探讨进线电抗器与串联电抗器抑制谐波的机理

      探讨进线电抗器与串联电抗器抑制谐波的机理
      摘 要：大容量的变流器供电系统减少向电网注入谐波的主要方法是采用多相整流电路和变流器的多重化技术，一般需要采用多绕组移相变压器进行电路移相。该文提出了一种用进线电抗器与串联电抗器取代移相变压器的电路拓扑结构，可大大降低移相电路的成本。

      本文分析了进线电抗器与串联电抗器的谐波抑制机理，介绍了进线电抗器与串联电抗器的结构、最佳移相角的选取、移相绕组连接方式及移相绕组匝数的确定等。对具有进线电抗器与串联电抗器的六相整流系统进行了基于SIMULINK的数字仿真和实验研究，并与未采用移相方式的三相全波整流电路进行了对比分析。仿真与实验结果的电流频谱分析表明，采用进线电抗器与串联电抗器的六相整流电路对于电源侧的5、7、11和13次电流谐波有较好的抑制效果。

      关键词：进线电抗器；串联电抗器； 多相整流电路； 抑制谐波； 移相电抗器； 

      一、引  言
　　由于变流装置中用作换流元件的电力半导体器件工作在开关状态，变流器产生的电压和电流多为非正弦波形，包含了大量的谐波。近年来，随着电力电子装置的广泛应用，使得电力电子变流装置成为电力系统最大的谐波源。电压和电流谐波对用电和通信设备产生一系列不利影响，因而谐波抑制成为变流器供电系统亟待解决的问题。
　　
　　在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大，也是最大的谐波来源。大容量的变流器供电系统减少向电网注入谐波的主要方法是采用多相整流电路和变流器的多重化技术，一般需要采用多绕组移相变压器进行电路移相。本文所介绍的是用进线电抗器与串联电抗器取代移相变压器的一种新型电路拓扑结构，由于进线电抗器与串联电抗器是串联在主电路中，需要的移相线圈匝数很少，与移相变压器相比，体积和重量要小得多，从而可大大降低移相电路的成本。

　　本文论述了进线电抗器与串联电抗器谐波抑制的工作原理与设计方法，包括最佳移相角的选取、进线电抗器与串联电抗器结构、移相绕组匝数与连接方式的确定等。对具有进线电抗器与串联电抗器的六相整流系统进行了数字仿真和实验研究，并与未采用移相方式的三相全波整流电路进行对比分析，证明采用进线电抗器与串联电抗器的多相整流电路对电源侧的电流谐波确有较好的抑制效果。

      二、进线电抗器与串联电抗器的理论分析
　　1、进线电抗器与串联电抗器的工作原理
　　进线电抗器与串联电抗器的作用是用来削弱或消除电力半导体变流装置和非线性负载产生的谐波电流和电压对供电系统的影响。考虑到三相对称供电系统中一般以5、7、11和13次谐波含量较大且对系统影响较为严重，故进线电抗器与串联电抗器可主要针对综合削弱这几次谐波来设计。其工作原理可由图1所示电路接线图及相量图说明。

      如图1(a) 所示，将一相电流I分为2个支路电流I1和I2。通过适当选取移相绕组的匝数和接线方式可使支路电流的基波和I1相对于相电流基波I1 分别移相a 角和－a 角，则基波相电流与支路电流的相量关系如图1(b)所示。由于a 角较小，总的相电流基波即采用移相后对基波电流的影响不大。然而，采用移相接法对谐波分量的影响却较大。以5次谐波电流为例，2支路的5次谐波电流相对于相电流基波I1 分别被移相5a 和－5a 角，如图1(c)所示，由于接近于大小相等和方向相反，使来自负载端由于半导体变流器或非线性负载产生的5次电流谐波接近互相抵消，从而减轻或削弱了负载谐波电流对供电系统的影响。

　　2、最佳移相角的确定
　　由上面分析可知，通过选取某个特定的移相角可消除某次谐波电流的影响，如取a =18度，则可消除5次谐波。想通过选定某个特定的移相角来同时消除多次谐波带来的影响是不可能的。要想通过选定某个特定的移相角同时对几次谐波都有较好的削弱作用，必须综合考虑移相角对各次谐波的影响。不同移相角对基波和5、7、11和13等主要次谐波的衰减作用如图2示。考虑到5次和7次谐波分量通常比11和13次谐波含量大且对供电系统的影响更为严重，可选取移相角a≈11度。

