本發(fā)明涉及電力系統(tǒng)多諧波源疊加領(lǐng)域的諧波疊加方法，特別是一種基于電容濾波的三相橋式整流型負(fù)荷諧波疊加方法。

背景技術(shù)：

隨著科技的飛速發(fā)展，電力電子技術(shù)已經(jīng)深入到電力、冶金、化工、通訊、鐵路電氣以及家電等各個(gè)領(lǐng)域。在電力電子裝置中，整流器作為裝置與電網(wǎng)的接口，占有相當(dāng)大的比重。由于目前的電網(wǎng)均為交流電，故通常電路都需要利用整流器進(jìn)行AC/DC變換。目前最常用的是電容濾波型三相橋式整流電路。電容濾波的三相橋式整流型負(fù)荷的廣泛使用，引起了人們對(duì)其網(wǎng)側(cè)諧波問(wèn)題的極大關(guān)注。一般來(lái)說(shuō)，系統(tǒng)中只有一個(gè)電容濾波的三相橋式整流型負(fù)荷工作時(shí)，網(wǎng)側(cè)的諧波可以方便求出，當(dāng)多個(gè)該負(fù)荷同時(shí)工作時(shí)應(yīng)考慮諧波疊加的問(wèn)題。傳統(tǒng)的諧波疊加方法是把各個(gè)非線性負(fù)荷看作固定諧波源，而忽略了非線性負(fù)荷的分散效應(yīng)、衰減效應(yīng)以及線性負(fù)荷與非線性負(fù)荷的諧波消減效應(yīng)，這樣往往容易造成對(duì)電網(wǎng)諧波水平的過(guò)高估計(jì)。因此，對(duì)電網(wǎng)中的非線性負(fù)荷進(jìn)行準(zhǔn)確的諧波分析，評(píng)估其諧波發(fā)射能力以及對(duì)系統(tǒng)中公共連接點(diǎn)的諧波貢獻(xiàn)，是目前亟待解決的重要問(wèn)題之一。這對(duì)電力系統(tǒng)諧波治理，提高電力系統(tǒng)的電能質(zhì)量，具有重要意義。

在電力系統(tǒng)中，由于諧波相位分散性的存在，使諧波出現(xiàn)抵消或削弱的現(xiàn)象。如果在負(fù)荷規(guī)劃時(shí)能合理利用上述諧波電流抵消或削弱的現(xiàn)象，可主動(dòng)減少非線性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的諧波污染以及更好的制定諧波治理措施，降低電力系統(tǒng)諧波治理的成本。然而，諧波源如何進(jìn)行組合才能有效減小對(duì)電網(wǎng)的污染，現(xiàn)有技術(shù)中還沒(méi)有相關(guān)的研究方案。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種基于電容濾波的三相橋式整流型負(fù)荷諧波疊加方法，可以主動(dòng)減少電容濾波的三相橋式整流型負(fù)荷諧波對(duì)電網(wǎng)的影響以及更好的制定諧波治理措施，降低電力系統(tǒng)諧波治理的成本。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種基于電容濾波的三相橋式整流型負(fù)荷諧波疊加方法，包括：在交流側(cè)母線上連接兩個(gè)相同的電容濾波型三相橋式整流電路；每一電容濾波型三相橋式整流電路包括：連接交流側(cè)母線的三相二極管整流器，以及并聯(lián)在所述三相二極管整流器的直流側(cè)的濾波電容與負(fù)載電阻；其中，這兩個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路中濾波電容的電容大小之差超過(guò)閾值。

首先，在交流側(cè)母線上連接第一個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路，并根據(jù)第一個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路的結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)其電路網(wǎng)側(cè)諧波電流初相角的表達(dá)式，得到諧波電流初相角在相位空間的理論分布狀況；

其次，根據(jù)上一步驟中的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)搭建仿真模型，計(jì)算仿真模型的諧波電流初相角在相位空間的仿真分布狀況，并比較諧波電流初相角在相位空間的理論分布狀況與仿真分布狀況之差是否在設(shè)定范圍內(nèi)，以驗(yàn)證仿真模型的正確性；

再通過(guò)分散系數(shù)的概念來(lái)量化諧波電流疊加抵消或削弱的效果，所述分散系數(shù)的值在0～1之間變化，越接近1表明抵消或削弱效果越差，越接近于0表明抵消或削弱效果越好；

然后，在正確仿真模型中的連接第二個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路，推導(dǎo)諧波電流初相角的分散性和濾波電容的差異性對(duì)諧波電流疊加抵消或削弱效果的影響；

最后，根據(jù)仿真研究結(jié)果，在交流側(cè)母線上連接第二個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路，并結(jié)合負(fù)荷要求，確定兩個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路中濾波電容的電容大小。

