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低压网络中现代PE器件功率相关谐波特性分析与建模
摘要——本文介绍了三种常见的现代低压（LV）电力电子（PE）设备的功率依赖谐波发射的实验和分析评价结果。综合测试结果的详细分析后，基于现有的和新的波形失真指数，对PE器件组件模型的发展进行了讨论。本文的演示包括电力电子设备的控制，准确地模拟其特性在整个运行功率范围内的重要性。大多数分析的电力电子器件具有较强的功率依赖性的变化特性，此外，受电源电压的影响，这对于分析现有网络和未来的“智能电网”都很重要。
关键词 谐波分析；建模；电力电子；电能质量；智能电网；测试；波形畸变
I 引言
越来越多的现代低压（LV）电力电子（PE）设备利用高频开关电路和复杂的控制提高了性能，更好得进行无功调节和提高效率。常见的电力电子功耗设备有开关电源（SMPSrsquo;）和电动汽车蓄电池充电器（EVBCS）与有源功率因数控制（a-PFC）电路。就低压电力电子发电设备来说，最常用的技术是光伏逆变器（PVI）和脉冲宽度调制（PWM）控制。
电力电子设备的谐波辐射已被完善的国际标准所管理，如[ 1 ] - [ 3 ]在欧盟。[ 4 ]在美国和[ 5 ]在澳大利亚和新西兰。然而，大多数的相关标准，指定的谐波排放测试的低频电力电子设备应进行正弦电压供电条件下的设备工作在额定功率，或在放大器的最大总谐波电流[ 1 ]。相同的试验条件下，被指定为电动汽车蓄电池充电器，与[ 6 ]，[ 7 ]引用[ 1 ]、[ 2 ]为电动汽车蓄电池充电器谐波的兼容性测试，尽管在充电周期是可变的电源，通常会减少在后阶段。发电低压电力电子设备考虑变功率运行测试程序，用[ 3 ]和[ 4 ]在美国和[ 5 ]在澳大利亚和新西兰。然而，大多数的相关标准，指定的谐波排放测试的低频电力电子设备应进行正弦电压供电条件下的设备工作在额定功率，或在放大器的最大总谐波电流[ 1 ]。相同的试验条件下，被指定为电动汽车蓄电池充电器，与[ 6 ]，[ 7 ]引用[ 1 ]、[ 2 ]为电动汽车蓄电池充电器谐波的兼容性测试，尽管在充电周期是可变的电源，通常会减少在后阶段。发电低压电力电子设备考虑变功率运行测试程序，用光伏逆变器[ 3 ]和[ 5 ]在100%和50%的功率指定测试点。然而，光伏逆变器的实际输出往往是较低的，并且取决于环境条件。
在整个工作范围内，电力电子设备的内部控制电路的性能可能会受到影响，改变设备的特性。当这种设备大量连接时，这可能会对供电网造成负面影响。本文提出了一种基于详细的实验表征一系列开关电源，电动汽车蓄电池充电器和光伏逆变器在其整个运行范围和不同电源条件。对两个新的指标进行分析，使评估过程开始从低频（LF）的谐波和所有其他波形失真的装置的总工作电流。在[ 8 ]所示为光伏逆变器，这是对现代电力电子设备的分析尤其重要，而低频谐波可能不是总波形失真的最重要的部分。测量数据的分析是由开发基于组件的支持（电路基础）模型，能正确重现在整个操作范围内的的谐波特性。
本文的研究表明，大部分的测试表现出鲜明的PE设备功率相关的性能变化。实际电源电压的影响条件，即电压畸变和源阻抗，也被认为是设备的特性，并显示出对某些类型的设备有相当大的影响，特别注意的是增加的失真度低和非常低的功率操作模式（定义为低于30%和10%的功率）由于这个问题在文献中受到了有限的关注，并没有完全捕获现有的索引。当工作在非常低功耗模式下，一些测量电力电子设备进入不稳定的工作区域或断开（即跳闸通过内部保护）。这些影响表明电力电子设备在他们的性能上控制评估和建模功率变化的重要性。
在第二节的中提出了实验和分析框架，第三节说明了测量数据的内容，第四节介绍了模型开发过程。第五节提供了结论和进一步的工作领域。
II.实验与分析框架
A.用于分析的电流波形失真指数
1）现有谐波失真指数：电流谐波失真的电力电子设备用绝对值表示时，为总谐波电流THC，（1），或用相对值表示总谐波失真电流THD，（2），或作为总需求失真TDD，（3），总谐波电流和总谐波失真电流通过一个常数因子（100 / 额定电流）相关联，在本文中，只对总谐波电流和总谐波失真电流进一步的分析。
