高压变频器的谐波分析研究

当电动机容量较大时，大功率变频器的输入谐波对电网的影响以及输出谐波对电动机的影响成为了交流变频系统中突出的问题。为了减小大功率变频器的谐波，普遍采用多脉动整流、变压器耦合输出、多电平和单元级联技术，形成了以多脉动整流拓扑或多电平拓扑为输入级、以变压器耦合输出或多电平输出拓扑为输出级的大功率变频器主电路，以及多重化结构的大功率变频器主电路。本文对目前几种有代表性的高压变频器主电路拓扑及输入输出谐波进行了分析，并与IEEE-519标准进行比较，研究了变频器的谐波特性。

关键词：多重化　多电平　单元级联　变压器耦合输出

1 引言

由于大功率风机、水泵的变频调速方案可以收到显著的节能效果,具有重大的经济效益,因此,高压大功率变频调速技术的研究已发展成为各国节能事业的主导方向之一。电力电子变流电路仍然是变频技术的核心,由于电力电子器件都工作于开关状态,由这些电路构成的装置已成为电力系统中的主要谐波源,变频器输出的谐波电流会引起谐振和谐波电流放大,危害旋转电机和变压器,影响继电保护和电力测量准确性。近年来,围绕抑制谐波电流,研究人员在电路结构和控制技术等方面提出了不同的整流和逆变方案,形成了多样化的大功率变频技术。

本文系统地归纳了高压大功率变频器的结构，研究了各类变频器的谐波抑制原理，深入分析了高压大功率变频器的输入、输出谐波，并以IEEE-519规定为标准，进行了比较研究，为变频器的选择提供了参考。

2 谐波抑制标准（IEEE-519）简介

为了限制变流装置及非线性负载对电力系统的谐波干扰，世界各国及相关组织都制定了有关标准，以保证电网的供电质量。其中最具权威性的是美国电气和电子工程协会（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，暂态过程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。

表1 IEEE-519对电压谐波的限制标准

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，就十分重要。

表2 IEEE-519对电流谐波的限制值

3 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基本原理

多重移相叠加技术是由A.Kernick等人早在1962年提出的。该技术采用脉动宽度为60°的6脉动三相全波整流（或等效三相全波整流）作为基本单元，使m组整流电路的交流侧电压依次移相α＝60°/m，则可组成脉动数为p=6m的多脉动整流。其脉动数p、组数m、移相角α及对应的谐波次数h之间的关系如表3所示。

表3 多脉动整流的组成

对于12脉动整流，整流变压器为常规接法的Y/Y-12（或Δ/Δ-12）和Y/Δ-11或(Δ/Y-1)，二者交流侧副方电压互相移相30°，直流侧并联(或串联)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（或串联），共同向负载供电。只要满足m组6脉动整流交流侧的电压U(n)(n=1,2,……,m)依次移相α=60°/m，即可得到p=6m脉动的多相整流。具体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/Power System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，使其能够实现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说明，选择合适的变压器接法，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。

图1 多脉动整流仿真电路参数设置对话框

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12k±1次，和理论分析相符合。

图2 12脉动整流波形及其频谱

结合IEEE-519中的标准，对各脉动数整流进行比较如表5所示，可见，在不增加其他滤波装置的情况下，12脉动整流很能满足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次以下谐波及THD都能满足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，很好地满足了要求。但是，同IEEE-519中的标准相比较，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满足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，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，各种拓扑结构、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，由Cengelci E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％，这些特点使它特别适合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，使得变频器的电路结构及控制方法都大大简化。此结构如图3所示。

图3 变压器耦合输出型逆变器拓扑

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太多的能量。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。

该结构在Matlab中的仿真波形及其频谱如图4、5所示。

图4 变压器耦合输出型变频器输出电压及频谱

图5 变压器耦合输出型变频器输出电流及频谱

变压器耦合输出型逆变器的输出波形可等效为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（Neutral point clamped:NPC）逆变器。经过多年的研究，出现了两种主要的拓扑结构:二极管箝位式;飞跨电容式。二极管箝位式拓扑如图6。

图6 三电平逆变器拓扑

与传统的二电平拓扑结构相比较，中点箝位式三电平逆变器更适合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倍的正向阻断电压能力，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，从而使系统损耗小。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。

虽然三电平变频器结构简单,能够实现四象限运行,但是因目前器件耐压水平的限制,只能达到4.16kV等中高压情况，若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。

图7 线电压波形及其频谱

图8 交流侧电流波形及其频谱

4.3 多重化逆变器

单元级联多重化结构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若干个低压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结构外，同时含有整流功能，从而相应的实现了整流部分的多重化，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相互错开一定的角度而被消除。

图9 单元串联多重化变频器

虽然是串联结构，但由于直流侧采用相互分离的直流电源，不存在电压平衡问题。无需二极管和电容的限制，串联型结构电平数可较大。一般二极管、电容箝位式限于7或9电平,而串联型结构却无此限制。由于每一级逆变桥构造相同,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太多，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。

图10 单元级联多重化输出电压及其频谱

图11 单元级联多重化输出电流及其频谱

4.4 高压变频器输出谐波与IEEE-519比较分析

三种逆变结构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，进行比较分析。变压器耦合输出型变频器基本能满足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。三电平逆变也基本能满足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，很好的满足了IEEE-519中的要求，在各个范围内谐波含量均未超出标准。在总谐波畸变率方面，三种输出结构都满足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标准的对比发现，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佳，完全达到了IEEE-519的规定，除此之外，其它结构不能完全满足标准中的限定值，需要在一定容量的滤波环节辅助下工作。

5 结束语

随着高压大功率变频器的广泛应用，改进其拓扑结构从而有效的抑制和减少交流侧谐波的产生已成为工程师门追求的目标。多重化结构作为变频器整流侧普遍采用的拓扑结构，已经能够满足不同场合、不同电压等级的需要，但当重数增加时，虽然谐波抑制效果明显，但装置的结构复杂，变压器损耗增加，故普遍采用12、18脉动结构。这样只要增加一个小容量的滤波器就可以很好的满足IEEE-519的要求。

逆变侧，单元级联多电平结构的输入、输出谐波抑制效果最佳，但系统结构复杂，器件数量多，体积庞大。三电平结构简单，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。变压器耦合输出型结构，可以在采用目前耐压水平器件的情况下，满足高压大功率的需要，且结构简单、器件数量相对较少，谐波抑制效果介于以上两种结构之间，是一种折中的方案.