諧波注入串聯(lián)三相橋式12脈波整流電路的研究

袁發(fā)庭，秦實(shí)宏，姚湘陵

（武漢工程大學(xué) 電氣信息學(xué)院，湖北 武漢 430205）

環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今世界的熱點(diǎn)問題，同樣與人類生活密切相關(guān)的電力系統(tǒng)也是一種“環(huán)境”，也面臨著污染。電能是人類生產(chǎn)最重要的二次能源之一 ，無論人們的日常生活還是工農(nóng)業(yè)的生產(chǎn)都離不開電，我們?cè)趯?duì)電能的有效利用方面就顯得尤為重要。公用電網(wǎng)中的諧波電流和諧波電壓就是對(duì)電網(wǎng)環(huán)境最嚴(yán)重的一種污染[1]。因此抑制諧波和提高功率因數(shù)已成為電力系統(tǒng)所面臨的一個(gè)重大課題，正在受到越來越多的關(guān)注。

隨著電力系統(tǒng)的日益發(fā)展，諧波抑制也就變得越來越重要，電力電子裝置本身可以產(chǎn)生諧波，又可以通過電力電子裝置作為濾波器從而抑制諧波[2]。電力電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，大量以電力電子器件為基礎(chǔ)的整流裝置得到廣泛的應(yīng)用。隨著整流裝置功率的進(jìn)一步加大，它所產(chǎn)生的諧波，無功功率等對(duì)電網(wǎng)的干擾也隨之加大。電力電子裝置已經(jīng)成為電力系統(tǒng)中的主要波源，造成了電能的巨大浪費(fèi)，采用諧波注入法注入串聯(lián)12脈波整流電路，產(chǎn)生24脈波，大大減少諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾，提高了電能的利用率。

1 串聯(lián)12脈波整流電路工作特性及諧波分析

串聯(lián)12脈波電路圖如圖1所示，整流變壓器采用Y/YΔ，三相電源星型聯(lián)結(jié)時(shí)，線電壓超前相應(yīng)的相電壓30°。采用不可控器件二極管[3]。整流器1輸出電壓為Uo1，整流器2輸出電壓為Uo2，當(dāng)輸入變壓器各個(gè)繞組之間的比例關(guān)系為N1=N2；N3=N2，則二次側(cè)兩繞組的線電壓有效值相等 ，電壓矢量圖如圖2所示。

圖1 串聯(lián)12脈波整流器電路圖Fig.1 Circuit diagram of series 12 pulse rectifier

圖2 串聯(lián)12脈波整流器向量圖Fig.2 Vector diagram of series 12 pulse rectifier

第一組三相橋式整流輸出電壓Uo1可表示為式（1）

其中 V s為相電壓最大值，Vo2與Vo1相差 30°，故 Vo2可表示為式（2）

兩組串聯(lián)三相橋輸出電壓的瞬時(shí)值 Vd（t）為式（3），電流Id為式（4）

直流輸出電壓 Vd中的諧波次數(shù)為 12K（K=1，2，3），最低階次為12次。

一次側(cè)A相電流ia可以表示為式（5）

如圖3所示為串聯(lián)三相橋式12脈波整流電路的Matlab仿真模型，交流電源電壓220 V，50 Hz，整流變壓器采用Y/Y-Δ[4]。使其輸出電壓相位相差30°，一次繞組線電壓設(shè)為380 V，二，三次繞組線電壓為173 V，負(fù)載為電阻，阻值設(shè)為5Ω，輸出側(cè)電感為L(zhǎng)=2 mH，在整流模型基礎(chǔ)上，通過多路測(cè)量?jī)x讀取整流變壓器二次側(cè)電壓和電流，觀察功率因素的波形，仿真算法設(shè)為ode23tb，仿真時(shí)間設(shè)置為0.4 s。

圖3 串聯(lián)12脈波整流電路的仿真模型Fig.3 Simulation model of series 12 pulse rectifier circuit

輸出電壓Uo1和Uo2電壓波形如圖4所示，Uo1與Uo2有效值相等，相位相差 30°，輸出電壓 Ud只含有 12K（K=1，2，3…）次諧波，12脈波整流器的功率因素為0.988；整流器一次側(cè)A相電流FFT諧波分析如圖5所示，諧波中主要諧波為12K±1（K=1，2，3…）次諧波。

2 諧波注入電路原理分析

圖4 串聯(lián)12脈波整流電路Uo1和Uo2輸出波形Fig.4 Output waveformof series12 pulse rectifier circuit Uo1 and Uo2

