江苏大学 电力电子技术.doc

1、电力电子多重化技术是指在大功率电力电子电路中，采用若干个相同结构的电路拓扑经过移相处理后进行串联或并联连接，组成输入侧或输出侧等效多脉波的电路形式，有利于降低谐波、减小无功、提高电力电子装置的电压等级及装置容量。

在高频工作场合，电力电子多重化技术还可以降低单元电路的工作开关频率以提高整体电路的工作频率，最大限度地利用全控型开关器件开关频率与通流能力、耐压水平的综合效力。

包括串联多重化和并联多重化，串联多重化除了降低谐波含量、提高功率因素外主要用于高电压场合，以提高电力电子装置的电压等级；并联多重化除了降低谐波、提高功率因素外主要用于大电流场合，以提高电力电子装置的电流容量。

2、多电平逆变器的调制方法主要为：①特定谐波消除法（SHEPWM）；②空间矢量法（SVPWM）；③基于载波的PWM控制法（SHPWM）三种。

消除特定谐波法消除特定谐波PWM控制法有如下优点：①可以降低开关频率，降低开关损耗；②在相同的开关频率下，可以生成最优的输出波形；③可以通过调制得到较高的基波电压，提高了直流电压利用率，最多可达1.15。

多电平空间矢量调制法将三相系统的电压统一考虑，并在两相系统进行控制。

这种控制方法称为电压空间矢量控制，它的特点在于对三相系统的统一表述和控制，以及对幅值和相位同时控制这两个方面。

模型简单，便于微机实时控制，并具有转矩脉动小，噪声低，直流电压利用率高的优点，因此目前无论在开环控制还是闭环控制系统中均得到广泛的应用。

基于载波的PWM调制技术多电平变换器载波PWM控制策略，是两电平载波SPWM技术在多电平中的直接推广应用。

由于多电平变频器需要多个载波，因此在调制生成多电平PWM 波时有两类基本方法：①首先将多个幅值相同的三角载波叠加，然后与同一个调制波比较，得到多电平PWM波，即载波层叠法(Carrier Disposition，CD)PWM，该方法可直接用于二极管箝位型多电平结构控制，对其他类型的多电平结构也适用；②用多个分别移相，幅值相同的三角载波与调制波比较，生成PWM波分别控制各组功率单元，然后再叠加，形成多电平PWM波形，称为载波移相法(PhaseShift Carrier，PSD)PWM，一般用在H桥级联型结构和电容钳位型结构。

同时，多电平载波PWM方法还需要实现其他的控制目标和性能指标，如中性点电压的平衡、优化输出谐波、提高电压利用率、开关功率平衡等。

解决途径主要有:①在多载波上想办法，即可以改变三角载波之间的相位关系，如各载波同相位、交替相位、正反相位、以及载波移相；②在调制波上加入相应的零序分量；③对于某些特殊的结构，如H桥级联型结构、电容钳位型结构、以及层叠式多单元结构，当桥臂上输出相同的电压时，可以有多种不同的开关状态组合对应，不同的开关状态组合就可以实现上述目标。

第二章移相多重化整流技术利用移相多重化整流技术的多脉波整流器目前正被越来越多的电力传动设备制造厂家所采用，以达到消除网侧谐波电流的目的，而移相变压器（Phase ShiftTransformer,PST）是谐波消除的关键所在。

因为大功率传动系统的多电平逆变器需要多个独立的直流电源，因此移相变压器也需要多重的次级绕组。

然而，多脉波整流器的脉波数越多，向其供电的移相变压器的次级绕组也会相应增多，这使得移相变压器的生产变得更加复杂，也会使移相变压器的移向角度产生更大的误差，因此30脉波以上的多脉波整流器极少投入实际应用。

本章将会讨论在不降低些波消除效果的前提下减少移相变压器次不同结构的级绕组数目的可能性。

双18脉波整流器，通过采用复合型多重化结构，能够达到36脉波整流器的谐波消除效果。

2.1谐波电流的产生与危害2.1.1 谐波电流的产生谐波污染的产生主要是因为电力系统的非线性负载引起的。

非线性负载主要有这么几方面[25]:传统的不控整流电路，即桥式整流后跟一大的平波电容，这种电路只有在输入电压的绝对值大于电容电压时才会有电流的输入，因而使得输入电流成为一种不连续的近似为脉冲式的波形，这种波形含有大量的谐波。

