本发明涉及一种三相交流信号低次谐波的滤波方法，适用于三相电路的电压和电流信号滤波。
背景技术：
在工业电能应用过程中，三相系统最为广泛。三相电能质量检测和控制过程中，常常需要提取三相电压或电流的基波信号。三相系统中，通常电压和电流不含3的倍数次谐波、不含偶次谐波，只含有5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次等6k±1(其中k为正整流数)次谐波成份，且谐波次数越低，其含量也越高。常用一阶或二阶滤波器，对含有低次谐波的信号进行滤波，要得到好的滤波效果，其截止频率要低于最低谐波频率的1/10-1/5，这样就会造成较大信号时延，降低了信号的响应速度，同时造成基波信号较大的衰减，降低了信号精度。在控制过程中，时延和精度都会影响控制性能，严重时可能导致系统不稳定。
技术实现要素：
针对上述传统滤波方法中存在的信号时延大和精度低的不足，本发明提出一种三相交流信号低次谐波滤波方法，利用多脉波整流提高交流侧电能质量的思想，将待滤波的三相交流信号虚拟为多脉波整流的其中一个整流变压器的二次侧电流，经过时延构建多脉波整流其余变压器二次侧输出电流信号，再利用整流变压器初级绕组和次级绕组间的对应关系，构建每个变压器次级绕组对应的一次侧的电流信号，多个整流变压器的一次侧电流信号合成后，信号中部分低次特征谐波被抵消，从而达到了减小谐波的目的。
本发明的技术方案为：
一种三相交流信号低次谐波滤波方法，包括如下步骤：
步骤一：根据要滤除的待滤波三相交流信号谐波次数构建一个多脉波整流电路，所述多脉波整流电路包括n个变压器，n为大于1的正整数，其中一个变压器记为第一变压器，其余n-1个变压器记为第二变压器至第n变压器，将所述待滤波的三相交流信号虚拟为所述第一变压器的二次侧的电流信号；
步骤二、根据第一变压器分别与第二变压器至第n变压器的次级电流相位关系，将所述第一变压器的二次侧电流信号分别进行平移，得到第二变压器至第n变压器的二次侧电流信号；
步骤三、根据所述n个变压器各自的初级绕组和次级绕组的关系，由所述n个变压器的二次侧电流信号分别求出所述n个变压器的一次侧的电流信号；
步骤四、将步骤三得到的所述n个变压器的一次侧电流信号相加后除以n，得到所述待滤波的三相交流信号经过滤波后的信号。
具体的，所述多脉波整流电路为12脉波整流电路时，n为2；所述多脉波整流电路为18脉波整流电路时，n为3；所述多脉波整流电路为24脉波整流电路时，n为4。
具体的，所述第一变压器至第n变压器中每相邻两个之间次级绕组的相位依次滞后，相差为
具体的，所述待滤波的三相交流信号为三相电流信号或三相电压信号。
本发明的有益效果为：本发明提出的滤波方法，与传统滤波方法相比用更小的时延完全滤除了三相信号中的低次谐波成份，且本发明是对基波信号放大，而不是如传统滤波方法中对基波信号衰减，对有效信号精度没有影响；本发明所提出的滤波方法在三相信号基波检测过程中有利于提高信号的实时性和实现高精度，在三相大功率逆变器控制过程时，采用本发明的滤波方法对控制信号进行处理，有利于提高控制性能，尤其有利于提高系统稳定性。
附图说明
图1是实施例一中12脉波整流电路的一种实现电路图，其中，tr1和tr2是整流变压器，二者次级绕组相差30°；rt1和rt2是三相整流器。
图2是实施例一中12脉波整流电路的变压器tr1和tr2的绕组连接示意图，其中，图2a)是tr1绕组的y/y0连接；图2b)是tr2绕组的y/△1连接。
图3是实施例一中基于12脉波整流电路进行滤波的实现步骤流程图，其中，ia1、ib1、ic1为被滤波三相信号；ia1、ib1、ic1为被滤波信号经式1-3后得到的三相信号；ia2、ib2、ic2由被滤波信号平移1/12基波周期后得到三相信号；ia2、ib2、ic2为由ia2、ib2、ic2经式1-4后得到的三相信号；ia、ib、ic为由ia1、ib1、ic1和ia2、ib2、ic2相加后得到的三相信号；
图4是实施例二中18脉波整流电路的一种电路实现图，图中tr1、tr2和tr3是三台整流变压器，三者变初级均为y接，tr1和tr3次级为延边三角形接，三者次级电流与初级电流相位关系分别为超前20°、同相位和滞后20°；rt1、rt2和rt3为三台三相整流器。