(1)
(2)
(3)
总谐波电流和总谐波失真电流指数允许从两个不同的角度进行谐波排放分析。总谐波电流可以分析在电网中辐射对电压谐波水平（即网络透视）的影响，如电磁兼容性或评估电力电子设备对总谐波失真的贡献。总谐波失真电流可以评估一个单独的电力电子设备的谐波性能（即设备的角度），指示设备的谐波电流的变化有关的基本电流，这是重要的设备制造商和最终用户。
在本文中，谐波排放量的功率依赖性的变化进行评估是通过计算基本电流和最大电流，然后使得总谐波电流和总谐波失真电流在给定的工作功率P。
- 现有波形失真指数：表达式（1）-（3）通常只评估谐波的排放量，并没有考虑到其他类型的波形失真，这可能是在现代电力电子设备，如次谐波，间谐波和更高频率的排放[ 9 ]。为了评估总电流波形失真，[ 10 ]定义的基本因素，跌落式熔断器和总谐波失真电流的总失真含量（4）-（5）。
在本文中，这些也被认为是作为设备的功能运行功率。跌落式熔断器功率和总谐波失真功率指数评估了基本和非基本电流对电力电子器件总工作电流的依赖性。总谐波失真指数包络了参照总工作电流在所考虑的频率范围内的所有畸变。由于它是可以提取的基本成分，所以没有二维傅里叶变换和快速傅氏变换算法的分析，例如[ 11 ]，跌落式熔断器和总谐波失真电流不遭受频谱泄漏问题[ 12 ]。此外，总谐波失真电流量化如何有效地控制现代低压电力电子设备其总电流波形失真。这是重要的设计目标，因此在规定范围内设计一种方法来比较性能不同的PE设备，并且作为操作要求。例如[ 1 ] - [ 5 ]。
(4)
(5)
3）两个新波形失真指标：通过更详细的分析，本文引入了两个新的指标：总谐波因数，低频谐波限制，低频三次谐波滤波器（6），和总非低频谐波失真的因素（7）。这些指标伴随先前推出的总谐波失真电流和跌落式熔断器指数，并延长其应用。
两个新的指数的价值在于它们有在低频谐波和其他所有畸变的输出中作进一步的区别的能力。如图所示，在本文中，这是特别重要的现代电力电子设备的分析，其中低频谐波可能不是总波形失真最重要的部分的。
(6)
（7）
B. 装置测试和参数测试
一个精度高于5%，2%，1%的全自动试验台用于所有单个谐波幅值高于50mA,100mA，200mA的测试[8]。它包括一个1毫秒/秒的采集系统和可控的三相电源与可编程的电压波形和源阻抗值，允许具体波形阻抗组合的非成形。测试控制一个集中的工作站关于两个参数测试：
1）源阻抗值：设置为一个 a)最小可能的源阻抗、ZS1asymp;0（由于电缆的电力电子设备连接到电源和电源本身的阻抗）或b）最大的低压电网源阻抗ZS2，由 和 组成。
2）交流电源电压波形：模拟作为一种理想的正弦参考波形（WF1）和两个畸变的电压波形（WF2和WF3）。这两个扭曲的波形来自低频网络中的测量，并具有不同的谐波幅度和相位角（进一步信息在[ 14 ]）。“平顶”畸变电压波形WE2是典型的网络提供大量具有导致整流器的住宅用户，而“尖顶”WF3是典型的低压网络中大量的有六个脉冲整流器工业客户[15]。
两个失真波形的测试包括相位角的变化，这是已知的影响的电力电子控制电路的操作。对相位角的依赖和对光伏逆变器和电动汽车蓄电池充电器发射谐波交叉耦合的影响进一步的信息可以在例子[ 16 ]-[18]中找到。
Ⅲ. 测量结果
- 光伏逆变器
光伏逆变器的三次测量包括单相和三相变压器的类型、特色，低频和高频变压器的拓扑结构。如图（a）和(b）显示出光伏逆变器总谐波电流在低频谐波的输出。而相应的总谐波失真电流值表明其谐波辐射值得关注。例如，总谐波电流为光伏逆变器的WF1和ZS1值开始在低功率模式增加，导致总谐波电流值高于额定功率的75%并且几乎等于额定值。三个光伏逆变器为在WF1和ZS1高速功率运行具有非常低的总谐波失真电流值。在非常低的功率模式，他们的总谐波失真电流值增加高达100倍。如果测试进行的运行功率在额定值的50%[3]和30%[5]时，这些变化将不会被识别。
