多相整流技術(shù)在t—HVDC上的應(yīng)用

【摘要】傳統(tǒng)三相整流器由于輸入電流中含有大量的諧波含量，對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)了較大的危害。多相整流技術(shù)可以有效降低輸入電流的諧波含量THD，同時(shí)具有可靠性高、高功率因數(shù)和高效率等優(yōu)點(diǎn)。本文詳細(xì)分析了使用在我公司生產(chǎn)的t-HVDC上的24脈變壓整流器的網(wǎng)側(cè)電流諧波含量以及平衡電抗器在整流電路中的工作原理，利用 Saber 軟件建立了其仿真和通過(guò)樣機(jī)實(shí)際測(cè)量結(jié)果驗(yàn)證了多相整流技術(shù)在有效降低輸入側(cè)電流諧波、高功率因數(shù)、高可靠性和高效率特性。

【關(guān)鍵詞】24脈變壓整流器;平衡電抗器;諧波;多脈波整流

1.t-HVDC主整流器技術(shù)路線

根據(jù)YD/T 2378-2011規(guī)范，240V高壓直流電源HVDC中的整流模塊網(wǎng)側(cè)技術(shù)條件如下：

1.1 電流諧波

表1 電流諧波成份

項(xiàng)目 技術(shù)要求

電流諧波成份（100%負(fù)載） ≤5%

電流諧波成份（50%負(fù)載） ≤10%

1.2 功率因數(shù)

表2 功率因數(shù)

項(xiàng)目 技術(shù)要求

輸入功率因數(shù)（100%負(fù)載） ≥0.99

輸入功率因數(shù)（50%負(fù)載） ≥0.98

1.3 效率

表3 效率

額定輸出電流（A） 技術(shù)要求

效率（100%負(fù)載） ≥ 92%

效率（50%負(fù)載） ≥ 91%

鑒于上述的技術(shù)條件，在目前高頻整流模塊N+1的疊加系統(tǒng)的技術(shù)體制外，我們應(yīng)用了24脈整流系統(tǒng)的技術(shù)體制。而24脈整流系統(tǒng)是由24脈移相變壓器與4個(gè)全橋整流器，平衡電抗器組成，其輸出直流電壓波形在一個(gè)交流周期內(nèi)有24個(gè)脈沖波頭。由于各組三相輸入電壓間的相移，使得各三相整流橋產(chǎn)生的諧波有部分可以相互抵消，從而有效地降低了系統(tǒng)輸入電流的諧波（THD）、提高了系統(tǒng)功率因數(shù)和系統(tǒng)效率，以及降低了輸出電壓脈動(dòng)。

同時(shí)由于24脈多相整流技術(shù)具有過(guò)載能力強(qiáng)、運(yùn)行可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，提升了系統(tǒng)整體的穩(wěn)定可靠性。本文以24脈沖變壓整流器為研究對(duì)象，首先分析了網(wǎng)側(cè)電流諧波含量，建立其 Sabe仿真模型，分析了移相變壓器和平衡電抗器的設(shè)計(jì)，并給出了部分仿真波形和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

2.24脈整流網(wǎng)側(cè)輸入電流分析

由圖1所示為24脈變壓整流器電路原理圖，三相交流電源輸入至移相變壓器產(chǎn)生了相位相差15°的24脈電壓，24脈電壓經(jīng)過(guò)四組整流橋，經(jīng)過(guò)平衡電抗器PL后輸出至負(fù)載。平衡電抗器的作用是保證系統(tǒng)的每個(gè)瞬間4組整流橋都有輸出。24脈整流有效的抑制了網(wǎng)側(cè)輸入電纜的諧波和輸出電流脈動(dòng)。網(wǎng)側(cè)諧波僅含24k±1次（k=1，2，3，4，5…）輸出電源僅含24k次諧波，幅值與次成反比。

