本文是一篇电力论文,本文分析了整流器的工作模态,明确了AT-IPR对整流器输入电流和输出电压的调制原理,提出了基于不同有源环流补偿策略的混合谐波抑制方案,即基于CCFS或CCPS的HHSM。
1绪论
1.1课题背景及意义
随着电力电子技术的发展,尤其是功率开关器件及其控制技术的快速发展,电力电子设备被广泛应用于各个领域。工频整流器通常作为交流电网与工业电子设备的接口,但由于其时变性及强非线性特性会对电网造成谐波污染,带来严重的电能质量问题,尤其在大功率场合[1-4]。因此,如何有效降低整流系统产生的谐波电流,使网侧输入电流谐波总畸变率(Total Harmonic Distortion,THD)处于允许范围内,成为研究人员和工程师的重要研究课题。进一步地,为了评估谐波对电网造成的影响,以便更好的抑制谐波,国际电工委员会(IEC)、美国电子电气工程师协会(IEEE)等机构提出了诸多相关标准要求[5-9]。在电网谐波标准要求下,研究人员对整流系统谐波治理方法展开了一系列研究[10-12]。
一般而言,整流系统的谐波抑制方式可以划分为2种,即:被动抑制方式与主动抑制方式。前者通过安装各种有源、无源或混合电力滤波器来有效补偿整流系统产生的谐波[13-16]。然而,在一些场合,滤波装置的容量与整流系统功率等级相当,导致损耗和成本急剧增加。与被动抑制方式的原理不同,主动抑制则通过改进整流系统自身结构和控制方法力求从源头消除谐波。该方式主要包括脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)技术和多脉波整流(Multi-Pulse Rectification,MPR)技术[17,18]。PWM整流技术具有功率因数高、能量可双向流动和直流电压可调等特点,多运用于中小功率场合,而在大功率场合,开关损耗较大,效率降低,这一特性限制了其向更高功率等级的发展[19-21]。相反,MPR技术因其可靠性强、控制简单、效率高等优势在大功率整流电路中得到了更广泛的运用[22-26]。例如:调速驱动系统、高压直流输电系统、不间断电源系统、大容量磁铁供电电源与飞机转换系统。最基本的MPR(12脉波)整流系统如图1.1所示。
1.2 MPR技术研究现状
1996年,Paice等人首次全面的阐述了MPR系统的构成原理(如图1.1)及其运用[38]。在此基础上,国内外学者针对如何提高MPR系统性能,包括输出电压和电流纹波、功率因数、输入电流的谐波等电能质量和导通损耗、整流器的重量和体积等其它方面因素,开展了一系列相关研究工作[39-42]。其中国外以韩国首尔理工大学、美国伦斯勒理工学院与德克萨斯农工大学、印度理工学院和日本东京电机大学为主,国内主要集中于哈工大、南航、南理工、海工大和哈工程等大学。总体来说,可以归纳总结为两方面研究,即MPR系统中交流侧TPS的优化设计与改造和基于IPTT的直流侧谐波抑制方法。
1.2.1基于TPS的MPR技术研究概况
TPS作为MPR系统的核心器件,承担功率传输和谐波抵消的功能。TPS根据交、直流侧有无电气隔离分为隔离式和自耦式。隔离式TPS通常采用Y/Y/△或△/△/Y型连接方式。图1.2所示为2种典型的采用隔离式TPS的MPR系统。图1.2(a)中,整流电路采用并联结构,适合运用于大电流场合,整流桥输出端需利用IPR来平衡RECs的输出电压差,以保证其独立工作。图1.2(b)中,整流电路采用串联结构,无需IPR就可获得更高的输出电压[43]。
2直流侧无源和有源谐波抑制方法分析
2.1常规12脉波星型自耦变压整流系统
图2.1所示为基于星型自耦变压器的常规12脉波整流系统。由图可知,整流系统由三相电源、星型自耦移相变压器(Star Auto-Transformer for Phase-Shifting,S-ATPS)、三相整流桥(RECⅠ,RECⅡ)、零序电流阻抗器(Zero-Sequence Blocking Transformer,ZSBT)、常规IPR和负载组成。三相电网电压经S-ATPS移相后,产生两组相位相差30°的三相电压,分别经RECⅠ和RECⅡ整流,并通过ZSBT和IPR并联后为负载供电。其中S-ATPS具有传输功率和抵消谐波功能;ZSBT可抑制电路中的三倍频电流;IPR可平衡RECⅠ和RECⅡ的输出电压(ud1,ud2),以便整流二极管独立工作。
2.2基于无源双抽头IPTT的谐波抑制方法
