基于HHT軍用電源逆變器電力諧波檢測分析

張 瑞，倪 磊，樊 波，欒新宇

（空軍工程大學防空反導學院，西安 710051）

基于HHT軍用電源逆變器電力諧波檢測分析

張 瑞，倪 磊，樊 波，欒新宇

（空軍工程大學防空反導學院，西安 710051）

電能逆變器是軍用電源系統(tǒng)的核心，為提高軍用電源輸出電壓電力諧波分析效果，提出改進型希爾伯特-黃變換（HHT）方法的檢測分析方法，并設(shè)計基于LabVIEW平臺的電壓諧波檢測和分析裝置。在研究雙閉環(huán)控制策略的基礎(chǔ)上，針對模態(tài)混疊問題，先使用數(shù)字濾波器對輸出電壓信號進行預處理，再進行改進HHT分析，得到輸出電壓諧波分量的幅頻分布，并利用MATLAB對軍用電源逆變器模型進行仿真。結(jié)果表明該方法可以對軍用電源變換器輸出諧波分量實時檢測和分析，計算精度高，分析效果好，為下一步的諧波抑制方法研究提供有力支持。

逆變器，諧波分析，希爾伯特-黃變換，雙閉環(huán)控制

0 引言

由于各種非線性負荷接入實際電網(wǎng)中，電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴重。電網(wǎng)中的諧波會嚴重危害用戶設(shè)備與電力系統(tǒng)，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定可靠運作。所以，對電網(wǎng)諧波檢測的研究是必要的，并通過檢測的結(jié)果治理電力諧波，提高輸出電壓的質(zhì)量，使電網(wǎng)的運行安全穩(wěn)定［1-3］。

電能變換器作為軍用電源系統(tǒng)的核心，目前常采用三相橋式逆變電路，其諧波檢測分析方法主要有傅里葉變換和小波變換等［4］。其中，傅里葉變換分析法存在分辨率單一、計算量大的缺點，無法將信號頻域和時域相結(jié)合，得到的信號參數(shù)不準；小波分析方法在很大程度上依賴于小波函數(shù)的選取，雖然分析效果較好，但是適用性有待提高。本文將改進希爾伯特-黃變換（Hilbert-Huang Transform，HHT）方法運用到軍用電源逆變器的諧波分析上，根據(jù)電壓信號基波能量較大、諧波能量較小、容易導致分解過程模態(tài)混疊［5-6］的特點，利用數(shù)字濾波器對信號進行預處理，通過對目標信號進行經(jīng)驗模態(tài)分解（Empirical Mode Decomposition，EMD）后再對其進行希爾伯特變換（Hilbert，HT），得到變換器輸出電壓瞬時參數(shù)信息，最后基于LabVIEW平臺驗證了該檢測方法的正確性。

1 三相電壓源型逆變電路

三相橋式逆變電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中，ui是逆變器直流輸入電壓，Ua、Ub、Uc為逆變器輸出相電壓，i為直流側(cè)輸入電流，ia、ib、ic為交流側(cè)相電流；L 為網(wǎng)側(cè)濾波電感，r為等效線阻，V1～V6為IGBT開關(guān)器件，通過控制開關(guān)器件關(guān)斷，以此完成能量之間雙向傳輸，并且其可以在四象限運行，具有電壓諧波含量少、網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可控等優(yōu)點［6］。

圖1 三相橋式逆變電路結(jié)構(gòu)

通過32坐標變換，圖1電路可變?yōu)閮蓚€互相獨立單相全橋逆變電路，其拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示：

圖2 單相全橋逆變電路

逆變電路空載運行時，輸出電壓uC和輸入電壓ui間的傳遞函數(shù)為：

在三相電壓源型逆變器中，加入電容電流iC作為內(nèi)環(huán)反饋，使輸出電壓uC在iC的微分作用下得到提前校正，因此，系統(tǒng)的帶寬增大，帶負載能力加強。本文以電容電流內(nèi)環(huán)和輸出電壓外環(huán)控制為例，進行分析。雙閉環(huán)控制原理框圖如圖3所示，其中GV為輸出電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器，GI為濾波電容內(nèi)環(huán)調(diào)節(jié)器，Kpwm為PWM環(huán)節(jié)等效增益。

輸出電壓UC經(jīng)反饋后與給定基準電壓Ur比較得到誤差信號Ue，經(jīng)過電壓PI調(diào)節(jié)器后作為電流給定基準值，與濾波電容電流反饋信號比較，形成瞬時誤差信號ik，ik經(jīng)電流調(diào)節(jié)器GI后得到調(diào)節(jié)輸出電壓Uk，再與反饋輸出電壓UC比較，從而實現(xiàn)逆變器的濾波電容電流內(nèi)環(huán)和輸出電壓外環(huán)控制。

