摘 要：當電動機容量較大時，大功率變頻器的輸入諧波對電網(wǎng)的影響以及輸出諧波對電動機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，普遍采用多脈動整流、變壓器耦合輸出、多電平和單元級聯(lián)技術(shù)，形成了以多脈動整流拓撲或多電平拓撲為輸入級、以變壓器耦合輸出或多電平輸出拓撲為輸出級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。本文對目前幾種有代表性的高壓變頻器主電路拓撲及輸入輸出諧波進行了分析，并與IEEE-519標準進行比較，研究了變頻器的諧波特性。
關(guān)鍵詞：多重化 多電平 單元級聯(lián) 變壓器耦合輸出
1 引言
由于大功率風機、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引起諧振和諧波電流放大,危害旋轉(zhuǎn)電機和變壓器,影響繼電保護和電力測量準確性。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)。
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與平均設定最大負載電流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 IEEE-519對電流諧波的限制值
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)采用脈動寬度為60°的6脈動三相全波整流（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，則可組成脈動數(shù)為p=6m的多脈動整流。其脈動數(shù)p、組數(shù)m、移相角α及對應的諧波次數(shù)h之間的關(guān)系如表3所示。
對于12脈動整流，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脈動整流。
對于18脈動及以上的整流，整流變壓器繞組采用曲折接線（Z接線）實現(xiàn)，各整流單元并聯(lián)（或串聯(lián)），共同向負載供電。只要滿足m組6脈動整流交流側(cè)的電壓U(n)(n=1,2,……,m)依次移相α=60°/m，即可得到p=6m脈動的多相整流。具體變壓器組別選擇情況如表4。
3.2 多脈動整流輸入諧波的仿真分析
利用Matlab中的Simulink/Power System工具箱對多脈動整流仿真研究。本文構(gòu)建了多重化整流的統(tǒng)一分析模塊，設置參數(shù)后，使其能夠?qū)崿F(xiàn)12、18、24、30、36脈動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，即可實現(xiàn)相應脈動數(shù)的多重化整流仿真分析。多脈動整流輸入仿真電路的參數(shù)設置面板如圖1所示。
圖1 多脈動整流仿真電路參數(shù)設置對話框
以12脈動的仿真為例，波形及頻譜如圖2所示，可以看出12脈動時主要諧波為12k±1次，和理論分析相符合。
圖2 12脈動整流波形及其頻譜
結(jié)合IEEE-519中的標準，對各脈動數(shù)整流進行比較如表5所示，可見，在不增加其他濾波裝置的情況下，12脈動整流很能滿足IEEE-519中的要求，在各個范圍內(nèi)諧波含量均超出標準。36脈動情況要好的多，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。
由分析可以看出，多脈動整流很好的解決了變頻器輸入端的諧波抑制問題，尤其對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中的標準相比較，在不增加其他濾波裝置的情況下，多脈動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)，各種拓撲結(jié)構(gòu)、控制方案都有其各自的優(yōu)缺點。
4.1 變壓器耦合輸出型逆變器輸出諧波分析
1999年，由Cengelci E等人提出該拓撲，其主要思想是通過變壓器將3個由高壓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行，對每個三相逆變器的利用率都接近100％，這些特點使它特別適合于對恒轉(zhuǎn)矩和變轉(zhuǎn)矩負載的驅(qū)動場合。并且這3個常規(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。
與傳統(tǒng)的二電平拓撲結(jié)構(gòu)相比較，中點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，特殊的拓撲使得器件具有2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，每個電平幅值相對降低，dv/dt變小，主電路電流含有的脈動成分減小，轉(zhuǎn)矩脈動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)四象限運行,但是因目前器件耐壓水平的限制,只能達到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，但會帶來均壓等問題。
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