SPWM逆变电源的谐波分析及抑制策略_陈颖
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・02・No 12 Vol 120过 SPWM 三相变频调速电路的谐波分析摘 要 :在理论分析和电路仿真实验数据的基础上 ,总结出 SPWM 三相变频器谐波的分布特点 ,为变频 器输出滤波器设计提供了理论依据 ,并通过电路仿真实验予以验证 。
关键词 :变频器 ;正弦脉宽调制 ;谐波分析 ;滤波器交流电动机变频调速以其高效节能 ,调速性能好 ,易实现数字化控制等显著优点 ,在现代电力拖动系统中已得到广泛应用 。
由于系统能量变换的主要形式为 AC —DC —AC ( 交 —直 —交) 变换 。
而实现 DC —AC 环节变换的变频器 ,以脉宽调制 ( PWM) 技术为主流 。
因 PWM 技术所固有的脉冲性质 ,使输 出电压中谐波含量高 ,由此引起的负面效应 :使电机过热 、 压导致绝缘提前老化甚至击穿 ,产生机械振 动和噪声以及电磁干扰现象等 。
特别是在中压 、高压 、大容量变频调速系统中尤其严重 。
为消除其影 响 ,最简便有效的措施就是在变频器输出端装设低通滤波器 。
本文对目前应用最多的基于 PWM 下的 正弦脉宽调制 ( SPWM) 变频电路进行谐波分析 ,为变频器输出滤波器的设计提供理论依据 。
1 SPWM 三相变频器的电路结构及调制特性SPWM 三相变频调速电路主回路拓扑结构如图 1 (a) 所示,功率开关 P —MOSFET 管 T1 T6 组成三 相桥式逆变电路 ,其控制端 G1 G6 受 SPWM 波控制 ; 变频器输入直流 电 压 为 VD ( 由 三 相 整 流 装 置 提供) ,输出端经 RL C 滤波器与交流电动机相连接 。
控制电路采用 SPWM 调制方式 ,如图 1 ( b) 所示 。
利 用三角载波 u c 和三相正弦调制信号 u r 进行比较 ,在交点处产生驱动信号 V G1V G6 ,即 SPWM 波 。
当 变频器三相桥臂功率开关 T1 T6 在驱动信号控制下 ,工作于适时 、适式的通断状态时 ,输入直流电压被 转换成等幅而脉冲宽度按正弦函数关系变化的三相脉冲序列电压输出 ,其相电压为双极性脉冲 ,线电压 为单极性脉冲 。
2018年第2期信息通信2018(总第182 期)INFORMATION & COMMUNICATIONS (Sum. N o 182)基于SPWM控制的三相逆变电源设计胡玉松(西华师范大学,四川南充637002)摘要:叙述了一种基于STC15单片机设计的SPW M三相逆变电源。
正弦波脉宽调制(SPWM)技术能够实时、准确 地实现变频控制要求,且逆变器输出电压谐波分量少。
采用STC15单片机内部PW M寄存器模式输出三路相位差 为120。
的SPWM波,使用IR2109作为三相全桥电路驱动芯片,输出经过LC低通滤波,最后在负载上得到稳定的正 弦波交流电。
实现表明三相逆变电源可以输出完整的正玄波,且输出电流大于2安培,电压大于60V,具有广泛的应用前景。
关键词:SPWM;三相逆变;全桥电路;L C滤波中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1673-1131(2018)02-0135-020引言随着半导体功率器件的快速发展,电力电子技术也日趋 成熟,被广泛应用于军用和民用产品等领域。
逆变电源作为 电力电子的一个重要方向,被广泛应用于交流电机的传动、不间断电源、变频电源、有源滤波器、风力发电等交流用电 设备。
逆变电源控制技术成为影响逆变电源性能的关键因素,经过多年的发展,SPWM成为逆变电源的主流控制技术,该技 术具有成本低、电路简单、技术能够实时、准确地实现变频控 制要求,且该技术控制的逆变器输出电压谐波分量少,输出电 压波形失真小等众多优势。
通过设置STC15内部定时器,产 生3路PWM信号,通过查找表的方式更改寄存器的值,使输静电防护装置也是如此,机场管理人员应该给与足够的重视, 积极引进先进的设备和技术,来满足社会发展的需求。
机场 的维护人员也要提高自身的技术水平,因为设备维护离不开 技术人员的参与,只有技术人员采用最先进的技术手段严格 地执行相关的操作,才能够在最大程度上满足设备维护的需 求,从而保障设备的正常运行,制定好维护的计划,根据整个 机场的运行情况,合理安排维护的时间和方式,在保证各项通 信设备正常运转,满足机场的正常运行情况下,按照计划进行 全面的、严格的维护。