圖3 雙閉環(huán)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 改進HHT方法

希爾伯特-黃變換方法是近些年發(fā)展起來的一種適合非線性、非平穩(wěn)信號的時頻分析法，其核心包括對采集信號進行模態(tài)分解和信號分量本征模態(tài)函數(shù)（Intrinsic Mode Function，IMF）的希爾伯特變換，它克服了傅里葉分析法頻譜泄漏和柵欄效應的缺點，同時還具有小波變換無法實現(xiàn)的自適應分解信號和無基函數(shù)選擇等優(yōu)點。

2.1EEMD分解

EMD分解是一個對信號進行篩選的過程，基于原始信號本身的特性選擇基函數(shù)，具有極強的自適應性，適于處理非線性、非平穩(wěn)信號。然而，基本EMD算法進行信號降噪仍有諸多問題亟待研究，例如模態(tài)混疊、尋找噪聲主導IMF與信號主導IMF的分界點以及高頻降噪閾值選取的問題等?；诖?，Huang提出了集合經(jīng)驗模態(tài)分解（EEMD）法，EEMD將非平穩(wěn)信號分解為n個平穩(wěn)的本征模態(tài)函數(shù)IMF，經(jīng)其分解的IMF模態(tài)混疊程度明顯降低，而且保留了EMD自適應分解的優(yōu)勢。由于高斯白噪聲的頻率分布較均勻，因此，為了增強信號的連續(xù)性，EEMD通過過往信號中加入高斯白噪聲來增加部分尺度［7］，這種改進型的EMD分解步驟如下：①向目標信號中加入一組高斯白噪聲ni（t），白噪聲幅值的平均值為0，得到新的信號

式中，xi（t）表示第i次加入白噪聲后的信號；②利用EMD分解xi（t）得單分量cij（t）和趨勢分量ri（t），cij（t）表示第i次加入白噪聲后經(jīng)EMD分解得到的IMF分量；③給目標信號加入不同的白噪聲，重復上述步驟n次；④為避免ni（t）影響x（t），依據(jù)互無關(guān)聯(lián)隨機序列統(tǒng)計平均值為0的特性，對IMF取平均運算

其中，cj（t）為信號經(jīng)EEMD分解的第j個IMF；⑤最終可得到分解函數(shù)

2.2 Hilbert變換

對EEMD分解得到的各階IMF分量作希爾伯特變換，即：

構(gòu)造解析信號

其瞬時幅值aj（t）為：

瞬時相位為：

瞬時頻率為：

對每一階IMF求取相應的解析函數(shù)的幅值譜、瞬時相角和瞬時頻率，則原信號可以表征為：

不是所有的信號都可以由Hilbert變換得到瞬時頻率，只有對單分量信號進行變換才有意義。EMD就是通過對目標信號進行分解，使之能夠表示為許多單分量信號之和。

由Hilbert反變化可重構(gòu)IMF分量：

3 數(shù)字濾波器設(shè)計

考慮電力系統(tǒng)的諧波實際，如果直接對采集信號進行HHT分析，無法得到正確結(jié)果。原因是基波能量遠大于其他高次諧波分量的能量，EMD分解過程會發(fā)生IMF疊加，模態(tài)混疊現(xiàn)象［8］。本文利用數(shù)字濾波器對信號進行預處理，將能量較大的基波成分濾除，而后對剩余信號再進行HHT分析，從而達到抑制和削弱模態(tài)混疊的目的。

一般地，IIR數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)為：

與之對應的差分方程為：

其中，ak，bk分別為數(shù)字濾波器的常系數(shù)，X（z）、Y（z）分別為輸入、輸出信號的Z變換。

對應的差分方程為：

其中，α為常系數(shù)，一般0＜α＜1。數(shù)字濾波器的濾波效果隨著α的增大而改善，但過大會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定。經(jīng)分析和驗證，當α=0.98最佳，任何一級濾波器的輸入?yún)⒘繛閤i（n），第i級濾波器的輸出為yi（n），這樣并聯(lián)的多級濾波器可以濾除多個頻率成分。

4 仿真實驗

電壓采集信號來源于一臺容量為100 kw軍用電源樣機，電源逆變器控制系統(tǒng)采用濾波電容內(nèi)環(huán)輸出電壓外環(huán)控制，其中，輸出電壓為單相145 V/400 Hz；濾波電感 L=250 μH；濾波電容 C=310 μH。

