（电力电子与电力传动专业论文）等效36脉波多重化整流的npch桥逆变器研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 ab s t r a c t t h em u l t i - p u l s er e c t i f i e r sc a l li n c r e a s et h em u m b e ro fp u l s e so fr e c t i f i e r e q u i p m e n t sb ya d o p t i n g t h e t e c h n o l o g y o f p h a s e s h i f t i n g a n dm u l t i p l i n g r e c t i f i c a t i o n t ol i v eu pt ot h es t r i c th a r m o n i cc a n c e l l a t i o ns t a n d a r d s ，m o r ea n dm o r e p o w e re q u i p m e n tm a n u f a c t u r e sa r ea d o p t i n gm u l t i p u l s er e c t i f i e r s ，w h i c hg r e a t l y i m p r o v e st h e i ra p p l i c a t i o ni nt h ep o w e re l e c t r o n i c sc o n v e r tf i e l d i nt h i sp a p e r , at o p o l o g yo fe q u i v a l e n t3 6 - p u l s er e c t i f i e rw h i c ha d o p t st h e t e c h n o l o g yo fc o m p o u n dp h a s e - s h i f t i n ga n dm u l t i p l i n gr e c t i f i c a t i o ni sa n a l y z e d i t a c h i e v e s3 6 - p u l s eh a r m o n i cc a n c e l l a t i o nb yr e d u c i n gt h en u m b e ro ft h es e c o n d a r y w i n g s o fd i f f e r e n ts t r u c t u r e w h i c hm a k e st h em a n u f a c t u r eo f p h a s e s h i r t r a n s f o r m e r sm o r ec o n v e n i e n t b yt h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w ec a ng e tt h ec o n c l u s i o nt h a t t h el o w e s th a r m o n i co r d e ro ft h el i n es i d ec u r r e n ti s35 t h , t h ee f f e c to fi t sh a r m o n i c c a n c e l l a t i o ni si d e a l o n ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fe q u i v a l e n t3 6 一p u l s er e c t i f i e ri st o s u p p l y3d cv o l t a g e sf o rt h ef i v e l e v e ln p c hb r i d g ei n v e r t e rb yp a c k e tc o n n e c t i n g t h eo u t p u ti ns e r i e s i nt h i sp a p e r , t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h et o t a lh a r m o n i c d i s t o r t i o n ( t h d ) o fp h a s ev o l t a g ea n db r i n ga b o u tt h ed e v i a t i o no fd c l i n ev o l t a g e so f f i v e l e v e ln p ci n v e r t e rf e db ye q u i v a l e n t3 6 一p u l s er e c t i f i e ru n d e ri n p h a s ed i s p o s i t i o n m o d u l a t i o na lea l