圖5 整流器一次側(cè)A相電流FFT分析Fig.5 Analysis of rectifier A side A phase current FFT

諧波注入時(shí)，等效電路如圖6所示，在圖中，2個(gè)電流源通過整流器1和整流器2輸出，整流器輸出以電流源替代，輸出電流有效值相等，相位相差30°，串聯(lián)連接后，輸出電流i1和i2的波形如圖7所示，2個(gè)電流源在電路中的瞬時(shí)值不相等，輸出電流i1和i2的差值Δi=i2-i1是注入電流，故注入電流在整流器電路輸出端將產(chǎn)生一個(gè)自然開關(guān)頻率為六倍頻的0到Ud的直流電源，此電壓為諧波注入電壓，通過此諧波電壓來產(chǎn)生24脈波的輸入電流[5]。電源周期中脈波數(shù)越多，電網(wǎng)中諧波階次越高，諧波幅值越小，減少低次諧波對(duì)電網(wǎng)的干擾。

圖6 六倍頻注入的等效電路Fig.6 Equivalent circuit of six times frequency injection

圖7 諧波波形注入Fig.7 Injection of harmonic wave

在電流Δi流過變壓器初級(jí)繞組，在變壓器繞組上產(chǎn)生了注入電壓ΔU，通過二極管整流電路輸出，改變了整流器輸出電壓 Uo1和 Uo2，串聯(lián)輸出是 Uo1=Ud/2+ΔU；Uo2=Ud/2-ΔU。 當(dāng)整流器2電流i2大于整流器i1，輸出電流為正，Δi=i2-i1。電流從O點(diǎn)流向F點(diǎn)，通過變壓器，使二極管D1與D4自然導(dǎo)通，接到輸出電路中，二極管導(dǎo)通后，輸出電壓Ud加載到變壓器次級(jí)繞組，在初級(jí)繞組上產(chǎn)生Ud/k（k為變壓器的變壓比）的電壓變化量，改變Uo1與 Uo2的瞬時(shí)值，式（6）為 Uo1的值，式（7）為 Uo2的值。

當(dāng)整流器2電流i2小于整流器i1，輸出電流為負(fù)，Δi=i2-i1；電流從F點(diǎn)流向O點(diǎn)，通過變壓器，使二極管D2與D3自然導(dǎo)通，接到輸出電路中，二極管導(dǎo)通后，輸出電壓Ud加載到變壓器次級(jí)繞組，在初級(jí)繞組上產(chǎn)生Ud/k的電壓變化量，改變 U01與 U02的瞬時(shí)值，式（8）為 Uo1的值，式（9）為 Uo2的值。

整流器1輸出電壓與直流中性點(diǎn)的電壓分別為為Ua1o，Ub1o，Uc1o，當(dāng)輸入電流ia1為負(fù)值時(shí)候，Ua1o兩端的電壓為-Ud/2，輸入電流為正時(shí)，Ua1o兩端的電壓為ΔU；B相電壓相對(duì)于中性點(diǎn)O比A相電壓相對(duì)中性點(diǎn)O之后120°C相電壓相對(duì)于中性點(diǎn)滯后B相120°[6]。改變了變壓器N2和N3測(cè)a相電流，它們的共模電壓脈波a相輸入電壓為Uao=Ua1n+Ua2o，從而在輸入電流ia上產(chǎn)生24脈波。

3 仿真模型的建立及驗(yàn)證

如圖8所示為注入諧波串聯(lián)三相橋式12脈波Matlab仿真模型，輸出濾波電容 C1和C2為 5 000μF，變壓器為 1：4.6，仿真時(shí)間為0.4 s。圖9為輸入電流ia的FFT分析，注入諧波與未注入諧波串聯(lián)三相12脈波整流電路的性能比較如表1所示，由于移相變壓器諧波注入的作用，使ia1與ia2在原邊相互補(bǔ)償，減小了輸入電流ia的畸變率（THD），功率因素比未注入要高，輸入側(cè)的各次諧波含量也明顯減少，提高了電網(wǎng)的性能。

圖8 注入諧波串聯(lián)12脈波整流matlab仿真模型Fig.8 Model of injection harmonic series 12 pulse rectifier matlab simulation

圖9 注入諧波后輸入電流ia的FFT分析Fig.9 Analysis the input of ia FFT after injection current harmonic

表1 注入諧波和未注入諧波數(shù)值比較Tab.1 Numerical comparison of injection harmonic and not injection harmonic

4 結(jié)束語

采用串聯(lián)三相橋式12脈波整流諧波注入電路的方法優(yōu)化了輸入電流和輸出電壓波形，減少了輸入端電流畸變率，同時(shí)提高了整流電路的功率因素，串聯(lián)輸出適用于輸出高電壓的場(chǎng)合。為了滿足越來越重要的電能質(zhì)量的要求，可采取兩組橋三重或四重聯(lián)接，通過注入諧波法，使電流的諧波含量大為改善，功率因數(shù)明顯提高，提升了電能的利用率。

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