多脈波整流技術(shù)在電網(wǎng)諧波中的應(yīng)用

多脈波整流技術(shù)在電網(wǎng)諧波中的應(yīng)用

1考慮電流諧波條件下的多脈波特性需要利用時長為6.大型輸送器廣泛應(yīng)用于電機調(diào)度、航空航天、高壓直流壓機、新能源系統(tǒng)。由于其強非線性和時間變量，它已成為主要的電源波形源。而多脈波整流技術(shù)由于其結(jié)構(gòu)簡單、高效、高可靠性和低成本等優(yōu)點,日益受到人們的關(guān)注和認可。最常見的多脈波整流技術(shù)為傳統(tǒng)隔離型12脈波整流器,但為了克服隔離變壓器體積大的缺點,美國學(xué)者DerekA.Paice于1995年提出用自耦變壓器代替隔離變壓器的方法,通過合理的設(shè)計自耦變壓器,其等效容量可達到0.18Po,較隔離變壓器1.03Po減小了82%,有效地降低了體積和成本。在一些諧波要求比較嚴格的大功率場合,12脈波整流電路的輸入電流諧波不能滿足要求,需要更多脈波數(shù)的整流電路。文獻[6,7]給出了由更多整流橋構(gòu)成18、24脈波數(shù)的整流電路,但該方法過于復(fù)雜且成本極高。多電平諧波注入融合了諧波注入、軟開關(guān)等技術(shù),成為實現(xiàn)多脈波整流技術(shù)的有效方法。文獻將抽頭變換器作為諧波注入電路與自耦變壓器相結(jié)合,并給出24脈波整流電路拓撲的設(shè)計,但此方法需要選取最優(yōu)電壓比值,隨著脈波數(shù)的增加計算比較復(fù)雜,并且主橋開關(guān)無法實現(xiàn)完全的零電流切換。文獻提出了一種新型注入電路,該注入方法便于拓展到多電平,同文獻[6,7]中拓撲相比較,降低了對注入電路開關(guān)器件的電流容量和電流變化率的要求,并隨著電平數(shù)的增多愈顯優(yōu)勢,同時主橋開關(guān)能夠?qū)崿F(xiàn)零電流切換,并對網(wǎng)側(cè)電壓諧波有很好的抑制作用。本文將自耦變壓器與文獻提出的新型注入電路進行結(jié)合,得到新的基于自耦變壓器的多電平注入式電流源型變換器拓撲結(jié)構(gòu),在減小變壓器體積的前提下實現(xiàn)簡易方便的多脈波整流,并對新拓撲的電壓特性和電流特性分別進行分析,計算系統(tǒng)各部分容量大小,與傳統(tǒng)自耦型12脈波整流拓撲進行對比,最后采用Matlab對電路拓撲進行仿真驗證,充分說明該拓撲在降低系統(tǒng)等效容量和減小輸入電流諧波上的有效性。2多電平拓撲合成本文所提出的基于自耦變壓器的多電平注入式電流源型變流器拓撲,是在傳統(tǒng)自耦型12脈波整流器的基礎(chǔ)上,在直流側(cè)加入多電平注入電路合成新的拓撲,如圖1所示。整個系統(tǒng)由延邊三角形結(jié)構(gòu)自耦變壓器、2組可控整流橋、零序電流抑制器(Zero-SequenceBlockingTransformer,ZSBT)和多電平注入電路組成,其中ZSBT的作用為抑制三倍頻電流形成的零序電流,保證系統(tǒng)的正常運行。2.1變壓器電壓比固定系統(tǒng)中自耦變壓器主要作用為提供移相電壓,能實現(xiàn)此功能的自耦變壓器有多種結(jié)構(gòu),常見的為延邊三角形結(jié)構(gòu)和zigzag結(jié)構(gòu)。其中后者組成的多脈波整流器存在無零序電流環(huán)流、直流側(cè)無需額外加入ZSBT且其與每個整流橋串聯(lián)的電抗基本相等、電路對稱性好等優(yōu)點,但其顯著的缺點是變壓器電壓比固定,應(yīng)用于大功率場合將面臨諸多問題。延邊三角形結(jié)構(gòu)的自耦變壓器一、二次側(cè)變比k并不固定,可根據(jù)需要改變延邊繞組抽頭位置系數(shù)k1和延邊比例系數(shù)k2來改變電壓比值,如圖2所示。上述三者之間的關(guān)系為經(jīng)分析可知,延邊位置系數(shù)k1和延邊比例系數(shù)k2的變化,并不會引起系統(tǒng)輸入電流的諧波畸變率。但為保證自耦變壓器的體積和等效容量不能過大,需要在一定范圍內(nèi)選取延邊位置系數(shù),因此自耦變壓器的電壓比選取是有一定限制的,系統(tǒng)容量與延邊位置系數(shù)k1的關(guān)系如圖3所示。本文采用自耦變壓器選取k1=0的情況,其電壓矢量圖和磁路結(jié)構(gòu)圖如圖4所示,為實現(xiàn)變壓器二次側(cè)兩組電壓相差30°,令超前于,滯后于,因此有根據(jù)矢量三角形合成原理可得變壓器電壓比為2.2開關(guān)管vtj1vtj4的觸發(fā)脈沖系統(tǒng)電壓和電流特性隨多電平注入電路的引入發(fā)生變化,因此需要做進一步分析。