采用这种电路的电力装置如线性稳压源，当今流行的大多数开关电源，其前置输入整流部分基本采用这种电路。

相控变流装置。

电力电子技术的发展，特别是品闸管的发明，使得各种变流技术和电力控制相应产生，这种技术由于只是在每个电压周期的某一段相角范围内导电，因而其输入电流也有大量的谐波成分，而且在调压过程中随着相控角的加大，功率因数减小，交流回路中的较低次谐波电流相对较大。

这种装置如各种由直流电压供电的逆变和斩波装置，它们的直流电源由相控的整流电路得到。

从上面可以看出，引起谐波的污染源绝大部分是电力设备的电源部分，尤其是AC-DC部分。

因此，改进现有的整流装置，改善它们的输入电流波形，是减少谐波污染的最根本的途径。

2.1.2 谐波电流的危害随着工业、农业的快速发展及人民生活水平的不断提高,特别是电子信息技术的飞速发展及自动化技术的普及,电力需求量增长迅速,而且对供电质量及可靠性的要求也越来越高。

例如,工业自动化生产线、飞机场、大型金融商厦、通信机房等重要场所的计算机系统一旦失电 ,或受电磁干扰,致使计算机系统无法正常运行,将会带来巨大的经济损失。

其中谐波电流的危害巨大 ,应引起高度重视。

谐波电流的危害主要表现在以下几个方面：①谐波电流会向公用电网的中性线注入更多电流，增加输电线路损耗，造成过载、发热，加速电力设备的老化，谐波电流也会造成继电保护装置误动作，影响电力系统安全[26]；②谐波发射出大功率的相应频率的电磁波，干扰电子设备的运行；③谐波电流，特别是3的奇数倍次的谐波电流侵入三角形连接的变压器时，会使变压器绕组中形成环流，加大绕组发热量，降低设备效率，影响其正常工作；④大量的 3的奇数倍次谐波电流叠加将在中性线上产生过大的谐波电流 ,从而使中性线过热，当三相负荷不平衡时,甚至出现中性线电流大于相线电流的情况,这样就会导致中性线严重过载,进而引发火灾爆炸事故[27-29]。

2.1.3 不控整流电路给电网带来谐波危害的机理最简单的AC-DC变换器单相桥式二极管整流电路如图2.1所示，其输出为不可调直流电压V d，一个大电容C d用来滤除低频纹波。

图2.1 单相桥式二极管整流电路图2.2二极管整流桥对应输入电流波形负载不大时，滤波电容C d上电压被充至接近于输入电压的峰值，整流二极管只有在输入电压峰值附近的瞬时值大于电容电压的短时间内才有电流流通，输入电流波形如图2.2所示，其他大部分时间里，二极管被反向偏置而处于截止状态。

图2.2中的电流波形包含丰富的高次谐波，表2.1给出了单相整流环节输入电流波形谐波含量的典型值。

表2.1 单相桥式二极管整流电路输入电流谐波含量的典型值谐波电流注入电网造成电网电压产生畸变，其原理如图2.3所示。

故电力系统对用电设备规定了在公共点的谐波电压应不超过规定值，如GB 14549中就规定了谐波电压的限定值。

图2.3 谐波电流对电网的影响另一种则直接对产生谐波电流的设备规定其允许的谐波电流值，如IEC555-2标准[30],名称为“家用设备及类似电器设备对供电系统的干扰”，欧洲也于1987年制定了类似的标准EN60555-2。