收稿日期:2000-07-10 修订日期:2000-08-18]电器电工技术]SPWM 电压型逆变电路谐波仿真分析万健如,林志强,杨 帆,禹华军(天津大学,天津 300072)摘 要:根据SPW M 基本原理,应用M AT LAB 软件及其电气模块库,建立逆变电路及其负载感应电机模型,针对影响逆变电路输出电压频谱分布的主要因素进行仿真分析,对仿真结果进行比较,得出其频谱分布的规律性结论。
根据结论,通过设计加装滤波器来抑制逆变电路输出谐波,并加以仿真比较,得到了较好的滤波效果。
关 键 词:SPW M;谐波分析;逆变电路中图分类号:T M921.51 文献标识码:A 文章编号:1001-4551(2000)06-0050-04H armonic Simulation and Analysis of V oltage -sourced SPWM I nverterW AN Jian 2ru ,LI N Zhi 2qiang ,Y ANGfan ,Y U Hua 2jun(Tianjin Univer sity ,Tianjin 300072)Abstract :By the principle of SPW M ,the inverter and m ortor m odel based on the P ower System Blockette in M AT LAB s oftware is established.The rule of harm onic spectrum distribution and the trends toward which harm onics vary with inverter parameters have been given after the quantitative harm onic analysis of inverter output wave.At last ,a sim ple practical and effective filter is de 2signed to eliminate the ham ornics and verified by the simulating results.K ey w ords :SPW M;harm onic analysis ;inverter1 引 言随着PW M 技术的发展,调速性能得到很大提高,变频器应用越来越广泛,但逆变电路输出侧产生的高次谐波对其负载和周围电气装置会产生很大负面影响。
毕业论文-单相三电平SPWM整流器的研究与设计(shrimplm)┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊摘要随着电力电子器件、高精度高速运算芯片、实时仿真及控制等技术的飞速发展,各类电力电子装置正广泛地应用于交直流可调电源、电力供电系统、电气传动控制与电化学生产等领域,然而大多数的电力电子装置都是通过变流器与电网相连,总存在网侧功率因数低以及输入电流谐波成分高的问题。
为了减小谐波干扰对电网质量的危害,以及可能因此而引发的事故,1994年3月国家技术监督局颁布了国标GB/T 14549-1993《电能质量公用电网谐波》。
抑制电力谐波提高功率因数的方法主要有两种,一种是装设专用的谐波补偿装置,该方法相应地带来了成本增加的问题;另一种是采用新型的高功率因数变流器。
PWM整流器作为高功率因数变流器的一个重要方向,在各种工业生产领域扮演着重要角色。
它不仅要求中间直流环节的电压保持恒定,交流侧功率因数为1,还要求尽量减少电流谐波。
然而相对于两电平PWM整流电路,三电平PWM整流器的功率开关管所承受的关断电压为直流侧电压的一半,减少了功率开关管的电压强度,同时电平数的增加使入端电流更接近正弦波,在同样的的开关频率及控制方式下,其电流谐波总畸变率(THD)要远小于两电平PWM整流器。
因此,本毕业设计以单相三电平PWM整流器为研究对象, 首先介绍了课题的产生背景、研究概况及意义,阐述了PWM整流器的工作原理,并对其开关工作模态以及拓扑结构进行了分析;其次,在此基础上,建立了三电平整流器的系统数学模型,并对PWM控制技术进行总结,采用电压电流双闭环控制,利用MATLAB/Simulink进行了仿真实验。
仿真结果表明,系统的工作情况与理论分析相符合,该系统不仅能使直流电压在一定范围内可调,而且使整流器交流侧电流谐波降低,实现了单位功率因数运行。