注入電路的拓撲圖(以三電平為例)如圖5a所示,兩組整流橋經(jīng)ZSBT后流向注入電路的電流分別是Id1和Id2,開關(guān)管VTj1~VTj4的觸發(fā)脈沖如圖5b所示,在滿足VTj1和VTj2互鎖,VTj3和VTj4互鎖的前提下觸發(fā)脈沖有多種組合方式,圖5b中僅為其中的一種。由于注入電路開關(guān)器件的切換,直流側(cè)電壓發(fā)生了改變,引入注入電路開關(guān)函數(shù)Sp、Sq,令根據(jù)注入電路原理和電路拓撲圖分析,可得直流側(cè)輸出電壓為其中其中,。由式(4)計算可知,直流輸出電壓的平均值為上式計算結(jié)果與未加注入電路時直流側(cè)輸出電壓平均值相等,因此直流側(cè)電壓特性并未因注入電路的引入而發(fā)生改變。2.3網(wǎng)側(cè)電流的thd模型直流側(cè)引入三電平注入電路后,整流橋輸出電流Id1和Id2的波形如圖5所示,令:由式(6)可將系統(tǒng)直流側(cè)電流分為兩部分,分別為Id/2和im,因此交流側(cè)電流ia也對應(yīng)的由兩部分組成,將其表示為其中,ias與Id/2有關(guān),為12脈波整流時交流側(cè)電流;iam與im有關(guān),為注入電流對系統(tǒng)輸入電流的影響分量,上述三者的波形如圖6所示。根據(jù)圖4所示的自耦變壓器磁路結(jié)構(gòu)圖和KCL定律可得對ias進行傅里葉級數(shù)展開,其表達式為令,則對iam進行傅里葉級數(shù)展開,其表達式為由式(9)、式(10)可得因此網(wǎng)側(cè)電流的THD值為式中,I1為網(wǎng)側(cè)電流基波有效值;In為網(wǎng)側(cè)電流n次諧波有效值。將ia和ias各次諧波含量進行對比,如表1所示,可以看出,與傳統(tǒng)的12脈波整流器相對比,附加的注入電路所產(chǎn)生的附加電流,以11次、13次諧波為主,并且與傳統(tǒng)12脈波整流器交流側(cè)電流的11次、13次諧波相位相反,因此可大大減小11次、13次諧波含量。3系統(tǒng)容量的測試注入電路的加入,雖然對系統(tǒng)各部分的電壓特性并沒有造成影響,但系統(tǒng)電流發(fā)生了變化,因此系統(tǒng)各部分的容量也隨之變化。在系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)電流諧波特性大大改善的前提下,需進一步對增加注入電路后的系統(tǒng)與傳統(tǒng)自耦型12脈波整流系統(tǒng)的容量進行比較,來確定本文提出新拓撲的應(yīng)用價值。以自耦變壓器容量為例進行計算,自耦變壓器由3個主繞組和6個抽頭繞組組成,分別計算a相輸入線電壓Vab、小繞組電壓相主繞組電流I1以及小繞組上電流的有效值,可得自耦變壓器容量為同理可得系統(tǒng)其他部分的容量值,并與傳統(tǒng)自耦型12脈波整流系統(tǒng)相對比,如表2所示。由上表可以看出,新拓撲在各部分容量較傳統(tǒng)自耦型12脈波整流器均略有增加,但與隔離型12脈波整流器容量相比仍大幅度減小,證明本文所提拓撲在系統(tǒng)容量上仍具有較大優(yōu)勢。以上分析均以三電平注入電路為例,隨著注入電平的增加,交流側(cè)輸入電流將更趨近于正弦波,其THD會隨電平數(shù)增加而逐漸減小,系統(tǒng)容量也相應(yīng)降低,如圖7所示,由圖可以看出,本文所提拓撲優(yōu)勢隨電平數(shù)增長而大大提升。4負載兩端電壓波形采用圖1所示拓撲結(jié)構(gòu)進行Matlab/Simulink仿真(三電平為例),系統(tǒng)參數(shù)為:變壓器容量100kVuf0d7A,三相交流電源電壓有效值220V,電網(wǎng)頻率50Hz,注入電路支路電感50mH,負載電阻為1?。圖8給出了新拓撲的仿真結(jié)果,圖中截取系統(tǒng)穩(wěn)定后0.6~0.66s內(nèi)一段波形,圖8a為自耦變壓器一次和二次a相電壓波形圖,從圖中可看出,自耦變壓器兩組二次電壓一組超前一次電壓15uf0b0,另一組滯后一次電壓15uf0b0,達到了移相30uf0b0的目的;圖8b、8c、8d分別為自耦變壓器一次和兩二次a相電流波形圖,與理論推導(dǎo)相似;圖8e為直流側(cè)負載兩端電壓波形。圖9所示為直流側(cè)加注入電路前后,網(wǎng)側(cè)電流THD對比圖,由圖可以看出,與傳統(tǒng)自耦型12脈波整流器相對比,注入式多脈波整流器網(wǎng)側(cè)電流的諧波含量可大大減小,兩種拓撲各次諧波含量及THD值均與表1基本相符。5采用自環(huán)變壓器取代傳統(tǒng)電力設(shè)備,減輕系統(tǒng)容量本文提出了一種新型的基于自耦變壓器的多電平注入式電流源型變換器拓撲,該拓撲在融合了諧波注入、軟開關(guān)等多種技術(shù)的基