電容濾波型三相橋式整流電路網(wǎng)側(cè)諧波電流初相角的表達(dá)式為：

式中，θ為電容濾波型三相橋式整流電路網(wǎng)側(cè)諧波電流初相角，下標(biāo)n為諧波次數(shù)；

式中，R為負(fù)載電阻大小，C為濾波電容大小。

由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，通過(guò)對(duì)兩個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路諧波電流疊加的研究，得出了諧波電流疊加抵消或削弱效果的影響因素。利用上述影響因素，給出電容濾波的三相橋式整流型負(fù)荷的諧波疊加方法，可主動(dòng)減少該非線性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的諧波污染以及更好的制定諧波治理措施，降低電力系統(tǒng)諧波治理的成本。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例提供的一種基于電容濾波的三相橋式整流型負(fù)荷諧波疊加方法的示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例提供的電容濾波型三相橋式整流電路原理圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例提供的電容濾波型三相橋式整流電路仿真圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例提供的電容濾波型三相橋式整流電路諧波電流疊加仿真圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例提供的圖4仿真電路的特征次諧波電流的分散系數(shù)圖；其中的a～d分別為5次、7次、11次、13次諧波電流分散系數(shù)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于電容濾波的三相橋式整流型負(fù)荷諧波疊加方法，如圖1所示，其主要包括：在交流側(cè)母線上連接兩個(gè)相同的電容濾波型三相橋式整流電路；每一電容濾波型三相橋式整流電路包括：連接交流側(cè)母線的三相二極管整流器，以及并聯(lián)在所述三相二極管整流器的直流側(cè)的濾波電容與負(fù)載電阻；其中，這兩個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路中濾波電容的電容大小之差超過(guò)閾值。

該方法可主動(dòng)減少該非線性負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的諧波污染以及更好的制定諧波治理措施，降低電力系統(tǒng)諧波治理的成本。

為了便于理解，下面針對(duì)研究推導(dǎo)過(guò)程做詳細(xì)的分析說(shuō)明。

1)在交流側(cè)母線上連接第一個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路。

如圖2所示，電容濾波型三相橋式整流電路包括：連接交流側(cè)母線的三相二極管整流器，以及并聯(lián)在所述三相二極管整流器的直流側(cè)的濾波電容C與負(fù)載電阻R；負(fù)載電阻的電阻大小取一固定的值，所述濾波電容的電容大小在一定的范圍內(nèi)變化。為便于描述，電阻大小、電容大小也分別用R、C表示。

2)根據(jù)圖2所示的第一個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路的結(jié)構(gòu)，推導(dǎo)其電路網(wǎng)側(cè)諧波電流初相角的表達(dá)式，得到諧波電流初相角在相位空間的理論分布狀況。

具體過(guò)程如下：

設(shè)二極管VD₁和VD₆每次在距線電壓e_ab過(guò)零點(diǎn)θ角處開(kāi)始導(dǎo)通，線電壓為：

e_ab＝E_m sinωt；

式中：E_m為線電壓有效值；ω＝2πf，f＝50Hz；t為時(shí)間。

而相電壓為：

設(shè)VD1和VD6的導(dǎo)通角為δ，交流側(cè)電流i_a是以2π為周期的周期函數(shù)，其一個(gè)周期內(nèi)的表達(dá)式為：

對(duì)其進(jìn)行傅立葉分解，可得

式中，n為諧波次數(shù)，n＝6k±1，k＝1,2,3…；I_n為n次諧波電流有效值；θ_n為n次諧波電流初相角。

由上式可得，電容濾波型三相橋式整流電路網(wǎng)側(cè)諧波電流初相角的表達(dá)式為：

3)根據(jù)圖2所示的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)搭建仿真模型，計(jì)算仿真模型的諧波電流初相角在相位空間的仿真分布狀況，并比較諧波電流初相角在相位空間的理論分布狀況與仿真分布狀況之差是否在設(shè)定范圍內(nèi)，以驗(yàn)證仿真模型的正確性。

示例性的，仿真模型可以利用MATLAB/SIMULINK搭建，搭建結(jié)果如圖3所示。

4)通過(guò)分散系數(shù)的概念來(lái)量化諧波電流疊加抵消或削弱的效果。

分散系數(shù)定義為不同參數(shù)整流電路各次諧波電流的向量和與代數(shù)和之比，表征的是由不同參數(shù)整流電路各異的諧波相位特性導(dǎo)致系統(tǒng)總電流抵消或削弱的作用。各次諧波分散系數(shù)定義式如下：

上式中，DF_h為分散系數(shù)；I_ih為第i個(gè)整流電路第h次諧波電流幅值；為第i個(gè)整流電路第h次諧波電流向量。分散系數(shù)的值在0～1之間變化，越接近1表明抵消或削弱效果越差，越接近于0表明抵消或削弱效果越好。

