第５２卷第４期 ２０１８年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．５２，Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２０１８ 单相ＰＷＭ整流器输出２次谐波电压抑制方法 周小杰，李敬兆 （安徽理工大学，电气与信息工程学院，安徽淮南２３２００１） 摘要：单相电压型脉宽调制（ＰＷＭ）整流器直流输出电压存在２倍于电网频率的谐波分量，该谐波分量会严重 恶化整流器静、动态性能，采用谐波电流补偿电路，抑制该谐波分量。谐波电流补偿电路是由两个电力电子开 关器件和一个电感、电容组成的Ｂｏｏｓｔ．Ｂｕｃｋ变换电路，通过对开关器件的有效控制，实时补偿整流器输出直流 侧２次谐波电流，从而达到抑制输出２次谐波电压的目的。最后，搭建了谐波电流补偿电路，在单相ＰＷＭ整流 器上验证了该方法的正确性和有效性。 关键词：整流器；谐波电压；电流补偿；谐波抑制 中图分类号：ＴＭ４６１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００—１００Ｘ（２０１８）０４—００１７—０３ Ａ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｃｈｅｍｅ ｔｏ Ｓｕｐｐｒｅｓｓ Ｓｅｃｏｎｄ Ｈａｒｍｏｎｉｃ Ｖｏｌｔａｇｅ ｆｏｒ Ｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅ ＰＷＭ Ｒｅｃｔｉｉｅｒ ｆＺＨＯＵ Ｘｉａｏ－ｊｉｅ，ＬＩ Ｊｉｎｇ—ｚｈａｏ （Ａｎｈｕｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｕａｉｎａｎ ２３２００１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ｐｕｌｓｅ ｗｉｄｔｈ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ（ＰＷＭ）ｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ，ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｕｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｏｎｔａｉｎ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｃｏｕｌｄ ｓｅｒｉｏｕｓｌｙ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｎ ｍｉｔｉｇａｔｅ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ．Ｔｈｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ａ Ｂｏｏｓｔ－Ｂｕｃｋ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ ａ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ａｎｄ ｉｎｄｕｃ－ ｔａｎｃｅ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅｓ，ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｎ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｕｓ ｃａｎ ｂｅ ｃｏｍｐｅｎｓａｔ－ ｅｄ ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓｌｙ，ＳＯ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｓｕｐｐｒｅｓｓ ｓｅｃｏｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｏｆ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｂｕｓ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｓｉｎｇｌｅ·－ｐｈａｓｅ ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ ｖｅｒｉｆｙ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔｎｅｓｓ ａｎｄ ｙａ—· ｌｉｄｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ｖｏｌｔａｇｅ；ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔ：Ｓｕｐｐｏｒｔｅｄ ｂｙ Ｋｅｙ Ｐｒｏｊｅｃｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｎｈｕｉ Ｐｒｏｖｉｎｃｉａｌ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ Ｄｅ－ ｐａｒｔｍｅｎｔ（Ｎｏ．