s oa n a l y z e d t h er e s u l t so fs i m u l a t i o n su n d e ri d e a la n du n i d e a lc o n d i t i o n sa n de x p e r i m e n t so f l o wp o w e rl o a dp r o v et h ef a v o r a b l eh a r m o n i cc a n c e l l a t i o ne f f e c to fe q u i v a l e n t 3 6 p u l s er e c t i f i e ra n dt h ec o r r e c t n e s so ft h e o r e t i c a la n a l y s i sa sw e l l m e a n w h i l e ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h et h d o fp h a s ev o l t a g eo ff i v e l e v e ln p c hb r i d g ei n v e r t e r a n dt h ed e v i a t i o no fd cl i n ev o l t a g e sa n dl o a dc o n d i t i o n ，o u t p u tf r e q u e n c ya n dt h e s i z eo fd cl i n ec a p a c i t o r si so b t a i n e d k e y w o r d s ：m u l t i - p u l s er e c t i f i e r , m u l t i p l e ，p u l s e ，h a r m o n i cc a n c e l l a t i o n ，p h a s es h i f t t r a n s f o r m e r ，t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口， 在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密。 学位论文作者签名：熊辉 l 签字日期：2 0 0 9 年0 4 月 导师签名： 留 答字日期：1 “月，日 ； 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本 论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：熊辉 日期：2 0 0 9 年0 4 月2 0 日 江苏大学硕士学位论文 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 电力是现代社会生产生活中主要和必不可少的直接能源，电能质量因此也一 直为人们所重视。传统供电系统被设计成按正弦波形运行，并且以恒定的工业频 率和规定的电压水平向用户供电。但实际情况下电力系统往往无法在这样的理想 情况下运行，特别是电力系统中非线性负载的接入将导致电力系统波形发生畸 变，影响电力系统的安全稳定运行【n 。因此，如何消除电力系统谐波，是当前电 力系统所面临的重要问题。 经研究发现，引起谐波的污染源绝大部分是电力设备的电源部分，尤其是 a c d c 部分。因此，改进现有的整流装置，改善它们的输入电流波形，是减少 谐波污染的最根本的途径。为了满足严格的谐波标准，采用多重化移相技术的多 脉波整流器现在正被越来越多的电力设备生产厂家所采用，以达到消除网侧谐波 电流的目的，使用多脉波整流器同时也能够提高功率因数2 。 同时，随着电力电子变流技术的应用越来越广泛，人们希望电力电子装置不 但能够处理越来越高的电压等级和容量等级；而且能够在满足输出电压等级，改 善波形的情况下，也能够具有降低输出电压的谐波成分，结构简单，易于操作的 优点。但是，现在大多数研究都是以牺牲结构的简易性来换取提高电压等级的办 法，例如： 1 ) 功率开关器件的串联方式，但是所有串联的器件必须同时开通和关断，对 开关特性要求很严，后来增加均压电路，又抬高了成本，使得装置的可靠性降低。 2 ) 多重化方式，将数个低压小容量逆变器的输出通过变压器进行串联来获得 高电压，但是带来开关频率低，增大材料成本，增大装置体积和重量。 3 ) 降压升压方式，即在输入侧利用变压器降压，中间环节仍采用低压等级变 换器，最后再次利用变压器抬高输出电压，这是一种治标不治本的方法，而且存 在中间环节电流过大，系统效率下降，增加装置体积和重量。 为了克服这些缺点，多电平逆变技术应运而生，其具有十分明显的优势： 1 ) 多电平逆变器可以使用低压器件实现高电压等级的输出，而且不需要开关 l 江苏大学硕士学位论文 器件的直接串联； 2 ) 由于输出电压中含有多个电平，这使输出电压的d v d t 大为减小； 3 ) 每个开关器件只需工作在相对较低的开关频率下，减小了器件的开关耗。 