多脉波整流技术在电网谐波中的应用

多脉波整流技术在电网谐波中的应用

1考虑电流谐波条件下的多脉波特性需要利用时长为6.大型输送器广泛应用于电机调度、航空航天、高压直流压机、新能源系统。由于其强非线性和时间变量，它已成为主要的电源波形源。而多脉波整流技术由于其结构简单、高效、高可靠性和低成本等优点,日益受到人们的关注和认可。最常见的多脉波整流技术为传统隔离型12脉波整流器,但为了克服隔离变压器体积大的缺点,美国学者DerekA.Paice于1995年提出用自耦变压器代替隔离变压器的方法,通过合理的设计自耦变压器,其等效容量可达到0.18Po,较隔离变压器1.03Po减小了82%,有效地降低了体积和成本。在一些谐波要求比较严格的大功率场合,12脉波整流电路的输入电流谐波不能满足要求,需要更多脉波数的整流电路。文献[6,7]给出了由更多整流桥构成18、24脉波数的整流电路,但该方法过于复杂且成本极高。多电平谐波注入融合了谐波注入、软开关等技术,成为实现多脉波整流技术的有效方法。文献将抽头变换器作为谐波注入电路与自耦变压器相结合,并给出24脉波整流电路拓扑的设计,但此方法需要选取最优电压比值,随着脉波数的增加计算比较复杂,并且主桥开关无法实现完全的零电流切换。文献提出了一种新型注入电路,该注入方法便于拓展到多电平,同文献[6,7]中拓扑相比较,降低了对注入电路开关器件的电流容量和电流变化率的要求,并随着电平数的增多愈显优势,同时主桥开关能够实现零电流切换,并对网侧电压谐波有很好的抑制作用。本文将自耦变压器与文献提出的新型注入电路进行结合,得到新的基于自耦变压器的多电平注入式电流源型变换器拓扑结构,在减小变压器体积的前提下实现简易方便的多脉波整流,并对新拓扑的电压特性和电流特性分别进行分析,计算系统各部分容量大小,与传统自耦型12脉波整流拓扑进行对比,最后采用Matlab对电路拓扑进行仿真验证,充分说明该拓扑在降低系统等效容量和减小输入电流谐波上的有效性。2多电平拓扑合成本文所提出的基于自耦变压器的多电平注入式电流源型变流器拓扑,是在传统自耦型12脉波整流器的基础上,在直流侧加入多电平注入电路合成新的拓扑,如图1所示。整个系统由延边三角形结构自耦变压器、2组可控整流桥、零序电流抑制器(Zero-SequenceBlockingTransformer,ZSBT)和多电平注入电路组成,其中ZSBT的作用为抑制三倍频电流形成的零序电流,保证系统的正常运行。2.1变压器电压比固定系统中自耦变压器主要作用为提供移相电压,能实现此功能的自耦变压器有多种结构,常见的为延边三角形结构和zigzag结构。其中后者组成的多脉波整流器存在无零序电流环流、直流侧无需额外加入ZSBT且其与每个整流桥串联的电抗基本相等、电路对称性好等优点,但其显著的缺点是变压器电压比固定,应用于大功率场合将面临诸多问题。延边三角形结构的自耦变压器一、二次侧变比k并不固定,可根据需要改变延边绕组抽头位置系数k1和延边比例系数k2来改变电压比值,如图2所示。上述三者之间的关系为经分析可知,延边位置系数k1和延边比例系数k2的变化,并不会引起系统输入电流的谐波畸变率。但为保证自耦变压器的体积和等效容量不能过大,需要在一定范围内选取延边位置系数,因此自耦变压器的电压比选取是有一定限制的,系统容量与延边位置系数k1的关系如图3所示。本文采用自耦变压器选取k1=0的情况,其电压矢量图和磁路结构图如图4所示,为实现变压器二次侧两组电压相差30°,令超前于,滞后于,因此有根据矢量三角形合成原理可得变压器电压比为2.2开关管vtj1vtj4的触发脉冲系统电压和电流特性随多电平注入电路的引入发生变化,因此需要做进一步分析。