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，秦實宏，姚湘陵

（武漢工程大學 電氣信息學院，湖北 武漢 430205）

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

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]。電力電子技術的迅猛發(fā)展，大量以電力電子器件為基礎的整流裝置得到廣泛的應用。隨著整流裝置功率的進一步加大，它所產生的諧波，無功功率等對電網的干擾也隨之加大。電力電子裝置已經成為電力系統(tǒng)中的主要波源，造成了電能的巨大浪費，采用諧波注入法注入串聯(lián)12脈波整流電路，產生24脈波，大大減少諧波對電網的干擾，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)結時，線電壓超前相應的相電壓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，當輸入變壓器各個繞組之間的比例關系為N1=N2；N3=N2，則二次側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中的諧波次數為 12K（K=1，2，3），最低階次為12次。

一次側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°，一次繞組線電壓設為380 V，二，三次繞組線電壓為173 V，負載為電阻，阻值設為5Ω，輸出側電感為L=2 mH，在整流模型基礎上，通過多路測量儀讀取整流變壓器二次側電壓和電流，觀察功率因素的波形，仿真算法設為ode23tb，仿真時間設置為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A相電流FFT分析Fig.5 Analysis of rectifier A side A phase current FFT

諧波注入時，等效電路如圖6所示，在圖中，2個電流源通過整流器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個電流源在電路中的瞬時值不相等，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生一個自然開關頻率為六倍頻的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生24脈波的輸入電流[5]。電源周期中脈波數越多，電網中諧波階次越高，諧波幅值越小，減少低次諧波對電網的干擾。

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流過變壓器初級繞組，在變壓器繞組上產生了注入電壓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點流向F點，通過變壓器，使二極管D1與D4自然導通，接到輸出電路中，二極管導通后，輸出電壓Ud加載到變壓器次級繞組，在初級繞組上產生Ud/k（k為變壓器的變壓比）的電壓變化量，改變Uo1與 Uo2的瞬時值，式（6）為 Uo1的值，式（7）為 Uo2的值。

當整流器2電流i2小于整流器i1，輸出電流為負，Δi=i2-i1；電流從F點流向O點，通過變壓器，使二極管D2與D3自然導通，接到輸出電路中，二極管導通后，輸出電壓Ud加載到變壓器次級繞組，在初級繞組上產生Ud/k的電壓變化量，改變 U01與 U02的瞬時值，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的電壓分別為為Ua1o，Ub1o，Uc1o，當輸入電流ia1為負值時候，Ua1o兩端的電壓為-Ud/2，輸入電流為正時，Ua1o兩端的電壓為ΔU；B相電壓相對于中性點O比A相電壓相對中性點O之后120°C相電壓相對于中性點滯后B相120°[6]。改變了變壓器N2和N3測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上產生24脈波。

3 仿真模型的建立及驗證

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，輸入側的各次諧波含量也明顯減少，提高了電網的性能。

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值比較Tab.1 Numerical comparison of injection harmonic and not injection harmonic

4 結束語

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合。為了滿足越來越重要的電能質量的要求，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，功率因數明顯提高，提升了電能的利用率。

[1]王兆安，楊君，劉進軍，等.諧波抑制和無功功率補償[M].北京:機械工業(yè)出版社，2005.

[2]石慶鑫，盧藝丹.三相橋式整流電路的諧波分析及對策研究[J].華北電力技術，2010（11）：7-10.SHI Qing-xin，LU Yi-dan.Analysis on harmonic of three·-phase Full·-bridge rectifier circuit and countermeasure[J].North China Electric Power，2010（11）：7-10.

[3]陳堅.電力電子學—電力電子變換和控制技術 [M].北京:高等教育出版社，2002.

[4]洪乃剛.電力電子、電機控制系統(tǒng)的建模與仿真[M].北京:機械工業(yè)出版社，2010.

[5]李建林，溫春雪，許洪華.12脈波整流電路在直驅型風力發(fā)電系統(tǒng)中的應用研究[J].電源技術應用，2007（12）：8-12.LI Jian-lin，WEN Chun-xue，XU Hong-hua.Research on 12 pulse rectifier suitable for direct-drive wind power system[J].Power Supply Techologies and Applications，2007（12）:8-12.

[6]劉鳳君.諧波注入式12脈波整流器[J].技術研究，2008（7）：25-32.LIU Feng-jun.12·pulse rectifier with harmonic injection[J].UPSApplications，2008（7）:25-32.