相对于传统的大容量逆变器结构，多电平逆变器在高压大容量化和高性能化 之间实现了很好的结合，成为电力电子研究体系里的一个新的领域和重要分支。 本文以由采用复合型移相多重化技术的等效3 6 脉波整流器供电的n p c h 桥 5 电平逆变器为研究对象，系统分析了其网侧谐波电流的消除功效，也对在改进 型同相层叠调制方法下影响逆变器输出相电压t h d 和直流侧电容电压的偏移情 况的因素进行了总结。这对促进多脉波整流器和多电平逆变器在电力电子变流系 统中的应用具有重要意义。 1 2 移相多重化整流和多电平逆变技术应用现状 对于大功率整流设备，为了提高功率因数，减少网侧谐波电流，必须提高整 流设备的脉波数。为此，可以采用移相多重化整流技术来实现。为了满足北美和 欧洲制定的严格的谐波标准，例如i e e e5 1 9 1 9 9 2 标准，目前世界各国的电力设 备制造厂商都越来越多的采用移相多重化整流技术，以提高整流设备的脉波数 目，如1 2 脉波、1 8 脉波、甚至2 4 脉波及以上，进而达到消除网侧谐波电流的 目的【8 m 】。这些整流器都由带有多个二次绕组的整流移相变压器供电，每个二次 侧绕组给一个6 脉波二极管整流器电路供电，各二极管整流器可为电压源逆变器 提供一个直流电压。 目前最常用的是1 2 脉波整流的方法，是使用三相变压器电路使交流线电压 实现相移，将两个三相桥式整流电路移相3 0 0 相位差并联或者串联起来，达到完 全消除输入电流中的5 次、7 次、1 7 次、1 9 次谐波的目的，使最低次谐波为1 1 次，更容易滤除。但一些技术先进的电力电子变流设备也采用了2 4 或者3 0 脉波 的多脉波整流器以便在减小滤波器的尺寸甚至取消滤波器的情况下使输入电流 的t h d 满足要求。然而利用单台整流移相变压器实现更高脉波数，例如3 6 脉波 的多脉波整流器并没有在实际中获得应用，这是因为3 6 脉波整流器若采用单台 整流移相变压器实现，那么其次级绕组数目将达到6 个，这使得保证移相变压器 的移相角度，变压比精度和漏抗的均衡变得相当困难，移相变压器的生产将会非 2 江苏大学硕士学位论文 常复杂，制造成本也会大幅增加【1 3 - 1 卯。 多电平逆变器是在1 9 8 1 年由n a b a e 等人提出的“中点钳位p w m 逆变器 ( n e u t r a l p o i n t c l a m p e dp w mi n v e n e r , n p c p w m ) ”的基础上发展起来的，其后在 高压大功率变频调速器方面得到了广泛的应用。尽管n a b a e 未明确提出多电平逆 变器的概念，但该逆变器本身就是二极管钳位三电平逆变器的雏形。 基于电压型三电平逆变电路的多电平逆变电路，特别是三电平逆变电路己进 入实用化阶段。一般认为多电平逆变器是建立在三电平逆变器的基础上，按照类 似的拓扑结构发展而成的。电平数越多，所得到的阶梯波电平台阶越多，从而越 接近正弦波，谐波成分越少。但这种理论上可达到任意n 电平的多电平逆变器， 在实际应用中由于受到硬件条件和控制复杂性的制约，通常在追求性能指标的前 提下，并不追求过高的电平数，而以三电平最为实际。中点钳位h 桥式( n e u t r a l p o i n tc l a m p e d hb r i d g e ，n p c h ) 逆变器由于具有些独有的特点，目前在中压 传动系统的应用也越来越广泛【l 酬。国外也有对七电平及更高电平的研究，但都 还不成熟，特别受硬件条件和控制性能的限制，还处于理论研究阶段。 1 3 相关技术的发展现状 1 3 1 电力电子器件的发展 电力电子器件是电力电子设备的灵魂和心脏，根据电力电子器件的发展历程 及其应用，电力电子技术的发展大体可以分为四个阶段i l n 。 1 9 5 6 年到7 0 年代初为电力电子技术的第一阶段( 通常也称为传统电力电子 技术阶段) 。这一阶段的电力电子技术的发展主要体现在晶闸管( s c r ) 及其应用 上，在此期间，主要针对晶闸管加负的门极信号不能关断的弱点，设计出各式各 样的换相电路，虽然这些电路的结构和工作模式都非常复杂，但是却在直流电机 调速、电焊机、电加热、高压自流输电( h v d c ) ，感应加热等领域得到广泛应用， 晶闸管技术及其应用己经相当成熟。 7 0 年代中期，大功率g t r 、功率m o s f e t 以及高压大功率g t o 等器件的 相继研制成功，以及这些器件与微处理器的结合使用，极大地促进了电力电子技 术的发展，使电力电子技术进入发展的第二阶段，在这一阶段，交流调速技术得 江苏大学硕士学位论文 到很大发展，为节能和机电一体化打下了牢固的技术基础。 从8 0 年代初开始，各种全控型电力电子器件大量涌现，特别是m o s 型绝 缘栅双极晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 、集成门极换流晶闸管( i g b t ) ， 功率集成电路( p i c ) 和智能功率模块( i p m ) 的相继研制成功以及性能的不断提高， 使电力电子技术进入发展的第三阶段，在这个时期，这些新器件与专用集成电路 ( a s i c ) 、计算机技术、计算机辅助设计相结合，使电力电子技术得到飞快的发展。 