高壓變頻器的諧波分析研究

 摘　要：當(dāng)電動(dòng)機(jī)容量較大時(shí)，大功率變頻器的輸入諧波對(duì)電網(wǎng)的影響以及輸出諧波對(duì)電動(dòng)機(jī)的影響成為了交流變頻系統(tǒng)中突出的問(wèn)題。為了減小大功率變頻器的諧波，普遍采用多脈動(dòng)整流、變壓器耦合輸出、多電平和單元級(jí)聯(lián)技術(shù)，形成了以多脈動(dòng)整流拓?fù)浠蚨嚯娖酵負(fù)錇檩斎爰?jí)、以變壓器耦合輸出或多電平輸出拓?fù)錇檩敵黾?jí)的大功率變頻器主電路，以及多重化結(jié)構(gòu)的大功率變頻器主電路。本文對(duì)目前幾種有代表性的高壓變頻器主電路拓?fù)浼拜斎胼敵鲋C波進(jìn)行了分析，并與IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，研究了變頻器的諧波特性。 
關(guān)鍵詞：多重化　多電平　單元級(jí)聯(lián)　變壓器耦合輸出 
　　 
1 引言 

　　由于大功率風(fēng)機(jī)、水泵的變頻調(diào)速方案可以收到顯著的節(jié)能效果,具有重大的經(jīng)濟(jì)效益,因此,高壓大功率變頻調(diào)速技術(shù)的研究已發(fā)展成為各國(guó)節(jié)能事業(yè)的主導(dǎo)方向之一。電力電子變流電路仍然是變頻技術(shù)的核心,由于電力電子器件都工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài),由這些電路構(gòu)成的裝置已成為電力系統(tǒng)中的主要諧波源,變頻器輸出的諧波電流會(huì)引起諧振和諧波電流放大,危害旋轉(zhuǎn)電機(jī)和變壓器,影響繼電保護(hù)和電力測(cè)量準(zhǔn)確性。近年來(lái),圍繞抑制諧波電流,研究人員在電路結(jié)構(gòu)和控制技術(shù)等方面提出了不同的整流和逆變方案,形成了多樣化的大功率變頻技術(shù)。請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息 

　　本文系統(tǒng)地歸納了高壓大功率變頻器的結(jié)構(gòu)，研究了各類變頻器的諧波抑制原理，深入分析了高壓大功率變頻器的輸入、輸出諧波，并以IEEE-519規(guī)定為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行了比較研究，為變頻器的選擇提供了參考。 

2 諧波抑制標(biāo)準(zhǔn)（IEEE-519）簡(jiǎn)介 

　　為了限制變流裝置及非線性負(fù)載對(duì)電力系統(tǒng)的諧波干擾，世界各國(guó)及相關(guān)組織都制定了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，以保證電網(wǎng)的供電質(zhì)量。其中最具權(quán)威性的是美國(guó)電氣和電子工程協(xié)會(huì)（IEEE）制定并作為美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)（ANSI）的IEEE-519。該標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)分析了波形畸變的原因及其影響；確定了判別畸變程度的參量；制定了對(duì)電力系統(tǒng)中波形畸變的限制；介紹了波形畸變的分析方法和控制措施等，對(duì)從事大功率變頻調(diào)速系統(tǒng)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的工程技術(shù)人員具有指導(dǎo)性的作用。 

　　IEEE-519中的限制均是針對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)提出的“最差”條件，暫態(tài)過(guò)程中允許出現(xiàn)超過(guò)此標(biāo)準(zhǔn)的情況。表1列出了IEEE-519對(duì)電壓諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)。

  
表1 IEEE-519對(duì)電壓諧波的限制標(biāo)準(zhǔn) 

　　表2列出了低于6.9kV的供電系統(tǒng)中，在不同的短路比（短路比SCR定義為最大短路電流IS與平均設(shè)定最大負(fù)載電流IL之比）條件下，其諧波電流值和總諧波畸變系數(shù)（THD）值的限制，而偶次諧波限制在奇次諧波的25%以下。因此，按照電力電子裝置容量與電力系統(tǒng)短路容量之比，正確選擇主電路聯(lián)結(jié)形式（等效相數(shù)、脈波數(shù)）和控制方式，就十分重要。 


表2 IEEE-519對(duì)電流諧波的限制值 

 