关键词:三电平整流功率因数校正MATLAB仿真┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊电流1u直流侧电容C1两端电压2u直流侧电容C2两端电压aS1-a S4/ b1S-b S4三电平整流器左/右半桥臂四个开关管aVD1-aVD4/bVD1-bVD4三电平整流器8个反并联二极管1C/2C直流侧上下两个支撑电容R入端电阻L入端电感LR直流侧输出负载电阻AS三电平整┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊流电路简化模型的A相开关BS三电平整流电路简化模型的B相开关目录摘要 ...................................................................................................................................... I I ABSTRACT........................................................................................... 错误!未定义书签。
单相SPWM逆变桥输出电压的谐波分析引言:单相SPWM逆变桥是一种常见的交流电源变换器,广泛应用于工业控制中。
在SPWM(Sinusoidal Pulse Width Modulation)逆变桥中,通过调整PWM信号的占空比,控制输出电压的大小和频率,以实现对交流电源的变换。
本文将对单相SPWM逆变桥输出电压的谐波进行分析。
一、单相SPWM逆变桥的工作原理逆变桥的工作原理如下:1.当M1和M2导通时,上管形成导通通道,电流从正极流向负极,输出电压为正向。
2.当M3和M4导通时,下管形成导通通道,电流从负极流向正极,输出电压为反向。
3.M1和M4、M2和M3也可以同时导通,此时两个导通通道是时序互补的,可以形成全桥逆变,输出电压的极性可以根据控制信号决定。
由于PWM的调制方式是基于三角波的频率调制,所以输出电压将会产生谐波。
具体的谐波分析如下:1.基波分量:基波是输出电压中频率最低的正弦波分量,其频率由所选择的PWM三角波频率决定,一般为50Hz或60Hz。
2.谐波分量:谐波分量是输出电压中频率高于基波的正弦波分量。
根据上述逆变桥的工作原理,谐波的频率为输入直流电压频率的奇次谐波。
具体的谐波分量数值与具体的控制策略有关,下面分析两种常见的输出电压控制策略。
(1)三角波PWM在三角波PWM控制下,PWM信号的占空比根据三角波的振幅决定。
当PWM信号的占空比为0.5时,输出电压为基波分量的峰值。
当PWM信号的占空比为0或1时,输出电压为0。
所以,在三角波PWM控制下,逆变桥输出电压只包含基波分量。
(2)正弦PWM在正弦PWM控制下,PWM信号的占空比与正弦波的幅值成正比,所以逆变桥输出电压中包含基波分量和谐波分量。
根据正弦PWM的控制方法不同,谐波分量的大小也会有所变化。
三、单相SPWM逆变桥输出电压的谐波抑制措施为了减小逆变桥输出电压中的谐波分量,常采用以下措施进行抑制:1.增加PWM的频率:增加PWM的频率有助于减小谐波分量的幅值,提高输出电压的质量。
光伏发电系统SPWM 逆变电源谐波的抑制技术曹太强1,许建平1,徐顺刚1,2(1.西南交通大学电气工程学院,四川成都610031;2.重庆师范大学物理学与信息技术学院,重庆400047)摘要:对光伏发电系统的SPWM 逆变电源产生谐波的原因进行了分析,设计了一种新型无源三相三角形-带通滤波器,该滤波器将LCL 串联装置并联在主电路中,通过仿真数据选取最佳的LCL 参数,并与阻波器串联以共同抑制光伏系统产生的谐波。
理论分析、仿真和实验研究结果表明,该三相三角形-带通滤波器能有效抑制光伏发电系统中的3~19次等谐波,谐波总含量从31.5%减小到3.1%。
关键词:光伏发电;谐波分析;逆变器;三角形-带通无源滤波器;交流纹波中图分类号:TM 741文献标识码:A文章编号:1006-6047(2011)06-0020-03收稿日期:2010-05-20;修回日期:2011-04-18基金项目:国家自然科学基金资助项目(50677056)Project supported by the National Natural Science Founda -tion of China (50677056)电力自动化设备Electric Power Automation EquipmentVol.31No .6Jun.2011第31卷第6期2011年6月50250U /V 200400600800f /Hz图2光伏发电SPWM 逆变电源的频谱图Fig.2Spectrum of PV SPWM inverter0引言光伏发电系统中的逆变电源(DC /AC )产生的谐波是影响光伏发电系统正常运行的主要干扰源[1]。
