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1、高压大功率整流电路输入电流偕波抑制技术与发展趋势摘要：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。并指出了谐波抑制技术的发展趋势。关键词： 多重化 多电平 单元级联 变压器
2、耦合输出The high-pressured high efficiency leveling circuitinput current accompanies the wave to suppress the technologyand the trend of developmentShandong industry and commerce institute letter electricity institute 05055429Abstract: When the electric motor capacity is big, high efficiency frequency c
3、hangers input overtone to electrical network influence as well as output overtone to electric motor in influence into exchange frequency conversion system prominent question. In order to reduce the high efficiency frequency changers overtone, uses the multi-pulsation rectification, the transformer c
4、oupling output, the multi-levels and the unit cascade technology generally, has formed take the multi-pulsation rectification analysis situs either the multi-level analysis situs as the input level, outputs the analysis situs take the transformer coupling output or the multi-levels as the output sta
5、ge high efficiency frequency changer main circuit, as well as multi-densified structure high efficiency frequency changer main circuit. This article had the representative high-pressured frequency changer main circuit analysis situs and the input output overtone to the present several kinds has carr
6、ied on the analysis, and carried on the comparison with the IEEE-519 standard, has studied frequency changers overtone characteristic. And has pointed out the harmonic suppression technology trend of development. key words: Multi-densification Multi-levels Unit cascade Transformer coupling output引言由
7、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。本文系统地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
8、为标准，进行了比较. 1 谐波危害 对于电力系统来说，电力谐波的危害主要表现有以下几方面： (1) 增加输、供和用电设备的额外附加损耗，使设备的温度过热，降低设备的利用率和经济效益： 电力谐波对输电线路的影响：谐波电流使输电线路的电能损耗增加。当注入电网的谐波频率位于在网络谐振点附近的谐振区内时，对输电线路和电力电缆线路会造成绝缘击穿。 电力谐波对变压器的影响：谐波电压的存在增加了变压器的磁滞损耗、涡流损耗及绝缘的电场强度，谐波电流的存在增加了铜损。对带有非对称性负荷的变压器而言，会大大增加励磁电流的谐波分量。 电力谐波对电力电容器的影响：含有电力谐波的电压加在电容器两端时，由于电容器对电力谐
9、波阻抗很小，谐波电流叠加在电容器的基波上，使电容器电流变大，温度升高，寿命缩短，引起电容器过负荷甚至爆炸，同时谐波还可能与电容器一起在电网中造成电力谐波谐振，使故障加剧。 (2) 影响继电保护和自动装置的工作可靠性：特别对于电磁式继电器来说，电力谐波常会引起继电保护及自动装置误动或拒动，使其动作失去选择性，可靠性降低，容易造成系统事故，严重威胁电力系统的安全运行。 (3)对通讯系统工作产生干扰：电力线路上流过的幅值较大的奇次低频谐波电流通过磁场耦合时，会在邻近电力线的通信线路中产生干扰电压，干扰通信系统的工作，影响通信线路通话的清晰度，甚至在极端的情况下，还会威胁着通信设备和人员的安全。 (4
10、)对用电设备的影响：电力谐波会使电视机、计算机的图形畸变，画面亮度发生波动变化，并使机内的元件温度出现过热，使计算机及数据处理系统出现错误，严重甚至损害机器。 此外，电力谐波还会对测量和计量仪器的指示不准确及整流装置等产生不良影响，它已经成为当前电力系统中影响电能质量的大公害。2 抑制谐波的总体思路其一是装置谐波补偿装置来补偿谐波；其二是对电力系统装置本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数可控为 1；其三是在电网系统中采用适当的措施来抑制谐波。具体方法有以下几种：（1）采用适当的电抗器。变频器的输入侧功率因数取决于装置内部的 AC/DC 变换电路系统，可利用并联功率因数矫正 DC 电抗器，电
11、源侧串联 AC 电抗器的方法，使进线电流的THDV 大约降低 30%50%，是不加电抗器谐波电流的一半左右；（2）装设有源电力滤波器。除传统的 LC 调试滤波器目前还在应用外，当前抑制谐波的一个重要趋势是采用有源电力滤波器，它串联或是并联于主电路中，实时从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等、方向相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波电流。这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，其特性不受系统的影响，无谐波放大的危险，因而倍受关注，在日本等国已获得广泛应用；（3）采用多相脉冲整流。在条件允许或是要求谐波限制在比较小的情况下，可采用多相整流的方法。12 相脉
12、冲整流的 THDV 大约为 10%15%，18 相的为 3%8%，完全满足国际标准的要求。其缺点是需要专用变压器，不利于设备的改造，成本费用较高；（4）使用滤波模块组件。目前市场上有很多专门用于抗传导干扰的滤波模块或组件，这些滤波模块具有较强的抗干扰能力，同时还具有防用电器本身的干扰传导给电源，有些还兼有吸收尖峰电压的功能，对各类用电设备大有益处；（5）开发新型的变流器。大容量的变流器减少谐波的主要方法是采用多重化技术。几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用 PWM 逆变器可构成四象限交流调速变频器，这种变频器不但输出电压、电流为正弦波，而且输入电流也为正弦波，且功率因数为 1，还可以实现
13、能量的双向传递，代表了这一技术的发展方向；（6）选用 D-YN11 接线组别的三相配电变压器。三相变压器中把高压侧绕组接成三角形，低压绕组为星型且中性点和“11”连接以保证相电动势接近于正弦形，从而避免了相电动势波形畸变的影响。此时，由地区低压电网供电的 220V 负荷，线路电流不会超过 30A，可用 220V 单相供电，否则应以 220/380V 三相四线供电；3 抑制谐波标准（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）
14、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母线电压 最大单次谐波含量(%) 最大谐波畸变系数(%) 6.9KV 及以下 3.0 5.011.5KV16.1KV 1.5 2.516.1KV 以上 1.0 1.5
15、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SCR=IS/IL n35 THD(%)1000 15.0 7.0 6.0 2.5 1.4 20.04 多脉动整流抑制输入谐波1.1 基本原理多重移相叠加技术是由 A.Kernick 等人早在 1962
16、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 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 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p m a h12 2 30 12k118 3 20 18k124 4 15 24k130 5 12 30k136 6 10 36k1对于 12 脉动整流，整流变压器为常规接法的 Y/Y-12（或 /-12）和 Y/-11 或(/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