3 高壓變頻器輸入諧波分析 

3.1 多脈動(dòng)整流抑制輸入諧波的基本原理 

　　多重移相疊加技術(shù)是由A.Kernick等人早在1962年提出的。該技術(shù)采用脈動(dòng)寬度為60°的6脈動(dòng)三相全波整流（或等效三相全波整流）作為基本單元，使m組整流電路的交流側(cè)電壓依次移相α＝60°/m，則可組成脈動(dòng)數(shù)為p=6m的多脈動(dòng)整流。其脈動(dòng)數(shù)p、組數(shù)m、移相角α及對(duì)應(yīng)的諧波次數(shù)h之間的關(guān)系如表3所示。  


表3 多脈動(dòng)整流的組成 

 

　　對(duì)于12脈動(dòng)整流，整流變壓器為常規(guī)接法的Y/Y-12（或Δ/Δ-12）和Y/Δ-11或(Δ/Y-1)，二者交流側(cè)副方電壓互相移相30°，直流側(cè)并聯(lián)(或串聯(lián))后組成12脈動(dòng)整流。 

　　對(duì)于18脈動(dòng)及以上的整流，整流變壓器繞組采用曲折接線（Z接線）實(shí)現(xiàn)，各整流單元并聯(lián)（或串聯(lián)），共同向負(fù)載供電。只要滿足m組6脈動(dòng)整流交流側(cè)的電壓U(n)(n=1,2,……,m)依次移相α=60°/m，即可得到p=6m脈動(dòng)的多相整流。具體變壓器組別選擇情況如表4。  
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3.2 多脈動(dòng)整流輸入諧波的仿真分析 

　　利用Matlab中的Simulink/Power System工具箱對(duì)多脈動(dòng)整流仿真研究。本文構(gòu)建了多重化整流的統(tǒng)一分析模塊，設(shè)置參數(shù)后，使其能夠?qū)崿F(xiàn)12、18、24、30、36脈動(dòng)整流電路的工作特性。按照參數(shù)面板中相關(guān)說(shuō)明，選擇合適的變壓器接法，并輸入相移角度，即可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)脈動(dòng)數(shù)的多重化整流仿真分析。多脈動(dòng)整流輸入仿真電路的參數(shù)設(shè)置面板如圖1所示。

圖1 多脈動(dòng)整流仿真電路參數(shù)設(shè)置對(duì)話框 

　　以12脈動(dòng)的仿真為例，波形及頻譜如圖2所示，可以看出12脈動(dòng)時(shí)主要諧波為12k±1次，和理論分析相符合。  


圖2 12脈動(dòng)整流波形及其頻譜 來(lái)源:輸配電設(shè)備網(wǎng) 

　　結(jié)合IEEE-519中的標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)各脈動(dòng)數(shù)整流進(jìn)行比較如表5所示，可見(jiàn)，在不增加其他濾波裝置的情況下，12脈動(dòng)整流很能滿足IEEE-519中的要求，在各個(gè)范圍內(nèi)諧波含量均超出標(biāo)準(zhǔn)。36脈動(dòng)情況要好的多，35次以下諧波及THD都能滿足IEEE-519的要求，但仍然含有較大的35、37等次的諧波。  

　　由分析可以看出，多脈動(dòng)整流很好的解決了變頻器輸入端的諧波抑制問(wèn)題，尤其對(duì)低次諧波的抑制效果明顯，且輸入波形近似為正弦，很好地滿足了要求。但是，同IEEE-519中的標(biāo)準(zhǔn)相比較，在不增加其他濾波裝置的情況下，多脈動(dòng)整流不能在各次諧波上都滿足IEEE-519中的要求，高次諧波的影響仍然很明顯，需要與其它濾波器配合使用。 

4 高壓變頻器輸出諧波分析 

　　作為高壓大功率變頻器的輸出環(huán)節(jié)，高性能的逆變器是其性能的保證。但高壓大功率變頻器并不像低壓變頻器一樣有著成熟、統(tǒng)一的技術(shù)，各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方案都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)。 

4.1 變壓器耦合輸出型逆變器輸出諧波分析 

　　1999年，由Cengelci E等人提出該拓?fù)?，其主要思想是通過(guò)變壓器將3個(gè)由高壓IGBT或IGCT構(gòu)成的常規(guī)二電平三相逆變器的輸出疊加起來(lái)，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的三相高電壓輸出、低dv/dt的PWM波，而且很好地保證了平衡運(yùn)行，對(duì)每個(gè)三相逆變器的利用率都接近100％，這些特點(diǎn)使它特別適合于對(duì)恒轉(zhuǎn)矩和變轉(zhuǎn)矩負(fù)載的驅(qū)動(dòng)場(chǎng)合。并且這3個(gè)常規(guī)逆變器可采用普通低壓變頻器的控制方法，使得變頻器的電路結(jié)構(gòu)及控制方法都大大簡(jiǎn)化。此結(jié)構(gòu)如圖3所示。  

