能的大，在这里两个电阻的大小都选为10kΩ，那么，Rf1、Rf2所分得的谐波电流非常小，可以忽略不计，而这时流入整流系统的电流分别是10.56A和3.76A。而且，谐波整流电路交流侧的电压U(5)和U(7)都要在220V以下，此时，U(5)约为59V，U(7)约为26V，5次、7次谐波进行三相整流之后，流入充电装置部分的电压和电流分别是104V、10.4A和36.4V、3.65A。由以上两图可知，5次、7次谐波整流处理之后流入蓄电池充电装置的电压大约为 104V 和 36.4V，电流大约是 10.4A 和 3.65A，那么蓄电池充电装置吸收的功率分别为1082W和132.86W，而Rf1、Rf2处的电流是mA或μA级别，所以二者消耗的能量可以忽略不计。那么，在一年的时间里，实际流入充电装置的电能大约是10643.4kW·h，而如果直接将谐波过滤掉，那1年浪费掉的能量大约是58551kW·h，此次，对谐波的提取和再利用的效率约为18.2%。

3 结语

本文针对谐波的治理方面提出了一种谐波提取利用的方法，实现对谐波能源的再次利用，本文对这一方法进行了详细的说明，其中重点描述了谐波的提取和它的整流处理的方法，并在此基础上进行了MATLAB建模和仿真，验证该方法的可行性。本文根据传统无源滤波器的谐振原理，对谐波含量较高的5次和7次谐波进行了分离提取，并且将系统中高次谐波过滤掉，使得流入负载的电流的畸变率由原来的29.4%下降到了1.98%。然后，对提取成功后的5次和7次谐波进行三相整流处理，并且将整流电路中的晶闸管替换成工作频率更高的二极管，最后，将处理后的谐波直接存储到蓄电池充电装置中。这样，便可以实现谐波能源的利用了。