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交直交变流系统谐波和间谐波产生机理 0 间谐波产生机理分析 间接波形是指电压和电流波之间的关系，频率是非整数倍的基波频率的分量。随大量电力电子装置在电力系统中的应用，各种电力电子设备已成为主要的间谐波源，间谐波问题引起广泛关注，但主要集中于间谐波的信号检侧。由于运行工况的变化，间谐波的频谱具有时变特性，通过建立准确的谐波源分析模型，揭示间谐波的产生机理，预测间谐波频率，有益于确定间谐波分析所要求的分解频率和采样周期。对于间谐波的测量和抑制也具有指导意义。 交直交变流系统作为一种特殊的换流形式而被广泛应用于现代电力系统中。已有相当多的文献对HVDC系统和交流调速系统进行谐波分析，但都较少考虑两侧交流系统之间的相互影响。文献提出采用双重傅立叶变换方法对单一变流器的输出信号进行谐波分析，取得较好的效果。文献对各种电力电子装置的谐波分析模型进行了归纳，并对各种模型进行了拓展以期用于间谐波的分析，但都受到许多条件的限制。文献考虑了变流器的实际换流过程，运用迭代谐波分析方法对AC/DC/AC变流系统进行了建模分析，但没有对间谐波的产生过程进行详细的推导，文献以交流调速系统为例，考虑了两侧交流系统之间的相互影响，分析了理想工况下的间谐波产生情况，但没有具体推导两侧交流系统在直流侧的互调产物。而且，当系统侧或负荷端存在不平衡或系统存在背景谐波情况下，其内部的调制过程更加复杂，频谱信息更加丰富。间谐波的产生恰恰与这些因素密切相关，正是由于这些各种不同频率信号在直流侧的交叉耦合，在直流侧形成不同频率下的纹波，并通过变流器向两侧传播，从而在交直交变流器两端的交流侧产生了各种频率的间谐波。 变流器的工作过程实际上就是通过对输入信号进行调制，实现信号频率、幅值的变换过程，当两变流器通过中间直流环节互联时，还必须考虑两者之间的相互影响。本文首先通过开关函数对整流器和逆变器进行统一调制建模，通过分析其交直流侧的频率变换关系揭示交流侧谐波、间谐波的产生过程，将谐波和间谐波的分析统一起来。并基于无源互调原理，通过分析交直交变流器两侧交流系统在直流侧的互调产物，考虑两侧变流器之间的相互影响，针对不同的运行工况，特别是考虑系统三相不平衡、存在背景谐波等非理想情况下，通过推导交直交变流系统在各种情况下直流侧的纹波频率、利用交直流侧频率转换规则，揭示交直交变流系统中的间谐波产生机理。仿真实验验证理论推导的正确性和有效性。 1 流量分析与建模 1.1 流量控制器的统一配置和建模 1.1.1 整流器交流侧电压 图1为典型的三相6脉波换流器模型，定义用于变流器谐波分析的开关函数sa,sb,sc，理想情况下，对于整流器，其直流侧电压和交流侧电流满足 对于逆变器，其交流侧电压和直流侧电流满足 式中sua、sub、suc与sia、sib、sic分别对应a、b、c三相的电压、电流开关函数。可见，整流器和逆变器具有统一的数学表达形式，所以可对它们进行统一分析，其交直流侧的变量均可通过开关函数的调制联系起来。 1.1.2 间谐波产生原因 变流器主要有2种控制方式，即相控方式和PWM调制方式，图2(a)、(b)分别对应2种控制方式下开关函数对理想直流电流的调制过程。考虑更一般的情况，假设直流侧电流含有纹波，以图2(c)为例对变流器交直流侧之间的频率变换关系进行分析。为简化分析过程，假设直流侧电流只包含频率为fz的纹波分量，并假设初相角为0。即 其中ωz=2πfz。以相控方式为例，对于三相6脉波变流器而言，其开关函数可描述为 将式(3)、(4)代入式(1)可得 式(5)右边第1项正对应于开关函数对理想直流电流的调制，与常规的谐波分析结果相一致。对于后面几项，如果ωz=nω，n=1,2，…，即直流侧的纹波信号频率为系统基波电压的整数倍，由式(5)可见，在交流侧将产生6k±(n+1)ω和6k±(n-1)ω非特征谐波分量，而当ωz≠nω时，在交流侧则会出现(6k±1)ω+ωz和(6k±1)ω-ωz等间谐波分量。可见，直流侧的非整数倍基波频率的纹波是交流侧产生间谐波的直接原因。 同理，对于PWM调制方式，其调制策略、调制比和载波比一旦确定，其对应的开关函数也随之确定，同样可按照上述调制方法对交流侧的谐波、间谐波产生过程进行分析。由于整流器和逆变器在数学上具有统一的数学表达形式，类似的可对逆变器交直流侧进行频率变换分析。 可见，变流器的交直流侧之间的频率变换关系等效为特定的开关函数对另一信号的调制过程，其交流侧的信号频率将由开关函数和直流侧信号频率唯一决定。变流器所采用的控制方式一旦确定，其开关函数的表达形式也随之确定，所以对于交直交变流系统交流侧的信号进行频谱分析，关键在于分析两侧交流系统在直流侧的相互影响，确定直流侧信号的频率特征。 1.2 直流机组的相互调整 1.2.1 非线性器件传递函数