图5是实施例二的18脉整流变压器绕组连接关系示意图。图5a)为tr1绕组连接，延边三角接法，n1为初级绕组匝数，n2、n3分别为两组次级绕匝数；图5b)为tr2绕组连接，y/y接；图5c)为tr3绕组连接，延边三角接法，n1为初级绕组匝数；n2、n3分别为两组次级绕匝数。
图6是实施例二中基于18脉波的滤波流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例详细描述本发明的技术方案。
在大功率整流电路中通常用移相变压器加多个三相整流器实现多脉波整流(如：12脉波、18脉波、24脉波，甚至更多的脉波)的结构来减小交流电网侧的电流谐波含量，从而提高用电质量。其基本原理是：移相变压器的多个二次侧电压有相位差，对应的电流也有相同的相位差。这些二次侧对应的一次侧电流相加时中，部分低次谐波电流相互抵消，基波和其它的谐波电流成份相加。因此，从交流电网侧所取电流的谐波含量小，有较高的电能质量。采用多脉整流器后，从交流电网取流最低次的谐波电流被抵消(如对12脉波整流，被抵消的谐波电流次数为：5次、7次、17次、19次等6(2k-1)±1(其中k为正整数))，余下的12k±1次(其中k为正整数)谐波成份，次数高且含量也较小，很容易用滤波器滤除。
本发明提出的一种三相交流信号低次谐波滤波方法，就是基于这种多脉波整流提高交流侧电能质量的原理，将其应用于小信号滤波领域。本发明提出的滤波方法适用于三相系统的电压和电流信号的检测，尤其适用于并网大功率逆变器、大功率电机驱动、大功率逆变电源的控制信号的滤波，其小时延和不影响信号精度的特点有利于提高控制性能，提高系统的稳定性。
为了提高用电质量，提高交流侧取用电能质量，大功率整流电路中(如电解电源、地铁牵引供电、大功率电机驱动等)通常用12脉波、18脉波、24脉波等多脉波整流器。实施例一和实施例二分别以12脉波整流和18脉波整流为例，详细说明本发明基于多脉波整流原理进行滤波，实现减小低次谐波电流的具体方案。
实施例一
如图1所示是典型的12脉波整流电路的原理图，其中tr1和tr2为两个电压变比相同的整流变压器，绕组连接分别为y/y接和y/△接。tr1和tr2两个变压器的一次侧并联连接后接入交流电网，二次侧分别通过两个整流器rt1和rt2并联后给负载供电。
两个变压器tr1和tr2的一次侧绕组电流分别为ia1、ib1、ic1及ia2、ib2、ic2，二次侧绕组电流分别为ia1、ib1、ic1及ia2、ib2、ic2。二次侧电流中除基波电流外，还有含有5次、7次、11次、13次、17次、19次、23次、25次等6k±1(其中k为正整流数)次等特征谐波成份。但是，12脉波整流电路中两个变压器tr1与tr2一次侧绕组电流中对应的5次、7次、17次、19次等6(2k-1)±1(其中k为正整数)谐波大小相等相位相反，相加后能够相互抵消。因此，tr1和tr2从交流电网所取的总电流ia、ib、ic中除基波电流外，只含有11次、13次、23次、25次等12k±1(其中k为正整数)次谐波电流。tr1和tr2二者的一次侧从交流所取电流基波电流相等，因此，二者从交流电网所取总电流基波电流是二者单独所取基波电流的2倍。
本实施例基于上述12脉波整流电路的原理，根据要滤除的待滤波三相交流信号中的5次、7次、17次、19次等6(2k-1)±1(其中k为正整数)谐波成份，构建一个12脉波整流电路，将待滤波的三相交流信号虚拟为变压器tr1的二次侧电流信号(待滤波的三相交流信号可以是电流信号或电压信号，都可虚拟变压器tr1的二次侧电流信号)，根据12脉波整流电路原理对虚拟变压器tr1的二次侧电流信号ia1、ib1、ic1进行处理得到滤波后的信号。滤波后的信号除基波外，只含有11次、13次、23次、25次等12k±1(其中k为正整数)次谐波。下面对于处理过程进行详细说明。
图2是本实施例采用的12脉波整流电路中两个整流变压器tr1和tr2的绕组连接关系，图中tr1为y/y0接，tr2为y/△1接(也可以是其它接法，只要二者相差30°就可以，本实施例y/y0接和y/△1接为例进行说明，其他接法也能应用于本发明，初次级间电流公计算式需要对应调整)。
为了分析简单，忽略变压器励磁电流，将两个变压器tr1和tr2初级和次级电压变比均定义为1︰1，则tr1和tr2初级绕组和次级绕组匝比分别为1︰1和
将上述两式写成矩阵形式：