5)在正確仿真模型中的連接第二個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路，結(jié)果如圖4所示，推導(dǎo)諧波電流初相角的分散性和濾波電容的差異性對(duì)諧波電流疊加抵消或削弱效果的影響。

隨著諧波電流次數(shù)的增加，諧波電流分散系數(shù)逐漸減小。即諧波電流初相角的分布越分散，諧波電流互相抵消或削弱的效果越好。各次諧波電流的分散系數(shù)與濾波電容的差異性有關(guān)。兩濾波電容大小相差的越小，諧波電流的分散系數(shù)越大，諧波電流抵消或削弱的效果越差。兩濾波電容大小相差的越大，諧波電流的分散系數(shù)越小，諧波電流抵消或削弱的效果越好。

6)根據(jù)仿真研究結(jié)果，在交流側(cè)母線上連接第二個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路，并結(jié)合負(fù)荷要求，確定兩個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路中濾波電容的電容大小。

在實(shí)際工作中，根據(jù)前述1)-6)的結(jié)果，可以在負(fù)荷規(guī)劃時(shí)盡量使濾波電容大小相差較大的電容濾波的三相橋式整流型負(fù)荷接入同一個(gè)系統(tǒng)，具體的電容大小可根據(jù)實(shí)際情況來(lái)設(shè)定。利用濾波電容相差越大，諧波電流抵消或削弱的效果越好的特點(diǎn)，來(lái)減小諧波對(duì)系統(tǒng)的影響，降低系統(tǒng)諧波治理的成本。

下面結(jié)合一具體的示例進(jìn)行說(shuō)明；需要說(shuō)明的是，下述示例中所采用的數(shù)值僅為舉例，用戶可根據(jù)實(shí)際的需求做相應(yīng)的更改。

本示例中，電源電壓E_a為220V，負(fù)載電阻為10Ω，濾波電容C在1.6～10.6mF之間變化。

將上述參數(shù)代入到電容濾波型三相橋式整流電路網(wǎng)側(cè)諧波電流初相角的表達(dá)式中，可以得到特征次諧波電流初相角的分布狀況為5次諧波電流初相角分布于-20.8°～7.3°之間；7次諧波電流初相角分布于115.1°～158.7°之間；11次諧波電流初相角分布于-152.4°～-50.6°之間；13次諧波電流初相角分布于-15.6°～129.7°之間。

在圖2所示的仿真模型中，將電路中各變量的參數(shù)設(shè)置成上述參數(shù)的值，仿真得到特征次諧波電流初相角的分布狀況為5次諧波電流初相角分布于-21.7°～8.9°之間；7次諧波電流初相角分布于112.0°～160.9°之間；11次諧波電流初相角分布于-155.6°～-44.8°之間；13次諧波電流初相角分布于-20.5°～135.5°之間。對(duì)比發(fā)現(xiàn)理論分析得到的電容濾波型三相橋式整流電路特征次諧波電流初相角的分布范圍和仿真得到的結(jié)果具有較高的一致性，進(jìn)一步證明了仿真模型的正確性。

為了研究電容濾波型三相橋式整流電路諧波電流疊加的效果，在上述仿真模型的母線下再連接一個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路，如圖3所示。該仿真模型參數(shù)的設(shè)置如表1所示，C₁和R₁分別表示第一個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路的濾波電容和負(fù)載電阻，C₂和R₂分別表示第二個(gè)電容濾波型三相橋式整流電路的濾波電容和負(fù)載電阻。

表1仿真模型參數(shù)

通過(guò)仿真得到特征次諧波電流的分散系數(shù)如圖5所示，圖5中的a～d分別為5次、7次、11次、13次諧波電流分散系數(shù)圖。

由圖4特征次諧波電流分散系數(shù)的仿真結(jié)果可以得到如下結(jié)論：隨著諧波電流次數(shù)的增加，諧波電流分散系數(shù)逐漸減小。即諧波電流初相角的分布越分散，諧波電流互相抵消或削弱的效果越好。各次諧波電流的分散系數(shù)與濾波電容的差異性有關(guān)。兩濾波電容大小相差的越小，諧波電流的分散系數(shù)越大，諧波電流抵消或削弱的效果越差。兩濾波電容大小相差的越大，諧波電流的分散系數(shù)越小，諧波電流抵消或削弱的效果越好。

利用上述的研究結(jié)論，在負(fù)荷規(guī)劃時(shí)盡量使濾波電容大小相差較大的電容濾波的三相橋式整流型負(fù)荷接入同一個(gè)系統(tǒng)。利用濾波電容相差越大，諧波電流抵消或削弱的效果越好的特點(diǎn)，來(lái)減小諧波對(duì)系統(tǒng)的影響，降低系統(tǒng)諧波治理的成本。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書(shū)的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。