輸入電壓不平衡時的18脈沖自耦變壓整流器分析

吳明雷，韓慎朝，李民，王小宇，宋飛

（1.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300010；2.國網天津節能服務有限公司，天津 300010；3.國網天津市電力公司，天津 300010；4.南京南瑞太陽能科技有限公司，江蘇 南京 210000）

輸入電壓不平衡時的18脈沖自耦變壓整流器分析

吳明雷1,2，韓慎朝1,2，李民1,2，王小宇3，宋飛4

（1.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300010；2.國網天津節能服務有限公司，天津 300010；3.國網天津市電力公司，天津 300010；4.南京南瑞太陽能科技有限公司，江蘇 南京 210000）

本文詳細的分析了輸入電壓不平衡對18脈沖自耦變壓整流器（ATRU）的輸出電壓、輸入電流的影響。討論通過在整流器輸出側增加合適的濾波電感以抑制輸入電壓不平衡所引起的輸入諧波電流，并給出了濾波電感設計方法。研制了一臺5kW的演示樣機。實驗結果表明，所提出的諧波抑制方法和設計電感有效抑制了三相輸入電壓不平衡對18脈沖自耦變壓整流器造成的影響。

輸入不平衡；自耦變壓整流器；諧波；濾波電感

18脈沖自耦變壓整流器在三相輸入電壓平衡時，可以有效消除輸入電流中的5、7、11、13次諧波，減小輸入電流中的諧波含量。但當輸入三相電壓不平衡時，則會導致輸入電流產生較大畸變。本文詳細的分析了十八脈沖自耦變壓整流器在三相輸入電壓不平衡時的工作特性，認為輸入電壓不平衡時，整流器輸出電壓中將產生2、4、6等非特征次諧波，從而導致輸入電流低次諧波含量增加。在此基礎上，增加并設計輸出濾波電感，與輸出電容構成LC濾波器，通過抑制整流器輸出電壓的非特征次諧波，達到抑制輸入諧波電流，改善輸入電流THD的目的。

1 三相輸入不平衡對輸出電壓的影響

圖1所示為DP型18脈沖自耦變壓整流器原理圖，三相輸入電壓（Va、Vb、Vc）經過自耦變壓器產生三組三相電壓（Vaf、 Vbf 、Vcf ）、（Val、Vbl、Vcl），分別超前/滯后于三相輸入電壓（Va、Vb、Vc）37°。主線電壓（Vab、Vbc、Vca）由主三相電壓合成，復合線電壓（Vafb、Vbfc、Vcfa）、（Vabl、Vbcl、Vcal）等由主三相電壓和輔三相電壓復合而成，其幅值相等，相位依次相差20°。三組三相電壓分別連接到三組整流橋，三組輸出并聯后通過濾波電容連接至負載。圖2所示為自耦變壓器的電壓向量圖，其中三相輸入電壓為：

主橋橋臂輸入電壓即為三相輸入電壓源電壓，兩個輔橋橋臂輸入電壓為：

圖1 18脈沖自耦變壓整流器

三相輸入不平衡包括電壓幅值不平衡以及相位不平衡，可將三相輸入電壓分解為對稱的正、負、零序電壓之和。而各相的零序分量幅值及相位均相同，與整流橋開關函數相乘后總和為0，因此三相輸入電壓分解成對稱的正序和負序分量即可，其中主橋輸入電壓可表示為：

其中：

圖2 自耦變壓器電壓矢量圖

同理可知，輔橋1的輸入電壓表示為：

其中：

輔橋2的輸入電壓表示為：

其中：

由此可得18脈沖自耦變壓整流器的輸出電壓為：

將式（1）～（9）以及開關函數代入式（10），可得該整流器的三組輸出電壓：

其中：

式（12）～（14）表明，當輸入為對稱的三相電壓時，各個整流橋輸出電壓僅存在6、12、18次等特征次諧波，合成之后在整流橋輸出公共端僅存在18、36、72等特征次諧波。

2 三相輸入不平衡時輸出端并聯電容對輸入電流的影響

圖3所示為18脈沖自耦變壓整流器簡化示意圖，當ATRU輸出端并聯電容時，由輸入輸出瞬時功率守恒可知：

當ATRU輸出端不并聯電容時：

由式（10）可知，輸出電壓僅與輸入電壓源和開關函數有關，所以無論輸出端是否并聯電容，負載所消耗的功率不變。

3 抑制輸入不平衡的措施

圖3 ATRU簡化原理圖

3.1 抑制輸入不平衡的方案

根據前文分析可知，在三相輸入不平衡的情況下，當ATRU輸出端并聯電容時，將導致輸出電壓中產生2、4、8等非特征次諧波，進而導致輸入電流中產生3次等低次諧波。為了抑制在三相輸入不平衡情況下輸入電流產生的畸變，考慮在輸出端串聯電感，構成LC濾波單元，如圖4所示。

圖4 加入LC濾波器的ATRU原理圖

3.2 輸出濾波電感的設計

輸出LC濾波器的傳遞函數為：

對于此振蕩環節，在ω?ωr的低頻段，幅頻特性約為增益為0的一條水平線；在ω?ωr的高頻段，幅頻特性為一條斜率為-40dB的直線，在諧振頻率處取得最大值。當輸入電源頻率為400Hz時，考慮設計濾波器的穿越頻率低于二次諧波頻率即800Hz。選取諧振頻率ωr=400Hz，則有L? C=1.58× 10?7，當電路中輸出并聯電容，從而得濾波電感為

4 實驗驗證

分別對三相輸入電壓幅值以及相位不平衡的情況對前文的理論分析進行實驗驗證。負載為5kW阻性負載，電源輸入頻率為400Hz,濾波電容C為，電感L為圖5(a)(b)是在輸入電壓幅值分別為111/119/115時，引入濾波電感前后的A,B相輸入電流波形。圖6(a)(b)分別是在輸入電壓相位分別為88°/210°/332°時，引入濾波電感前后的A,B相輸入電流波形。實驗結果表明在沒有引入濾波電感時，輸入電壓不平衡導致十八脈沖自耦變壓整流器輸入電流產生較大畸變，引入濾波電感后，輸入電流諧波得到很好的抑制，畸變大幅減小。

5 結語

本文詳細的分析了三相輸入電壓不平衡時，會引起18脈沖自耦變壓整流器的輸出電壓中含有2、4、6等非特征次諧波，從而導致輸入電流中的諧波含量增大。在整流器輸出側引入濾波電感，在輸入電壓不平衡時，通過抑制整流橋輸出電壓中所含有的非特征次諧波，大幅改善了輸入電流的THD。

圖5 電壓幅值不平衡引入濾波電感前后的電流波形

圖6 電壓相位不平衡引入濾波電感前后的電流波形

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：1671-0711（2017）09（下）-0143-03

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