注入电路的拓扑图(以三电平为例)如图5a所示,两组整流桥经ZSBT后流向注入电路的电流分别是Id1和Id2,开关管VTj1~VTj4的触发脉冲如图5b所示,在满足VTj1和VTj2互锁,VTj3和VTj4互锁的前提下触发脉冲有多种组合方式,图5b中仅为其中的一种。由于注入电路开关器件的切换,直流侧电压发生了改变,引入注入电路开关函数Sp、Sq,令根据注入电路原理和电路拓扑图分析,可得直流侧输出电压为其中其中,。由式(4)计算可知,直流输出电压的平均值为上式计算结果与未加注入电路时直流侧输出电压平均值相等,因此直流侧电压特性并未因注入电路的引入而发生改变。2.3网侧电流的thd模型直流侧引入三电平注入电路后,整流桥输出电流Id1和Id2的波形如图5所示,令:由式(6)可将系统直流侧电流分为两部分,分别为Id/2和im,因此交流侧电流ia也对应的由两部分组成,将其表示为其中,ias与Id/2有关,为12脉波整流时交流侧电流;iam与im有关,为注入电流对系统输入电流的影响分量,上述三者的波形如图6所示。根据图4所示的自耦变压器磁路结构图和KCL定律可得对ias进行傅里叶级数展开,其表达式为令,则对iam进行傅里叶级数展开,其表达式为由式(9)、式(10)可得因此网侧电流的THD值为式中,I1为网侧电流基波有效值;In为网侧电流n次谐波有效值。将ia和ias各次谐波含量进行对比,如表1所示,可以看出,与传统的12脉波整流器相对比,附加的注入电路所产生的附加电流,以11次、13次谐波为主,并且与传统12脉波整流器交流侧电流的11次、13次谐波相位相反,因此可大大减小11次、13次谐波含量。3系统容量的测试注入电路的加入,虽然对系统各部分的电压特性并没有造成影响,但系统电流发生了变化,因此系统各部分的容量也随之变化。在系统网侧电流谐波特性大大改善的前提下,需进一步对增加注入电路后的系统与传统自耦型12脉波整流系统的容量进行比较,来确定本文提出新拓扑的应用价值。以自耦变压器容量为例进行计算,自耦变压器由3个主绕组和6个抽头绕组组成,分别计算a相输入线电压Vab、小绕组电压相主绕组电流I1以及小绕组上电流的有效值,可得自耦变压器容量为同理可得系统其他部分的容量值,并与传统自耦型12脉波整流系统相对比,如表2所示。由上表可以看出,新拓扑在各部分容量较传统自耦型12脉波整流器均略有增加,但与隔离型12脉波整流器容量相比仍大幅度减小,证明本文所提拓扑在系统容量上仍具有较大优势。以上分析均以三电平注入电路为例,随着注入电平的增加,交流侧输入电流将更趋近于正弦波,其THD会随电平数增加而逐渐减小,系统容量也相应降低,如图7所示,由图可以看出,本文所提拓扑优势随电平数增长而大大提升。4负载两端电压波形采用图1所示拓扑结构进行Matlab/Simulink仿真(三电平为例),系统参数为:变压器容量100kVuf0d7A,三相交流电源电压有效值220V,电网频率50Hz,注入电路支路电感50mH,负载电阻为1Ω。图8给出了新拓扑的仿真结果,图中截取系统稳定后0.6~0.66s内一段波形,图8a为自耦变压器一次和二次a相电压波形图,从图中可看出,自耦变压器两组二次电压一组超前一次电压15uf0b0,另一组滞后一次电压15uf0b0,达到了移相30uf0b0的目的;图8b、8c、8d分别为自耦变压器一次和两二次a相电流波形图,与理论推导相似;图8e为直流侧负载两端电压波形。图9所示为直流侧加注入电路前后,网侧电流THD对比图,由图可以看出,与传统自耦型12脉波整流器相对比,注入式多脉波整流器网侧电流的谐波含量可大大减小,两种拓扑各次谐波含量及THD值均与表1基本相符。5采用自环变压器取代传统电力设备,减轻系统容量本文提出了一种新型的基于自耦变压器的多电平注入式电流源型变换器拓扑,该拓扑在融合了谐波注入、软开关等多种技术的基