由于本实施例中图2所示tr2的次级电压滞后tr1次级电压30°，假设tr1和tr2整流器特性完全一致，那么二者并联时负载均衡，则tr1与tr2次级电流波形完全相同，只是时间上相差1/12基波周期，即将tr1的次级侧电流平移1/12基波周期后，可以得到与tr2次级一样的电流。
利用上述12脉波整流交流侧消除谐波的原理用于滤除三相电流信号中的低次谐波，具体做法为：针对待滤波的三相电流ia1、ib1、ic1，先将其向后平移1/12个基波周期得到ia2、ib2、ic2，通过式1-3和式1-4分别计算得到ia1、ib1、ic1和ia2、ib2、ic2，再将ia1、ib1、ic1和ia2、ib2、ic2相加得到ia、ib、ic。显然ia、ib、ic中不再含有5次、7次、17次、19次等6(2k-1)±1(其中k为正整数)谐波电流，ia、ib、ic基波电流是ia1、ib1、ic1基波电流的2倍。将ia、ib、ic除以2，可以得到对ia1、ib1、ic1滤除了5次、7次、17次、19次等6(2k-1)±1(其中k为正整数)谐波后的三相电流。
本实施例中图2虽然使用了tr1采用y/y0接，tr2采用y/△1接的绕组连接方式，但变压器tr1和tr2还可以有其他不同的绕组连接，如y/y0和y/△11、y/y6和y/△1、y/y6和y/△11等。不同的变压器只有实现步骤中式1-3和1-4的形式不同，效果完全相同，根据变压器的基本原理和电路基本定理可以推导出不同的变压器对应的式1-3和1-4的形式，实现从二次侧信号到一次侧信号的转换。
如图3所示是利用12脉波整流原理实现滤波的流程图，待滤波的三相信号ia1、ib1、ic1先经两条处理路径：路径一、经式1-3得到ia1、ib1、ic1，路径二，先平移1/12基波周期得到ia2、ib2、ic2，再经式1-4得到ia2、ib2、ic2。随后将两个路径的处理输出ia1、ib1、ic1和ia2、ib2、ic2相加得到ia、ib、ic；最后将ia、ib、ic除以2，得到
实施例一是基于12脉波整流原理，基于18脉波和24脉原理的滤波，实现步骤与图3基本相同，不同之处是变压器的数目对应变换为3个和4个，信号处理路径也要变换为3条和4条，为了便于理解，下面给出实施例二进行说明，实施例二基于18脉波整滤波的原理进行滤波。
实施例二
如图4所示是18脉波整流电路的一种实现形式，tr1、tr2和tr3是三个整流变压器，初级并联接交流电网。本实施例中三个整流变压器的初级绕组均为y接，tr2次级绕组为y接，tr1和tr3级次级绕组均为延边三角形接法(次级都有两组绕组，能构成不同相位)。本实施例中三个变压器次级电流与初级电流相位关系依次为超前20°、同相位和滞后20°，绕组详细接法如图5所示。18脉波整流从交流电网所取电流只含基波和18k±1(k为正整流数)，其它谐波被滤除不出现在交流电网电流，尤其是5次、7次、11次、13次这些低次谐波被抵消。
与实施例一中给出的变压器内部结构不同，本实施例给出了另外的变压器结构，并说明不同结构的变压器中一次侧三相交流信号与二次侧三相交流信号的关系。定义变压器初级和次级电压变比为1，图4中的tr1和tr3变压器初级绕组匝数和次级两个绕组匝数分别为n1、n2和n3，则n3/(n2 n3)＝0.227，n1/(n2 n3)＝0.653，可以推出：n2＝0.773n1，n3＝0.348n1。
下面推导本实施例的三个变压器中每一个变压器的初级电流和次级电流关系。
根据图5a)tr1次级两绕组电流方程可写出：
忽略激磁电流，根据变压器磁势平衡原理，即有：
可求出：
根据图5b)，变压器tr2电压变比为1，接法相同，则初级、次级电流相等，即有：
根据图5c)tr3两次级绕组的电流方程可写出：
同样，根据变压器磁势平衡原理，即有：
可求出：
整流器从交流电网取的总电流为：
整流器从交流电网所取总电流ia、ib、ic只含基波电流和18k±1(其中k为正整流数)次谐波电流，5次、7次、11次、13次低次谐波电及其它谐波流相互抵消，不会出现在电交流电网电流中。
图6给出了本实施例中基于18波整流电路进行滤波的详细步骤。被滤波电流ia1、ib1、ic1经过三条处理路径：路径一、ia1、ib1、ic1经式1-5得到iin2-a1、in2-b1、in2-c1，再经式1-7得到ia1、ib1、ic1；路径二、ia1、ib1、ic1平移1/9基波周期得到ia2、ib2、ic2，ia2、ib2、ic2经式1-8得到ia2、ib2、ic2；路径三、ia1、ib1、ic1平移2/9基波周期得到ia3、ib3、ic3，ia3、ib3、ic3经式1-9得到iin2-a3、in2-b3、in2-c3，再经式1-11得到ia3、ib3、ic3。再将三条路径处理后的信号ia1、ib1、ic1、ia2、ib2、ic2、ia3、ib3、ic3经式1-12合成后得到ia、ib、ic。最后将ia、ib、ic除以3就到