ＫＪ２０１６Ａ１９３） ｌ 引 言 随着经济发展．需要直流供电的负载越来越 其不能稳定工作［３］。因此为使储能系统稳定工作、延 长系统寿命、提高系统性能、抑制谐波电压，传统 方法是在直流母线两端并联大容量的电解电容。 但此方法会导致整个系统体积增大、造价上升、功 率密度下降，且电解电容抑制低频谐波电压的能 力和使用寿命都是非常有限的【 。 这里分析了单相电压型ＰＷＭ整流器直流输 出电压２次谐波分量产生机理．然后将一个电感、 电容组成的Ｂｏｏｓｔ．Ｂｕｃｋ变换电路（即谐波电流补偿 电路）并联于直流母线两端，提出一种控制策略控 多。单相电压型ＰＷＭ整流器因其具有较高的功 率因数、能量可逆等特点被广泛应用于新能源发 电、直流微电网、电动汽车、储能等领域【卜 。 单相电压型ＰＷＭ整流器直流输出电压存在 ２倍于电网频率的谐波分量．该谐波分量对整流 器交流输入侧和直流输出侧均会产生不利影响． 降低电能质量，缩短器件使用寿命，危害系统稳 定。例如，在燃料电池储能系统中，较大的２次谐 波电压、电流会大幅缩短电池使用寿命，甚至使 制开关器件，通过实时补偿整流器输出直流侧２次 谐波电流，达到抑制输出２次谐波电压的目的。 ２谐波电流补偿电路工作原理 基金项目：安徽省教育厅自然科学基金重点项目 （ＫＪ２０１６Ａ１９３） 定稿日期：２０１７—０８—２８ ２．１ ２次谐波分量的产生机理 典型单相电压型ＰＷＭ整流器原理图如图１ 作者简介：周小杰（１９７９一），男，安徽蚌埠人，博士，讲师， 研究方向为新能源并网发电技术。 所示。考虑单位功率因数运行，令输入电流 ＝ 、／ ／＃ｉｎｔｏｔ，电网电压Ｕｓ＝、／ Ｕ＃ｉｎｗｔ，得输入功率： １７ 第５２卷第４期 ２０１８年４月 电力电子技术 Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｖｏ１．５２，Ｎｏ．４ Ａｐｒｉｌ ２０１８ ｐｓ＝（、／ Ｕ￣ｓｉｎｔｏｔ）（、／ Ｌｓｉｎｔｏｔ）＝ＵＪｒ－ＵｓＩ￣ｃｏｓ（２ｚｏｔ）（１） 式中： ， 为电网电压、输入电流有效值；ｔｏ为电网角频率。 ＇＋＝ Ｃ【 ， 为整流器输出电压、电流；ｉ 为负载电流。 图１单相ＰＷＭ整流器原理图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ 因此。ＰＷＭ整流器从电网吸收的瞬时功率分 为：①直流分量．即平均功率；②以２倍工频脉动 的功率，即脉动功率。根据能量守恒原理，负载功 率等于平均功率．脉动功率则反映为整流器输出 电压２次谐波分量。因此，若要消除该电压谐波分 量。则需补偿该脉动功率。 ２．２谐波电流补偿电路的工作原理 这里采用补偿谐波电流的方法补偿脉动功 率。在直流母线两端并入一个电路补偿２次谐波 电流，因为谐波电流是正负半周对称的正弦信号。 因此，这个电路必须能流过双向电流。图２所示谐 波电流补偿电路能实现该功能。谐波电流补偿电 路由电力电子开关器件Ｖ Ｖ 辅助电感 、电容 Ｃ 组成。该电路实际上是Ｂｏｏｓｔ．Ｂｕｃｋ电路，也可视 为逆变器一相桥臂，能向直流母线注入双向电流， 其中，ｉ 为补偿电路输出电流。 ≯啤 ＝）“ｓ ｌ ＝ 嚣 图２谐波电流补偿电路原理 Ｆｉｇ．２ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｓ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ 该补偿电路包括辅助电容充电和放电工作模 式。充电模式中，Ｖ 被ＰＷＭ信号控制导通或关 断，Ｖ 一直关断，所以此时补偿电路就如同Ｂｏｏｓｔ 变换器，为谐波电流负半周（图２中ｉ 为正半周方 向）提供流通路径。Ｖ 导通时， 被直流母线充电； Ｖ 关断时，￡ 放电，电流通过Ｖ 反并联的二极管 给Ｃ 充电。当Ｖ 关断时，电感和直流母线共同给 电容传输能量。放电模式中，Ｖ 一直关断，Ｖ 被 ＰＷＭ信号控制导通或关断．所以此时补偿电路就 如同Ｂｕｃｋ变换器．为谐波电流正半周提供流通路 径。Ｖ 导通时， 给 充电，也将储存的能量输送 到直流母线上；当Ｖ 关断时， 电流通过Ｖ 反 并联的二极管续流并将能量输送到直流母线。 