两级式单相变换器的二次谐波电流抑制技术
电力系统谐波基本分析方法抑制方法
电力系统谐波基本分析方法抑制方法電力系統諧波----基本原理、分析方法、抑制方法【摘要】变频器在工业生产中无可比拟的优越性，使越来越多的系统和装置采用变频器驱动方案，而且采用变频器驱动电动机系统因其节能效果明显，调节方便维护简单，网络化等优点，而被越来越多应用，但它非线性，冲击性用电工作方式，带来干扰问题亦倍受关注。
一台变频器来讲，它输入端和输出端都会产生高次谐波，输入端谐波会输入电源线对公用电网产生影响。
本文从变频器产生的谐波原理、谐波测试分析方法，谐波的抑制方法方面进行探讨。
【关键词】电力系统，变频器，谐波分析，谐波抑制。
【引言】谐波存在于电力系统已经很多年了，但是，近年来，随着技术的发展成熟，越来越多的设备系统为提高可靠性和效率广泛采用电力电子变频器，而且电力公司为降低设备所需的额定值以及线路损耗和电压降落，强制要求电力用户提高其自身的功率因数，而电力用户及工厂端改善功率因数的方法是使用功率因数补偿器—电容模组，这两种情况的出现，使得电力系统的谐波问题变得更加严重。
电力用户和工厂端普遍使用的变速传动和电力电子设备是产生这一现象的根源，而这些设备与功率因数校正电容模组之间的相互作用导致了电压和电流的放大效应；半导体电子工业的迅猛发展也导致了大批精密设备的诞生，与过去粗笨的设备相比，这些设备对电力公司供给的电能质量更加敏感，但同时也导致交流电流和电压稳态波形的畸变。
而为了得到可靠清洁的电力能源，人们必须面对电流和电压畸变的问题，而电流和电压的畸变的主要形式是谐波畸变。
【正文】1、变频器谐波产生从结构来看，变频器可分为间接变频和直接变频两大类。
间接变频将工频电流整流器变成直流，然后再由逆变器将直流变换成可控频率交流。
直接变频器则将工频交流变换成可控频率交流，没有中间直流环节。
它每相都是一个两组晶闸管整流装置反并联可逆线路。
正反两组按一定周期相互切换，负荷上就获了交变输出电压，幅值决定于各整流装置控制角，频率决定于两组整流装置切换频率。
谐波危害及抑制谐波的方法
谐波危害及抑制谐波的方法【摘要】随着工业、农业和人民生活水平的不断提高，除了需要电能成倍增长，对供电质量及供电可靠性的要求也越来越多，电力质量（power quality）受到人们的日益重视。
例如，工业生产中的大型生产线、飞机场、大型金融商厦、大型医院等重要场合的计算机系统一旦失电，或因受电力网上瞬态电磁干扰影响，致使计算机系统无法正常运行，将会带来巨大的经济损失。
电梯、空调等变频设备、电视机、计算机、复印机、电子式镇流器荧光灯等已成为人民日常生活的一部分，如果这些装置不能正常运行，必定扰乱人们的正常生活。
但是，电视机、计算机、复印机、电子式照明设备、变频调速装置、开关电源、电弧炉等用电负载大都是非线性负载，都是谐波源，如将这些谐波电流注入公用电网，必然污染公用电网，使公用电网电源的波形畸变，增加谐波成份。
【关键词】谐波危害抑制谐波近几年，传感技术、光纤、微电子技术、计算机技术及信息技术日臻成熟。
集成度愈来愈高的微电子技术使计算器的功能更加完美，体积愈来愈小，从而促使各种电器设备的控制向智能型控制器方向发展。
随着微电子技术集成度的提高，微电子器件工作电压变得更低，耐压水平也相对更低，更易受外界电磁场干扰而导致控制单元损坏或失灵。
国际电工委员会（iec）已于1988年开始对谐波限定提出了明确的要求。
美国“ieee电子电气工程师协会”于1992年制定了谐波限定标准ieee—1000。
在ieeestd.519——1992标准中明确规定了计算机或类似设备的谐波电压畸变因数（thd）应在5％以下，而对于医院、飞机场等关键场所则要求thd应低于3％。
1电网谐波的产生1.1电源本身谐波。
由于发电机制造工艺的问题，致使电枢表面的磁感应强度分布稍稍偏离正弦波，因此，产生的感应电动势也会稍稍偏离正弦电动势，即所产生的电流稍偏离正弦电流。
当然，几个这样的电源并网时，总电源的电流也将偏离正弦波。
1.2由非线性负载所致1.2.1非线性负载。
关于电动汽车双向车载充电器的分析综述
相两电平变换器是最广泛的三相变换器之一ꎮ 它能