逆变电源产生的3~20次谐波在光伏发电SPWM 逆变电源中含量比较大(由于主电路设计不同,有些电路3次谐波含量很少),必须进行有效的抑制,系统才能稳定、可靠运行。
理论上有源滤波器虽然可以有效地抑制谐波,但由于其技术复杂、成本较高,而未能获得广泛应用。
摘要:SPWM 逆变电源输出电压中含有丰富的高频谐波成分,高频谐波将在用电设备中引起严重的电磁干扰问题,降低系统运行的可靠性。
通过对SPWM 逆变电源的输出谐波分析,提出一种采用跳频调制进行谐波抑制的方法。
使用跳频调制将常规SPWM 逆变电源中载波从单一频率扩展到一个频段范围内,使输出电压谐波能量均匀分布,从而降低SPWM 逆变电源输出谐波的幅度峰值,达到改善设备电磁兼容能力的要求。
在软件仿真的基础上设计制作了1kW 的实验样机,实验结果表明采用跳频调制技术后SPWM 逆变器输出谐波峰值降低了约10dB 。
关键词:电磁干扰;SPWM ;逆变电源;跳频调制中图分类号:TG43文献标识码:A 文章编号:1001-2303(2009)04-00125-04第39卷第4期2009年4月Vol.39No.4Apr.2009Electric Welding Machine徐顺刚(重庆师范大学物理学与信息技术学院,重庆400047)Analyzing and restraining on the harmonic EMI of SPWM inverterXU Shun-gang(College of Physics and Information Technology ,Chongqing Normal University ,Chongqing 400047,China)Abstract :One method adopting Frequency-Hopping Modulation Technology had been put forward through analyzing of harmonictheory of SPWM inverter in this paper.It expands carrier frequency band of conventional SPWM inverter from single frequency to a wider band ,and it evenly makes harmonic energy of output voltage extend to a wider area ,consequently reduce harmonic amplitude of output voltage of SPWM inverter.We designed a 1kW experimental prototype based on software simulation ,experiments show output harmonic noises of SPWM inverter reduce about 10dB using Frequency-Hopping Modulation Technology.Key words :EMI ;SPWM ;inverter ;frequency-hopping modulation收稿日期:2009-02-20;修回日期:2009-03-10作者简介:徐顺刚(1975—),男,重庆人,在读博士,主要从事功率开关变换器、电力电子与电力传动的研究。
28 船电技术 2005年第1期SPWM逆变电源的谐波分析及抑制策略陈颖张俊洪(海军工程大学电气工程系,武汉430033)摘要: 分析了电压源型IGBT-SPWM逆变器输出电压和电流谐波及其产生规律,并提出了相应的谐波抑制策略,如选择正确的载波频率、精确实现选择的载波频率、在逆变器中注入谐波电流等,研究结果表明这些措施是可行的。
