高壓變頻器的諧波研究與分析

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。

4.2 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(Neutral point clamped: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)?來源: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，理論上可通過增加級數(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。

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

單元級聯(lián)多重化結(jié)構(gòu)是對多重化技術(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。

圖9 單元串聯(lián)多重化變頻器 請登陸: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。

圖10 單元級聯(lián)多重化輸出電壓及其頻譜

圖11 單元級聯(lián)多重化輸出電流及其頻譜 來源:輸配電設(shè)備網(wǎng)