简述谐波“电力电子技术”课程中谐波分析结论

摘要：谐波分析在电力电子技术的应用中有着极其重要的意义，针对教学中谐波分析的难点，引入Simplorer仿真软件辅助教学，借助软件的快速傅里叶变换（FFT）工具和功率（POWER）工具，使得谐波分析变得具体且形象，并能实现电力电子电路在各种控制状态下的有功功率、无功功率和功率因数的计算。
关键词：谐波分析；FFT；Simplorer仿真；电力电子技术
作者简介：王楠（1963-），女，上海人，上海理工大学光电信息与计算机工程学院，讲师。（上海 200093）
基金项目：本文系上海理工大学2012-2013年度重点课程建设基金项目研究成果。
1007-0079（2013）26-0046-03
随着众多新型的电力电子器件的不断研发和电力电子技术的发展，电力电子装置的应用越来越广泛。电力电子技术的应用已经深入到工业生产和社会生活的各个方面，成为传统产业和高新技术领域不可缺少的关键技术。然而，电力电子装置的应用使生产、生活更加便捷、智能化的同时，由于电力电子装置在运行时的非线性，使得大量的谐波和无功功率注入电网，降低了电网的电能质量，危及电网设备的安全运行。因此，谐波分析在“电力电子技术”课程及其实际应用中有着极其重要的意义。
上海理工大学光电信息与计算机工程学院（以下简称“本校”）的“电力电子技术”课程所选用的教材是机械工业出版社出版的王兆安老师主编的《电力电子技术》，其中整流电路、交流调压电路和PWM逆变电路等章节中都涉及谐波分析。谐波分析采用的数学工具为傅里叶变换，数学推导复杂且抽象，成为教学过程中的一大难点。
为了解决这个教学难点，在教学中引入Simplorer仿真软件辅助教学，借助于Simplorer仿真软件中的快速傅里叶变换（FFT）工具，使得谐波分析变得具体且形象，使用功率（POWER）工具，可方便地完成电力电子电路在各种状态下的有功功率、无功功率和功率因数的计算。
Simplorer是一个功能强大的跨学科多领域的高性能系统仿真软件，具有丰富的模型库，包括完整的电力电子器件和线路模型库，其具有图形化编程技术，其中主电路与驱动电路分离的编程方法以及驱动电路时序流程图的编程方法尤其适合于电力电子电路的分析和计算。
下面以三相全控桥整流电路为例来说明采用Simplorer仿真软件辅助教学。

一、建立三相全控桥整流电路的仿真模型

图1为三相全控桥整流电路主电路的仿真模型，其中E1～E3为相位相差120°的三相交流电源，LB1～LB2为整流变压器的等效漏感，负载为阻感性负载。
图2是同步触发电路仿真模型，采用的同步信号SZ为锯齿波，SZ1～SZ6的相位差为60°，用State模块表示晶闸管的通断状态，用Transition模块表示晶闸管通断状态转换的过渡条件，以实现三相全控桥整流电路的同步和移相控制。
设电源电压幅值Um=100V，R1=50Ω，电感L1=200mH，不考虑漏感（设LB=0）时，在α=30°时得到如图3所示的仿真输出波形。其中VM1.V是整流电路的输出电压ud；R1.V是电阻两端的电压uR1，uR1的波形和流过负载的电流波形完全相同，只是幅值不同；10*E1.I是电源E1中的电流波形ia（10*表示波形放大10倍）。仿真波形不仅反映了电路的稳态情况，同时也向学生展现了在教学和实验室中难以分析和观察到的电路在暂态时的输出情况。

二、谐波分析及功率计算

在主菜单Simulation中点击Postprocessor DAY工具，在Analysis菜单中用FFT工具对电源E1的电流ia进行谐波分析。可以得到电源E1的电流ia频谱图如图4所示，从频谱图可看出，除50Hz基波和5、7…6k±1（k=1，2，3…）次谐波外，还包含在50Hz附近的间谐波，该频谱图形象地反应了电源电流中的谐波分布情况，可以看出谐波幅值随谐波次数的增大明显减小。
也可选择列表（截取25次以下的谐波）来定量分析，如表1所示。从表1中，可以看到谐波中还存在那些不是基波频率整数倍的谐波，即称为间谐波。间谐波产生的原因主要有波动负载、电弧类负载、变频调整装置、晶闸管整流装置等。这些设备的应用将引起电流幅值、相位、波形发生或快或慢的变化，于是产生含有连续和离散成分的间谐波。间谐波的污染与影响主要表现在电力系统、电力设备以及人们的日常生活方面。如频率低于25Hz的间谐波含量超过0.2%时，会引起灯光闪烁；频率在25Hz～2500Hz之间的间谐波超过0.5%时，会干扰电视机，引起感应式电动机噪声、振动以及低频继电器的异动；频率在2.5Hz～5kHz之间的间谐波超过0.3%时，会引起无线电收音机或其他音频设备的噪声；在系统中若出现间谐波严重增大的情况时，就有可能产生无源电力滤波器过流跳闸、滤波失败等问题。
经过以上仿真分析，可以轻松直观地向学生引入间谐波的概念、产生的原因及影响。在本例中，间谐波主要自考论文www.618jyw.com
分布在基波附近，频率从10Hz～210Hz，幅值从7

