- 頭條直流側電壓諧波注入法，可有效抑制串聯型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：《電工技術學報》 | 點擊率：導語哈爾濱工業大學電氣工程及自動化學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《電工技術學報》上撰文（論文標題為“基于直流側無源電壓諧波注入法的串聯型24脈波整流器”），為抑制串聯型多脈波整流器的輸入電流諧波，提出一種直流側電壓諧波注入法。 該方法通過諧波注入電路產生6倍電網電壓頻率的電壓諧波，并通過諧波注入變壓器注入串聯型多脈波整流器的直流側，使整流器輸入電流的波形近似為正弦；借助開關函數法，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，設計注入變壓器的最佳匝比。 仿真和實驗結果表明，使用諧波注入電路后，整流器的輸入功率因數由97.43%提高到98.94%，電能質量得到明顯提高；移相變壓器的輸入電壓由12階梯波變為24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。
在大功率整流技術中，不控型多脈波整流器以其結構簡單、實現難度低、系統魯棒性強等優點得到了廣泛的應用。但是由于整流二極管的強非線性，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型和串聯型兩大類。并聯型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，但其繞組結構復雜，且交、直流側不存在隔離，應用場合受到很大的限制。
串聯型12脈波整流器的兩組三相整流橋串聯連接，輸出電壓加倍，常應用于需要高壓的大功率整流場合。串聯型12脈波整流器解決了并聯型12脈波整流器中電流不平衡的問題，但整流器自身仍將產生12k ±1次諧波。
在多脈波整流器中，整流脈波數決定著系統的諧波抑制能力。為了獲得盡可能高的整流脈波數，傳統方法是增加移相變壓器的輸出相數，但這會增加移相變壓器的設計復雜度，加大制造難度。另一種方法是在多脈波整流器的直流側使用有源或無源諧波抑制方法。
文獻[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雜，且有4個開關管，開關損耗較大。文獻[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生電流諧波，在交流側形成24階梯電壓，但其所用移相變壓器是非隔離的，應用場合受到很大限制。
針對使用隔離變壓器的串聯型12脈波整流器，提出了一種直流側電壓諧波注入法，該方法通過諧波注入電路向整流器注入6倍電網電壓頻率的電壓諧波；當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階梯波變為24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。
實驗結果表明，使用諧波注入電路后，輸入功率因數約為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%，電能質量得到明顯提高，諧波抑制性能顯著。
圖1 采用直流側無源電壓諧波注入法的串聯型24脈波整流器
結論
針對串聯型12脈波整流器，本文提出了一種直流側電壓諧波注入方法，有效降低了整流器的輸入電流諧波。該方法的實現電路包括二次側帶中心抽頭的注入變壓器和單相全波整流電路。
仿真和實驗結果表明，當注入變壓器的匝比為56時，整流器的輸入功率因數由97.43%提高到98.94%，減小了無功電流對電網的污染，電能質量得到明顯提高；隔離變壓器輸入電壓由12階梯波變為24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載功率的2.3%，諧波抑制代價較小。
綜上，基于直流側電壓諧波注入法的串聯型24脈波整流器結構簡單、易于實現、諧波抑制效果顯著，在高壓場合具有較好的應用價值。
