ISPS系統諧波的提取利用

牟玉瑕

(東北電力大學電氣工程學院，吉林 吉林 132012)

智能型快速應急電源（Intelligent speedy power supply）簡稱ISPS，與傳統的UPS不間斷電源相比，它具有投切時間短、用電效率高、安全可靠性高和節能環保等特點，而節能環保是ISPS系統最具代表性的特征之一，主要體現在ISPS系統可以實現諧波的提取利用。ISPS系統內部會有大量的諧波產生，這些諧波對系統的運行以及系統的安全可靠性都具有很大的危害。諧波會降低電能的生產、傳輸和利用的效率，使電氣設備過熱、產生振動和噪聲，并使絕緣老化，使用壽命縮短，甚至發生故障或燒毀。諧波可能會引起系統局部并聯諧振或串聯諧振，使諧波的含量放大，致使電容器等設備被燒毀。對于電力系統的外部，諧波對通信設備和電子設備會產生嚴重的干擾。1993年，我國頒布了《中華人民共和國國家標準GB/T 14549-1993》，這對電網諧波有著明確的限值要求。傳統的諧波處理方式通常是使用濾波器將諧波過濾掉。近幾年，國家積極響應“綠色電網”的建立，諧波對電網雖然有害，但其本身也是一種能源，如果對其進行提取利用，這將會大大減少能源的浪費。ISPS可以看做一個微小的電網系統，系統內部產生諧波的設備很多，如整流器、逆變器、變壓器等，由于ISPS系統一般都會處于市電正常工作的狀態，在這一狀態下，市電會對系統內的蓄電池充電裝置進行充電，其中的整流器與其它器件相比，則會長時間處于工作狀態，所以系統的主要的諧波源是整流電路部分。由于ISPS系統產生諧波畸變的主要是電流，所以，本文將著重對ISPS系統整流部分的諧波電流進行分析和處理。

1 ISPS系統的諧波特性

（1）整流器的諧波分析。ISPS系統采用的是6脈沖三相全控橋式整流電路，這種電路具有易于控制輸出信號的優點，但由于它的電子器件繁多，電路較為復雜，且工作時間較長，所以產生了大量的諧波。

若整流電路是由K個三相橋式整流電路構成的6K脈沖整流電路，那么電路中將產生6K±1（K=1、2、3、……）次諧波，K取1時，即為6脈沖整流器，產生諧波的次序為5、7、11等。

（2）交流側的諧波仿真。首先，要對ISPS系統的整流電路部分進行MATLAB建模，如圖1所示，系統采用的是三相全橋整流電路，脈沖是6，頻率為50Hz，由于是對蓄電池充電裝置進行充電，所以負載部分用電容和電阻來代替充電裝置。然后，對模型進行仿真，檢測出整流器交流側的電壓電流的波形圖和頻譜圖，本文選取了交流側A相進行檢查，整流器交流側的諧波電流中5次、7次諧波的含量較高，分別是26.4% 和 9.4%。

2 ISPS系統的諧波提取與利用

（1）高次諧波的過濾。由于整流器交流側的諧波電流中5次和7次諧波的含量最高，7次以上的諧波含量非常低，可以忽略不計，因此，不便對其進行整流處理，但為了保證流入系統的電流不被諧波所影響，先對電流的高次諧波進行過濾，保留基波、5次諧波和7次諧波即可，在這里選用低通濾波器。然后，再對處理后的諧波電流進行分類提取，在這里選取了A相來進行檢測，見圖1。圖1不僅是過濾高次諧波之后的電流仿真圖，也是過濾掉的高次諧波。

圖1 過濾高次諧波之后的電流仿真圖

（2）諧波的提取。過濾掉高次諧波之后，要提取5次、7次諧波，在這里利用無源濾波器的諧振原理，將5次、7次諧波從電流中分離，工作原理見圖2，圖中IS是交流側總電流，I是過濾掉高次諧波后的電流，I（1）、I（5）、I（7）分別是基波、5次諧波和7次諧波，I=I（1）+I（5）+I（7），C5、L5在250Hz下發生諧振，對5次諧波呈低阻態，C7、L7在350Hz下發生諧振，對7次諧波呈低阻態，因此，I（5）可以從C5、L5處流過，I（7）從C7、L7處流過，兩條諧波分別進入不同的整流電路中進行整流處理。

圖2 諧波分離提取的工作原理圖

對電流I進行諧波分離，分離出流入負載的電流I（1）、5次諧波I（5）、7次諧波I（7）的MATLAB仿真圖，見圖3。

圖3 基波、5次諧波、7次諧波的仿真圖

而諧波分離之后，流入負載的電流的I（1）頻譜圖，系統電流的畸變率從29.4%下降到了1.98%。

（3）諧波的整流處理。由于以上的操作過程都只是在A相的基礎上進行，提取出來的諧波都是在A相上進行提取，但實際中，提取出來的諧波都是三相的，各相諧波也都相差120°，所以，對于諧波的處理，也要選用三相橋整流電路，由于諧波的處理對相位控制沒有要求，而且由于5次和7次諧波的頻率較高，晶閘管對波形的頻率有所要求，二極管的工作頻率可達到幾十MHz，所以，在這里將晶閘管替換成二極管。5次和7次諧波提取成功之后，要對這兩種諧波進行整流處理，由于兩種諧波的頻率不同，因此要選用兩種不同頻率下的整流電路，對諧波進行整流處理。

由于在A相中提取出的諧波電流的大小分別為I（5）=10.56A，I（7）=3.76A，為了使 Rf1、Rf2所分的諧波電流盡可能的少，這兩個電阻取值應該盡可能的大，在這里兩個電阻的大小都選為10k?，那么，Rf1、Rf2所分得的諧波電流非常小，可以忽略不計，而這時流入整流系統的電流分別是10.56A和3.76A。而且，諧波整流電路交流側的電壓U(5)和U(7)都要在220V以下，此時，U(5)約為59V，U(7)約為26V，5次、7次諧波進行三相整流之后，流入充電裝置部分的電壓和電流分別是104V、10.4A和36.4V、3.65A。由以上兩圖可知，5次、7次諧波整流處理之后流入蓄電池充電裝置的電壓大約為 104V 和 36.4V，電流大約是 10.4A 和 3.65A，那么蓄電池充電裝置吸收的功率分別為1082W和132.86W，而Rf1、Rf2處的電流是mA或μA級別，所以二者消耗的能量可以忽略不計。那么，在一年的時間里，實際流入充電裝置的電能大約是10643.4kW·h，而如果直接將諧波過濾掉，那1年浪費掉的能量大約是58551kW·h，此次，對諧波的提取和再利用的效率約為18.2%。

3 結語

本文針對諧波的治理方面提出了一種諧波提取利用的方法，實現對諧波能源的再次利用，本文對這一方法進行了詳細的說明，其中重點描述了諧波的提取和它的整流處理的方法，并在此基礎上進行了MATLAB建模和仿真，驗證該方法的可行性。本文根據傳統無源濾波器的諧振原理，對諧波含量較高的5次和7次諧波進行了分離提取，并且將系統中高次諧波過濾掉，使得流入負載的電流的畸變率由原來的29.4%下降到了1.98%。然后，對提取成功后的5次和7次諧波進行三相整流處理，并且將整流電路中的晶閘管替換成工作頻率更高的二極管，最后，將處理后的諧波直接存儲到蓄電池充電裝置中。這樣，便可以實現諧波能源的利用了。