低压配电网络的电力电子装置谐波分析.docx

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低压配电网络的电力电子装置谐波分析

舰船低压配电网络中电力电子系统的谐波分析

摘要:

本文主要分析了舰船低压配电网络。

在功率变换网络中，无源谐波消除技术仍然是很重要的解决方案。

由于系统级并联的变换器依赖于很多不同的因素，这些方案给出了多种谐波性能评价。

因此，本文基于不同的电网类型和电力电子参数，对局部电网系统的谐波性能进行分析。

为了分析电网的电能质量，文中还阐述了电流谐波相位角的重要性；并对不同的三相功率变换器拓扑分别进行比较；最后，进一步拓展到单相变换器和三相变换器混合网络的分析。

关键词：

谐波消除；电感；微型电网；电能质量；电力系统；总谐波失真

1.引言

越来越多非线性负载在舰船上广泛应用，比如功率变换器、变速调频驱动、不同类型的工业泵、空调、冷藏压缩机、发电机等。

这些负载在配电网络中产生了很高的谐波失真。

谐波失真引起设备功率损耗，中性点过载，变压器过热，断路器跳闸和功率因数校正电容器过压等现象。

而且，电流谐波加载在电网电网上引起电压谐波，导致电能质量下降，影响电力系统稳定性。

因此，为了提高电网的质量，发展完善谐波消除技术是非常重要的手段。

针对单个装置和整套系统的谐波消除技术可以提高电网电流和电压波形，主要分为：

无源技术[3]，多脉冲整流技术[6][7]，有源谐波消除技术[8]-[11]等。

在很多低功率工业运用中，无源技术（比如AC和DC扼流电抗器）由于其经济性、简易性和可靠性方面的优势，仍然是优选方案。

近年来，一种运用在三相功率变换器上的超薄DC环节电容器在谐波消除技术领域越来越受到关注[12][13]。

因此，本文主要关注的是最常见的无源谐波方案，比如AC电抗器，DC电抗器和运用在三相功率变换器上的超薄DC环节电容器。

通常情况下，假定单个装置和一套系统的功率变换器的谐波性能一样。

因此，期望通过合并单个装置的谐波消除技术解决系统电流谐波问题。

由于相位角变化，使得系统内并联的变换器装置很有可能消除电流谐波。

要实现这个可能性依赖很多因素，比如电网电感，变压器参数，系统结构，负载类型和拓扑形式等。

本文提出并分析了单个装置和整套系统的电力电子谐波性能，并基于电流谐波相位角对系统谐波消除机制的数学模型进行分析。

在文献[14][15]中，介绍了大量连接共耦合点（PCC）的带有超薄DC侧电容器的变换器的谐波性能。

相比传统的功率变换器（AC电抗器和DC电抗器），带有超薄DC侧电容器的谐波性能要差很多。

在文献[14][15]中，比较分析只是涉及了电流谐波幅度，而有关电流谐波的相位角信息并未提出。

假设有超薄DC侧电容器的变换器和其它拓扑形式结合能获得更好的谐波消除性能。

因此，本文分析了在不同的电网条件下，从单个装置到多个装置结构的电流谐波相位角变化，并对每个拓扑形式进行比较。

在舰船上，有大量的单相非线性负载连接到网络中，比如电脑、电视、洗衣机、电池充电器、荧光灯等。

在文献[16][17]中已经研究了短路比、直流环节电容器和DC扼流电感对电流谐波幅值和相位角的影响。

目前有一些关于估算电流谐波相位角。

研究表明，三相功率变换5次电流谐波相位角和单相功率变换器反相[20]。

在文献[20]中，研究了三相与单相变换器组合单元。

在实际应用中，由于相位角变化，使得系统内并联的变换器装置很有可能消除电流谐波。

因此，本文着重研究针对不同负载，连接在同一PCC上的三相变换器和多个并联单相变换器的谐波消除性能。

2.系统描述

一个典型的电力系统网络通过降压变压器，在舰船不同的位置连接了大量的非线性负载，如图1（a）所示。

整个系统分为两个部分：

低压（A）和中压（B）网络。

低压配电网络的配电细节如图2所示。

本文只考虑低压配电网络和微型电网。

在变压器副边并联了大量的电力电子系统（如图1（b）所示），这些电力电子系统可以是三相系统或者是单相系统。

系统电感包括电网电感和变压器电感。

文中以一个带有电网电感Lg的理想三相电压源Vs（U=440V,f=60Hz）等效电网模型；以一个没有电磁饱和和带有串联电感Lt的理想变压器等效变压器模型。

