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1IEEE-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。