PWM整流器在高壓直流供電系統(tǒng)中的應用研究

李 樂

（蘇州大學，江蘇 蘇州215000）

0 引 言

高壓直流供電系統(tǒng)由于其損耗小、紋波小、靈活性好、可靠性高等特點，被廣泛應用在各行各業(yè)中，特別是在新能源的應用和遠距離輸電等領域中高壓直流供電系統(tǒng)有著自身突出的優(yōu)勢［1］。但如何有效地降低首端電網(wǎng)的諧波畸變率，仍是目前高壓直流輸電的重要技術問題之一。

隨著科技的不斷發(fā)展，人們對SHE－PWM整流器的關注和研發(fā)日新月異。本文中整流器變壓器為12脈沖的相移變壓器，采用兩個單橋整流器級連方式，用以將電源電流中存在的5、7、17、19次諧波消除。對于11、13次諧波采用SHE－PWM調制方式消除，從而降低電源電流中的諧波，減小諧波失真（THD），消減電網(wǎng)污染［2］。因此對該結構進行研究和實驗具有很重要的意義。

1 拓撲結構

1．1 主電路圖

如圖1所示為雙橋整流器的拓撲結構。其主電路圖由串級連接的兩個整流橋和12脈沖相移變壓器組成［3］。由于GTO的開關頻率很低，開關器件選用GTO。因此為了減小開關角度的個數(shù)，本文采用優(yōu)化SHE－PWM的方法。

文中功率器件采用雙向IGCT（SGCT），它使整個系統(tǒng)在四象限范圍內正常運行，并實現(xiàn)輸入電流為單位功率因數(shù)。圖1的雙橋整流拓撲結構圖中詳細標注了主要元件及其對應參數(shù)。

圖1 拓撲結構

1．2 相移變壓器的輸入電流

相移變壓器的繞線方法不同，可使得零序電流無法產生或無法流出。故變壓器的原邊電流可以分成正序諧波和負序諧波兩種電流，它們與副邊電流相差的相角分別為（－δ）和（δ）［4］。因此，圖1中輸入電流iA表示為：

由公式（1）可以推導出，輸入電流iA中的5、7、17、19次等諧波已被消除。

1．3 整流器的輸入電流

由于輸出的直流電流不能被間斷，故通過旁路脈沖進行調試［5］。如圖2所示，當三個角度（θ1、θ2、θ3）得到確定后，可推導出其他角度。利用這三個角度提供的三維自由度則可以用來消除諧波。

圖2 整流器脈沖和輸入波形

本文用整流器消除兩個低次諧波和調節(jié)基波幅值，消除11、13次諧波。

2 雙波段SHE－PWM的調制原理及數(shù)值解

首先，電流iw波形符合Dirichlet定理，可以利用傅立葉級數(shù)分析法，推導出在特定諧波的情況下，對應特定脈沖下的傅立葉級數(shù)展開式［6］。

圖2中電流iw波形可以用傅立葉級數(shù)表示如下：

其次，令基波幅值為某一值，特定的低次諧波為零，得出一個反映脈沖相位關系的非線性方程組。假設為了消除N－1個諧波分量，同時調節(jié)基波幅值，則令a1＝maIdc，當n＝11、13、23、25．．．時，令an＝0。其中，調制比基波的峰值，Idc為直流側電流。則可得到由N個方程構成的非線性方程組為：

最后，再按求解對脈沖相位進行控制，則可以消除此特定的低次諧波。對于非線性方程組（4）的求解方式，可參見參考文獻，本文不做贅述［7］。

針對圖2中的脈沖和輸入波形調制方式，經過對雙橋整流器SHE－PWM開關角度的非線性方程組公式（4）的求解，當ma取值分別為0．20、0．40、0．60、0．80、0．85時，可得出數(shù)值解如表1。

根據(jù)表1得的數(shù)值繪制其開關數(shù)值解的軌跡圖，如圖3（a）。從圖3中可以看出，當調制比達到ma＝0．85時，θ9和θ10曲線相交，并合并為同一曲線，實現(xiàn)了最佳調制比狀態(tài)。隨著ma的增加將無法實現(xiàn)更加優(yōu)化的方案，故在ma＝0．85后采用第二階段調制方法：在保留原有的獨立的3個角度（θ1、θ2、θ3），增加一個脈沖，其脈沖及輸入波形如圖2（b），它可以達到更高的調制比。

表1 開關角度第一波段的數(shù)值解

其雙橋整流器SHE－PWM開關角度的非線性方程組公式（4）中，當ma取值分別為0．85、0．90、0．95、1．00、1．08時，可得出數(shù)值解如表2，開關角度數(shù)值解的軌跡如圖3（b）。

表2 開關角度第二波段的數(shù)值解

圖3 開關角度數(shù)值解的軌跡

通過對諧波含量的分析和計算，繪制了雙波段開關角度SHE－PWM的諧波含量頻譜圖，圖4展示了在第一階段調試和第二階段調試中的頻譜特性。

圖4 輸入電流iw諧波含量頻譜

從圖4中可以看出雙波段開關角度以ma＝0．85為分界點，兩波段的諧波含量頻譜有著非常好的匹配和連貫性。5次、7次諧波在雙波段中具有曲線特性，均為一條曲線。17次、19次諧波在兩個波段的交界處，發(fā)生錯位現(xiàn)象，即在第一波段中的17次諧波曲線在第二波段中沿19次諧波方向走勢延伸；同樣，19次諧波曲線在進入第二波段后沿著17次諧波曲線方向走勢延伸。圖中用虛線表示19次諧波曲線。當雙波段的調制比ma＝1．08，電源的利用率達到了最高。

3 實驗研究

為驗證雙波段SHE－PWM上述消諧作用，按圖1的拓撲結構圖進行了模型電路的模擬實驗?？刂破脚_選用TI公司的DSP320LF2407型控制器，三相濾波電容器中Cf＝14μF。分別取ma＝0．5和ma＝0．9，把表1、表2中方程組運算的結果存入到DSP中，通過查表法取得開關切換時刻，按照雙波段SHE－PWM控制步驟及要求，進行了實驗研究，所得的波形圖如圖5。

圖5 PWM整流器雙波段調試的實驗波形

從圖5中可以看出，電源電流iA波形已非常接近理想正弦波形。此電源有效地消除了諧波，對電網(wǎng)沒有污染，完全符合前面理論推導結果。

4 結 論

雙橋整流器拓撲結構中的相移變壓器可以有效地降低電流的諧波失真。在此基礎上，通過雙波段SHEPWM調制可以進一步提高電源的利用率。經過實驗驗證，此方法不會對電網(wǎng)產生污染，有效提高電源利用率，在今后的高壓直流供電系統(tǒng)中將有重要的實際推廣價值。

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［4］ 謝運祥，周 煉，彭 宏．逆變器消諧模型的同倫算法研究 ［J］．中國電機工程學報，2000，20（10）：23－36．

［5］ 官二勇，宋平崗，葉滿園，何 鑫．一種新穎的SHEPWM 雙波段整流器研究［J］．電力電子技術，39（3）：33－35．

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