高压变频器的谐波研究与分析

摘　要：当电动机容量较大时，大功率变频器的输入谐波对电网的影响以及输出谐波对电动机的影响成为了交流变频系统中突出的问题。为了减小大功率变频器的谐波，普遍采用多脉动整流、变压器耦合输出、多电平和单元级联技术，形成了以多脉动整流拓扑或多电平拓扑为输入级、以变压器耦合输出或多电平输出拓扑为输出级的大功率变频器主电路，以及多重化结构的大功率变频器主电路。本文对目前几种有代表性的高压变频器主电路拓扑及输入输出谐波进行了分析，并与IEEE-519标准进行比较，研究了变频器的谐波特性。

关键词：多重化　多电平　单元级联　变压器耦合输出

1 引言

由于大功率风机、水泵的变频调速方案可以收到显著的节能效果,具有重大的经济效益,因此,高压大功率变频调速技术的研究已发展成为各国节能事业的主导方向之一。电力电子变流电路仍然是变频技术的核心,由于电力电子器件都工作于开关状态,由这些电路构成的装置已成为电力系统中的主要谐波源,变频器输出的谐波电流会引起谐振和谐波电流放大,危害旋转电机和变压器,影响继电保护和电力测量准确性。近年来,围绕抑制谐波电流,研究人员在电路结构和控制技术等方面提出了不同的整流和逆变方案,形成了多样化的大功率变频技术。请登陆:输配电设备网 浏览更多信息

本文系统地归纳了高压大功率变频器的结构，研究了各类变频器的谐波抑制原理，深入分析了高压大功率变频器的输入、输出谐波，并以IEEE-519规定为标准，进行了比较研究，为变频器的选择提供了参考。

2 谐波抑制标准(IEEE-519)简介

为了限制变流装置及非线性负载对电力系统的谐波干扰，世界各国及相关组织都制定了有关标准，以保证电网的供电质量。其中最具权威性的是美国电气和电子工程协会(IEEE)制定并作为美国国家标准(ANSI)的IEEE-519。该标准详细分析了波形畸变的原因及其影响;确定了判别畸变程度的参量;制定了对电力系统中波形畸变的限制;介绍了波形畸变的分析方法和控制措施等，对从事大功率变频调速系统开发和应用的工程技术人员具有指导性的作用。

IEEE-519中的限制均是针对系统稳态运行时提出的“最差”条件，暂态过程中允许出现超过此标准的情况。表1列出了IEEE-519对电压谐波的限制标准。

表1 IEEE-519对电压谐波的限制标准

表2列出了低于6.9kV的供电系统中，在不同的短路比(短路比SCR定义为最大短路电流IS与平均设定最大负载电流IL之比)条件下，其谐波电流值和总谐波畸变系数(THD)值的限制，而偶次谐波限制在奇次谐波的25%以下。因此，按照电力电子装置容量与电力系统短路容量之比，正确选择主电路联结形式(等效相数、脉波数)和控制方式，就十分重要。

表2 IEEE-519对电流谐波的限制值

3 高压变频器输入谐波分析

3.1 多脉动整流抑制输入谐波的基本原理

多重移相叠加技术是由A.Kernick等人早在1962年提出的。该技术采用脉动宽度为60°的6脉动三相全波整流(或等效三相全波整流)作为基本单元，使m组整流电路的交流侧电压依次移相α=60°/m，则可组成脉动数为p=6m的多脉动整流。其脉动数p、组数m、移相角α及对应的谐波次数h之间的关系如表3所示。

表3 多脉动整流的组成

对于12脉动整流，整流变压器为常规接法的Y/Y-12(或Δ/Δ-12)和Y/Δ-11或(Δ/Y-1)，二者交流侧副方电压互相移相30°，直流侧并联(或串联)后组成12脉动整流。

对于18脉动及以上的整流，整流变压器绕组采用曲折接线(Z接线)实现，各整流单元并联(或串联)，共同向负载供电。只要满足m组6脉动整流交流侧的电压U(n)(n=1,2,……,m)依次移相α=60°/m，即可得到p=6m脉动的多相整流。具体变压器组别选择情况如表4。

3.2 多脉动整流输入谐波的仿真分析

利用Matlab中的Simulink/Power System工具箱对多脉动整流仿真研究。本文构建了多重化整流的统一分析模块，设置参数后，使其能够实现12、18、24、30、36脉动整流电路的工作特性。按照参数面板中相关说明，选择合适的变压器接法，并输入相移角度，即可实现相应脉动数的多重化整流仿真分析。多脉动整流输入仿真电路的参数设置面板如图1所示。

图1 多脉动整流仿真电路参数设置对话框

以12脉动的仿真为例，波形及频谱如图2所示，可以看出12脉动时主要谐波为12k±1次，和理论分析相符合。

图2 12脉动整流波形及其频谱 来源:输配电设备网

结合IEEE-519中的标准，对各脉动数整流进行比较如表5所示，可见，在不增加其他滤波装置的情况下，12脉动整流很能满足IEEE-519中的要求，在各个范围内谐波