】８ 谐波电流补偿电路类似有源滤波器，实时将 补偿电流注入整流器直流母线。只要适当控制这个 补偿电路，完全能滤除 ２次谐波分量。这就大 大降低了母线电容，因其仅需滤除高频谐波即可。 ３谐波电流补偿电路控制策略 ＰＷＭ整流器主要目的是输入交流侧电流波 形正弦并与电网电压同相位， 恒定。因此，要有 一个与电源电压同相位的正弦电流给定，需电流控 制器追踪电流给定。图３所示单相电压型ＰＷＭ整 流器传统级联双环控制结构（直流母线电压外环、平 均电流内环控制）能实现上述功能。控制结构主要 包含３部分：①同步单元，产生与电源电压同相位 的单位正弦电流信号．采用单相锁相环实现：②使 用ＰＩ调节器控制直流母线电压．其输出为电流给 定幅值．将此幅值乘以单位正弦电流信号得到电 流给定：③最后使用电流控制器去追踪参考电流。 图３单相ＰＷＭ整流器控制结构 Ｆｉｇ．３ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ—ｐｈａｓｅ ＰＷＭ ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ 负载瞬变过程中。负载功率和整流器输入功率 不平衡．直到电压外环输出合适的电流给定值。母 线电容将放电或被过充电去平衡整流器输入功率 和负载功率，因此瞬态过程中 将出现较大下冲 或过冲 通过谐波电流补偿电路向直流母线瞬时传 输能量来保持功率平衡．改善单相ＰＷＭ整流器瞬 态响应性能。图４为谐波电流补偿电路控制结构。 ｋ 为负载电流高频分量的反馈比例系数。 图４谐波电流补偿电路控制结构 Ｆｉｇ．４ Ｃｏｎ￣ｏｌ ｓｔｕｒｃｔｕｒｅ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ 为将整流器输出电流２次谐波分量分离出 来，采用谐振滤波器。传递函数如下： 口Ｒ（ｓ）＝２Ｋｉ￣ｈｔｏｓ／［ｓ ＋２／ｊｈｗｓ＋（ ） ］ （２） 式中：Ｋ。＝２；孝＝Ｏ．Ｏ１；ｈ＝２；ｔｏ＝２＇ｒｆｒ＝６２８．３ ｒａｄ·Ｓ～。 负载电流高频谐波通过高通滤波器得到，其 剪切频率设置为２００ Ｈｚ。谐波电流补偿电路电流 给定信号由整流器输出电流的２次谐波分量和负 载电流高频分量共同产生。 ４ 实 验 分别搭建了单相ＰＷＭ整流器和谐波电流补 单相ＰＷＭ整流器输出２次谐波电压抑制方法 偿电路系统，单相电源电压（有效值）２２０ Ｖ；电网电 压频率５０ Ｈｚ；整流器交流侧电感６ ｍＨ；直流母线 电容２８０ Ｆ；设定Ｕ￣＝４００ Ｖ；ＰＷＭ整流器开关频 消除，且ｉ 的正弦度也优于图５ａ所示ｉ 波形，当 负载突变时， 下冲约６０ Ｖ。 率１０ ｋＨｚ；Ｌ ＝１ ｍＨ，ｃｒ＝６８０ Ｆ；补偿电路开关频率 ２０ ｋＨｚ。单相ＰＷＭ整流器采用图３控制策略．具 体实现由ＸＣ２７８５微控制器完成。谐波电流补偿 电路控制策略软件实现由ＴＭＳ２８３３５处理器完成。 图５为实验波形。 ５ 结 论 针对单相电压型ＰＷＭ整流器直流输出电压 中２次谐波分量。控制谐波电流补偿电路向直流母 线注入谐波电流来平衡脉动功率．达到抑制该电压 谐波分量的目的。该方法软、硬件实现较简单，无 需对ＰＷＭ整流器硬件结构做改变．通过实验也 垂 毒圣 俸磐傅 ＾聃● 垂 ，－ 摹 验证了其抑制效果。该方法在直流微电网、电池储 能系统母线电压波动抑制中具有较高实用价值。 Ａ 图５实验波形 Ｆｉｇ．５ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｗａｖｅｆｏｒｌｎｓ 参考文献 ［１】 Ｚｈａｎｇ Ｆａｎ，Ｚｈａｏ Ｈｕｉｙｉｎｇ，Ｈｏｎｇ Ｍｉｎｇｇｕｏ．Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｅ－ ｔｗｏｒｋｅｄ Ｍｉｅｒｏｇｒｉｄｓ ｉｎ ａ Ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ【Ｊ］．ＣＳＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ ａｎｄ Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０１５，１（４）：１２—２１． 电阻负载由１００ Ｑ突变为５Ｏ Ｑ（输出功率由 １．６ ｋＷ突变为３．２ ｋＷ）时， 。， 波形如图５ａ所 示。此时，谐波电流补偿电路并未投入运行， 存 在２次谐波分量，且ｉ 也存在一定畸变，当负载突 变时， 下冲约１００ Ｖ。将谐波电流补偿电路并联 在整流器输出负载两端，当电阻负载由１００ Ｑ突 ［２］兰征，涂春鸣，罗安，等．一种有滤波功能的微网单 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