尽管非隔离式 ＤＣ / ＤＣ 变换器拓扑结构简单、体
文献[１２] 提出了一种三相全桥 ＰＦＣꎬ在 １１ｋＷ 的功
离ꎬ它的抗干扰能力较差ꎬ同时比较难实现宽输出电
１９
« 电气开关» (２０２４. Ｎｏ. ２)
压范围ꎮ
２ ２ ２ 隔离式
功率密度ꎬ增加成本ꎮ
Ｂｕｃｋ － ｂｏｏｓｔ 变换器是典型的一种非隔离配置ꎮ
扑结构ꎬ由两个交错的升压相和额外的桥臂组成ꎮ
臂上下两个开关由死区互补驱动ꎬ额外的桥臂则用
于实现同步整流ꎮ 图腾柱 ＰＦＣ 拓扑具有共模噪声
２ ２ １ 非隔离式
图 ３( ａ) 所示为传统的 ｂｕｃｋ － ｂｏｏｓｔ 拓扑ꎬ由两个电
感器ꎬ两个开关管以及一个电容器组成ꎮ 传统拓扑
９８ ９％ ꎮ
态技术来对控制器进行简化ꎬ文献[２０] 利用磁元件
图 ２( ｃ) 为三相全桥 ＰＦＣ 变换器的拓扑ꎬ这种三
高达 ９８ ５％ ꎮ
够提供更高的功率水平ꎬ同时器件数少、控制简单ꎮ
积较小、成本较低且转换效率高ꎬ但由于缺少电流隔
２ １ ２ 全桥结构
能够实现宽输出电压范围与高输出功率ꎬ平均效率
率等级下效率达到 ９８ ３％ ꎬ但其忽略了对功率密度
行单位功率因素校正的同时通常伴随着升压的操
采用了三相四线制的全桥 ＰＦＣ 来消除后级非隔离
将输入电流转换为与电网电压同相位的正弦波ꎬ进
作ꎮ 而后连接较大的低频滤波电容器ꎬ通常为电解
电容器ꎬ用于产生较平滑的直流链路电压ꎬ并通过
ＤＣ / ＤＣ 变换器产生所需的稳定直流电压ꎮ 最后经
直流滤波到电动汽车的电池上ꎮ 由于直流链路大电
容的存在ꎬ两个转换极能够通过该储能元件进行解
基于改进调制的两级式单相光伏并网逆变器前级二次谐波抑制
第51卷第17期电力系统保护与控制Vol.51 No.17 2023年9月1日Power System Protection and Control Sept. 1, 2023 DOI: 10.19783/ki.pspc.230157基于改进调制的两级式单相光伏并网逆变器前级二次谐波抑制张鸿博，熊军华, 李继方(华北水利水电大学电气工程学院，河南 郑州 450045)摘要：为抑制两级式单相光伏并网逆变器前级电路中的二次谐波电流，利用开关周期平均模型对前级电路中二次谐波电流产生的原因进行了分析，基于此提出了抑制二次谐波电流的改进调制方法。
该方法根据实时采样得到的母线电压修正占空比，无需复杂的运算处理，易于实现。
进一步分析了改进调制方法下前级Boost电路的小信号传递函数，提出了欠阻尼条件下基于微分先行PID算法的光伏电池最大功率点电压跟踪方法。
仿真表明，改进后的两级式单相光伏并网逆变器最大功率点跟踪过程振荡小，光伏电池输出电流平稳，二次谐波电流抑制效果显著。
关键词：并网逆变器；二次谐波；抑制；开关周期平均；调制Front-stage second harmonic suppression of a two-stage single-phase photovoltaicgrid-connected inverter based on improved modulationZHANG Hongbo, XIONG Junhua, LI Jifang(College of Electrical Engineering, North China University of Water Resources and Electric Power, Zhengzhou 450045, China)Abstract: To suppress the second harmonic current in the front-stage circuit of a two-stage single-phase photovoltaic grid-connected inverter, the causes of the second harmonic current in the front-stage circuit are analyzed using a switching period average model, and based on this an improved modulation method for