 


圖3 變壓器耦合輸出型逆變器拓?fù)?nbsp; 

　　變壓器耦合輸出型逆變器只需3個(gè)獨(dú)立的三相逆變器就可以產(chǎn)生中高壓輸出，在運(yùn)行時(shí)每個(gè)逆變器都是平行的，各提供1/3的輸出功率，因此為高壓系統(tǒng)使用低壓IGBT器件提供了方便，這種平衡運(yùn)行狀態(tài)也使得直流側(cè)電容不需要儲(chǔ)存太多的能量。輸出變壓器的存在,有利于產(chǎn)生更高的輸出電壓,且能消除逆變器間的環(huán)流。 

　　該結(jié)構(gòu)在Matlab中的仿真波形及其頻譜如圖4、5所示。 

圖4 變壓器耦合輸出型變頻器輸出電壓及頻譜 

圖5 變壓器耦合輸出型變頻器輸出電流及頻譜 請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息  [!--empirenews.page--]

　　變壓器耦合輸出型逆變器的輸出波形可等效為7電平線電壓PWM波,優(yōu)于普通二電平變頻器,dv/dt也較低,只含有非常小的低次諧波,THD值也很低,但高次諧波仍然存在,如23、25次諧波等,這主要是由于每個(gè)獨(dú)立的逆變器采用PWM調(diào)制而造成的,采用更好的調(diào)制策略或增加一個(gè)小容量的低通濾波器可以解決這一問(wèn)題。 

4.2 多電平逆變器 

　　日本長(zhǎng)岡科技大學(xué)的A.Nabae等人于1980提出三電平逆變器，也稱中點(diǎn)箝位式（Neutral point clamped:NPC）逆變器。經(jīng)過(guò)多年的研究，出現(xiàn)了兩種主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu):二極管箝位式;飛跨電容式。二極管箝位式拓?fù)淙鐖D6。 

圖6 三電平逆變器拓?fù)?nbsp;來(lái)源:輸配電設(shè)備網(wǎng) 

　　與傳統(tǒng)的二電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比較，中點(diǎn)箝位式三電平逆變器更適合于中高壓變頻裝置高電壓、大容量的特點(diǎn)，特殊的拓?fù)涫沟闷骷哂?倍的正向阻斷電壓能力，其多層階梯形輸出電壓，理論上可通過(guò)增加級(jí)數(shù)而使輸出電壓波形接近正弦，減少諧波，在同樣輸出性能指標(biāo)下，三電平的開(kāi)關(guān)頻率將是二電平的1/5，從而使系統(tǒng)損耗小。隨著電平數(shù)增加，每個(gè)電平幅值相對(duì)降低，dv/dt變小，主電路電流含有的脈動(dòng)成分減小，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和電磁噪聲都得到有效的抑制。 

　　雖然三電平變頻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,能夠?qū)崿F(xiàn)四象限運(yùn)行,但是因目前器件耐壓水平的限制,只能達(dá)到4.16kV等中高壓情況，若要輸出更高的電壓須采用器件串聯(lián)方法，但會(huì)帶來(lái)均壓等問(wèn)題。 

　　圖7、8為三電平逆變器輸出電壓、電流波形及其頻譜。  

 


圖7 線電壓波形及其頻譜 

圖8 交流側(cè)電流波形及其頻譜 請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息 

4.3 多重化逆變器 

　　單元級(jí)聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)是對(duì)多重化技術(shù)的推廣和應(yīng)用，是多重化變頻器的一種。如圖9所示，單元級(jí)聯(lián)多重化變頻器采用若干個(gè)低壓PWM變頻功率單元串聯(lián)的方式實(shí)現(xiàn)直接高壓輸出，電平數(shù)的增加有效的抑制了輸出諧波。由于每個(gè)功率單元模塊中除了含有逆變輸出結(jié)構(gòu)外，同時(shí)含有整流功能，從而相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)了整流部分的多重化，使得變頻器輸入、輸出諧波抑制同步完成。其諧波抑制原理與普通多重化相似，也是利用相移技術(shù)，使每個(gè)功率模塊的某些次輸出諧波相互錯(cuò)開(kāi)一定的角度而被消除。

  


