高压大功率变频器的谐波分析.docx

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1、高压大功率变频器的谐波分析ieee制定并作为美国国家标准ansi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，暂态经过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。align=center表1ieee-519对电压谐波的限制标准/align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

2、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，就特别重要。align=center表2ieee-519对电流谐波的限制值/align3高压变频器输入谐波分析3.1多脉动整流抑制输入谐波的根本原理多重移相叠加技术是由a.kernick等人早在1962年度提出的。该技术采用脉动宽度为60的6脉动三相全波整流或者等效三相全波整流作为根本单元，使m组整流电路的沟通侧电压依次移相60/m，那么可组成脉动数为p=6m的多脉动整流。其脉动

3、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。align=center表3多脉动整流的组成/align对于12脉动整流，整流变压器为常规接法的y/y-12或者/-12和y/-11或者/y-1，二者沟通侧副方电压相互移相30，直流侧并联或者串联后组成12脉动整流。对于18脉动及以上的整流，整流变压器绕组采用曲折接线z接线实现，各整流单元并联或者串联，共同向负载供电。只要知足m组6脉动整流沟通侧的电压unn=1,2,m依次移相=60/m，即可得到p=6m脉动的多相整流。详细变压器组别选择情况如表4。3.2多脉动整流输入谐波的仿真分析利用matlab中的simulink/powersy

4、stem工具箱对多脉动整流仿真研究。本文构建了多重化整流的统一分析模块，设置参数后，使其可以实现12、18、24、30、36脉动整流电路的工作特性。按照参数面板中相关讲明，选择适宜的变压器接法，并输入相移角度，即可实现相应脉动数的多重化整流仿真分析。多脉动整流输入仿真电路的参数设置面板如图1所示。align=center图1多脉动整流仿真电路参数设置对话框/align以12脉动的仿真为例，波形及频谱如图2所示，可以看出12脉动时主要谐波为12k1次，和理论分析相符合。align=center图212脉动整流波形及其频谱/align结合ieee-519中的标准，对各脉动数整流进展比拟如表5所示，

5、可见，在不增加其他滤波装置的情况下，12脉动整流很能知足ieee-519中的要求，在各个范围内谐波含量均超出标准。36脉动情况要好的多，35次以下谐涉及thd都能知足ieee-519的要求，但仍然含有较大的35、37等次的谐波。由分析可以看出，多脉动整流很好的解决了变频器输入端的谐波抑制问题，尤其对低次谐波的抑制效果明显，且输入波形近似为正弦，很好地知足了要求。但是，同ieee-519中的标准相比拟，在不增加其他滤波装置的情况下，多脉动整流不能在各次谐波上都知足ieee-519中的要求，高次谐波的影响仍然很明显，需要与其它滤波器配合使用。4高压变频器输出谐波分析作为高压大功率变频器的输出环节，

6、高性能的逆变器是其性能的保证。但高压大功率变频器并不像低压变频器一样有着成熟、统一的技术，各种拓扑构造、控制方案都有其各自的优缺点。4.1变压器耦合输出型逆变器输出谐波分析1999年度，由cengelcie等人提出该拓扑，其主要思想是通过变压器将3个由高压igbt或者igct构成的常规二电平三相逆变器的输出叠加起来，实现高质量的三相高电压输出、低dv/dt的pwm波，而且很好地保证了平衡运行，对每个三相逆变器的利用率都接近100，这些特点使它十分合适于对恒转矩和变转矩负载的驱动场合。并且这3个常规逆变器可采用普通低压变频器的控制方法，使得变频器的电路构造及控制方法都大大简化。此构造如图3所示。

7、align=center图3变压器耦合输出型逆变器拓扑/align变压器耦合输出型逆变器只需3个独立的三相逆变器就可以产生中高压输出，在运行时每个逆变器都是平行的，各提供1/3的输出功率，因此为高压系统使用低压igbt器件提供了方便，这种平衡运行状态也使得直流侧电容不需要储存过多的能量。输出变压器的存在,有利于产生更高的输出电压,且能消除逆变器间的环流。该构造在matlab中的仿真波形及其频谱如图4、5所示。align=center图4变压器耦合输出型变频器输出电压及频谱/alignalign=center图5变压器耦合输出型变频器输出电流及频谱/align变压器耦合输出型逆变器的输出波形可等

8、效为7电平线电压pwm波,优于普通二电平变频器,dv/dt也较低,只含有非常小的低次谐波,thd值也很低,但高次谐波仍然存在,如23、25次谐波等,这主要是由于每个独立的逆变器采用pwm调制而造成的,采用更好的调制策略或者增加一个小容量的低通滤波器可以解决这一问题。4.2多电平逆变器日本长冈科技大学的a.nabae等人于1980提出三电平逆变器，也称中点箝位式neutralpointclamped:npc逆变器。经太多年度的研究，出现了两种主要的拓扑构造:二极管箝位式;飞跨电容式。二极管箝位式拓扑如图6。align=center图6三电平逆变器拓扑/align与传统的二电平拓扑构造相比拟，中点