圖1 24脈主整流器原理圖

三相網(wǎng)側(cè)電壓表達(dá)式：

VA= Vm sin（ωt） ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

VB= Vm sin（ωt-120O） ? ? ? ? ? ?（2）

VC= Vm sin（ωt+120O） ? ? ? ? ? ?（3）

經(jīng)過(guò)移相主變壓器后，得到4組相差15o的三相電壓，其中A相：

Va1= Vm sin（ωt+п/24）

Va2= Vm sin（ωt-п/24）

Va3= Vm sin（ωt+п/8）

Va4= Vm sin（ωt-п/8） ? ? ? ? ? （4）

b，c相（2）（3）類(lèi)推

考慮輸出端采用了足夠電感量的輸出平衡電抗器，保證了三相副邊的每個(gè)線圈電流呈120o輸出方波（電抗器的電流不會(huì)突變的假設(shè)）4組整流橋輸入電流依次差15o，經(jīng)過(guò)傅里葉分解，第一組橋輸入電流可以如下函數(shù)表達(dá)：

（5）

其他的整流橋僅差一個(gè)固定的角度。我們的4個(gè)整流橋輸出電流由于輸出電壓是完全一樣，所以電流是相同的，均是輸出電流Io/4。可以推出網(wǎng)側(cè)的A相電流：

（6）

第N次諧波的幅值A(chǔ)N：

（7）

我們將n=5，7，11，13，17，19，代入，An=0。可以驗(yàn)證，IA的諧波僅有24K±1次;

即：23，25，47，48…次，并且幅值大大減小，頻率最低可達(dá)f23=1150。其余的IB，IC類(lèi)同于IA。

3.24脈主整流變壓器系統(tǒng)

3.1 變壓器結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖1技術(shù)要求，24脈變壓器副邊的結(jié)構(gòu)。

圖2 副邊繞組矢量圖

圖2的副邊繞組由粗線表示;細(xì)線表示輸出電矢量。1繞組電矢量1點(diǎn)鐘;2繞組電矢量12點(diǎn)鐘;3繞組電矢量12點(diǎn)半，4繞組電矢量11點(diǎn)半。各繞組的輸出相差15o。傅里葉分析導(dǎo)出的低次諧波是各繞組整流器波形相互抵消所消失的的，這里在工程上要達(dá)到上述要求是困難的，但是這在理論上是必須要達(dá)到的要求，實(shí)踐證明;工程上，四繞組輸出電壓誤差只要控制在±0.25%內(nèi)，延邊繞組抽頭引起的電角度誤差在±0.25o以內(nèi)才有好的效果。

顯然，為了達(dá)到技術(shù)要求繞組的副邊匝數(shù)需要在電腦上計(jì)算設(shè)計(jì)選取找到最佳的匝數(shù)配比，再?zèng)Q定原邊匝數(shù)和決定磁路磁密。其繞組的接線圖如圖3所示。

1繞組 ? ? ? ? ?2繞組 ? ? ? 3繞組 ? ? ? ?4繞組

圖3 主整流變壓器副邊連接圖

3.2 平衡電抗器的設(shè)計(jì)

直流電源的并聯(lián)運(yùn)行必須是電壓平均值相等和電壓的瞬時(shí)值均需相等才能保證各整流器的輸出電流相等，4個(gè)全橋整流器的輸出電壓平均值理論上相等的但是瞬時(shí)值不等，不在電路上插入平衡電抗器PL，4套整流橋在每個(gè)瞬時(shí)僅有一套運(yùn)行。插入PL后可以使得4套整流橋都在運(yùn)行，即任何瞬時(shí)保證有8個(gè)二極管導(dǎo)通工作。每個(gè)繞組的電感量：

（8）

為了提高系統(tǒng)的可維護(hù)性，降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，平衡電抗器PL采用一體化4柱結(jié)構(gòu)，減小了體積重量和提高了平衡效果。電感量在6倍頻，輸出電流10%額定值和Vpmax=42v條件下取值1.5mH已能夠達(dá)到效果。

圖4 輸入電流波形圖

圖5 輸入電流諧波含量圖

圖6 系統(tǒng)運(yùn)行效率曲線圖

當(dāng)然，實(shí)際上的數(shù)據(jù)還會(huì)受到電源系統(tǒng)本身電源THD等的影響。但是，24脈整流系統(tǒng)的優(yōu)異性能在t-HVDC上應(yīng)用顯然是一個(gè)好的選擇。由于主變壓器選用優(yōu)質(zhì)取向電工鋼等措施，系統(tǒng)空載時(shí)僅有極小的空載損耗，高效率的最佳運(yùn)行段很長(zhǎng)，這些都為節(jié)能和降低系統(tǒng)運(yùn)行成本留出了空間。有圖6可以看出，負(fù)載超過(guò)10%后，整個(gè)系統(tǒng)效率都是在很高的位置上就說(shuō)明了系統(tǒng)空載損耗的低下。由于數(shù)據(jù)中心是耗能大戶，高效率就有了高效益和相應(yīng)的環(huán)保社會(huì)效益。