这些标准经不断补充和修订，内容逐步完善。

其中IEC555-2标准自1994年起己在欧盟国家全面实施，所有在欧盟市场销售的用电装置都必须满足这一标准。

表2.2IEC555对A级设备谐波电流的限定值2.2多脉波整流器2.2.1 多脉波整流器概述谐波是电力系统的大敌。

当今拖入使用的大多数开关电源，及交流调速系统的整流部分基本采用不控整流电路。

直接接入电网的这类设备非常多，若不采取有效措施，这种采用二极管整流的不控整流环节由于其本身的非线性特性，会使网侧输入电流严重畸变，谐波含量多，降低了设备的电磁兼容性能，给电网及其它用电设备带来许多危害，对电网产生严重的谐波污染。

随着开关电源设备功率的增大，这种不控整流装置所产生的谐波更加严重，对电网的干扰也随之加大[31-33]。

对于中小功率场合，采用PFC技术能够较好的解决问题，而对于大功率整流设备，为了提高功率因数，减少网侧谐波电流，必须提高整流设备的脉波数。

为此，可以采用移相的方法来实现。

移相的目的是使整流变压器二次绕组的同名端线电压之间有一个相位移，从而可以提高整流设备的脉波数以达到抑制甚至完全消除输入电流中某些特定次数的谐波，如12脉波、18 脉波、甚至24脉波以上的多脉波整流电路。

但在实际的产品中很少采用脉波数多于30的二极管整流器，主要原因在于给其供电的移相变压器次级绕组的增多，同时还要保证其移相角度的精确，从而使移相变压器的制造更加复杂，成本也会大幅增加，但性能的改善却不明显。

最常用的是12脉波整流的方法，是使用三相变压器电路使交流线电压实现相移，将两个三相桥式整流电路移相30°相位差并联或者串联起来，达到完全消除输入电流中的5次、7次、17次、19次谐波的目的，使最低次谐波为11次，更容易滤除。

2.2.2 整流移向变压器移相变压器是多脉波二极管/晶闸管整流器的不可缺少的组成部分，它具有三个功能：①实现一次侧、二次侧线电压的相位偏移以消除谐波；②变换得到需要的二次侧电压值；③实现整流器与电网间的电气隔离。

整流移相变压器可以有两种移相方式，即网侧移相方式和阀侧移相方式。

2.2.2.1 网侧移相方式整流移相变压器网侧移相有曲折形、多边形及延边三角形三种联结方式。

这种联结方式可以保证阀侧绕组结构相同，有助于均衡各变压器的阻抗，保证移相角度的精确度。

2.2.2.1.1曲折形接线网侧曲折形接线整流移相变压器的接线图见图2.4（a ），移相角度ϕ的大小由短绕组来决定，阀侧绕组可以是Y 形与△形用于桥式整流系统。

ab AB v v ϕ-=∠∠ (2-1)(a)接线图 （b ）电压向量图图2.4 曲折形连线移相变压器 假定输入和输出的交流相电压有效值分别为Ea 和Ea 1,则加于网侧短绕组上的电压有效值1E 和长绕组上的电压有效值2E 分别为：1E sin 3a ϕ= (2-2) 2E sin(60)3a ϕ︒- (2-3) 原边短绕组，长绕组和副边绕组的匝比与各个绕组上的电压有效值成正比，3ϕ)3ϕ︒-：a1a E E 。

这种联结方式，中性点可以引出直接接地，故可用在110kV 及以上的半绝缘系统中。

其缺点是没有3倍频的谐波电流回路。

2.2.2.1.2 多边形接线网侧多边形接线移相变压器在35kV 以下的系统上应用的比较普遍，它消除了曲折形接线在阀侧Y 形连接时因缺乏三次谐波励磁电流而使感应电势畸变的3而显得不经济。

多边形接线整流移相变压器的接线图见图2.5（a ）。

(a)接线图 （b ）电压向量图图2.5 多边形接线移相变压器 假定输入和输出的交流相电压有效值分别为Ea 和Ea 1,则加于网侧短绕组上的电压有效值1E 和长绕组上的电压有效值2E 分别为：13E E 3a ϕ= (2-4) 23E E )3a ϕ︒- (2-5) 原边短绕组，长绕组和副边绕组的匝比与各个绕组上的电压有效值成正比，为：2sin ϕ：2sin(60)ϕ︒-：a1aE E 。