进入9 0 年代后，方面电力电子器件继续向大功率、高频化方向发展，另 一方面各种新的变换器拓扑电路和控制方案层出不穷，特别是对d c d c 变换器、 d c a c 变换器、功率因数校j f 技术( p f c ) 、软开关技术( s o f t s w i t c h i n g ) 的研究使 得电力电子技术的应用范围更加广泛和深入。这一阶段可以认为是电力电子技术 发展的第四阶段。在此阶段，电力电子技术综合了现代电子技术、自动控制技术、 计算机( 微处理器) 技术、电磁技术等，使其真正成为- - f - j 多学科边缘交叉技术。 随着科技的进一步发展，二十一世纪电力电子产品发展的趋势是：应用技术 的智能化，硬件结构的模块化，软件控制的数字化，产品性能的绿色化。从而使 未来的电力电子产品性能更加成熟、可靠、经济、实用。 总而言之，电力电子设备高频化、模块化、数字化、绿色化的实现，将标志 着电力电子技术的成熟。二十一世纪将是电力电子技术发展的新世纪。 1 3 2p w m 调制技术的发展 p w m 控制是交流调速系统的控制核心，几乎任何控制算法的最终实现都是 以各种p w m 控制方式完成的。就多电平变换器的控制方式而言，研究目标是基 于减小谐波畸变、开关损耗和提高暂态响应等。目前三电平变换器的主要控制方 法有阶梯波调制、正弦三角波调制、目标代价函数最小p w m 、特定谐波消除p w m 法【1 8 1 引、优化开关频率p w m 法f 1 9 。2 0 】和电压空间矢量p w m 法等。1 9 9 0 年， g c a r r a r a 等人在文献 2 1 】中提出子谐波p w m ( s u b h a r m o n i cp w m ，s h p w m ) 方 法，该法以其简单性和较好的鲁棒性而得到广泛应用，在n 电平变换器中，需 要n 1 个载波，由于载波相位关系的不同又产生各种不同的技术。几乎同时发展 i 起来的优化开关频率p w m ( s w i t e h i n gf r e q u e n c yo p t i m h lp w m ，s f o p w m ) 技术 在文献 2 2 】中得到了研究，它的基本原理是只用一个载波信号和三个根据其符号 4 江苏大学硕士学位论文 相移而重新排列得到的参考信号，再从参考电压中减去三相参考电压的最大最小 值的瞬态平均值。这种调制法的优点在于不过调制的情况下有较高的调制系数， 且中点电压易于控制，它较s h p w m 技术有更低的畸变系数。在2 0 世纪9 0 年 代中期发展起来的基频调$ 0 ( f u n d a m e n t a lf r e q u e n c ym o d u l a t i o n ，f f m ) 技术较之 于前两种p w m 技术又取得了一些进步，随后英国学者e k a n a y a k e ，j b 于1 9 9 6 年对三电平的f f m 技术和特定谐波消除脉宽调带j ( s e l e c t i v eh a r m o n i ce l i m i n a t i o n m o d u l a t i o n ，s h e m ) 技术进行了比较，s h e m 技术使三电平变换器的总谐波含量 从f f m 技术的1 6 8 6 0 0 降到1 0 4 9 t 2 3 l 。s a n d o rh a l a s z 等人研究了三电平变换器 的谐波损耗最小化最优p w m ( h a r m o n i cl o s s m i n i m i z ed o p t i m a lp w m ) 技术，针 对低、中、高速区域提出了不同的p w m 方法1 2 4 1 ，与优化消谐两电平变换器或 m l c 的其它传统p w m 技术相比，该方法能保证电机谐波损耗的大量减少。这 段时间发展起来的谐波消除p w m 、最优p w m 及空间矢量p w m 2 5 。2 刀等都各有 优缺点，其中s v p w m 方法最受重视，它的优点在于： 1 ) 在大范围调制比内有很好的性能； 2 ) 无需存储大量角度数据，易于数字化实现； 3 ) 具有8 1 曼d , 的输出谐波含量和较高的电压利用率。 单就对多电平s v p w m 的研究也呈现出百花齐放的趋势，这也从一个侧面 反映了这一技术在多电平变换领域方兴未艾。然而通常的s v p w m 要判断空间 矢量所处的扇区和开关模式，实现起来非常复杂。当然，也有一些学者提出各种 改进，比如，参考文献【2 8 】提出，先将空间矢量映射到口一坐标系，可省去一 些关于正余弦的计算；参考文献 2 9 1 提出判断扇区号的简便方法。对于一个扇区 内划分几个区域，也有不同的观点，参考文献 3 0 1 对7 区、6 区和4 区法的优缺 点进行了比较。为了抑制窄脉冲问题，参考文献 3 l 】甚至提出1 4 区的划分方法。 但是，总体上讲，这些方法并未能从根本上摆脱原算法步骤的限制，要进行大量 计算。参考文献 3 2 1 有了质的飞跃，提出了虚时间的概念，从而引出s v p w m 快 速算法，并讨论了低开关损耗模式和过调制时使运算时间大大缩短。