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  • 頭條直流側(cè)電壓諧波注入法,可有效抑制串聯(lián)型24脈波整流器諧波
    2020-03-03 作者:孟凡剛、王琳、高蕾、孫正鼐、楊世彥  |  來源:《電工技術(shù)學(xué)報》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語哈爾濱工業(yè)大學(xué)電氣工程及自動化學(xué)院的研究人員孟凡剛、王琳、高蕾、孫正鼐、楊世彥,在2019年第6期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文(論文標(biāo)題為“基于直流側(cè)無源電壓諧波注入法的串聯(lián)型24脈波整流器”),為抑制串聯(lián)型多脈波整流器的輸入電流諧波,提出一種直流側(cè)電壓諧波注入法。 該方法通過諧波注入電路產(chǎn)生6倍電網(wǎng)電壓頻率的電壓諧波,并通過諧波注入變壓器注入串聯(lián)型多脈波整流器的直流側(cè),使整流器輸入電流的波形近似為正弦;借助開關(guān)函數(shù)法,分析移相變壓器輸入電壓24階梯波的形成過程;從移相變壓器輸入電壓總諧波畸變率(THD)值最小角度出發(fā),設(shè)計注入變壓器的最佳匝比。 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用諧波注入電路后,整流器的輸入功率因數(shù)由97.43%提高到98.94%,電能質(zhì)量得到明顯提高;移相變壓器的輸入電壓由12階梯波變?yōu)?4階梯波,其THD值由9.74%降到3.34%,輸入電流THD值由7.62%降到2.65%,整流器的諧波抑制性能得到顯著提升。

    在大功率整流技術(shù)中,不控型多脈波整流器以其結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)難度低、系統(tǒng)魯棒性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛的應(yīng)用。但是由于整流二極管的強(qiáng)非線性,不控型多脈波整流器的諧波污染問題比較突出。因此,如何提高多脈波整流器的諧波抑制能力,成為電力電子技術(shù)的重要研究課題。

    12脈波整流器是大功率場合常用的多脈波整流器。按照整流橋的連接形式,12脈波整流器分為并聯(lián)型和串聯(lián)型兩大類。并聯(lián)型12脈波整流器存在電流不平衡的問題。自耦變壓器雖然能在一定程度上改善電流不平衡的問題,但其繞組結(jié)構(gòu)復(fù)雜,且交、直流側(cè)不存在隔離,應(yīng)用場合受到很大的限制。

    串聯(lián)型12脈波整流器的兩組三相整流橋串聯(lián)連接,輸出電壓加倍,常應(yīng)用于需要高壓的大功率整流場合。串聯(lián)型12脈波整流器解決了并聯(lián)型12脈波整流器中電流不平衡的問題,但整流器自身仍將產(chǎn)生12k ±1次諧波。

    在多脈波整流器中,整流脈波數(shù)決定著系統(tǒng)的諧波抑制能力。為了獲得盡可能高的整流脈波數(shù),傳統(tǒng)方法是增加移相變壓器的輸出相數(shù),但這會增加移相變壓器的設(shè)計復(fù)雜度,加大制造難度。另一種方法是在多脈波整流器的直流側(cè)使用有源或無源諧波抑制方法。

    文獻(xiàn)[17]提出了一種采用單相PWM逆變器的12脈波整流器,逆變器輸出一個幅值可調(diào)的方波,用于改善輸入電流的相位滯后問題并減小其THD值,但逆變器的控制電路較為復(fù)雜,且有4個開關(guān)管,開關(guān)損耗較大。文獻(xiàn)[3]提出了一種采用電流諧波注入法的12脈波整流器,通過單相變壓器和單相全橋整流電路產(chǎn)生電流諧波,在交流側(cè)形成24階梯電壓,但其所用移相變壓器是非隔離的,應(yīng)用場合受到很大限制。

    針對使用隔離變壓器的串聯(lián)型12脈波整流器,提出了一種直流側(cè)電壓諧波注入法,該方法通過諧波注入電路向整流器注入6倍電網(wǎng)電壓頻率的電壓諧波;當(dāng)注入變壓器的匝比滿足一定條件時,可使隔離變壓器輸入電壓由12階梯波變?yōu)?4階梯波,大幅度減小整流器輸入電流的諧波含量,提高整流器的輸入功率因數(shù)。

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,使用諧波注入電路后,輸入功率因數(shù)約為98.94%,隔離變壓器輸入電壓總諧波畸變率(Total Harmonic Distortion, THD)值約為3.34%,輸入電流THD值約為2.65%,電能質(zhì)量得到明顯提高,諧波抑制性能顯著。

    直流側(cè)電壓諧波注入法,可有效抑制串聯(lián)型24脈波整流器諧波

    圖1 采用直流側(cè)無源電壓諧波注入法的串聯(lián)型24脈波整流器

    結(jié)論

    針對串聯(lián)型12脈波整流器,本文提出了一種直流側(cè)電壓諧波注入方法,有效降低了整流器的輸入電流諧波。該方法的實(shí)現(xiàn)電路包括二次側(cè)帶中心抽頭的注入變壓器和單相全波整流電路。

    仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)注入變壓器的匝比為56時,整流器的輸入功率因數(shù)由97.43%提高到98.94%,減小了無功電流對電網(wǎng)的污染,電能質(zhì)量得到明顯提高;隔離變壓器輸入電壓由12階梯波變?yōu)?4階梯波,其THD值由9.74%降到3.34%;輸入電流的波形近似正弦化,其THD值由7.62%降到2.65%,整流器的諧波抑制性能得到顯著提高;注入變壓器的容量僅占負(fù)載功率的2.3%,諧波抑制代價較小。

    綜上,基于直流側(cè)電壓諧波注入法的串聯(lián)型24脈波整流器結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)、諧波抑制效果顯著,在高壓場合具有較好的應(yīng)用價值。

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