suppressing the second harmonic current is proposed. This method corrects the duty ratio according to the bus voltage obtained by real-time sampling. This is easy to realize without complicated processing. The small signal transfer function of the front-stage Boost circuit using an improved modulation method is analyzed, and a voltage tracking method of the maximum power point of photovoltaic cells based on a differential ahead PID control algorithm in an under-damped condition is proposed. The simulation results show that the improved two-stage single-phase photovoltaic grid-connected inverter has little oscillation in the maximum power point tracking process, the output current of photovoltaic cells is stable, and the second harmonic current suppression effect is remarkable.This work is supported by the Key Science and Technology Project of Henan Province (No. 222102240072).Key words: grid-connected inverter; second harmonic; suppression; switching period averaging; modulation0 引言单相逆变器输出瞬时功率含有2倍工频的波动，导致直流母线电压叠加大量2倍工频纹波(简称2次纹波)[1]。
变电站谐波形成原因与消除方法
变电站谐波形成原因与消除方法发表时间：2019-09-20T10:05:03.163Z 来源：《基层建设》2019年第20期作者：李婷婷[导读] 摘要：谐波会降低电能质量，影响电力系统安全运行，因此谐波的治理一直成为国内外研究的热点。
国网安徽省阜阳供电公司安徽省阜阳市 236000摘要：谐波会降低电能质量，影响电力系统安全运行，因此谐波的治理一直成为国内外研究的热点。
文章对谐波的危害、形成原因及分析方法进行了阐述，并对治理和消除谐波的措施进行了探讨。
关键词：变电站；谐波；原因；消除方法一、谐波形成原因分析1、正弦供电电压加在非线性负荷上谐波产生的根本原因是在正弦供电电压加在非线性负荷上，它产生的电流不再是完全的正弦波形。
同时因系统阻抗的存在，该电流产生的电压降也是非正弦的，这样就会引起负荷端的电压畸变。
2、变压器的影响在变电站中，变压器是一个谐波源，由于变压器的磁性材料大都工作在非线性或接近非线性的区域，这种情况下即使加入正弦电压，励磁电流也是非正弦的，因而电流中不可避免含有谐波成分，并以3次谐波为主。
同样的道理，假如变压器励磁电流波形是正弦的，但电压也是非正弦的。
类似的情况还包括电抗器等感性设备。
3、其他非线设备的影响变电站负载中若含有电弧炉、旋转电机、晶闸管控制设备等大量的非线性设备，则会引入谐波成分。
旋转电机的线圈是嵌入线槽内的，由于线槽不可能做成完全正弦分布，所以产生的磁动势必然畸变。
家用电器、水银灯、荧光灯等也是谐波源，虽然就单体来说谐波量不大，但数量大，分布广，也会对电力系统产生较明显的影响。
随着整流器、开关电源、晶闸管控制系统等电力电子设备广泛应用，它们产生的谐波成分同样不容小视。