9、箝位式三电平逆变器更合适于中高压变频装置高电压、大容量的特点，特殊的拓扑使得器件具有2倍的正向阻断电压才能，其多层阶梯形输出电压，理论上可通过增加级数而使输出电压波形接近正弦，减少谐波，在同样输出性能指标下，三电平的开关频率将是二电平的1/5，进而使系统损耗小。随着电平数增加，每个电平幅值相对降低，dv/dt变小，主电路电流含有的脉动成分减小，转矩脉动和电磁噪声都得到有效的抑制。固然三电平变频器构造简单,可以实现四象限运行,但是因目前器件耐压程度的限制,只能到达4.16kv等中高压情况，假设要输出更高的电压须采用器件串联方法，但会带来均压等问题。图7、8为三电平逆变器输出电压、电流波形及其频谱

10、。align=center图7线电压波形及其频谱图8沟通侧电流波形及其频谱/align4.3多重化逆变器单元级联多重化构造是对多重化技术的推广和应用，是多重化变频器的一种。如图9所示，单元级联多重化变频器采用假设干个低压pwm变频功率单元串联的方式实现直接高压输出，电平数的增加有效的抑制了输出谐波。由于每个功率单元模块中除了含有逆变输出构造外，同时含有整流功能，进而相应的实现了整流局部的多重化，使得变频器输入、输出谐波抑制同步完成。其谐波抑制原理与普通多重化相似，也是利用相移技术，使每个功率模块的某些次输出谐波互相错开一定的角度而被消除。align=center图9单元串联多重化变频器/ali

11、gn固然是串联构造，但由于直流侧采用互相别离的直流电源，不存在电压平衡问题。无需二极管和电容的限制，串联型构造电平数可较大。一般二极管、电容箝位式限于7或者9电平,而串联型构造却无此限制。由于每一级逆变桥构造一样,给模块化设计和制造带来方便。但由于使用的功率单元及功率器件数量过多，以每相三单元串联为例，6kv系统要使用90只功率器件54只二极管，36只igbt，装置的体积太大，安装位置成问题。该拓扑在matlab中的仿真波形及其频谱如图10、11所示。align=center图10单元级联多重化输出电压及其频谱/alignalign=center图11单元级联多重化输出电流及其频谱/align

12、4.4高压变频器输出谐波与ieee-519比拟分析三种逆变构造的各主要次谐波与基波含量比值如表6、7所示，所有数据均在无额外滤波装置的情况下，利用matlab/simulink仿真得到。结合ieee-519中的标准，进展比拟分析。变压器耦合输出型变频器根本能知足ieee-519中的要求，尤其在低于23次的谐波含量完全小于ieee-519中限定的数值，只是由于pwm载波比的影响在23、25次附近出现较大的谐波。三电平逆变也根本能知足ieee-519中的要求，在低次谐波未超出标准。单元级联多重化变频器性能最优，很好的知足了ieee-519中的要求，在各个范围内谐波含量均未超出标准。在总谐波畸变率方

13、面，三种输出构造都知足ieee-519标准的要求。三种拓扑都各有优缺点，但都很好地解决了变频器输出谐波的抑制问题，使得输出波形更接近正弦。通过与ieee-519标准的比照发现，在不安装其他滤波环节的情况下，以单元级联多重化变频器的效果最正确，完全到达了ieee-519的规定，除此之外，其它构造不能完全知足标准中的限定值，需要在一定容量的滤波环节辅助下工作。5完毕语随着高压大功率变频器的广泛应用，改良其拓扑构造进而有效的抑制和减少沟通侧谐波的产生已成为工程师门追求的目的。多重化构造作为变频器整流侧普遍采用的拓扑构造，已经可以知足不同场合、不同电压等级的需要，但当重数增加时，固然谐波抑制效果明显，但装置的构造复杂，变压器损耗增加，故普遍采用12、18脉动构造。这样只要增加一个小容量的滤波器就可以很好的知足ieee-519的要求。逆变侧，单元级联多电平构造的输入、输出谐波抑制效果最正确，但系统构造复杂，器件数量多，体积庞大。三电平构造简单，所需器件数最少，但受到电平数的限制谐波抑制效果稍差，且存在中点电位平衡问题，这也是阻碍谐波抑制效果的因素之一，将npc在整流侧实现可以解决这一问题。变压器耦合输出型构造，可以在采用目前耐压程度器件的情况下，知足高压大功率的需要，且构造简单、器件数量相对较少，谐波抑制效果介于以上两种构造之间，是一种折中的方案。