2.2.1无源DT-IPR的谐波抑制机理
图2.6所示为基于双抽头平衡变换器(Dual-Tapped Inter-Phase Reactor,DT-IPR)的无源谐波抑制整流器。与图2.1中常规12脉波整流器相比,该整流器除采用DT-IPR代替IPR外,其它均相同。
图2.6中,DT-IPR上二极管Dp和Dq的交替导通使得RECⅠ和RECⅡ的输出电流id1和id2不再是恒定直流,从而产生环流it。DT-IPR作为谐波抑制电路的核心元件,其抽头位置直接决定环流调制效果,进而影响谐波抑制效能,因此,有必要对DT-IPR进行优化设计。
3直流侧混合谐波抑制方法......................18
3.1混合谐波抑制机理分析..........................18
3.1.1混合谐波抑制整流器拓扑..............................18
3.1.2 AT-IPR的工作模态分析...........................18
4仿真验证....................................38
4.1 HHSM的谐波抑制效果验证..................................38
4.2 HHSM整流器与其它整流器的对比分析.........................40
结论..........................43
4仿真验证
4.1 HHSM的谐波抑制效果验证
为验证上述HHSM理论分析的正确性与有效性。在MATLAB/Simulink中搭建了图3.1所示HHSM整流系统模型,并针对CCFS和CCPS方案进行了相关谐波抑制性能研究,其主要参数如表4.1所示。
图4.1和图4.2分别给出了基于CCFS和CCPS的HHSM整流器中主要电流的仿真波形,并与图3.7和图3.9对比可知,仿真结果与理论分析结果基本一致。由图4.1(c)和图4.1(d)可见,输入电流近似平顶正弦波,THD为1.4%,其值略高于理论值,这主要是由于理想的补偿环流is突变不能被准确的实时跟踪,最终导致输入电流有毛刺现象。由图4.2(c)和图4.2(d)可见,由于磁性器件漏感的滤波影响,输入电流的THD为4.16%,其值低于理论值。
结论
为提高常规12脉波整流器的谐波抑制能力,在研究基于DT-IPR的PHSM和基于A-IPR的AHSM谐波抑制方法的基础上,提出了基于AT-IPR的HHSM,建立了新型混合谐波抑制整流器拓扑。分析了整流器的工作模态,明确了AT-IPR对整流器输入电流和输出电压的调制原理,提出了基于不同有源环流补偿策略的混合谐波抑制方案,即基于CCFS或CCPS的HHSM。分析了不同补偿策略方案下环流配比对整流器网侧输入电流谐波及输出电压纹波等工作特性的影响规律,并设计了最优环流配比参数。计算了整流元件的电压、电流等级和容量,评估了整流器的功率损耗。研究表明,最优环流配比下,HHSM将原整流器的脉波数从12增加到24,有效抑制了输入电流谐波和输出电压纹波。其中,基于CCFS的HHSM将输入电流的THD减小为原来的7%左右,将输出电压的RF降低为原来的1/4左右;基于CCPS的HHSM将输入电流的THD减小为原来的1/3左右,同样将输出电压的RF降低为原来的1/4左右。HHSM仅需一个不带副边绕组的AT-IPR和一个特小容量的AAC,即可显著提高整流器的交、直流侧电能质量。论文得到的主要结论如下:
(1)与基于DT-IPR的PHSM相比,基于AT-IPR的HHSM一方面使整流桥二极管输出电流到达零时刻,有利于避免换向重叠角,另一方面,可显著降低高次谐波的含量,有效抑制输入电流谐波;与基于A-IPR的AHSM相比,基于AT-IPR的HHSM采用补偿环流直接注入的混合方式不仅省略了平衡电抗器副边绕组,而且降低了AAC的容量。
(2)相较于CCPS方案,CCFS方案中输入电流谐波含量更低,可运用于对电能质量要求(THD<3)更为严格的大功率场合。而CCPS方案中补偿环流更易实现,因此,从实际运用角度,可行性更高,适用于高电能质量(4
(3)HHSM具有普适性,稍微改进即可简单运用去升级已有的并联型6脉波和12脉波整流器。这为设计可持续的、性价比高的谐波抑制整流器提供了借鉴与指导。同时,HHSM可靠性高,鲁棒性强。AAC中器件出现故障时,整流器仍可以相对高电能质量运行在24脉波整流状态。
参考文献(略)