2.2.4 其他原因另外，如果发电质量不高，即发电设备的谐波成分未受到有效抑制，注入电网后也是不可忽视的谐波源。
二、谐波的危害谐波对电网的污染主要表现在以下方面：1、使旋转电机、变压器等电气设备由于过大的谐波电流而产生附加损耗，从而引起过热，使绝缘介质老化加速，导致绝缘损坏。
抑制两级式逆变器中间母线电压二次纹波的方法
抑制两级式逆变器中间母线电压二次纹波的方法袁义生;张育源;周盼;黄志敏【摘要】针对两级式单相逆变器中间母线电压存在二次纹波的问题，提出了一种可以抑制其幅值的控制方法。
对两级式单相逆变系统中能量流动、纹波功率以及中间母线电容纹波电压的产生机理进行了分析。
提出一种在前级直-直电路控制器的电压环的给定处加入与母线电容电压同频、同相的扰动量，通过调节扰动量的大小来抑制母线电容纹波电压的控制方法。
该方法可增加电压外环的带宽，提高系统的响应速度，显著改善负载跳变时的动态特性。
此控制策略在基于DSP的先进数字控制平台上进行了实验，实验结果表明该控制策略的有效性和合理性。
%A control method was proposed aiming at suppressing the second ripple voltage amplitude in interme-diate bus capacitor of two stage single-phase inverter. This paper analyzed the power flow, ripple power and the mechanism of ripple voltage in the intermediate bus capacitors in two stage single-phase power system. A dis-turbance which was the same frequency and phase as bus voltage was added in the voltage loop of the front dc converter. The bus capacitor voltage ripple suppression can be achieved by adjusting the size of the disturbance. This method can increase the voltage loop bandwidth, which can improve the response speed of the system and the dynamic performance when the load jump happened. An experimental platform based on DSP was built up with the proposed control strategy, and the experimental results proved its effectiveness and rationality.【期刊名称】《华东交通大学学报》【年(卷),期】2015(000)006【总页数】7页(P93-99)【关键词】逆变器;二次纹波电压;直流变换器;控制方法【作者】袁义生;张育源;周盼;黄志敏【作者单位】华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌 330013;华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌 330013;华东交通大学电气与电子工程学院，江西南昌 330013;国网江西上犹县供电有限责任公司，江西上犹 341200【正文语种】中文【中图分类】TM46两级式单相逆变器[1-3]广泛应用于低压直流源供电的交通和电力系统中。
谐波抑制设计技术
THD
PWHD
66
14
11
10
8
16
25
120
16
12
11
8
18
29
175
20
14
12
8
25
33
25030Βιβλιοθήκη 18138
35
39
350
40
25