　　3、进线电抗器与串联电抗器的结构和移相绕组联结方式
　　三相进线电抗器与串联电抗器的绕组接线原理如图3所示。图中X、U1和U2端，Y、V1和V2端及Z、W1和W2端所在的三组线圈分别绕在同一铁心柱上，各移相绕组的电压相量和同一铁心绕组间的同名端也被表示出来。通过绕组匝数的调整和相间换接，可获得所需移相角。三相进线电抗器与串联电抗器的铁心一般可采用两种结构型式，即如图4所示的由3个独立铁心构成的三相进线电抗器与串联电抗器和采用单一五柱式铁心的三相进线电抗器与串联电抗器。

　　具有3个独立铁心的三相进线电抗器与串联电抗器的优点是结构简单和易于制造，与图4(b)所示五柱式铁心结构相比，缺点是用铁量大。五柱式铁心相当于图4(a)所示3个独立的单相电抗器，不采用传统的三柱式铁心而增加两个小截面的心柱是为谐波磁通（主要是由3的倍数次谐波电流产生的零序磁通）提供通路，以减小谐波磁场的影响和改善电磁兼容性。与基波磁通相比，零序磁通相对较小，故可采用小截面。显然，采用五柱式铁心可以节省铁心材料。

　　4、移相绕组电压与匝数的确定
　　图3所示的三相进线电抗器与串联电抗器绕组电压的相量关系如图5所示。设电气中性点为O，UX为A相输入相电压，而UV1和UV2分别输出移相电压。因三相进线电抗器与串联电抗器的三组绕组呈对称连接，故其它两组线圈移相规律与A相相同并互差120度。显然，对于不同的供电电源电压及不同的移相角，移相绕组上的电压UAX、UBY和UCY是不同的。设移相绕组上电压的有效值为由式(4)可确定移相绕组的电压和匝数。

      三、具有进线电抗器与串联电抗器的六相整流系统
　　1、系统仿真研究
　　具有进线电抗器与串联电抗器的六相整流系统原理接线图如图6所示。所用进线电抗器与串联电抗器由如图4(a)所示的3个独立铁心组成，系统由线电压380 V、频率50 Hz的正弦波电源供电。根据式(4)求得移相绕组电压的有效值UA、UB和UC分别为5.06 V、40.7 V和45.54V，相应的移相绕组匝数分别为7、54和61。

　　使用MATLAB的动态仿真工具Simulink对该六相整流系统进行了仿真，系统仿真模型如图7所示。图7(a)为总模型，其中包括进线电抗器与串联电抗器和二极管2个子模块。图7(b)为进线电抗器与串联电抗器模块，每个互感线圈子模块中需输入每个线圈的电阻、自感和线圈间互感等参数。外加线电压380 V、频率50 Hz的三相对称电源。负载电阻R=25W，电感L=0.01H，滤波电容C=10UF。

　　进线电抗器与串联电抗器的输入端电流ia的仿真波形如图8(a)所示。为了将移相与不移相的谐波抑制效果进行对比，对带相同负载未移相的三相全波整流电路也进行了仿真，其电源侧电流仿真波形如图8(b)所示。对两种情况下的电流进行了频谱分析，谐波含量对比如图9所示（I1和In分别代表基波和第n次谐波电流的有效值）。可见，移相后的电源侧电流中5、7、11和13等主要次谐波分量皆有下降。

　　2、实验验证
　　实验所用三相进线电抗器与串联电抗器和仿真所用模型相同，三种移相绕组的匝数分别取为7、54和61匝。实验结果如图10所示。由图10(a)可见，移相绕组电压UV1和UV2分别超前和滞后于输入端相电压UX 约11度。当整流输出带25W电阻和0.01 H电感串联组成的感性负载时，测得的电源侧电流如图10(b)所示。带相同负载而未经移相的三相全波整流电路的电源侧电流如图10(c)所示。两种情况下电源侧电流频谱分析对比如图10(d)所示。由图10(b)和10(c)对比可知，进线电抗器与串联电抗器电源侧的电流更接近于正弦波，图10(d)的电流频谱对比则更加清晰的说明了采用进线电抗器与串联电抗器能综合削弱变流器产生的谐波电流。

      四、结  论
　　1、进线电抗器与串联电抗器对变流器供电系统的谐波抑制机理与移相变压器相似，但其体积小而成本低。
　　2、通过采用合理的相间绕组连接方式和选取合适的移相绕组匝数，可获得所需要的移相电压，从而削弱向电网注入的某些谐波。
      3、具有进线电抗器与串联电抗器的六相整流系统的仿真和实验结果表明，进线电抗器与串联电抗器确有较好的谐波抑制效果，具有良好的应用前景。

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