遗憾的是， 该算法只是针对两电平变换器，对于三电平和更高电平的变换器无能为力。此外， 还有为最大限度的逼近圆形磁通，而用几何方法设计的三段逼近式方法【3 3 1 ，为 降低开关损耗功率谱密度而将矢量作用顺序随机化的随机s v p w m 3 4 1 ，此外还有 江苏大学硕士学位论文 比较判断式方法等等。 1 3 3 整流和逆变技术的发展 a c d c 变换器可将交流电能转换为直流电能，又称为整流器。主要用于充 电、电镀、电解及直流调速等领域。目前，采用快速自关断器件的高频整流器能 达到功率因数接近l ，正在逐步取代传统的相控整流器。 现代逆变技术式电力电子技术的一个重要的组成部分，它的作用是，把从市 电电网上得到的已经受到污染的定压定频交流“粗电能”，或从蓄电池、太阳能 电池、燃料电池等得到的电能质量较差的直流原始电能，变换成电能质量较高、 能满足用户负载对电压和频率要求的交流电能。逆变技术主要应用于交流电机的 传动、不间断电源( u p s ) 、变频电源、有源滤波器、市电电源的无功补偿器等， 所有需要直流电能变换成交流电能的地方。 一般认为，逆变技术的发展可分为如下三个阶段。 1 9 5 6 1 9 8 0 年为传统发展阶段，这个阶段的特点是，开关器件以低速器件为 主，逆变器的开关频率较低，输出电压波形改善以多重叠加为主，体积重量较大， 逆变效率较低，正弦波逆变技术开始出现。 1 9 8 1 2 0 0 0 年为高频化技术阶段，这个阶段的特点是，开关器件以高速器件 为主，逆变器的开关频率较高，波形改善以p w m 为主，体积重量较小，逆变效 率高，正弦逆变技术的发展r 趋完善。 2 0 0 0 年至今为高效低污染阶段，这个阶段的特点是以逆变器的综合性能的 改善为主，低速与高速开关器件并用，多重叠加法与p w m 法并用，不再偏向追 求高速开关频率，高效环保的逆变技术开始出现。 今后，随着工业和科学技术的发展，用户对交流电能质量的要求越来越高， 包括市电电源在内的所有原始电能的质量可能满足不了用户的要求，必须经过加 工后才能使用，而现代正弦化逆变技术在这种加工中将起到重要作用。 当前高压大功率逆变器的一个发展方向便是a k r a q n a b a e 等人提出的多电 平逆变技术，多电平逆变器技术的出发点是通过对主逆变电路的结构改造，使所 有的逆变开关都工作在基频或低频，以达到减少开关应力、改善输出电压或电流 波形的目的。而采用p w m 逆变器的多重叠加方式( s p w m ) 与多重叠加技术的 6 江苏大学硕士学位论文 联合应用) 获得p w m 多电平输出的逆变技术既可以改善输出电压的波形，使其 趋向正弦波，又可以实现线形调压与稳压。它与传统的多电平逆变比较，所需要 的元件数目也最少【3 5 1 。 1 4 本文主要内容和结构 多脉波整流器采用了移相多重化整流技术，具有良好的谐波消除功效。本文 分析了种新型的等效3 6 脉波整流器的拓扑结构及其在电力电子变流领域中的 应用，阐述了其结构上的优越性，在理论上探讨了其谐波消除原理，并通过仿真 和实验证实了其良好的谐波消除的功效。等效3 6 脉波整流器通过阀侧的分组串 联可为n p c h 桥5 电平逆变器提供3 个直流侧电压，促进了其在中压传动系统 中的应用。本文同时对影响由等效3 6 脉波整流器供电的n p c h 桥5 电平逆变器 在改进型同相层叠调制方法下输出电压t h d 和直流侧电容电压的偏移情况的因 素进行了仿真分析。 本文共分为五个部分，具体结构安排如下： 第一章介绍了移相多重化整流技术和多电平逆变技术在电力电子变流领域 中的发展和应用现状，以及相关技术的发展对其的影响。 第二章介绍了移相变压器的两种移相方式和移相多重化的不同形式，采用复 合型移相多重化整流技术的等效3 6 脉波整流器在结构上具有优越性，在理论上 对其网侧谐波电流的消除原理进行了分析。 第三章对多电平逆变器的分类和适用于多电平逆变器的主要的调制方法进 行介绍，重点介绍了n p c h 桥5 电平逆变器和适用于n p c h 桥5 电平逆变器的 改进型同相层叠调制方法，并研究了等效3 6 脉波整流器为五电平中点钳位式h 桥逆变器供电的拓扑结构，其可用于大功率电力电子变流系统中。 第四章分别通过仿真和实验验证等效3 6 脉波整流器在理想和实际情况下的 良好的谐波电流消除效果。通过m a t l a b 仿真，对影响由等效3 6 脉波整流器 供电的n p c h 桥5 电平逆变器在改进型同相层叠调制方法下输出电压t h d 和直 流侧电容电压的偏移情况的因素进行了分析总结。 第五章是总结和展望部分。对本文所做的工作进行总结，并对下一阶段工作 进行展望。 7 江苏大学硕士论文 第二章移相多重化整流技术 利用移相多重化整流技术的多脉波整流器目前正被越来越多的电力传动设 备制造厂家所采用，以达到消除网侧谐波电流的目的，而移相变压器是谐波消除 的关键所在。因为大功率传动系统的多电平逆变器需要多个独立的直流电源，因 此移相变压器也需要多个的次级绕组。然而，多脉波整流器的脉波数越多，向其 供电的移相变压器的次级绕组也会相应增多，这使得移相变压器的生产变得更加 复杂，也会使移相变压器的移相角度产生更大的误差，因此单台变压器产生3 0 脉波以上的多脉波整流器极少投入实际应用。