15
10
48
46
450
50
35
20
15
58
51
600
60
40
25
18
70
57
注：① 12次及12次以下的偶次谐波的相对值不应 > 12次以上的偶次谐波如同奇次谐波，计入THD和PWHD中考虑。 ② 不同于表中的Rsce值相对应的各谐波电流限值允许用线性插入法求出。 ③ In—第n次谐波电流，II—基波电流，PWHD —部分加权谐波畸变率。
谐波次数n
谐波电压兼容水平(%)
非公用和工厂供电系统
Ⅰ类
Ⅱ类
Ⅲ类
非3倍奇次谐波
5
3
6
8
7
3
5
7
11
3
3.5
5
13
3
3
4.5谐波次数
17≤n≤49
2
2
4
2.27×17/n-0.27
2.27×17/n-0.27
4.5×17/n-0.5
3倍奇次谐波
3
3
5
6
9
1.5
1.5
2.5
15
0.3
0.4
2
21
0.2
0.3
谐波的产生和抑制
（ １） 电视机群谐波 电视机多采用单相桥式整流和电容滤波电路， 其外特性较差， 有 电流冲击， 谐波的峰值与基波峰值相重合。其特征谐波全部为奇次谐 波， 特别是 ３ 次、５ 次、７ 次及 ９ 次尤为严重。 （ ２） 照明用电 节 能 灯 几 乎 都 是 谐 波 源 。气 体 放 电 灯 呈 现 负 阻 特 性 。其 谐 波 特 征 是奇次谐波， 次数愈高， 含有率愈低。有的为提高功率因数并联电容 器， 起明显放大谐波的作用。 （ ３） 空调、电冰箱、洗衣机谐波分析 由于采用单相电机， 电机绕组因工艺上的困难难以平衡， 引起电 流不平衡， 造成波形畸变， 产生谐波。控制电路因其自动化程度增大， 大量使用单片机及其组合电路， 这就需要增加整流容量， 也会加大谐 波。随着技术水平不断提高， 变频技术大量应用， 也增加谐波成分。 （ ４） 计算机、充电器 随着信息时代的到来， 计算机开始普及， 其产生谐波也不可忽视。 计算机主要是主机和显示器（ＣＲＴ的非线性用电。产生的谐波与电视 机群谐波相似。计算机整机和显示器（ＣＲＴ单独运行相比，第３～１１次 谐波电流含有率稍减， 而第 １３、１５、１７ 次谐波电流含有率稍增。 ２．电 力 系 统 本 身 的 非 线 性 元 件 产 生 谐 波 （ １） 变压器 当铁心达到饱和时电流为非正弦而且具有尖波的畸 变形状， 铁心越趋向于深度饱和， 电流的曲线的畸变就愈尖锐。 （ ２） 电力电子设备 电力电子元件特别是晶闸管产生谐波。 （ ３） 发电机谐波 由于发电机绕组难以绝对对称， 铁心均匀程度 很难做到严格意义的均一， 故发电机也会产生一些谐波。谐波的产生 取决于发电机本身结构和工作状况， 基本上与外接阻抗无关， 可视为 谐波电势， 在谐波中所占比例很小。 二 、谐 波 的 危 害 谐 波 对 公 用 电 网 来 说 是 一 种 污 染 。谐 波 危 害 大 致 可 分 为 如 下 几 个 方面： １．谐 波 影 响 线 路 稳 定 运 行 ２．影 响 电 网 电 能 质 量 品 质 ３．使电容承受过电压， 导致绝缘老化， 损耗增多 ４．增 多 变 压 器 、电 机 的 铜 损 、铁 损 、附 加 损 耗 （ 高 次 谐 波 使 磁 滞 和 涡流作用加剧） ， 还导致噪声过大， 加速绝缘介质老化。 ５．谐波会引起公用电网局部的并联谐振和串联谐振， 放大谐波。 ６．对 于 开 关 电 器 ， 则 影 响 电 磁 铁 工 作 ， 使 拖 扣 困 难 ， 额 定 电 压 降 低， 产生误动作。 ７．对 于 弱 电 系 统 则 干 扰 通 讯 网 络 。 ８．影 响 电 力 测 量 的 准 确 性 ９．直 接 影 响 人 的 脑 磁 场 和 心 磁 场 三 、谐 波 的 抑 制 为解决电力电子装置和其他谐波的谐波污染问题， 基本思路有两
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两级式单相变换器的二次谐波电流抑制技术两级式单相PFC变换器的瞬时输入功率以两倍工频(2f<sub>ine</sub>)脉动,导致前级PFC变换器的输出中存在二次谐波电流。
两级式单相逆变器的瞬时输出功率以两倍输出电压频率（2f<sub>o</sub>）脉动,导致后级DC/AC逆变器的输入中存在二次谐波电流。