因此，系统的总电感Ls=Lg+Lt。

在低压应用中，六脉冲不可控全桥整流器是广泛运用的的三相变换器。

因此，本文主要考虑三相二极管整流器（TDR）。

拓扑形式和结构如图2（a）-（c）所示。

单相变换器拓扑也有很广泛的应用。

为了消除单相二极管整流器（SDR）的电流谐波，使用AC或者DC扼流电感。

不过本文只讨论SDR的DC扼流电感结构，可以帮助我们分析系统中单相变换器低阶谐波的影响。

文中考虑两种类型的发电机和变压器，构建Ls=2μH（其中Lg=1μH，Lt=1μH）的刚性电网和Ls=130μH（其中Lg=100μH，Lt=30μH）的柔性电网。

这是具有10%-15%基础阻抗微电网和5%-15%基础阻抗变压器的典型数值。

图1（b）展示的低压配电网络有很多三相和单相功率变换器单元联结到同一个PCC。

三相功率变换器工作在1，3和6KW；单相功率变换器分别工作在22，108和409W。

3.低压配电网络（LVDN）的谐波分析

本文主要的目的是分析电网参数对三相和单相功率变换器的影响，然后比较分析基于电流谐波相位角变化的系统谐波性能。

本节分三个部分对三相、单相和混合形式的变换器拓扑的谐波性能进行分析。

3.1三相功率变换器谐波分析

这节中使用最常见的TDR结构（包括AC扼流电感、DC扼流电感和超薄DC环节电容）分析单个装置和系统的谐波性能。

为了使分析具有一般化，在第一阶段进行敏感性研究，分析变换器参数（AC扼流电感、DC扼流电感和超薄DC环节电容）对TDR谐波性能的影响。

还比较了柔性电网条件下，在不同的工作功率，不同参数（AC扼流电感、DC扼流电感和超薄DC环节电容）的电流总谐波失真THD。

如图3所示。

仿真结果表明，DC环节电容变化没有给电流谐波带来明显的改变。

这是由于变换器中的直流环节电容没有明显改变系统的谐振频率。

另一方面，AC或者DC扼流电感对电流谐波性能有很明显的影响。

通过提高AC或者DC扼流电感的值可以改善THDi。

最合适的扼流电感值已经根据国际规范IEC61000-3-2和IEC61000-3-12算出来。

因此，为了进一步研究带有AC或者DC扼流电感的功率变换器，选择下面的参数：

1）单相变换器，Ldc=2.5μH（5%的基础阻抗），Cdc=500μF；

2）单相变换器，Ldc=1.5μH（3%的基础阻抗），Cdc=500μF；

3）三相变换器，Cslim=30μF；

3.1.1单个三相功率变换器（TPC）的谐波分析

假定只有一个TPC联结在PCC上，如图4所示。

这个TPC可以是在图2（a）-（c）的中提到的拓扑。

针对两种网络类型进行了功率变换器谐波分析。

分析过程中对不同工作功率条件进行仿真，并获得了每个拓扑中变压器原边的电流和电压谐波失真，如图5（a）和（b）所示。

为了限制数据的数量，本文只考虑了5次电流谐波，其他谐波有类似的实验结论。

5次电流谐波相位角如图5（c）所示。

从图5（b）可以看出，由于刚性电网中存在低压系统电感，三个拓扑在各个工作功率的THDv的值几乎为零。

从三个图中可以看出，带有DC和AC扼流电感的变换器谐波性能很相似。

相比其他拓扑，带有超薄DC环节电容的变换器有着不同的相位角。

很多研究表明，带有超薄DC环节电容的变换器产生低电流谐波[12][13]。

正如文献[15]描述的，带有超薄DC环节电容的变换器谐波性能很依赖于系统电感和功率等级，这跟谐振频率和谐振回路的阻尼系数有关。

总而言之，通过分析得出以下结论:

1）在单个装置中，不论是刚性电网还是柔性电网，5次电流谐波相位角不改变；

2）带有DC和AC扼流电感的变换器谐波性能和相位角相似，但是与带有超薄DC环节电容的变换器的谐波性能和相位角不同；

3.1.2系统TPC的谐波分析

为了分析系统多并联功率变换器的谐波性能，首先要了解联结在PCC上的并联功率变换器谐波消除机理。

因此，推导了谐波消除机理的数学表达式，并进行了大量的仿真，拓扑形式如图6所示。

n个功率变换器的电流谐波定义为ih

（1）,ih

（2）…ih（n），其中i是变换器的电流，h是谐波次数。

如果只考虑两个变换器，那么总的电流ih（t）是:

