基于自耦變壓器的多電平注入式電流源型變換器

宋玉美 游小杰 孫倩倩 郭希錚

（北京交通大學電氣工程學院 北京 100044）

1 引言

大功率整流器廣泛應用于電機調(diào)速、航空航天、高壓直流輸電及新能源系統(tǒng)，其強非線性和時變性，使其成為電網(wǎng)的主要諧波源[1,2]。而多脈波整流技術由于其結構簡單、高效、高可靠性和低成本等優(yōu)點，日益受到人們的關注和認可[3,4]。

最常見的多脈波整流技術為傳統(tǒng)隔離型 12脈波整流器，但為了克服隔離變壓器體積大的缺點，美國學者Derek A.Paice于1995年提出用自耦變壓器代替隔離變壓器的方法，通過合理的設計自耦變壓器，其等效容量可達到 0.18Po，較隔離變壓器1.03Po減小了82%，有效地降低了體積和成本[5]。

在一些諧波要求比較嚴格的大功率場合，12脈波整流電路的輸入電流諧波不能滿足要求，需要更多脈波數(shù)的整流電路。文獻[6，7]給出了由更多整流橋構成18、24脈波數(shù)的整流電路，但該方法過于復雜且成本極高。多電平諧波注入融合了諧波注入、軟開關等技術，成為實現(xiàn)多脈波整流技術的有效方法[8-10]。文獻[11]將抽頭變換器作為諧波注入電路與自耦變壓器相結合，并給出24脈波整流電路拓撲的設計，但此方法需要選取最優(yōu)電壓比值，隨著脈波數(shù)的增加計算比較復雜，并且主橋開關無法實現(xiàn)完全的零電流切換。文獻[12]提出了一種新型注入電路，該注入方法便于拓展到多電平，同文獻[6，7]中拓撲相比較，降低了對注入電路開關器件的電流容量和電流變化率的要求，并隨著電平數(shù)的增多愈顯優(yōu)勢，同時主橋開關能夠?qū)崿F(xiàn)零電流切換，并對網(wǎng)側電壓諧波有很好的抑制作用。

本文將自耦變壓器與文獻[12]提出的新型注入電路進行結合，得到新的基于自耦變壓器的多電平注入式電流源型變換器拓撲結構，在減小變壓器體積的前提下實現(xiàn)簡易方便的多脈波整流，并對新拓撲的電壓特性和電流特性分別進行分析，計算系統(tǒng)各部分容量大小，與傳統(tǒng)自耦型12脈波整流拓撲進行對比，最后采用 Matlab對電路拓撲進行仿真驗證，充分說明該拓撲在降低系統(tǒng)等效容量和減小輸入電流諧波上的有效性。

2 系統(tǒng)結構及特性分析

本文所提出的基于自耦變壓器的多電平注入式電流源型變流器拓撲，是在傳統(tǒng)自耦型12脈波整流器的基礎上，在直流側加入多電平注入電路合成新的拓撲，如圖1所示。整個系統(tǒng)由延邊三角形結構自耦變壓器、2組可控整流橋、零序電流抑制器（Zero-Sequence Blocking Transformer，ZSBT）和多電平注入電路組成，其中ZSBT的作用為抑制三倍頻電流形成的零序電流，保證系統(tǒng)的正常運行。

圖1 基于自耦變壓器的多電平注入式電流源型變換器拓撲Fig.1 Topology of proposed multilevel injection current source converter employing the autotransformer

2.1 自耦變壓器

系統(tǒng)中自耦變壓器主要作用為提供移相電壓，能實現(xiàn)此功能的自耦變壓器有多種結構[13,14]，常見的為延邊三角形結構和zigzag結構。其中后者組成的多脈波整流器存在無零序電流環(huán)流、直流側無需額外加入ZSBT且其與每個整流橋串聯(lián)的電抗基本相等、電路對稱性好等優(yōu)點，但其顯著的缺點是變壓器電壓比固定，應用于大功率場合將面臨諸多問題。