圖9 單元串聯(lián)多重化變頻器 請(qǐng)登陸:輸配電設(shè)備網(wǎng) 瀏覽更多信息 

　　雖然是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，但由于直流側(cè)采用相互分離的直流電源，不存在電壓平衡問(wèn)題。無(wú)需二極管和電容的限制，串聯(lián)型結(jié)構(gòu)電平數(shù)可較大。一般二極管、電容箝位式限于7或9電平,而串聯(lián)型結(jié)構(gòu)卻無(wú)此限制。由于每一級(jí)逆變橋構(gòu)造相同,給模塊化設(shè)計(jì)和制造帶來(lái)方便。 

　　但由于使用的功率單元及功率器件數(shù)量太多，以每相三單元串聯(lián)為例，6kV系統(tǒng)要使用90只功率器件（54只二極管，36只IGBT），裝置的體積太大，安裝位置成問(wèn)題。 

　　該拓?fù)湓贛atlab中的仿真波形及其頻譜如圖10、11所示。  

圖10 單元級(jí)聯(lián)多重化輸出電壓及其頻譜 

圖11 單元級(jí)聯(lián)多重化輸出電流及其頻譜 來(lái)源:輸配電設(shè)備網(wǎng)  [!--empirenews.page--]

4.4 高壓變頻器輸出諧波與IEEE-519比較分析 

　　三種逆變結(jié)構(gòu)的各主要次諧波與基波含量比值如表6、7所示，所有數(shù)據(jù)均在無(wú)額外濾波裝置的情況下，利用Matlab/Simulink仿真得到。結(jié)合IEEE-519中的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行比較分析。變壓器耦合輸出型變頻器基本能滿足IEEE-519中的要求，尤其在低于23次的諧波含量完全小于IEEE-519中限定的數(shù)值，只是由于PWM載波比的影響在23、25次附近出現(xiàn)較大的諧波。三電平逆變也基本能滿足IEEE-519中的要求，在低次諧波未超出標(biāo)準(zhǔn)。單元級(jí)聯(lián)多重化變頻器性能最優(yōu)，很好的滿足了IEEE-519中的要求，在各個(gè)范圍內(nèi)諧波含量均未超出標(biāo)準(zhǔn)。在總諧波畸變率方面，三種輸出結(jié)構(gòu)都滿足IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)的要求。  

 

　　三種拓?fù)涠几饔袃?yōu)缺點(diǎn)，但都很好地解決了變頻器輸出諧波的抑制問(wèn)題，使得輸出波形更接近正弦。通過(guò)與IEEE-519標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，在不安裝其他濾波環(huán)節(jié)的情況下，以單元級(jí)聯(lián)多重化變頻器的效果最佳，完全達(dá)到了IEEE-519的規(guī)定，除此之外，其它結(jié)構(gòu)不能完全滿足標(biāo)準(zhǔn)中的限定值，需要在一定容量的濾波環(huán)節(jié)輔助下工作。 

5 結(jié)束語(yǔ) 

　　隨著高壓大功率變頻器的廣泛應(yīng)用，改進(jìn)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)從而有效的抑制和減少交流側(cè)諧波的產(chǎn)生已成為工程師門追求的目標(biāo)。多重化結(jié)構(gòu)作為變頻器整流側(cè)普遍采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，已經(jīng)能夠滿足不同場(chǎng)合、不同電壓等級(jí)的需要，但當(dāng)重?cái)?shù)增加時(shí)，雖然諧波抑制效果明顯，但裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，變壓器損耗增加，故普遍采用12、18脈動(dòng)結(jié)構(gòu)。這樣只要增加一個(gè)小容量的濾波器就可以很好的滿足IEEE-519的要求。 

　　逆變側(cè)，單元級(jí)聯(lián)多電平結(jié)構(gòu)的輸入、輸出諧波抑制效果最佳，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，器件數(shù)量多，體積龐大。三電平結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所需器件數(shù)最少，但受到電平數(shù)的限制諧波抑制效果稍差，且存在中點(diǎn)電位平衡問(wèn)題，這也是阻礙諧波抑制效果的因素之一，將NPC在整流側(cè)實(shí)現(xiàn)可以解決這一問(wèn)題。變壓器耦合輸出型結(jié)構(gòu)，可以在采用目前耐壓水平器件的情況下，滿足高壓大功率的需要，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、器件數(shù)量相對(duì)較少，諧波抑制效果介于以上兩種結(jié)構(gòu)之間，是一種折中的方案.