6.76mA～30.52mA，随谐波频率增大，幅值明显减少。

根据教材的理论分析，将E1电流波形ia分解为傅里叶级数，得：
由上式可得电流基波I1m和各次谐波幅值Inm分别为
由式2和式3计算出的基波和各次谐波幅值与仿真结果比较见表2。从表2中对比的数据可以说明，仿真结果与理论计算基本一致。
对电源的有功功率（Active Power）、视在功率（Apparent）、无功功率（Reactive）及功率因数（Lambda）仿真（如图5所示）得到：有功功率P=0.131328kW，视在功率S=0.160149kVA，无功功率Q=91.6542var。仿真得出功率因数λ=0.82004，由式4理论计算出的功率因数λ=0.287，理论值和仿真的误差为0.85% 。
式中，基波因数 为基波电流有效值和总电流有效值之比，即；λ1为位移因数， 。
图5中FFT模块中仿真计算出电流谐波总畸变率TH源于：论文提纲范文www.618jyw.com
D1为0.306%。
从仿真结果可以看出，它与理论分析结果是非常吻合的。在上述仿真模型中，学生还可以作进一步深入的分析和研究。如定性和定量地分析讨论引入漏感LB1～LB3后，对系统输入、输出波形的影响，在波形中测量并换算出换向重叠角γ的大小，讨论重叠角γ与漏感LB大小的关系；串入反电势负载，观察逆变时的电路输出波形及晶闸管两端的电压波形，验证电路实现有源逆变的条件；观察电阻负载时，在α=90°电流断续时晶闸管的电压波形；观察大电感负载时电感的电压波形等等，由此可以方便地分析在上述各种情况下的交流及直流侧的谐波及功率因数。
以上的分析方法同样适用交流调压电路和PWM逆变电路输入输出波形的谐波及功率因数的分析和仿真计算。为抑制和消除谐波，除了在外部增加滤波装置外，更可采取主动措施，从电力电子装置本身出发，通过改变电力电子装置本身的结构设计和增加辅助控制策略来减少电力电子设备输出的谐波含量。[3]教材提到如下三种减小谐波的方法：多重化技术或多脉波变流技术；脉宽调制（PWM）技术；多电平控制技术。在整流电路中，可设计12脉波或24脉波变流器来取代三相全控桥整流电路（也称六脉波变流器），以减少交流侧的谐波电流含量。可以在Simplorer软件的平台上建立12脉波整流电路仿真模型，并将仿真结果和前面的结果进行比较，从而验证12脉波整流电路交流侧谐波电流含量较三相全控桥整流电路大大减少。
三、结束语
采用Simplorer软件对电力电子电路中产生的谐波进行分析，这样不仅可使枯燥的理论知识变得直观、生动有趣，而且避开了繁琐的数学推导，激发了学生的学习兴趣，加深学生对理论的理解。仿真软件辅助教学更可以让学生接触和掌握一种新的理念和新的分析方法，即数字仿真方法。这是一种在系统设计、检验和优化中经常使用且十分有效的方法之一，应用这种方法可以便捷地进行系统的改进和参数的修正，提高系统开发的成功率，降低现场风险。
仿真软件辅助分析和设计在电力电子课程教学中显示出了其强大的优势，借助电力电子电路的仿真效果，课堂教学中的概念讲解变得直观，理论结果更具体。不仅如此，仿真软件辅助教学还可以将“电力电子技术”的课堂教学延伸到课外，使学生能够对教材的内容加以验证，方便地完成各种电力电子电路的波形分析，并进行课外的应用设计，锻炼和培养学生的实际工作能力，激发其创新能力。
参考文献：
崔晓荣，王军，曹林，等.电力系统间谐波检测方法现状与发展趋势[J].电测与仪表，2012，（5）：6-10.
王兆安，刘进军.电力电子技术[M].第5版.北京：机械工业出版社，2009.
[3]訾兴建.电力电子装置的谐波危害及抑制[J].电气时代，2005，
（5）：118-119.
（责任编辑：王意琴）