延邊三角形結構的自耦變壓器一、二次側變比k并不固定，可根據(jù)需要改變延邊繞組抽頭位置系數(shù)k1和延邊比例系數(shù)k2來改變電壓比值，如圖2所示。上述三者之間的關系為

圖2 延邊三角形結構的自耦變壓器矢量圖Fig.2 The phasor diagrams of extended delta connection for autotransformer

經(jīng)分析可知，延邊位置系數(shù)k1和延邊比例系數(shù)k2的變化，并不會引起系統(tǒng)輸入電流的諧波畸變率。但為保證自耦變壓器的體積和等效容量不能過大[15]，需要在一定范圍內(nèi)選取延邊位置系數(shù)，因此自耦變壓器的電壓比選取是有一定限制的,系統(tǒng)容量與延邊位置系數(shù)k1的關系如圖3所示。

圖3 k1與k、系統(tǒng)容量之間的關系Fig.3 the relationship between k1and k,k1and the system capacity

本文采用自耦變壓器選取k1=0的情況，其電壓矢量圖和磁路結構圖如圖4所示，為實現(xiàn)變壓器二次側兩組電壓相差30°，令a′V超前于aV15°，a′′V滯后于aV15°，因此有

圖4 自耦變壓器電壓矢量圖和磁路結構圖Fig.4 The phasor diagram and magnetic circuit of autotransformer

根據(jù)矢量三角形合成原理可得變壓器電壓比為

2.2 直流側輸出電壓分析

系統(tǒng)電壓和電流特性隨多電平注入電路的引入發(fā)生變化，因此需要做進一步分析。注入電路的拓撲圖（以三電平為例）如圖5a所示，兩組整流橋經(jīng)ZSBT后流向注入電路的電流分別是Id1和Id2，開關管VTj1～VTj4的觸發(fā)脈沖如圖5b所示，在滿足VTj1和 VTj2互鎖，VTj3和 VTj4互鎖的前提下觸發(fā)脈沖有多種組合方式，圖5b中僅為其中的一種。

圖5 注入電路拓撲圖（三電平）及注入開關的觸發(fā)脈沖Fig.5 The topology of reinjection circuit(three-level) and firing pulses of the reinjection switches

由于注入電路開關器件的切換，直流側電壓發(fā)生了改變，引入注入電路開關函數(shù) pS、 qS，令

根據(jù)注入電路原理和電路拓撲圖分析，可得直流側輸出電壓為

其中

由式（4）計算可知，直流輸出電壓的平均值為

上式計算結果與未加注入電路時直流側輸出電壓平均值相等，因此直流側電壓特性并未因注入電路的引入而發(fā)生改變。

2.3 交流側電流分析

直流側引入三電平注入電路后，整流橋輸出電流Id1和Id2的波形如圖5所示，令：

由式（6）可將系統(tǒng)直流側電流分為兩部分，分別為Id/2和im，因此交流側電流ia也對應的由兩部分組成，將其表示為

其中，ias與Id/2有關，為12脈波整流時交流側電流；iam與im有關，為注入電流對系統(tǒng)輸入電流的影響分量，上述三者的波形如圖6所示。

圖6 網(wǎng)側電流ia及其兩分量ias、iam波形圖Fig.6 Current waveforms of ia,iasand iam

根據(jù)圖4所示的自耦變壓器磁路結構圖和KCL定律可得

對ias進行傅里葉級數(shù)展開，其表達式為

對iam進行傅里葉級數(shù)展開，其表達式為

由式（9）、式（10）可得

因此網(wǎng)側電流的THD值為

式中，I1為網(wǎng)側電流基波有效值；In為網(wǎng)側電流 n次諧波有效值。

將ia和ias各次諧波含量進行對比，如表1所示，可以看出，與傳統(tǒng)的12脈波整流器相對比，附加的注入電路所產(chǎn)生的附加電流，以 11次、13次諧波為主，并且與傳統(tǒng) 12脈波整流器交流側電流的11次、13次諧波相位相反，因此可大大減小 11次、13次諧波含量。