从表达式可以看出，任意两个不同电流谐波相位角都可以减少总输入电流（两个相位角差为零时的电流）。

式（4）给出了两个功率变换器的总谐波电流表达式。

可以推广到n个功率变换器的总谐波电流：

（7）

从表达式可以看出在PCC上的总电流是电流谐波的矢量和。

这意味着电流谐波相位角是研究系统多并联变换器谐波性能的重要因素。

为了分析系统功率变换器拓扑的谐波性能，使用SABER和Matlab对多并联变换器进行了仿真，如图7所示。

使用的变换器仿真数量是90个，按照不同负载类型在表1中列出。

为了简化仿真模型，减少程序执行时间，假定所有的功率变换器都是通过短电缆（忽略电感）联结到PCC。

基于不同数量和工作功率的功率变换器，考虑了19种情况的仿真条件。

仿真的目的是分析不同负载类型、系统参数和功率变换器拓扑对系统谐波性能的影响。

仿真求得两种类型电网（柔性和刚性）变压器原边的THDi、THDv和电流谐波相位角，结果如图8所示。

从图8（b）可以看出，相比其它两个拓扑，带有超薄DC直流环节电容器的功率变换器的THDv是最差的。

这个现象可以用系统电感和90个功率变换器的谐振来解释。

这是由于90个功率变换器并联30μF直流环节电容器使得整个系统的谐振频率接近3KHz，对THDv产生了显著影响。

图8（c）展示了每个功率变换器拓扑的5次电流谐波相位角。

对于柔性电网，三个拓扑的相位角几乎是一样的。

这是由于系统电感对90个单元的作用。

电网中的总电感大约是130μH的90倍，即11.7mH。

这意味着，系统电感可以看做一个很大的AC扼流电感，它的值与并联在系统中的功率变换器数量有关。

在图7中，系统电感（Ls）传递到PCC的右边，而图9中，系统电感（Ls）直接连接到每个功率变换器上。

当功率变换器的数量为90时，相当于一个的AC扼流电感连接到功率变换器上。

为了限制仿真数量，只研究表1中三种情况（1,7和19），仿真结果与前面图8的仿真结果比较情况在表2中列出。

从表中可以看出一个系统电感（Ls）连接到90个功率变换器的效果和一个大的扼流电感（90×Ls）连接到每个功率变换器的效果是近似的。

三种情况的仿真条件下，5次电流谐波的相位角和电流失真几乎是一样的。

系统电感的影响可以通过比较图8（c）中5次谐波相位变化来确定。

从图8（c）可以看出90个连接到柔性电网的变换器在不同的功率等级有一个相位角变化（50°—106°）。

因此，谐波消除归结为不同相位角对系统谐波性能有显著的影响。

THDi也是衡量变换器谐波质量的重要指标，但是它不能用来测量THDv。

在图8（a）中，在柔性电网中，带有超薄DC环节电容的功率变换器在大部分条件下都能获得很好的THDi，但是相比图8（b），在同样的条件下却得到很差的THDv。

特别要说明的是，带有超薄DC环节电容的功率变换器谐波性能对系统电感（Ls）、负载工作功率和并联的变换器数量很敏感。

从以上分析可以总结出：

1）以上分析验证了系统电感对谐波性能和电流谐波相位角有很大的影响。

因此，单个装置的谐波性能与系统不一样，主要是与系统电感、功率变换器数量、工作功率等级和功率变换器拓扑有关。

2）在刚性电网中，带有AC和DC扼流电感的变换器有着几乎一样的电流谐波相位角，这一点跟带有超薄DC环节电容的功率变换器有着显著的差异。

3）在柔性电网中，三种拓扑形式有着几乎一样的电流谐波相位角。

因此，不可能通过改变拓扑形式在柔性电网中实现谐波消除。

4）图8（d）显示了变换器5次谐波电流的幅值，可以看出带有AC和DC扼流电感的变换器幅值比带有超薄DC环节电容的功率变换器幅值高。

这个现象说明在系统中功率变换器产生的低阶和高阶电流谐波是不同的。

5）两个低阶电流谐波（5次和7次）会影响系统效率和电能质量。

分析表明高阶电流谐波对THDv有影响，带有超薄DC环节电容的功率变换器影响更明显。

3.2单相功率变换器（SRC）谐波分析

这节中将讨论图2（d）中带有DC扼流电感的SDR。

跟三相变换器研究方法类似，进行敏感性分析，研究变换器参数（DC扼流电感，DC环节电容等）对SRC谐波性能的影响，并进行比较不同参数值条件下THDi的仿真实验，如图10所示。