二次谐波电流会传播到DC/DC变换器、直流负载或直流输入源中,导致DC/DC变换器的变换效率和直流输入源的能量转换效率降低,并使直流输入源或直流负载的使用寿命缩短。
因此,为提高两级式单相变换器的变换效率以及燃料电池、光伏电池等新能源发电单元的能量转换效率,并延长其使用寿命,需要抑制DC/DC变换器、直流负载或直流输入源中的二次谐波电流。
针对前级为Buck类DC/DC变换器的两级式逆变器,本文指出,将电感电流控制为平直的电流,并减小中间母线电压的脉动,可以减小DC/DC变换器和直流输入源中的二次谐波电流。
在此基础上,提出了虚拟串并联阻抗方法:一是在前级Buck类DC/DC变换器的滤波电感支路中引入一个虚拟串联阻抗,该阻抗在2f<sub>o</sub>处阻抗较高而在非2f<sub>o</sub>处阻抗较小,以提高电感支路在2f<sub>o</sub>处的闭环阻抗,从而抑制二次谐波电流;二是在中间直流母线上并联一个虚拟阻抗,该阻抗在2f<sub>o</sub>处无穷大而在非2f<sub>o</sub>处阻抗较小,以减小前级DC/DC变换器在非
2f<sub>o</sub>处的闭环输出阻抗,从而改善其动态性能。
本文采用电感电流反馈来虚拟串联阻抗,采用中间母线电压反馈来虚拟并联阻抗,并根据其幅频特性要求分别设计这两个虚拟阻抗。
基于虚拟串并联阻抗的实现方法,推导出了系列抑制前级Buck类DC/DC变换器二次谐波电流的方法,包括以前文献所提出的方法和一种加带通滤波器的电感电流反馈方法,并揭示不同
方法之间的内在关系。
最后,完成一台1kW前级为Buck类DC/DC变换器的两级式逆变器,并对不同的控制方法进行验证和对比。
针对前级为Boost类DC/DC变换器的两级式逆变器,本文指出,将升压二极管电流或升压电感电流的平均值控制为平直的电流,并减小中间母线电压的脉动,可同时抑制DC/DC变换器和直流输入源中的二次谐波电流。
为减小二次谐波电流,提出在升压二极管支路或升压电感支路中引入一个虚拟串联阻抗,该阻抗在
2f<sub>o</sub>处阻抗较高而在非2f<sub>o</sub>处阻抗较小,可增大它们在
2f<sub>o</sub>处的闭环支路阻抗;同时,为改善其动态性能,在中间直流母线上引入一个虚拟并联阻抗,该阻抗在2f<sub>o</sub>处无穷大而在非
2f<sub>o</sub>处阻抗较小,可减小前级Boost变换器在非2f<sub>o</sub>处的闭环输出阻抗。
本文采用二极管电流（或电感电流）反馈来虚拟串联阻抗,采用中间直流母线电压反馈来虚拟并联阻抗,并给出了串并联阻抗的设计方法。
基于串并联阻抗的实现方法,提出了加带阻滤波器负载电流前馈的二次谐波电流抑制方法和电压调节器级联带阻滤波器并加入负载电流前馈的二次谐波电流抑制方法。
最后,制作了一台1kW的前级为Boost变换器的两级式逆变器,并通过实验验证了所提出的控制策略。
采用无电解电容的二次谐波电流补偿器（Second Harmonic Current Compensator,SHCC）来补偿单相PFC变换器或单相逆变器中的二次谐波电流,既可以消除DC/DC变换器、直流输入源或直流负载中的二次谐波电流,又可以大幅减小中间母线电容的容量,从而可使用寿命较长的薄膜电容作为中间母线电容。
SHCC有充电和放电两种工作模式。
为使其端口电流准确地补偿二次谐波电流,提出了SHCC的单周期控制方法,指出,为使SHCC稳定工作,充电模式时,应直
接控制主管电流的平均值;放电模式时,应间接控制主管电流的平均值。
基于此,提出了混合型单周期控制方法。
为进一步实现充电模式和放电模式间的无缝切换,提出了加直流电流偏置的单周期控制策略。
针对由Buck双向变换器组成的SHCC,还提出了储能电容电压的峰值电压控制方法,以减小其轻载损耗。
为验证所提出的加直流电流偏置的单周期控制和峰值电压控制,研制了一台1kW的含有SHCC的两级式单相逆变器,并给出了实验结果。
最后,将双向变换器的应用拓展到单相AC/DC/AC变换器中,并简要讨论如何利用其处理单相AC/DC/AC变换器中的脉动功率。