需要说明是，实施例一和实施例二中待滤波的三相交流信号是以电流ia1、ib1、ic1来描述，实际上本发明提出的滤波方法同样适用于三相电压或其它三相信号。本发明中构建的多脉波整流电路，包括但不限于12脉波整流电路、18脉波整流电路、24脉波整流电路或其他脉波整流电路。基于本发明的思想，对三相信号的滤波要求不同，采用不同的脉波整流电路，包括脉波数不同、变压器内部结构不同、变压器之间相位差不同，都应属于本发明的保护范围内。
综上可知，本发明先构建一个多脉波整流电路，并将待滤波信号虚拟为第一个变压器的二次侧电流信号，并根据多脉流器变压器次级绕组的相位关系，将待滤波的三相交流信号通过平移，构建其它变压器的次级三相电流信号；再利用每个变压器初级绕组与次级绕组的连接关系，构建多脉波整流变压器的初级三相电流信号；最后将所构建的整流变压器的初级绕组的三相电流信号相加，得到的三相电流信号中滤除了一些低次特征谐波。所滤除的低次谐波次数与所构建整流器的脉波数有关，如构建12脉波整流电路进行滤波后，得到的滤波后信号只含基波电流和12k±1(其中k为正整流数)次谐波，构建18脉波整流电路进行滤波后，得到的滤波后信号只含基波电流和18k±1(其中k为正整流数)次谐波，构建24脉波整流电路进行滤波后，得到的滤波后信号只含基波电流和24k±1(其中k为正整流数)次谐波。虽然本发明在构建信号时要对原信号平移，会造成信号时延，但这个时延相对于常用的低通滤波器滤波产生的时延小得多，并且滤波器对信号的没有衰减，保证了信号精度。
本发明提出的滤波方法与常用滤波器相比，本发明用更小时延完全滤除了低次谐波，如实施例一中基于12脉波整流的滤波方法中，滤波后的信号基波50％直接来自实际信号(没有滞后)，只有50％基波信号是将原含信号平移1/12基波周期得到，总的应响时间小于1/12基波周期，相对传统滤波方法而言时延更小，且完全滤除了低次谐波。对于其他脉波整流电路，脉波越多，滤除的低次谐波越多，需要构建的电流也更多，时延也会相应变大一些，但同样滤波效果情况下，与传统滤波方式而言还是具有更低的时延。另外本发明在滤波过程中，滤波低次谐波的同时并没有对基波信号衰减，保持了信号有效精度。本发明提出的滤波方法，还可以与常用滤波器串联使用，用本发明提出的方法滤波除低次谐波，再用常用一阶或二阶滤波器滤除高次谐波，二者结合实现到更好的滤波性能。
本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
1.一种三相交流信号低次谐波滤波方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据要滤除的待滤波三相交流信号的谐波次数构建多脉波整流电路，所述多脉波整流电路包括n个变压器，n为大于1的正整数，其中一个变压器记为第一变压器，其余n-1个变压器记为第二变压器至第n变压器，将所述待滤波的三相交流信号虚拟为所述第一变压器的二次侧电流信号；
步骤二、根据第一变压器分别与第二变压器至第n变压器的次级电流相位关系，将所述第一变压器的二次侧电流信号分别进行平移，得到第二变压器至第n变压器的二次侧电流信号；
步骤三、根据所述n个变压器各自的初级绕组和次级绕组的关系，由所述n个变压器的二次侧电流信号分别变换为所述n个变压器的一次侧电流信号；
步骤四、将步骤三得到的所述n个变压器的一次侧电流信号相加后除以n，得到所述待滤波的三相交流信号经过滤波后的信号。
2.根据权利要求1所述的三相交流信号低次谐波滤波方法，其特征在于，所述多脉波整流电路为12脉波整流电路时，n为2；所述多脉波整流电路为18脉波整流电路时，n为3；所述多脉波整流电路为24脉波整流电路时，n为4。
3.根据权利要求1或2所述的三相交流信号低次谐波滤波方法，其特征在于，所述第一变压器至第n变压器中每相邻两个变压器之间次级绕组的相位依次滞后，相差为
4.根据权利要求1所述的三相交流信号低次谐波滤波方法，其特征在于，所述待滤波的三相交流信号为三相电流信号或三相电压信号。
技术总结