本章将会讨论在不降低谐波消除效 果的前提下减少移相变压器次不同结构的次级绕组数目的可能性。 2 1 谐波电流的产生与危害 2 1 1 谐波电流的产生 谐波污染的产生主要是因为电力系统的非线性负载引起的。非线性负载主要 包括以下几种州： 传统的不控整流电路，即桥式整流后接j 大的平波电容，这种电路只有在输 入电压的绝对值大于电容电压时才会有电流的输入，因而使得输入电流成为一种 不连续的近似为脉冲式的波形，这种波形含有大量的谐波。采用这种电路的电力 装置如线性稳压源，当今流行的大多数开关电源，其i j 置输入整流部分基本采用 这种电路。 相控变流装置。电力电子技术的发展，特别是晶闸管的发明，使得各种变流 技术和电力控制相应产生，这种技术由于只是在每个电压周期的某一段相角范围 内导电，因而其输入电流也有大量的谐波成分，而且在调压过程中随着相控角的 加大，功率因数减小，交流回路中的较低次谐波电流相对较大。这种装置如各种 由直流电压供电的逆变和斩波装置，它们的直流电源由相控的整流电路得到。 从上面可以看出，引起谐波的污染源绝大部分是电力设备的电源部分，尤其 是a c d c 部分。因此，改进现有的整流装置，改善它们的输入电流波形，是减 8 江苏大学硕士学位论文 少谐波污染的最根本的途径。 2 1 2 谐波电流的危害 随着工业、农业的快速发展及人民生活水平的不断提高，特别是电子信息技 术的飞速发展及自动化技术的普及，电力需求量增长迅速，对供电质量及可靠性 的要求也越来越高。例如，工业自动化生产线、飞机场、大型金融商厦、通信机 房等重要场所的计算机系统一旦失电，或受电磁干扰，致使计算机系统无法正常 运行，将会带来巨大的经济损失。其中谐波电流的危害巨大，应引起高度重视。 谐波电流的危害主要表现在以下几个方面：谐波电流会向公用电网的中性线注 入更多电流，增加输电线路损耗，造成过载、发热，加速电力设备的老化，谐波 电流也会造成继电保护装置误动作，影响电力系统安全【3 7 】；谐波发射出大功 率的相应频率的电磁波，干扰电子设备的运行；谐波电流，特别是3 的奇数倍 次的谐波电流侵入三角形连接的变压器时，会使变压器绕组中形成环流，加大绕 组发热量，降低没备效率，影响其正常工作；大量的3 的奇数倍次谐波电流叠 加将在中性线上产生过大的谐波电流，从而使中性线过热，当三相负荷不平衡时， 甚至出现中性线电流大于相线电流的情况，这样就会导致中性线严重过载，进而引 发火灾爆炸事故【3 8 4 0 】。 2 1 3 不控整流电路给电网带来谐波危害的机理 最简单的a c d c 变换器单相桥式二极管整流电路如图2 1 所示，其输出为 不可调直流电压v d ，一个大电容c d 用来滤除低频纹波。 a c d 。太d 。jl c a = + = _ _ =v 一 d 2jl d 4 一i 名 ： 强i7 臻 i ! 3 i1 l 。 j ：t ? 一 1 i ；l ：j 、矗 f 一l ：j ： j l 图2 1 单相桥式二极管整流电路图2 2 二极管整流桥对应输入电流波形 负载不大时，滤波电容c d 上电压被充至接近于输入电压的峰值，整流二极 管只有在输入电压峰值附近的瞬时值大于电容电压的短时间内才有电流流通，输 9 江苏大学硕士论文 入电流波形如图2 2 所示，其他大部分时间里，二极管被反向偏置而处于截止状 态。 图2 2 中的电流波形包含丰富的高次谐波，表2 1 给出了单相整流环节输入 电流波形谐波含量的典型值。 表2 1 单相桥式二极管整流电路输入电流谐波含量的典型值 谐波含量 35 79 l l1 31 5 1 7 i b i i ( )7 3 23 6 68 1 5 7 4 12 90 8 0 4 谐波电流注入电网造成电网电压产生畸变，其原理如图2 3 所示。故电力系 统对用电设备规定了在公共点的谐波电压应不超过规定值，如g b l 4 5 4 9 中就规 定了谐波电压的限定值。另一种则直接对产生谐波电流的设备规定其允许的谐波 电流值，如i e c 5 5 5 2 标准【4 ，名称为家用设备及类似电器设备对供电系统的干 i s ( t ) = i l ( t ) + 至“( t ) 共节点 图2 3 谐波电流对电网的影响 扰”，欧洲也于1 9 8 7 年制定了类似的标准e n 6 0 5 5 5 2 。这些标准经不断补充和 修订，内容逐步完善。其中i e c 5 5 5 2 标准自1 9 9 4 年起己在欧盟国家全面实施， 所有在欧盟市场销售的用电装置都必须满足这一标准。须满足这一标准。i e c 5 5 5 把用电设备分成四类，比如三相开关整流器可纳入其中的a 级设备。 表2 2i e c 5 5 5 对a 级设备谐波电流的限定值 夼次谐波次数殴夫允i ，| ：潴波 过流馅次i 者波次数皎犬允许；跨波f 也流 ( n ) ( a ) ( n ) ( a ) 3 2 3 0 o 1 0 8 5 1 1 44o 4 3 i o 7 7 6o 3 0 9 0 1 08 兰l l 兰t t 00 2 3 x 8 n 1 l o 3 3 1 3 o 2 1 1 5 叁1 1 兰3 9 0 1 5 _ ( 1 5 n 1 0 江苏大学硕士学位论文 2 2 多脉波整流器 2 2 1 整流移相变压器 移相变压器是多脉波二极管晶闸管整流器的不可缺少的组成部分，它具有 三个功能：实现一次侧、二次侧线电压的相位偏移以消除谐波；变换得到需 要的二次侧电压值；实现整流器与电网间的电气隔离。