高壓變頻器的諧波分析研究

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。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,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)威性的是美國電氣和電子工程協(xié)會(huì)（IEEE）制定并作為美國國家標(biāo)準(zhǔn)（ANSI）的IEEE-5190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)過程中允許出現(xiàn)超過此標(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1IEEE-519對(duì)電壓諧波的限制標(biāo)準(zhǔn)母覿申壓最大單次喈波曾量閨吊火諧波幅變.數(shù)儲(chǔ)）11,5kV…JkV1-52.516.lkVl'A±1,01,5 ]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表2IEEE-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=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、移相角及對(duì)應(yīng)的諧波次數(shù)移相角及對(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/-12）和Y/-11或（/Yi）,二者交流側(cè)副方電壓互相移相3?！?，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（n）（n=12m）依次移相=6o°/m即可得至Up=6m脈動(dòng)的多相整流。具體變壓器組別選擇情況如表4。表4多脈動(dòng)整流變壓器組反觸擇11阻I咀之誼3組5盤5YY-12V4一H第2F}YZ(-2(rl/TY..V-J2AT-II蜃9/￥就T京1/Y5限手）Y軟場(chǎng)）/YVY-12}YZl-24')Yft如『IY)AVY-12Y2-11}Aa—】#hy3.2多脈動(dòng)整流輸入諧波的仿真分析利用Matlab中的Simulink/PowerSystem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、3。、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。多重化整流多重化整流隔■心)-T/r.VA：由版--T/A,也二AlOiOJ/A,A2(-10)/AI學(xué)就動(dòng)?-V?,VA.Vi=lE=!OO*iqrt0).ZSI(*is)/ti7(-l5)2TittSfr--電；U|h幽＞『E蜘AlgWLAZ(-63/I.A工(+招”工A2(-I8^T；36琳勒-T〃，療&△工L+20"&￡白駝期&△工-￡0)”.AWC的"；Pkr**lcri17T/tUIjio5*sST?j*r/Aue[10Q*rfl,rl(3)PAE(4e)/A|+20FAzC-e)/Apo 1pA2(40)/1-?I卜20rkz(*””—?「AzC-9)/t—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。

(b)m二患nufflpunLLopi(b)m二患nufflpunLLopi圖212脈動(dòng)整流波形及其頻譜來源: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，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。表512=-36脈動(dòng)各次諧波與IEEE-51g比較1K1111-1717-2323-3511^35THDIEEE-519<02用:1,5 ,0,有0門5,012脈動(dòng)8.77(11)9,60(13)4一42〔均2,S7(35)108出脈動(dòng)0.09(3)-1.36(17)3.<11(19)0.83(35)0.71(37)3.15以膿動(dòng)30,00-0,002,11(23)K7(25)03587)2.71加膿動(dòng)?0.00-0.000,豺129〉業(yè)21(59)1.1936脈動(dòng)=0,01?仇00*0,00?優(yōu)0017&的0.13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)。變壓器耦合輸出型逆變器輸出諧波分析1999年，由CengelciE等人提出該拓?fù)?，其主要思想是通過變壓器將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，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化。此結(jié)構(gòu)如圖3所示。干不1/圖3變壓器耦合輸出型逆變器拓?fù)渥儔浩黢詈陷敵鲂湍孀兤髦恍?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。hnWHESUnLL.EhnWHESUnLL.E求)S1工圖4變壓器耦合輸出型變頻器輸出電壓及頻譜6642O.口□,□.6642O.口□,□.nmciMiEE*5w潦-Harmonicundertb）為看圖5變壓器耦合輸出型變頻器輸出電流及頻譜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題。多電平逆變器日本長岡科技大學(xué)的A.Nabae等人于1980提出三電平逆變器，也稱中點(diǎn)箝位式(Neutralpointclamped:NPC)逆變器。經(jīng)過多年的研究，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)鋪碓?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)帶來均壓等問題。圖7、8為三電平逆變器輸出電壓、電流波形及其頻譜。

0.03 a。」 0.05 0.06 0.07Fundameinta3(50Ha)=335.1.1WD=062%圖70.03 a?！?0.05 0.06 0.07Fundameinta3(50Ha)=335.1.1WD=062%圖7線電壓波形及其頻譜(M版增lEeIDEgpmu.Q洪ImKs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)開一定的角度而被消除。帶9個(gè)隔席次繳觸圈的支用耦蝌人文流三地電源AAAl>c>c>>sAA功率單元

AL帶9個(gè)隔席次繳觸圈的支用耦蝌人文流三地電源AAAl>c>c>>sAA功率單元

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為功率單元U L 一一功率池元功率單元圖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，不存在電壓平衡問題。無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，安裝位置成問題。該拓?fù)湓贛atlab中的仿真波形及其頻譜如圖10、11所示。.1.『tWEEUUsiLL■□■.1.『tWEEUUsiLL■□■學(xué)-E用工圖10單元級(jí)聯(lián)多重化輸出電壓及其頻譜FFTwindow：3ol8.763cyclesofselectedsignalFFTwindow：3ol8.763cyclesofselectedsignal0.11 0f2Time(S>0J4 0.15 0.16門)也就潴取(50H?)=1001. fl.55%2—n 1 1 ?E芒EEEDUnLL一o渣aEs圖11單元級(jí)聯(lián)多重化輸出電流及其頻譜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。表6高壓大功率變頻器輔［出電流諧波與IEEE-519比較1K1111-17THD2,01,50,6業(yè)35.0變壓器*〕.況0.07九093.490.加4⑼耦合⑸(B)(23)(25)(35)多電平0.51氏140,0S4-094.13⑺(13)123)(31)(35)單元().310.060C0內(nèi)470.86級(jí)聯(lián)(11)1⑺(23