关键词: SPWM逆变器,谐波分析,谐波抑制Analysis and Restraint Strategy of Harmonics for InvertingPower Supplies with SPWMChen Ying,Zhang Junhong(Department of Electric, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)Abstract: This paper analyses the harmonics in output voltage and current of voltage-source IGBT-SPWM inverter and their developing law. The relevant strategies for restraining harmonics are presented in the paper, such as selecting appropriate frequency of carrier wave、accurately implementing of the selected frequency of carrier wave, injecting proper harmonics into the inverter and so on. The study results show the feasibility of the presented methods .Key words: inverter; harmonic; SPWM1 引言正弦脉宽调制(SPWM)逆变电源的性能在很大程度上取决于其非正弦输出电压和输出电流中谐波含量的大小。
输出的谐波过大不仅会使负载的机械震动加大、仪表的测量误差增加,而且还会对计算机和通信产生干扰.增加谐波损耗,降低效率,以至严重影响整个系统的控制性能。
因此,要提高SPWM逆变电源的性能,必须对其输出谐波进行准确分析并有效地抑制。
文献[1]在建立SPWM数学模型的基础上,分析了不同工作模式下SPWM电压源型逆变器的谐波与载波比,调制深度关系;文献[2]则针对利用自然采样SPWM的电压源型逆变器详细分析了三角波与锯齿波调制下逆变器性能的优劣;文献[3]则引入了谐波畸变决定因子(harmonic distortion determining factor),针对SPWM逆变器中输入电流的谐波,对比分析了几种常见SPWM收稿日期:2004-11-15 方法的性能。
但三者都没有就如何抑制SPWM逆变器的谐波作更深入的讨论。
对于SPWM逆变器的谐波抑制,文献[4][5]都采用了指定谐波消除法,在一定程度上减小了逆变器的输出谐波,但是这种谐波抑制方法需求解多个开关角所对应的非线性超越方程,而这是无法通过微处理器构成的控制器在线完成的。
如果要消除的谐波次数过多,即便是离线求解此种非线性超越方程也有一定的困难。
因此,为了提高SPWM逆变电源的性能,本文从工程的角度出发,在借鉴国内外相关研究的基础上,对逆变电源输出电压、电流中的谐波及其产生规律进行了较为详尽的分析,并给出了相应的谐波抑制策略。
2 SPWM逆变电源简介SPWM逆变电源的主回路和SPWM产生回路如图1所示。
其中逆变器的主回路一般采用高速开关元件,以保证逆变器能工作在较高的开关频率下;逆变器的控制部分则采用正弦脉宽调制船电技术 2005年 第1期 29技术。
SPWM 是工业应用中为便于分析谐波较常见的一种方法,其实质在于功率开关元件的开关信号是通过期望频率的正弦调制波与特定的载波信号相比而获得的。
这样可使得逆变器输出期望频率的正弦电压调制波,并达到控制频率、电压、电流和抑制谐波的目的。
图1 SPWM 逆变电源结构框图3 SPWM 逆变电源的谐波分析3.1 谐波分析的基本假设为了便于分析谐波,在此对SPWM 逆变电源作以下假设:假设 1:支流环节电压U DC 是最理想的电压源,不考虑其纹波对逆变器输出的影响;假设 2:视功率开关元件为理想器件,具有理想的开关特性;假设 3:逆变器采用双极性三角载波自然采样SPWM ,三角波频率f c 与逆变器输出电压频率f 之比N 大于1,正弦调制波的峰值A S 与载波峰值A C 之比小于等于1。
3.2 逆变电源输出电压的谐波分析在3.1的假设下,SPWM 逆变电源的输出电压可表示为:F(t)= 2U DC /π∑∞=102/m mM J )(•sin m π/2cosm ωt+ MU DC cos ωt/2+2U DC /π)2/(11πmM J m n n∑∑∞=±∞±=sin[(m+n)π /2]cos(ωt+n ωt)/m (1)式中ω=2πƒ;ω=2πƒC ; U DC 为逆变电源支流环节电压;M 为调制系数;J 0,J n 为第一类Bessel函数。
分析式(1),不难看出以下结论: l 由式(1)的第二项得逆变电源输出电压的一部分谐波分量的频率为载波频率的奇数倍。
l 由式(1)的第三项得逆变电源输出电压的另一部分谐波分量对称分布在整数倍的载波频率周围,其频率可表示为m ω+n ω,其中(m+n )不能被2整除。