整流移相变压器可以有 两种移相方式，即网侧移相方式和阀侧移相方式。 2 2 1 1 网侧移相方式 整流移相变压器网侧移相有曲折形、多边形及延边三角形三种联结方式。这 种联结方式可以保证阀侧绕组结构相同，有助于均衡各变压器的阻抗，保证移相 角度的精确度。 ( 1 ) 曲折形接线 网侧曲折形接线整流移相变压器的接线图见图2 4 ( a ) ，移相角度缈的大小由 短绕组来决定，阀侧绕组可以是y 形与形用于桥式整流系统。 伊= 么一z v a b( 2 - 1 ) cba 、_ _ 、- j 接三相桥式整涛薯 ( a ) 接线图 a b e 2 百e a s i v u ( b ) 电压向量图 ( 6 0 0 - p ) 图2 4 曲折形连线移相变压器 假定输入和输出的交流相电压有效值分别为e a 和e a l , 则加于网侧短绕组上 1 l 江苏大学硕士论文 的电压有效值e l 和长绕组上的电压有效值e ：分别为： ( 2 - 2 ) ( 2 3 ) 原边短绕组，长绕组和副边绕组的匝比与各个绕组上的电压有效值成正比， 为：万2s i n 缈：万2s i n ( 6 0 。- q ，) ：i e a l 。 这种联结方式，中性点可以引出直接接地，故可用在1 1 0 k v 及以上的半绝 缘系统中。其缺点是没有3 倍频的谐波电流回路。 ( 2 ) 多边形接线 网侧多边形接线移相变压器在3 5 k v 以下的系统上应用的比较普遍，它消除 了曲折形接线在阀侧y 形连接时因缺乏三次谐波励磁电流而使感应电势畸变的 问题。但用在更高压的电网上时，由于绕组承受的电压为曲折形接法的3 倍， 而显得不经济。多边形接线整流移相变压器的接线图见图2 5 ( a ) 。 cb a 、_ 弋，_ - 接三相拼娌1 1 1 t i a b c ( a ) 接线图 ( b ) 电压向量图 图2 5 多边形接线移相变压器 1 2 垒 一 西 钠 咖 一 缈 旷 一 “ e 三压铲 2 1 三抠 巨 皆 江苏大学硕士学位论文 假定输入和输出的交流相电压有效值分别为e a 7 f 1 e a l ，则加于网侧短绕组上 的电压有效值e l 和长绕组上的电压有效值e ：分别为： e 。= 扭。万2 s i n 缈( 2 - 4 ) e ：2 恤。万2 s i n ( 6 。一力( 2 5 ) 原边短绕组，长绕组和副边绕组的匝比与各个绕组上的电压有效值成正比， 为：2 s i n q ，：2 s i n ( 6 0 0 - q , ) ：鲁。 这种联结方式，是3 倍频谐波电流的天然回路，故不论二次绕组采用何种联 结方式，都不会使感应电压波形出现畸变。由于这种联结方式没有中性点可以引 出，故只能用于6 3 k v 以下的全绝缘系统中。 ( 3 ) 延边三角形接线 网侧延边三角形接线的移相变压器可以根据移相角度的需要将一次侧绕组 从三角形接线演变为星形接线，因此其移相角度范围为3 0 0 至3 0 0 。网侧多边形 接线整流移相变压器的接线图见图2 6 ( a ) 。 假定输入和输出的交流相电压有效值分别为e a 和e a l ，则由图( b ) 的电压向量 图可知加于0 、p 之间绕组上的电压有效值e 叩为： e 卵。恤。万2 s i n 缈( 2 - 6 ) v j 而m 、p 之间绕组上的电压有效值e 唧与0 、p 之间绕组上的电压有效值相 等，只是在相位上相差1 2 0 。，因此三角形部分q 、p 之间绕组上的电压有效值e 。， 为： e q p = , g e 。去【s i n ( 6 0 0 - 缈) - s i n 口o 】 ( 2 7 ) 江苏大学硕士论文 二娠 c b a 接- - ：, 1 1 1 蟒真盈i t l 并 ( a ) 接线图 图 b c m s i n c e * - - ? ) 一s i np ( b ) 电压向量图 2 6 多边形接线移相变压器 原边短绕组，长绕组和副边绕组的匝比与各个绕组上的电压有效值成正比， 为2 s i 叩2 【s i n ( 6 0 0 刊“叫：争。 u a 这种联结方式，也是3 倍频谐波电流的天然回路。同时由于无中性点可以引 出，所以它也只适用于6 3 k v 及以下的全绝缘系统中。 2 2 1 2 阀侧移相方式 阀侧移向变压器二次侧一般为多绕组结构，其一次侧有两种结构，即星形 ( y ) 与三角形( x ) 两种接法，而二次侧绕组一般都为延边三角形联结( y 形 和形联结方式分别是图2 7 ( a ) 中延边三角形绕组匝数n 2 = o 和n 3 = 0 的两种特殊 情况) ，延边三角形联结又有两种形式，即且与p 接法。 因此，阀侧移相变压器共有四种接法：y b 型，y p 型，且型，p 型。 以y 且型移向变压器为例，图2 7 给出了其绕组接线图和电压向量图。 