表1 不同拓撲的網(wǎng)側電流諧波含量Tab.1 The current hamonics content of different topologies

3 系統(tǒng)容量計算

注入電路的加入，雖然對系統(tǒng)各部分的電壓特性并沒有造成影響，但系統(tǒng)電流發(fā)生了變化，因此系統(tǒng)各部分的容量也隨之變化。在系統(tǒng)網(wǎng)側電流諧波特性大大改善的前提下，需進一步對增加注入電路后的系統(tǒng)與傳統(tǒng)自耦型 12脈波整流系統(tǒng)的容量進行比較，來確定本文提出新拓撲的應用價值。

以自耦變壓器容量為例進行計算，自耦變壓器由3個主繞組和6個抽頭繞組組成，分別計算a相輸入線電壓 Vab、小繞組電壓aaV′、a相主繞組電流I1以及小繞組上電流aI′的有效值，可得自耦變壓器容量為

同理可得系統(tǒng)其他部分的容量值，并與傳統(tǒng)自耦型12脈波整流系統(tǒng)相對比，如表2所示。

表2 傳統(tǒng)拓撲與新拓撲系統(tǒng)的各部分容量Tab.2 The capacity of each part of the conventional topology and the proposed topology （單位%）

由上表可以看出，新拓撲在各部分容量較傳統(tǒng)自耦型12脈波整流器均略有增加，但與隔離型 12脈波整流器容量相比仍大幅度減小，證明本文所提拓撲在系統(tǒng)容量上仍具有較大優(yōu)勢。

以上分析均以三電平注入電路為例，隨著注入電平的增加，交流側輸入電流將更趨近于正弦波，其THD會隨電平數(shù)增加而逐漸減小，系統(tǒng)容量也相應降低，如圖7所示，由圖可以看出，本文所提拓撲優(yōu)勢隨電平數(shù)增長而大大提升。

圖7 注入電平數(shù)與網(wǎng)測電流THD、系統(tǒng)容量的關系圖Fig.7 the relationship between reinjection level number and THD of input current,capacity of the system

4 仿真驗證

采用圖1所示拓撲結構進行Matlab/Simulink仿真（三電平為例），系統(tǒng)參數(shù)為：變壓器容量100kV·A，三相交流電源電壓有效值220V，電網(wǎng)頻率50Hz，注入電路支路電感50mH,負載電阻為1?。

圖8給出了新拓撲的仿真結果，圖中截取系統(tǒng)穩(wěn)定后0.6～0.66s內(nèi)一段波形，圖8a為自耦變壓器一次和二次a相電壓波形圖，從圖中可看出，自耦變壓器兩組二次電壓一組超前一次電壓 15°，另一組滯后一次電壓 15°，達到了移相 30°的目的；圖8b、8c、8d分別為自耦變壓器一次和兩二次a相電流波形圖，與理論推導相似；圖8e為直流側負載兩端電壓波形。

圖8 系統(tǒng)仿真電壓電流波形Fig.8 Simulated current and voltage waveforms of the system

圖9所示為直流側加注入電路前后，網(wǎng)側電流THD對比圖，由圖可以看出，與傳統(tǒng)自耦型12脈波整流器相對比，注入式多脈波整流器網(wǎng)側電流的諧波含量可大大減小，兩種拓撲各次諧波含量及THD值均與表1基本相符。

圖9 兩種拓撲網(wǎng)側電流THD分析對比圖Fig.9 The THD of the input current of two different topologies

5 結論

本文提出了一種新型的基于自耦變壓器的多電平注入式電流源型變換器拓撲，該拓撲在融合了諧波注入、軟開關等多種技術的基礎上，克服了傳統(tǒng)電流源型變換器交流側需并聯(lián)大容量電容器的缺點，使拓撲更加適用于諸多電流源特性的電力設備。同時，采用自耦變壓器取代傳統(tǒng)的隔離變壓器達到電壓移相的目的，大大減小了系統(tǒng)容量。

通過分析新拓撲的電壓特性和電流特性，確定新拓撲在減小交流側電流諧波和整個系統(tǒng)容量上的優(yōu)勢，為本文所提出系統(tǒng)的合理性提供了充分的理論依據(jù)和仿真驗證。

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