3.3 逆变电源输出电流的谐波分析评价逆变电源的性能时,输出电流的谐波分析也是一个十分重要的手段。
然而,逆变电源输出电流的频谱不仅与采用的SPWM 方法有关,而且还受逆变器开关频率、负载参数等因素的影响。
因此,为保证逆变器运行性能评价的客观性,文献[3]采用了谐波畸变决定因数作为考察的主要指标。
依据文献[3]的分析,可以得出以下结论:在交流电机驱动应用中,和常规SPWM 及改进的SPWM 相比,谐波注入式PWM (即HIPWM ,指在SPWM 的正弦调制波中注入17%的谐波)的性能明显占优势。
如仅考察逆变器输出电流的谐波含量,虽然HIPWM 和SPWM 相差不多(均优于MSPWM),但HIPWM 的性能要稍好些。
4 SPWM 逆变电源的谐波抑制为抑制SPWM 电压源型逆变器的输出谐波,本文从工程实际出发给出以下几种谐波抑制策略:①选择合适的载波频率,以消除低次和某些奇次谐波;②精确实现选定的载波频率,以避免异步调制中才会出现的偶次谐波;③注入适当的谐波分量,以在不加大输出谐波含量的情况下提高电压利用率。
4.1 载波频率的选择根据3.2的结论可知SPWM 电压源型逆变器的输出电压谐波分布在载波的整数倍周围,也就是说,逆变器输出电压的谐波与载波频率是密切相关的。
如果提高SPWM 的载波频率,则逆变器输出电压的主要谐波也会分布在较高的频率波段。
这样,在逆变器驱动交流电机时,电机的漏抗将会滤掉逆变器输出电压的高次谐波,而使逆变器的输出电流呈现较好的特性。
虽然提高载波频率可以消除逆变器的低次谐波减小电机的谐波损耗,但是也会使逆变器开关损耗大幅度增加。
因此为协调二者的矛盾,一般认为在中小功率的IGBT 逆变器中,SPWM 的载30 船电技术 2005年第1期波频率取3 kHz左右为宜。
同时,载波比N应为3的整数倍,以消除3的整数倍数次谐波。
4.2 选定载波频率的精确实现选定合适的载波频率后,另外一个重要的问题是如何精确实现该频率,这也是工程实践中的关键问题。
一般来说,选择载波频率时总是希望载波比为整数,且为3的整数倍,以实现SPWM 同步调制,并消除3的整数倍次谐波。
但是,在实现选定的载波频率时,无论采用模拟电路,还是采用数字电路,总是不可避免地带来一定的误差。
这样就会使得SPWM的载波比不为正数,更不是3的倍数,因而很难实现SPWM的同步调制。
正是由于一般SPWM在工程实现上不能处于同步工作模式,而总是处于异步模式,才不可避免地使其输出电压、电流中出现偶次谐波。
为避免以上情况的出现,需要设法使载波频率精确实现,尽可能减小载波频率误差。
在载波频率误差不可避免的情况下,可在SPWM的实现中强行使载波和正弦调制波同步。
4.3 注入适当的谐波根据文献[3]的分析可知,当逆变器应用于交流电机驱动时,注入适当3次谐波分量的HIPWM 的性能要明显优于常规SPWM和MSPWM。
因此,为提高电压利用率,同时又要使逆变器具有良好的谐波抑制特性,在SPWM的正弦调制波中注入适当3次谐波分量是一合适选择。
在正弦函数中注入一定的3次谐波后,其调制函数可表示为:ƒm(ωt)=Μ(sinωt+k3sin3ωt)/max(sinωt+k3sin3ωt)(2)式中Μ为调制系数;k3∈[0,1]为注入的3次谐波的系数;max(*)为函数(*)的最大值。
当k3取不同值时,调制函数ƒm(ωt)中注入的3次谐波含量亦不同。
图2为调制系数Μ为1情况下k3不同时的调制函数波形,其中曲线1对应于k3=0,曲线2对应于k3=1/6,曲线3对应于k3=1/5,曲线4对应与k3=1/4。
由图2可见,改变k3便可改变调制函数ƒm(ωt)与横轴之间包围的面积,从而可使逆变器输出电压的幅值随之改变。
同时,当逆变器应用于交流电机驱动时,3的整数倍谐波自行消失,因此,注入3次谐波分量的SPWM并不增加逆变器输出电压中的谐波含量,在某种意义上,甚至可以认为注入3次谐波分量的SPWM逆变器输出电压中的谐波含量有所减小,从而在一定程度上改善了逆变器的输出电压特性。
因此,要提高电压利用率,使逆变器的输出电压达到一定的要求,只需要为k3选取一合理的值即可。
图2 注入谐波后的调制函数波形图5 结论与展望由以上的分析与研究表明,选择合适的载波频率,精确实现选定的载波频率和注入适当的谐波含量都应是工程上较为有效的谐波抑制策略,而且这3种谐波抑制策略比较简单,在工程上易于实现。
但要想大幅度提高抑制逆变电源谐波的性能,还需进一步研究开发新型的PWM技术,从根本上解决谐波抑制问题。
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