在场的电源电压失真和电源阻抗可能存在非大的影响。光伏逆变器的总谐波电流值（注六倍的总谐波电流值增加在图1（b）和图1的对数标度在图1（a）)。同样的，WF2-3和ZS2中光伏逆变器的总谐波电流值高于WF1和ZS1的总谐波电流值的50%，总谐波电流在额定功率的20%几乎等于总谐波电流在额定值的75%。此外，在非常低的功耗模式，在WF2和ZS2中光伏逆变器2的总谐波失真电流几乎近乎600%时，该设备将断开与供应，表明光伏逆变器2不能在典型的背景失真和源阻抗值网格中控制在非常低的功率模式的谐波发射。
图1. 光伏逆变器相关功率的波形失真指标
在本文中介绍的THF（P）和THHDF（P）指数提供了进一步的谐波失真的来源。显示出所有测试的光伏逆变器基本电流在总工作电流开始下降约额定值的25%（特别例如光伏逆变器-2图1（c））。在低功率模式下，所有光伏逆变器的非基波电流的基波电流比他们高几倍。例如，图1（d）显示的光伏逆变器-3电流波形畸变的一个重要组成部分，是不是由于低频谐波。这些结果清楚地表明，如果只低频谐波相关指数（总谐波电流，总谐波失真电流和/或总需求电流）用于分析，这可能不会影响一个完整的电流波形失真的现代电力电子设备的评估。
图2. 开关电源相关功率的波形失真指标
B. 开关电源
两个含PFC电路（标准台式电脑）用品的两个开关电源的测试结果的不同功率显示在图2中。在非常低的功率运行模式，开关电源-2进入不稳定工作状态，以防止进一步的测试。为了分析整个范围内的操作电源，一个基于组件的开关电源模型开发在下一节中，用于补充现有的测试结果。图2（a）显示出了两个测试的开关电源在低功率模式下的谐波性能的明显变化。对于开关电源-1表明极低功率模式的谐波电流几乎等于其基波电流的结果（总谐波是真电流的80–100%），尽管在图2（b）开关电源的总谐波电流值表现出不断减少与降低运行功率。
电源电压畸变的影响与光伏逆变器相比不明显，开关电源-2显示的变化可以忽略不计。对于开关电源-1，参照WF1（正弦），总谐波失真电流减少至WF2的“平顶”增加到WF3的“尖顶”，总谐波电流降低为WF2和wf3。图2（c）显示基波电流的总电流输出，开关电源-1开始在低功率模式减少，成为相等的非基波电流极低功率模式的输出，由总谐波失真电流表示在图2（a）值。图2（d）提出的输出从低频谐波和电流波形畸变到总电流，确认低频谐波对波形失真的贡献最大，非低频谐波失真对所考虑的WFs和ZS值仍然很小。
C.电动汽车电池充电器（evbcs）
在欧盟市场的电动交通工具，在他们的车载单相二重充电器标准充电周期期间测量。根据电动汽车电池的充电状态，电动汽车电池充电器首次运行在额定功率（电流恒定，CC模式），然后转移到恒定电压（CV）模式，以减少电力需求。在CV模式，控制断开电动汽车电池充电器在低工作能力（图3显示（a）），阻碍了在整个操作范围内的分析（可在第四节开发的电动汽车电池充电器模型中看到进一步结果）。
图3（a）显示，所有电动汽车电池充电器的总谐波失真电流值开始增加，在低功率模式。一些高总谐波失真电流值测量在“待机”模式，即当充电完成但电动汽车电池充电器仍然连接到电源。然而，由于可忽略的电力需求使得其不进一步考虑，类似的开关电源，电源电压失真和源阻抗的影响非常小。
总谐波失真电流的绘制在图3（b）表明随着功率减小电动汽车电池充电器绝对谐波电流不断减少。对于电动汽车电池充电器-3，初始还原后总谐波电流略有增加但低于额定功率的40%。图3（c）显示的对测试电动汽车电池充电器基波电流的贡献（非常）低功耗模式下有所降低，以非基波电流的贡献有限。换句话说，测量电动汽车电池充电器比光伏逆变器和开关电源的电流波形失真更好控制。现有的低频THF在图3（d）证实为低频谐波的总波形畸变的主要因素，此时TNHDF值很低。
Ⅳ现代电力电子设备的建模
根据作者以前的工作（例如，[ 14 ]、[ 15 ]），本部分提出了基于组件的开关电源的发展，电动汽车电池充电器和光伏逆变器模型，能够准确地再现他们的电流波形失真特性负载功率的整个范围和不同的供应条件。该模型导出的一般形式，目前可在欧盟国内市场以代表通用电力电子设备，只是模型参数进行了调整，以匹配测试电力电子设备，并验证模拟结果与测量结果。所有的模型参数都包含在表一中。
图3. 电动汽车电池充电器的功率相关波形失真指数
- 开关电源的建模
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