圖7 500A輸出條件下輸入波形圖

4.仿真和實(shí)測(cè)分析

4.1 輸入電流仿真

輸入電壓200V輸出電流312A輸入電流波形圖424階梯波其包絡(luò)線為正弦波，圖5諧波含量THD=7.6，這和理論計(jì)算相吻合的，由于仿真是在理想環(huán)境下模擬，實(shí)際上，我們送檢的240V/1200A的t-HVDC系統(tǒng)的實(shí)測(cè)由于變壓器的漏感和上級(jí)電源的系統(tǒng)分布電感的影響，實(shí)際上的THD參數(shù)要好于沒(méi)有考慮分布輸入側(cè)電感參數(shù)仿真值，由表（4）、表（5）和表（6）的測(cè)試數(shù)據(jù)和圖7可以說(shuō)明。效率這一塊由于仿真忽略了整流橋的二極管體電阻，數(shù)據(jù)要比實(shí)測(cè)高了1個(gè)多百分點(diǎn)。

表4 電流諧波成份

項(xiàng)目 技術(shù)要求

電流諧波成份（100%負(fù)載） ≤3%

電流諧波成份（50%負(fù)載） ≤4%

電流諧波成份（30%負(fù)載） ≤5%

4.2 1200A t-HVDC系統(tǒng)送檢的部分實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)值

4.2.1 系統(tǒng)輸入電流諧波成份（見(jiàn)表4）

4.2.2 系統(tǒng)輸入功率因數(shù)（見(jiàn)表5）

表5 功率因數(shù)

項(xiàng)目 技術(shù)要求

輸入功率因數(shù)（100%負(fù)載） ≥0.99

輸入功率因數(shù)（50%負(fù)載） ≥0.99

輸入功率因數(shù)（30%負(fù)載） ≥0.99

4.2.3 系統(tǒng)效率（見(jiàn)表6）

表6 效率

項(xiàng)目 技術(shù)要求

效率（100%負(fù)載） ≥96.5%

效率（50%負(fù)載） ≥96.5%

效率（30%負(fù)載） ≥96.5%

5.結(jié)語(yǔ)

24脈整流技術(shù)目前在城市軌交、高鐵等大功率整流裝置上已有大量實(shí)際應(yīng)用，由于數(shù)據(jù)機(jī)房大力推廣使用HVDC供電體制，采用24脈整流技術(shù)的t-HVDC系統(tǒng)，在電源系統(tǒng)要求高可靠、可維護(hù)和節(jié)能的強(qiáng)烈訴求下，如此優(yōu)異的系統(tǒng)應(yīng)用于t-HVDC是正當(dāng)其時(shí)。t-HVDC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)清晰簡(jiǎn)單，維護(hù)量極少;檢修難度較低和維修需時(shí)少和維護(hù)從業(yè)人員要求低的特點(diǎn)，系統(tǒng)發(fā)熱量少噪音小（≤46dB），特別好的抗過(guò)載能力及電池組維護(hù)的自動(dòng)化配置，這些都為應(yīng)用于數(shù)據(jù)機(jī)房提供了契機(jī)。

參考文獻(xiàn)

[1]高曉暉，等.帶均衡電抗器12脈波變壓整流器仿真模型的研究[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2006（7）：1976-1979.

[2]白麗娜.多脈沖整流系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].北京：中國(guó)石油大學(xué).

[3]YD T2378-2011通信用240V直流供電系統(tǒng).

作者簡(jiǎn)介：張建國(guó)（1961—），男，上海人，深圳市振華微電子有限公司資深工程師，從事通訊行業(yè)工作，主要研究方向：高壓直流供電系統(tǒng)及系統(tǒng)設(shè)備不間斷綜合供電系統(tǒng)。