4.1MATLAB仿真

圖4 輸出電壓波形圖

在MATLAB/SIMULINK環(huán)境下搭建軍用電源逆變換環(huán)節(jié)仿真模塊，電源后接25 kw感性負載，參照軍用電源實際樣機參數(shù)進行仿真，電路綜合阻尼設(shè)置為0.01 Ω，仿真時間為0.1 s，得到軍用電源逆變器單相輸出電壓波形如圖4所示。由圖4可知，電壓在0.025 s時達到穩(wěn)定，對含噪信號EEMD分解得到分解信號如下頁圖5所示。觀察發(fā)現(xiàn)，圖中各個諧波分量頻率由大至小均勻分布，其中IMF1、IMF2主要包含高頻率的噪聲信號，由Hilbert反變化重構(gòu)IMF分量得到各諧波分量如圖6所示。

4.2 實驗設(shè)計

本文基于LabVIEW軟件平臺設(shè)計軍用電源逆變器的輸出諧波檢測和分析裝置，根據(jù)設(shè)計思想，只需采取一級濾波器即可完成400 Hz基頻濾除，前置數(shù)字濾波器可取 i=1，ωi=2πf，f=400 Hz數(shù)據(jù)采集卡的型號為NI公司的NIPCI-6133型，系統(tǒng)設(shè)計結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。

圖5 EEMD分解

圖6 諧波分量波形圖

圖7 檢測系統(tǒng)總體構(gòu)架

信號源電壓信號經(jīng)電壓傳感器和信號調(diào)理電路（包括電氣隔離、信號處理等）由NIPCI-6133型數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)接嬎銠C上。諧波檢測和分析裝置利用LabVIEW圖形化數(shù)據(jù)流語言編寫分析算法程序，對采集的數(shù)據(jù)進行分析，并利用偏移量修正和幅值修正，重現(xiàn)原信號的參數(shù)。調(diào)用相應的子程序和函數(shù)，計算信號中諧波的頻率和幅值，并通過LabVIEW的可視化功能得到所需分析數(shù)據(jù)。具體算法程序流程如圖8所示。

圖8 算法流程圖

實驗設(shè)計中，軍用電源樣機后接25 kw感性負載，此時，軍用電源逆變輸出電壓的諧波分量多為奇次諧波。利用基于LabVIEW平臺的諧波檢測和分析裝置對輸出電壓奇次諧波進行分析，得到感性負載下輸出電壓奇次諧波分析結(jié)果如圖9所示。由圖

圖9 諧波分量波形圖

9可知，實驗裝置對逆變輸出的電壓進行檢測，并分析得出軍用電源逆變器輸出電壓的諧波，3次、5次、7次諧波分量被單獨提取出來，諧波參量與Matlab仿真結(jié)果相符，能夠?qū)崿F(xiàn)預期功能。由此可見，基于改進HHT變換的諧波檢測和分析裝置能夠?qū)﹄娏χC波進行精確的分析。

5 結(jié)論

從軍用電源逆變器電路原理出發(fā)，設(shè)計了基于LabVIEW軟件平臺的軍用電源的電能變換器諧波檢測和分析裝置，實現(xiàn)對輸出電壓諧波分量的檢測和分析，與傳統(tǒng)逆變器輸出電壓諧波分析方法相比，基于雙閉環(huán)控制的改進HHT諧波分析方法能夠準確解算出輸出電壓的諧波分量參數(shù)，自適應能力強，能夠完成對目標信號特定諧波的提取和分析，具有測試精度高、擴展能力強、操作簡單等優(yōu)點，為今后研究電力系統(tǒng)諧波抑制策略提供有力的支持。

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Research on Power Harmonic Detection and Analysis for Military Power Inverter Based on HHT

ZHANG Rui，NI Lei，F(xiàn)AN Bo，LUAN Xin-yu
（School of Air and Missile Defense，Air Force Engineering University，Xi’an 710051，China）

Power inverter is the core of military power system，in order to improve the effect of military power output voltage’s harmonic analysis，in this paper a method for harmonic analysis based on optimized HHT is presented and a monitor and analysis device for inverter’s harmonic based on LabVIEW is set up.Based on analyzing the double closed loop control method，and for the mode mixing，digital filter is used to preprocess the signal，and then optimized HHT analysis is conducted to get the output voltage amplitude and frequency distribution of harmonic component，in addition，MATLAB software is used to simulate the military power inverter model.The result of experiments indicated that the method gots the parameters of output voltage and harmonic accurately，harmonic is monitored and analyzed in current time，offering strong support for harmonic suppression study in the future.

inverter，harmonic analysis，HHT，dual-loop control

TM935

A

10.3969/j.issn.1002-0640.2017.07.031

1002-0640（2017）07-0144-04

2016-05-10

2016-06-09

張 瑞（1992- ），男，河北滄州人，碩士。研究方向：儲能電源關(guān)鍵技術(shù)。