a b c ( a ) 绕组接线图 1 4 江苏大学硕士学位论文 7 、 嘧 ( b ) 电压向量图 图2 7y 扛型移相变压器 令移相变压器变压比为k ，输入线电压为v a x ，输出相电压为v 。b 则有： v a b = 3 k ， ( 2 - 8 ) 由输入与输出电压的向量关系可得： =羔sin(30。-8)(2-9)20。s i n l 1 也一= 未杀【s i n ( 3 0 0 + 酚s i n ( 3 0 。- 8 ) 1 ( 2 - 1 0 ) 将式( 2 8 ) 代入式( 2 9 ) 和式( 2 10 ) 中有： v 锄2 2 k 。v a ) ( s i n ( 30 0 一万)( 2 - 1 1 ) v 二。= 2 k ，v s i n ( 3 0 0 + 万) 一s i n ( 3 0 0 一万) 】( 2 12 ) 移相变压器各个绕组线圈匝数与其上的电压成正比，可得网侧绕组，阀侧延 边三角形绕组的三角形联结部分绕组和延边部分绕组的匝数之比( n l ：n 2 ：n 3 ) 为：1 ：2 k 。 s i n ( 3 0 0 + 万) 一s i n ( 3 0 0 - 万) 】：2 k 。s i n ( 3 0 0 _ 8 ) 。 对于移相角度，可以考虑两种极端情况。当n 2 = o 时，此时阀侧为y 形联结， 输入输出电压相位一致，万= 0 0 。当n 3 = 0 时，阀侧为形联结，这时万= 3 0 0 。 因此，y 扮型移相变压器的移相角度万为0 0 至3 0 0 。 其他三种阀侧移相变压器的各绕组匝比和移相角度范围可由相同的方法得 出，四种类型的移相变压器的移相角度可归纳如表2 3 所示。 袁2 3 四种类型移相变压器移相角度 江苏大学硕士论文 采用阀侧移相变压器的多脉波整流器可用来为需要多个独立直流电源的串 联h 桥多电平逆变器和n p c 多电平逆变器以及电容悬浮式多电平逆变器供电， 若采用网侧移相变压器的多脉波整流器，那么变压器的数量将太多。但有一个问 题就是在低压大电流场合，阀侧母线截面积较大，母排的延边三角形联结接头较 多，难于处理。 2 2 2 移相多重化整流技术 为了用小容量的功率器件实现大容量的功率变换，可利用多重化技术，所谓 多重化技术，就是以多个小功率变换器在其输入或输出端通过变压器串联或并 联，各个变换器以相同频率不同相位工作，从而达到系统的高功率运行和输入、 输出谐波改善的目的。多重化技术既可以应用于单相电路，又可以应用于三相电 路。 多重化技术有以下特点：器件的开关频率是基波频率，开关损耗小，但这 种频率下，器件的通态损耗是主要损耗；输出功率大，运行效率高；在逆变 场合中，控制采用p a m 方式，通过调节直流侧电压来实现输出功率的调节，系 统动态响应差、控制不灵活；为了减小谐波，各装置输入喻出波形需错开一定 的相位，这将影n 向输出的基波迭加，造成基波损失；变压器直接参与谐波抑制 和消除工作。在整流多重化电路中，必须精心设计变压器的变比和联结方式，以 达到消除谐波的目的。 移相多重化主要有以下四种形式：阀侧串联移相多重化；阀侧移相分离 型多重化；网侧移相多重化；复合型多重化。 首先以常用的1 2 脉波整流器来介绍前两种移相多重化技术。三相桥式整流 电路的直流输出含有6 个波头，所以被称为6 脉波整流器，6 脉波整流是多脉波 整流器的基础。若有m 个6 脉波整流器，并由一个移相变压器的m 个二次侧绕 组分别供电，这m 个二次绕组依次相差万= 3 6 0 0 6 m 角度，便可以构成一个6 m 脉 波的多脉波整流器。 2 2 2 1 阀侧串联型移相多重化 图2 8 ( a ) 给出了采用阀侧串联移相多重化技术的1 2 脉波串联型整流器拓扑 结构图，其中就包括两个完全相同的6 脉波整流器，分别由移相变压器二次侧两 1 6 江苏大学硕士学位论文 个三相对称组供电，两个整流器的直流输出串联连接。为了消除网侧电流中 唧! 、l a ，盆鱼二k 、 b o 一_ _ i - 一i c 卜1 _ 1 # _ l l 一一一i 二一一一翌一一- j ( a ) 1 2 脉波二极管整流器拓扑结构 十 ( b ) 1 2 脉波二极管整流器简化结构框图 图2 81 2 脉波串联型二极管整流器 的低次谐波，移相变压器的两个次级绕组输出线电压存在万= 3 0 0 的相移。在串 联型多脉波二极管整流器中，所有6 脉波二极管整流器在直流侧串联连接。这种 类型的二极管整流器可以作为中压传动系统中仅需要一个直流供电的变频器前 端，例如二极管钳位式三电平逆变器和电容悬浮式多电平逆变器。 其中，么屹为移相变压器三角形连接的次级绕组输出线电压的屹相角， 么为移相变压器星形连接的次级绕组输出线电压的相角。 假设二次侧绕组线电压的有效值为： = 圪1 6 l = 匕占2 ( 2 - 1 3 ) 那么，移相变压器的匝数比： 等= 2 ，瓮= 万2 c 2 舶， n ，n 1、j 3 、。 图2 8 ( a ) 中的b 表示供电电源和变压器之间的总电感，上k 为折算到二次侧 的变压器总的漏电感。在下面的分析中，假定直流滤波电容。足够大，从而可 p l 景一 陟 江苏大学硕士论文 以忽略直流电源纥中的纹波含量。 图2 8 ( b ) 为1 2 脉波串联型二极管整流器的简