仿真结果表明，DC环节电容对电流谐波没有任何显著的影响。

另一方面，DC扼流电感对电流谐波性能有很明显的影响。

通过增加扼流电感可以改善THDi。

下面选择参数Ldc=5mH，Cdc=200μF，对SDR进行进一步研究。

1）单个SPC的谐波分析：

假定只有一个SPC联结到PCC上，如图11所示。

对不同工作功率等级进行不同的仿真分析。

在SPC分析中，主要观察不同工作功率等级的相位角变化，如图12所示。

从图中可以看出刚性电网和柔性电网的相位角变化几乎是一样的。

2）系统SPC谐波分析

类似于前面TPC的分析，研究多个联结在PCC上的SPC的系统相位角变化，如图13所示。

使用SABER和Matlab对90个在不同的工作功率等级条件下的SPC进行仿真。

仿真结果如图14所示。

从图14可以看出，刚性电网的电流谐波相位角变化范围是300°到322°；柔性电网的电流谐波相位角变化范围是250°到306°。

与单个SPC的电流谐波相位角变化很接近。

另外，TPC电流谐波相位角的变化范围是54°到106°，正好与SPC反相。

这意味着并联TPC和SPC可以实现电流谐波消除。

为了验证这个结论，在第3.3节对一个具体实例进行研究。

3.3系统并联TPC和SPC的谐波分析——一个实例

在典型的配电网络，有很多的单相非线性负载和三相非线性负载联结在一起工作，比如电脑、电视和其他家用电器等。

因此，很有必要研究联结在同PCC上的TPC和SPC的谐波性能。

为了验证图6所示的谐波消除机理，以一艘大型舰船为例子进行研究。

在大型舰船上，有很多三相非线性的负载（比如变频调速驱动、发电机、电动机和船舱通风系统等）和很多单相非线性负载联结在同一PCC。

假定电网是三相对称正弦，系统并联TPC和SPC的仿真模型如图15所示。

考虑系统类型为柔性电网，取90个变换器单元，其中45个为SPCs，功率为419W；45个为TPCs（DC扼流电感结构），功率为6kW。

为了防止PCC出现不平衡的情况，设置每相电源接15个SPC。

变换器参数与之前分析中使用的一样。

为了更好的了解谐波消除机理，在SABER中做三组仿真：

1）45个TPCs；2）45个SPCs；3）90个混合TPCs和SPCs。

三组仿真的电流波形如图16所示。

第1组合，第2组的三相和单相5次电流谐波为;

用式（6）求出PCC上总,5次谐波幅值为:

为了验证上述计算结果，从第三组仿真模型中获得的5次谐波电流是79.20A，这个值和是（8）运算结果几乎一样。

上述提到的数学表达式可以估算出系统的谐波，而不需要额外的仿真测量。

比如，45个TPCs工作在6kW，那么总功率是270kW。

这个值很接近表1中第8种情况的仿真结果（273kW）。

我们可以从图8中知道，情况8中5次谐波的相位角和幅值。

同样的，15个SPCs，功率为419W，总的功率为6.28kW。

从图14中可知道5次谐波的相位角和幅值。

用式（7）算得的总电流谐波为;

式（9）的结果和式（8）的结果有3%的误差。

4．结论

在不同的应用中，传统的谐波消除技术（比如AC扼流电感，DC扼流电感，和超薄直流环节电容器等）因其经济性、简易性和可靠性方面的优势，仍然是很受欢迎的解决方案。

本文主要是研究了刚性电网和柔性电网中，单个变换器和多个变换器的谐波性能。

文中强调了电流谐波相位角在预测系统谐波消除的重要性。

研究发现，系统谐波性能跟很多因素有关，比如电网电感、变压器参数、负载类型、功率变换器拓扑和联结在PCC上的变换器数目。

最后，研究了典型电网中并联TPCs和SPCs在PCC上谐波消除机理。

结果表明，如果多并联功率变换器系统的谐波相位角相差很大，可以明显改善谐波性能。

电网中的电压和电流失真是电能质量评价的重要指标。

有很多有源和无源的方法可以把THDv控制在5%以下。

本文研究表明，综合考虑电网结构、负载属性等，系统并联TPCs和SPCs可以消除电流谐波。

总谐波失真（THD）；信号源输入时，输出信号比输入信号多出的额外谐波成分。

谐波失真是由于系统不是完全线性造成的，通常用百分比表示。

一般来说，1000Hz处的总谐波失真最小